可溶材料在井下工具中的应用现状与发展前景

尹 强， 刘 辉， 喻成刚， 邓友超， 李 奎， 江 源

(中国石油西南油气田公司工程技术研究院)

随着现代材料科学的不断进步，生物医学、航空航天及石油工业等领域的装备制造技术发生了重大变革，就石油工具而言，材料科学催生其向着信息化、智能化、精细化方向发展，其中可溶材料在井下工具中的成功应用就是该发展方向的重要体现[1-5]。

可溶材料是一种在特定环境中，通过物理化学反应或生物同化作用在一定时间内可实现自行降解、甚至完全消失的多相复合材料，主要包括可溶金属材料和可溶高分子材料。以镁合金为代表的可溶金属材料具有稳定的力学特性和良好的机械加工性能。可溶高分子材料是一种绿色、轻质的生物聚合物，其生物降解特性在环保方面具有独特优势[6-7]。

可溶材料与工具设计制造的有机结合是实现井下工具无干预作业、保证最优后续作业条件的有效途径，目前在水平井分段压裂改造、排水采气等领域已有研发产品并成功开展了现场应用。未来，可溶材料将应用到更多的井下工具中，不仅可以有效提高作业效率，控制成本投入，也可降低施工风险，确保人身安全，进而产生更大的经济效益和社会效益，应用前景十分广阔[8-9]。

一、可溶材料的性能特点及溶解机理

镁铝合金可溶材料由于密度小，比强度高，具有较好的机械加工性能，能够承受较大的冲击载荷，同时其化学活性高，稳定性差，在潮湿环境中及氯根存在的条件下极易发生腐蚀；以聚乙醇酸为代表的高分子可溶材料经过调制优化后具有接近于镁铝合金的强度和力学性能，在液体环境中及一定温度条件下发生水解反应，最终降解为二氧化碳和水。

镁铝合金可溶材料以镁成分为主，当镁及其合金受到含水介质的腐蚀时，腐蚀过程以金属与水的电化学反应方式进行[10]。

含水介质中氯离子半径很小，自身提高了溶液的导电性，从而促进了电化学反应，加速了镁及其合金的腐蚀溶解。

聚乙醇酸(PGA)又称聚羟基乙酸或聚乙交酯，是聚羟基脂肪酸酯中最简单的线性聚酯，其降解从化学角度看存在三种机制：①疏水性聚合物通过主链上不稳定键的水解变成低分子量的水溶性分子；②不溶于水的聚合物通过侧链基团的水解、离子化或质子化变成水溶性聚合物；③不溶于水的聚合物通过水解将不稳定的交联链变成可溶于水的线型聚合物。聚乙醇酸的生物降解过程是间接的，是通过主链上不稳定的C-O键水解而成低聚物，然后再进一步降解为CO2和H2O[11]。

二、可溶材料在井下工具中的应用现状

1.可溶性球

可溶性球是一种用可溶材料制成的隔离用堵球，可与压裂桥塞、滑套球座等井下工具配套使用，作业时提供可靠的隔离效果，作业后自行溶解消失，无需后续干预作业，保证井筒过流通道。目前，国内外可溶球技术已经比较成熟，形成的系列可溶球不仅适用于多种井下环境，也可与不同的完井工艺相结合，工具工作性能稳定，溶解速率可调可控。

斯伦贝谢Frac-Ball可溶性球(见图1)是一种铝基合金压裂球，密度为2.6 g/cm3左右，其溶解速率主要受井内浸泡液体温度影响。例如在水基流体或瓜胶凝胶体系环境中、温度120℃条件下，承受70 MPa压差，稳压至少可达8 h，3～5 d后可实现完全溶解。

图1 斯伦贝谢Frac-Ball可溶性铝基合金压裂球示意图

哈里伯顿RapidBall-DP可溶性球(见图2)是一种适用于酸性环境的可溶性高分子压裂球，其溶解速率仅与地层流体温度有关，与流体类型等其他因素无关。在水平井分段改造时，压差70 MPa条件下，最多可分20级。

图2 哈里伯顿RapidBall-DP可溶性球示意图

2.可溶性桥塞

可溶性桥塞是一种具有创造性价值和革命性意义的新型井筒临时封隔类工具，集常规可钻复合桥塞和大通径桥塞优点于一体[12]，主要应用于页岩气等非常规气藏的分层改造，压裂施工时提供可靠的层间封隔，施工结束后可在地层返排液环境中自行溶解，无需井筒干预作业，实现井筒全通径投产。

