可分解納米結(jié)構(gòu)混合物在完井工具中的應(yīng)用

郭福廣

摘 要：部分完井工具如壓裂球、球座、橋塞等，在其功能實現(xiàn)后留在井內(nèi)會影響油氣井的產(chǎn)能。為此，BakerHughes公司研制了一種可分解納米結(jié)構(gòu)混合物（DNC）。該材料具有低密度、高強度、分解速率可控和低成本的特點，已用于制備完井工具。基于此，本文主要對可分解納米結(jié)構(gòu)混合物在完井工具中的應(yīng)用進行分析探討。

關(guān)鍵詞：可分解；納米結(jié)構(gòu)混合物；完井工具；應(yīng)用

1、前言

DNC主要由基質(zhì)和增強組分組成。基質(zhì)一般選取低密度、高強度和低電勢的材料。低密度金屬有鈹、鎂和鋁，其他較重金屬可采用中空結(jié)構(gòu)滿足低密度要求。增強組分可選取陶瓷、部分氧化物、氮化物。另外，部分金屬材料如鎳、鋁、鎂、鈷、鐵、鋅和錳等既能同特定金屬基質(zhì)形成固溶體或金屬間化合物，提高其強度，又能與金屬基質(zhì)產(chǎn)生較高電勢差，加速腐蝕。DNC的抗壓強度高達830MPa，腐蝕速率高達430mg/（cm2·h）（3%KCl溶液，65℃），可在82h內(nèi)完成分解。該材料還展現(xiàn)出超強韌性，破裂伸長率為8%～12%，密度為1.5～2.0g/cm3。用DNC材料制成的壓裂球已在多級壓裂作業(yè)中大量應(yīng)用，取得了很好的效果。

2、可降解納米復(fù)合材料

可降解納米復(fù)合材料（DNC）由貝克休斯公司研發(fā)，具有低密度、高強度、降解速率可控和低成本的特點。DNC主要由活性金屬基質(zhì)和增強部分組成，采用粉末冶金工藝固化活性金屬粉末，并在表面覆蓋金屬或陶瓷增強部分。基質(zhì)一般選取低密度、高強度和低電極勢的材料。低密度金屬有鈹（密度1.84g/cm3）、鎂（密度1.74g/cm3）和鋁（密度2.60g/cm3），其他較重金屬可采用空心球結(jié)構(gòu)以滿足低密度要求。增強組分可選取陶瓷、部分氧化物和氮化物。DNC的部分金屬材料如鎳、鋁、鎂、鈷、鐵、鋅和錳等既能與特定金屬基質(zhì)形成固溶體或金屬間化合物，提高其強度，又能與金屬基質(zhì)產(chǎn)生較高電極勢，加速腐蝕。DNC的密度為1.50～2.00g/cm3，抗壓強度高達830MPa；另外，該材料還具有超強韌性，破裂伸長率為8%～12%。DNC在不同流體中的降解速率不同，其在幾種典型流體中的降解速率測試結(jié)果見圖1。

貝克休斯公司已開始應(yīng)用該材料制備完井工具，目前已開發(fā)了IN-Tallic壓裂球和智能氣舉閥。

2.1IN-Tallic壓裂球

IN-Tallic壓裂球在壓裂過程中可保持壓力，遇到產(chǎn)出液時可延時降解，從而可提供大孔徑通道，實現(xiàn)最大產(chǎn)液量。

截至2014年8月，共有3萬多個IN-Tallic壓裂球在Bakken、Niobrara、Marcellus、Utica、Haynesville、GraniteWash、Wood-ford、Wolfberry、BoneSprings和EagleFord等致密地層多級壓裂作業(yè)中得到了應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

2.2智能氣舉閥

在美國、泰國灣、亞太及世界其他地區(qū)，為提高產(chǎn)能，人工舉升成為必要的作業(yè)手段。由于壓力、流體類型及產(chǎn)能的變化，注氣的理想深度也相應(yīng)變化。為確保最佳產(chǎn)能，氣舉閥系統(tǒng)通常包含多個氣舉閥。4閥氣舉系統(tǒng)如圖2a所示，1個Live氣舉閥如圖2b所示。氣體從油套環(huán)空注入，Live氣舉閥的開啟和關(guān)閉依賴于油管和套管壓力，可使氣體進入油管，油管中的流體因此被舉升至地面。系統(tǒng)中的氣舉閥修理和更換需要鋼絲繩干預(yù)作業(yè)，無需起下管柱。

氣舉閥系統(tǒng)安裝完成后，需要坐封封隔器啟動隔離裝置或注水泥對管柱或環(huán)空進行試壓。但Live氣舉閥承壓能力低，試壓過程中壓力逆轉(zhuǎn)或注水泥會對其造成傷害，從而導(dǎo)致完井作業(yè)失敗。為了避免出現(xiàn)這種情況，常規(guī)做法是事先下入承壓能力高的Dummy氣舉閥進行試壓，試壓完后，用Live氣舉閥更換Dummy氣舉閥進行氣舉作業(yè)。但是更換氣舉閥需要鋼絲繩多次起下干預(yù)作業(yè)，延長了作業(yè)時間。

