可分解纳米结构混合物在完井工具中的应用

郭福广

摘 要：部分完井工具如压裂球、球座、桥塞等，在其功能实现后留在井内会影响油气井的产能。为此，BakerHughes公司研制了一种可分解纳米结构混合物（DNC）。该材料具有低密度、高强度、分解速率可控和低成本的特点，已用于制备完井工具。基于此，本文主要对可分解纳米结构混合物在完井工具中的应用进行分析探讨。

关键词：可分解；纳米结构混合物；完井工具；应用

1、前言

DNC主要由基质和增强组分组成。基质一般选取低密度、高强度和低电势的材料。低密度金属有铍、镁和铝，其他较重金属可采用中空结构满足低密度要求。增强组分可选取陶瓷、部分氧化物、氮化物。另外，部分金属材料如镍、铝、镁、钴、铁、锌和锰等既能同特定金属基质形成固溶体或金属间化合物，提高其强度，又能与金属基质产生较高电势差，加速腐蚀。DNC的抗压强度高达830MPa，腐蚀速率高达430mg/（cm2·h）（3%KCl溶液，65℃），可在82h内完成分解。该材料还展现出超强韧性，破裂伸长率为8%～12%，密度为1.5～2.0g/cm3。用DNC材料制成的压裂球已在多级压裂作业中大量应用，取得了很好的效果。

2、可降解纳米复合材料

可降解纳米复合材料（DNC）由贝克休斯公司研发，具有低密度、高强度、降解速率可控和低成本的特点。DNC主要由活性金属基质和增强部分组成，采用粉末冶金工艺固化活性金属粉末，并在表面覆盖金属或陶瓷增强部分。基质一般选取低密度、高强度和低电极势的材料。低密度金属有铍（密度1.84g/cm3）、镁（密度1.74g/cm3）和铝（密度2.60g/cm3），其他较重金属可采用空心球结构以满足低密度要求。增强组分可选取陶瓷、部分氧化物和氮化物。DNC的部分金属材料如镍、铝、镁、钴、铁、锌和锰等既能与特定金属基质形成固溶体或金属间化合物，提高其强度，又能與金属基质产生较高电极势，加速腐蚀。DNC的密度为1.50～2.00g/cm3，抗压强度高达830MPa；另外，该材料还具有超强韧性，破裂伸长率为8%～12%。DNC在不同流体中的降解速率不同，其在几种典型流体中的降解速率测试结果见图1。

贝克休斯公司已开始应用该材料制备完井工具，目前已开发了IN-Tallic压裂球和智能气举阀。

2.1IN-Tallic压裂球

IN-Tallic压裂球在压裂过程中可保持压力，遇到产出液时可延时降解，从而可提供大孔径通道，实现最大产液量。

截至2014年8月，共有3万多个IN-Tallic压裂球在Bakken、Niobrara、Marcellus、Utica、Haynesville、GraniteWash、Wood-ford、Wolfberry、BoneSprings和EagleFord等致密地层多级压裂作业中得到了应用，取得了良好的应用效果。

2.2智能气举阀

在美国、泰国湾、亚太及世界其他地区，为提高产能，人工举升成为必要的作业手段。由于压力、流体类型及产能的变化，注气的理想深度也相应变化。为确保最佳产能，气举阀系统通常包含多个气举阀。4阀气举系统如图2a所示，1个Live气举阀如图2b所示。气体从油套环空注入，Live气举阀的开启和关闭依赖于油管和套管压力，可使气体进入油管，油管中的流体因此被举升至地面。系统中的气举阀修理和更换需要钢丝绳干预作业，无需起下管柱。

气举阀系统安装完成后，需要坐封封隔器启动隔离装置或注水泥对管柱或环空进行试压。但Live气举阀承压能力低，试压过程中压力逆转或注水泥会对其造成伤害，从而导致完井作业失败。为了避免出现这种情况，常规做法是事先下入承压能力高的Dummy气举阀进行试压，试压完后，用Live气举阀更换Dummy气举阀进行气举作业。但是更换气举阀需要钢丝绳多次起下干预作业，延长了作业时间。

