可分解納米結構混合物在完井工具中的應用

郭福廣

摘 要：部分完井工具如壓裂球、球座、橋塞等，在其功能實現后留在井內會影響油氣井的產能。為此，BakerHughes公司研制了一種可分解納米結構混合物（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構混合物在完井工具中的應用進行分析探討。

關鍵詞：可分解；納米結構混合物；完井工具；應用

1、前言

DNC主要由基質和增強組分組成。基質一般選取低密度、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構滿足低密度要求。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形成固溶體或金屬間化合物，提高其強度，又能與金屬基質產生較高電勢差，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內完成分解。該材料還展現出超強韌性，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中大量應用，取得了很好的效果。

2、可降解納米復合材料

可降解納米復合材料（DNC）由貝克休斯公司研發，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構以滿足低密度要求。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形成固溶體或金屬間化合物，提高其強度，又能與金屬基質產生較高電極勢，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果見圖1。

貝克休斯公司已開始應用該材料制備完井工具，目前已開發了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，遇到產出液時可延時降解，從而可提供大孔徑通道，實現最大產液量。

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中得到了應用，取得了良好的應用效果。

2.2智能氣舉閥

在美國、泰國灣、亞太及世界其他地區，為提高產能，人工舉升成為必要的作業手段。由于壓力、流體類型及產能的變化，注氣的理想深度也相應變化。為確保最佳產能，氣舉閥系統通常包含多個氣舉閥。4閥氣舉系統如圖2a所示，1個Live氣舉閥如圖2b所示。氣體從油套環空注入，Live氣舉閥的開啟和關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。系統中的氣舉閥修理和更換需要鋼絲繩干預作業，無需起下管柱。

氣舉閥系統安裝完成后，需要坐封封隔器啟動隔離裝置或注水泥對管柱或環空進行試壓。但Live氣舉閥承壓能力低，試壓過程中壓力逆轉或注水泥會對其造成傷害，從而導致完井作業失敗。為了避免出現這種情況，常規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。但是更換氣舉閥需要鋼絲繩多次起下干預作業，延長了作業時間。

為了解決上述問題，應用可降解納米復合材料研發了智能氣舉閥，該氣舉閥的主要特點是鼻狀部分裝有可降解塞，該降解塞取代了標準氣舉閥中的2個鼻狀孔眼，并且設計有逆流單向鏢。智能氣舉閥的主要優點是無需鋼絲繩干預作業，節省了作業時間，消除了HSE風險。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閥變為Live閥進行氣舉施工。截至2014年10月，在油田施工現場已安裝了1000多個智能氣舉閥，取得了良好的應用效果。

3、高強度可降解復合材料

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）主導研發的高強度可降解復合材料試驗成功。該材料可以在含有電解質的水中降解，不溶于油類介質，其密度介于1.50～1.80g/cm3之間，工作溫度最高可達200℃，滿足非常規油氣井作業要求。該材料的降解速度與其使用溫度和結構特點有關，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用要求。

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

4、發展趨勢

4.1可降解球座

目前的球座存在內徑小、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，對于球和球座可設定不同的降解速率，實現同時完全降解，為后續作業提供全通徑通道。

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生的較多碎屑滯留在孔眼中會堵塞孔隙，從而嚴重影響產能。應用可降解材料研制藥型罩等射孔槍組件，產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鍵部件，必要時需要鉆磨，但時間長、卡鉆風險大。應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作業，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，避免了各種復雜事故，提高了作業效率，降低了成本，確保了人身安全。為解決深井、超深井及非常規儲藏開發完井作業難題，解決完井作業的各個階段存在的技術瓶頸，可降解完井工具的研發勢在必行。同時，可降解完井工具也是未來完井工具發展的主要方向。

參考文獻

[1]鄭玉峰，顧雪楠，李楠，等.生物可降解鎂合金的發展現狀與展望[J].中國材料進展，2011，30（4）：30-43.

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

（作者單位：中海油服油田生產事業部完井中心）