為了解決上述問題，應(yīng)用可降解納米復(fù)合材料研發(fā)了智能氣舉閥，該氣舉閥的主要特點是鼻狀部分裝有可降解塞，該降解塞取代了標(biāo)準(zhǔn)氣舉閥中的2個鼻狀孔眼，并且設(shè)計有逆流單向鏢。智能氣舉閥的主要優(yōu)點是無需鋼絲繩干預(yù)作業(yè)，節(jié)省了作業(yè)時間，消除了HSE風(fēng)險。試壓階段智能氣舉閥作為Dummy閥使用，之后可降解塞在鹽水中降解（12～50h），臨時Dummy閥變?yōu)長ive閥進行氣舉施工。截至2014年10月，在油田施工現(xiàn)場已安裝了1000多個智能氣舉閥，取得了良好的應(yīng)用效果。

3、高強度可降解復(fù)合材料

2014年12月，中石化勝利石油工程有限公司石油完井研究所（以下簡稱完井所）主導(dǎo)研發(fā)的高強度可降解復(fù)合材料試驗成功。該材料可以在含有電解質(zhì)的水中降解，不溶于油類介質(zhì)，其密度介于1.50～1.80g/cm3之間，工作溫度最高可達200℃，滿足非常規(guī)油氣井作業(yè)要求。該材料的降解速度與其使用溫度和結(jié)構(gòu)特點有關(guān)，在溫度為60℃的鈉鹽、鈣鹽、鎂鹽和氯化鉀水溶液中，48h降解率為16.7%，96h降解率為41.7%，且反應(yīng)速度隨溫度升高而加快。另外，材料表面可以噴涂0.05mm厚的溫度控制膜，以滿足不同溫度條件下的應(yīng)用要求。

如果將該材料應(yīng)用于石油完井工程領(lǐng)域，將對該領(lǐng)域的工具改進以及工藝簡化起到至關(guān)重要的作用，因此應(yīng)用前景十分廣闊。目前，完井所科研人員正在繼續(xù)攻關(guān)，以期將該種材料應(yīng)用于壓裂工具以及其他完井工具的優(yōu)化改進，爭取盡快投入現(xiàn)場應(yīng)用。

4、發(fā)展趨勢

4.1可降解球座

目前的球座存在內(nèi)徑小、下部施工尺寸和工具尺寸受到限制和鉆磨難度大等施工難題，而可降解材料制成的球座可用于油套管壓力測試、封隔器坐封和壓裂滑套。以壓裂滑套為例，壓裂滑套先于壓裂球（同一尺寸）下至井內(nèi)，對于球和球座可設(shè)定不同的降解速率，實現(xiàn)同時完全降解，為后續(xù)作業(yè)提供全通徑通道。

4.2可降解射孔槍

目前的射孔彈包括小孔徑深穿透、大孔徑淺穿透和大孔徑深穿透3種類型，與前2種射孔彈相比，大孔徑深穿透射孔彈爆炸后產(chǎn)生的較多碎屑滯留在孔眼中會堵塞孔隙，從而嚴重影響產(chǎn)能。應(yīng)用可降解材料研制藥型罩等射孔槍組件，產(chǎn)生的碎屑在射孔孔眼中遇水基液體即可完全降解，避免孔隙堵塞風(fēng)險。

4.3可降解錨定工具

卡瓦是封隔器、橋塞和水力錨等錨定工具的關(guān)鍵部件，必要時需要鉆磨，但時間長、卡鉆風(fēng)險大。應(yīng)用高強度可降解材料研制錨定工具卡瓦可延遲降解，解決鉆磨難題。

4.4可降解壓裂套管

套管水平井多級分段壓裂需要多次干預(yù)作業(yè)，如逐級射孔或開啟固井滑套，則極大地降低了施工效率。若將套管在地面預(yù)射孔，用高強度可降解材料制成塞安裝在孔中，則固井過程中可作為流體流失的屏障，可降解塞遇鹽水延遲降解后露出孔眼即可進行壓裂施工。

5、結(jié)束語

近年來，可降解材料已用于壓裂球和氣舉閥，滿足了施工需求，避免了各種復(fù)雜事故，提高了作業(yè)效率，降低了成本，確保了人身安全。為解決深井、超深井及非常規(guī)儲藏開發(fā)完井作業(yè)難題，解決完井作業(yè)的各個階段存在的技術(shù)瓶頸，可降解完井工具的研發(fā)勢在必行。同時，可降解完井工具也是未來完井工具發(fā)展的主要方向。

參考文獻

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[2]曹建寶.可降解聚合物及其在油田中的應(yīng)用[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，12（3）：79-82.

（作者單位：中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部完井中心）