贝克休斯SPECTRE可溶桥塞(图3)是一种金属复合材料桥塞，桥塞本体由高强度的电解纳米金属材料(CEM)制成，密封胶筒材质为特殊聚氨酯，锚定卡瓦采用镍基合金涂层技术(涂层厚度0.25～0.38 mm)，压裂时强度稳定，暴露于返排液后溶解性能优良，溶解速率受返排液盐度和温度影响。桥塞溶解后本体完全消失，胶筒和卡瓦涂层呈细小碎片，可返排出井筒。

图3 贝克休斯SPECTRE全可溶桥塞示意图

哈里伯顿Illusion可溶桥塞(图4)主要由合金本体、密封胶筒及合金载体嵌入陶瓷粒卡瓦组成。合金本体及合金载体均由可溶性金属材料制成，密封胶筒由可溶性橡胶制成，合金载体嵌入陶瓷粒作为桥塞的锚定卡瓦，单粒柱状陶瓷规格为Ø9.7×6.9 mm，总共72颗，合金载体溶解后，陶瓷粒留在井内，由于体积非常小，不会对后续生产造成影响。桥塞座封后双向可承压差70 MPa，经试验测试，当井内温度为200℉、KCl浓度为3%时，桥塞整体全部溶解时间约为17 d。

图4 哈里伯顿Illusion系列可溶桥塞溶解示意图

Magnum公司MVP可溶桥塞是一种高分子复合材料桥塞，桥塞由基体、锚定机构及密封件组成。桥塞下锥体、卡瓦载体、上挡环(图5中黑色部分)为可溶性镁铝合金材料，其溶解速率与环境温度和浸泡流体含盐浓度有关；锚定机构为可溶载体镶嵌小卡瓦粒，载体溶解后小卡瓦粒可用强磁工具捞出；密封件为可溶性胶筒，是一种不可逆材料，溶解后经液体冲击呈碎粒状，易返排。MVP可溶桥塞溶解速率只与温度相关，高分子本体与胶筒溶解速率相差不大，在井内90℃温度条件下完全溶解约需10 d，溶解过程不会产生有毒有害的气体。

图5 Magnum公司MVP系列可溶桥塞示意图

3.可溶性套管球座

为了达到压裂后井筒全通径投产效果，斯伦贝谢公司研发了Infinity可溶性套管球座技术，该项技术是将球座定位筒作为套管的一部分预先下入井内，后通过座封工具携带Infinity可溶性球座(图6)入井并座封在预置的定位筒上，射孔后投放可溶球入座，分隔下部产层并完成压裂施工。

Infinity可溶性套管球座99.7%的结构由可溶解合金材料组成，压裂时可承压差55 MPa，极端工况下工作时间不低于24 h，施工结束后依靠井内返排液便可实现全部溶解，溶解速率与流体类型和温度呈函数关系，球与球座溶解后井筒保持全通径，为后期生产测井和采修作业提供了条件。

图6 斯伦贝谢Infinity可溶性套管球座示意图

三、可溶材料在井下工具中的发展前景

1.可溶性滑套球座

目前，国内外水平井分段压裂改造技术主要采用封隔器+投球滑套或套管固井+投球滑套方式，投球滑套主要由外滑套、内滑套及球座构成，采用级差式设计进行分段。施工前投球滑套随分段管柱下入井内，压裂时逐级投入密封球，球入座后憋压至设定值剪断销钉，打开滑套并逐级完成压裂改造作业。施工结束后，密封球脱离球座随地层流体返排出井筒，建立生产通道。受球座内通径影响，生产通道往往较小，且滑套分级越多，生产通道越小，后期生产、测井及其他井下作业极其受限。如果采用连续油管或小油管将球座钻掉，则钻磨过程风险大、施工周期长[13]。鉴于此，可基于可溶性材料设计制造出可溶性滑套球座，与可溶性球配套使用，并根据不同井下工况条件，通过优化滑套内部结构、改良材料溶解机理、调控材料溶解速率、融合表面处理技术，使工具满足作业时工作性能稳定，作业后完全溶解达到全通径井筒，为后续作业创造有利条件。