为了解决上述问题，应用可降解纳米复合材料研发了智能气举阀，该气举阀的主要特点是鼻状部分装有可降解塞，该降解塞取代了标准气举阀中的2个鼻状孔眼，并且设计有逆流单向镖。智能气举阀的主要优点是无需钢丝绳干预作业，节省了作业时间，消除了HSE风险。试压阶段智能气举阀作为Dummy阀使用，之后可降解塞在盐水中降解（12～50h），临时Dummy阀变为Live阀进行气举施工。截至2014年10月，在油田施工现场已安装了1000多个智能气举阀，取得了良好的应用效果。

3、高强度可降解复合材料

2014年12月，中石化胜利石油工程有限公司石油完井研究所（以下简称完井所）主导研发的高强度可降解复合材料试验成功。该材料可以在含有电解质的水中降解，不溶于油类介质，其密度介于1.50～1.80g/cm3之间，工作温度最高可达200℃，满足非常规油气井作业要求。该材料的降解速度与其使用温度和结构特点有关，在温度为60℃的钠盐、钙盐、镁盐和氯化钾水溶液中，48h降解率为16.7%，96h降解率为41.7%，且反应速度随温度升高而加快。另外，材料表面可以喷涂0.05mm厚的温度控制膜，以满足不同温度条件下的应用要求。

如果将该材料应用于石油完井工程领域，将对该领域的工具改进以及工艺简化起到至关重要的作用，因此应用前景十分广阔。目前，完井所科研人员正在继续攻关，以期将该种材料应用于压裂工具以及其他完井工具的优化改进，争取尽快投入现场应用。

4、发展趋势

4.1可降解球座

目前的球座存在内径小、下部施工尺寸和工具尺寸受到限制和钻磨难度大等施工难题，而可降解材料制成的球座可用于油套管压力测试、封隔器坐封和压裂滑套。以压裂滑套为例，压裂滑套先于压裂球（同一尺寸）下至井内，对于球和球座可设定不同的降解速率，实现同时完全降解，为后续作业提供全通径通道。

4.2可降解射孔枪

目前的射孔弹包括小孔径深穿透、大孔径浅穿透和大孔径深穿透3种类型，与前2种射孔弹相比，大孔径深穿透射孔弹爆炸后产生的较多碎屑滞留在孔眼中会堵塞孔隙，从而严重影响产能。应用可降解材料研制药型罩等射孔枪组件，产生的碎屑在射孔孔眼中遇水基液体即可完全降解，避免孔隙堵塞风险。

4.3可降解锚定工具

卡瓦是封隔器、桥塞和水力锚等锚定工具的关键部件，必要时需要钻磨，但时间长、卡钻风险大。应用高强度可降解材料研制锚定工具卡瓦可延迟降解，解决钻磨难题。

4.4可降解压裂套管

套管水平井多级分段压裂需要多次干预作业，如逐级射孔或开启固井滑套，则极大地降低了施工效率。若将套管在地面预射孔，用高强度可降解材料制成塞安装在孔中，则固井过程中可作为流体流失的屏障，可降解塞遇盐水延迟降解后露出孔眼即可进行压裂施工。

5、结束语

近年来，可降解材料已用于压裂球和气举阀，满足了施工需求，避免了各种复杂事故，提高了作业效率，降低了成本，确保了人身安全。为解决深井、超深井及非常规储藏开发完井作业难题，解决完井作业的各个阶段存在的技术瓶颈，可降解完井工具的研发势在必行。同时，可降解完井工具也是未来完井工具发展的主要方向。

参考文献

[1]郑玉峰，顾雪楠，李楠，等.生物可降解镁合金的发展现状与展望[J].中国材料进展，2011，30（4）：30-43.

[2]曹建宝.可降解聚合物及其在油田中的应用[J].重庆科技学院学报：自然科学版，2010，12（3）：79-82.

（作者单位：中海油服油田生产事业部完井中心）