2.可溶性流道堵塞物

2.1 固井滑套可溶性堵塞物

固井滑套是一种随套管下入井内，注水泥固井后靠投球憋压剪断销钉方式开启或直接憋压激发破裂盘方式开启的完井类工具，广泛应用于水平井分段压裂改造工艺。在现场施工中，由于注入水泥堵塞内滑套移动面或滑套过液流道，常出现滑套无法开启或开启后压降不明显等问题[14]。应用可溶性材料研制出内滑套移动面或滑套过液流道堵塞物，水泥凝固前将滑套关键部件与水泥浆有效隔离，水泥凝固后靠地层温度和流体条件实现完全溶解，彻底消除水泥堵塞的影响。

2.2 筛管孔眼可溶性堵塞球

为了建立页岩气水平井分段改造第一段过流通道，往往需要下入连续油管射孔，施工过程繁琐、时效性差，因此可以研发出一种利用可溶性球暂堵孔眼、套管试压结束后可自行溶解的筛管工具。目前，具有可溶性的复合粒径暂堵球已被用于页岩气水平井套管变形段射孔孔眼的暂堵转向压裂工艺，是作为一种井下复杂情况处理和应急补救方案，工作性能无法准确掌握。筛管孔眼可溶性堵塞球可用高强度可溶材料制成，与高级别密封圈配合达到套管高压试压要求，之后通过与地层流体接触实现完全溶解，溶解速率根据井况条件可调可控，溶解后暴露出筛孔孔眼可进行第一段压裂。

3.可溶性油管堵塞器

油管堵塞器是一种不压井作业用油管内部防喷工具，管柱下入前将堵塞器卡定坐封在底部油管内，待油管全部入井后憋压打掉堵塞器建立生产通道，堵塞器打掉后永久留在井底，给后期生产作业埋下隐患[15]。将可溶性材料特性应用到油管堵塞器中，堵塞器打掉后掉入井底，浸泡在井液中逐渐溶解，彻底消除井下隐患。对于类似作业后会留下残留物的井下工具均可考虑与可溶性材料相结合。

4.可溶性井眼换向导向器

井眼换向导向器是一种油气井套管开窗侧钻辅助工具，利用转盘或井下动力钻具驱动开窗工具沿着导向器斜面方向将套管磨铣开出窗点，然后从所开窗口向套管外钻出新井眼。钻井作业结束后，利用打捞工具捞出导向器或将其推至井底，实现多井眼同时开采。导向器的打捞或下推处理需要花费较长时间，容易造成井下复杂[16]。然而，如果将其制作成可溶性的井眼换向导向器，侧钻结束后通过在完井液中添加特殊溶液可实现导向器的溶解，达到无需干预作业条件下的多层多段合采。

5.可溶胶筒裸眼封隔器

裸眼封隔器是一种水平井分段酸化压裂配套工具，在油气井裸眼段膨胀坐封达到分层分段效果，具有一套应用非常成熟的工具系列。部分油气井由于完井方式或开采制度的影响，经过一段时间生产后井下出现复杂，需要通过修井作业来恢复油气井正常生产[17]。而针对裸眼封隔器完井的修井技术尚处于初级阶段，坐封后的封隔器需要将其胶筒套铣后通过打捞的处理方式才能取出，费用高昂、工艺复杂，风险极大。将裸眼封隔器胶筒制作成可溶性密封材料，坐封后保证封隔器的密封性能，当需要修井作业时通过干预措施可将其完全溶解，去除管柱卡点，提高修井作业质量。

基于可溶材料研发的井下工具可有效解决临时封堵类工具需要后期干预措施、长期生产类工具二次作业困难等问题，加大新型可溶性材料攻关力度，扩大其在井下工具中的应用范围，将是油气田开发领域一次改革性的飞越，对于控制开发成本、提高作业时效、降低操作风险具有重要意义。

四、结论与认识

(1)可溶材料在井下工具中的成功应用体现了未来石油工具将向着信息化、智能化和精细化方向发展，利用高强度可溶性材料设计制造的井下工具工作性能稳定、溶解性能可靠，既能够适应现场各种工况的要求，也为解决诸多井下复杂提供了新的技术手段，节约了施工时间，提高了作业效率。

(2)随着油气资源开发难度的不断增加及各类井下复杂情况的频频发生，研发出适应不同井筒条件的可溶性井下工具势在必行，目前国内在可溶材料研究方面还处于初步探索阶段，要想打破国外垄断、掌握核心技术，必须加快科技攻关步伐，加大研发投入力度。