0 引言

可溶复合金属材料在油气开发工程中的应用是近几年发展起来的新技术^[1-2]。可溶复合金属材料制作的井下工具因具有密度小、强度高、耐高温、可自行分解变小甚至完全溶解等特点逐渐被重视。可溶高强度复合材料主要为镁铝合金，通过将镁铝粉末经过一定比例混合并压制成型、烧结定型、热处理、氢还原包覆处理等一系列工序^[3-6]，可以制造出符合不同工艺的镁铝合金结构件或工具。镁铝合金结构件或工具下入到井中，在一定温度下与井筒或者地层中的Cl^-发生电化学反应后逐渐溶解。

目前可溶高强度复合材料结构件或工具主要应用在油气井完井工艺储层改造作业中，如分段酸化、压裂作业，形成了可溶压裂球、可溶压裂球座或可溶压裂桥塞等多种工具^[7-10]，旨在解决常规分段酸化、压裂作业过程中憋压球无法顺利返排、生产通径小、压后需钻塞等工序复杂、施工时间长的问题。笔者在总结上述几种工具用途、特点等基础上，结合油气井完井工艺涉及的作业领域，拓展了复合材料结构件或工具在完井工艺中的应用范围，如在射孔自动丢枪和防砂堵、完井管柱安全与承压作业中应用等，目的是解决常规射孔作业中出现的无法丢枪、砂堵传压通道、高压油气井完井过程中封隔器坐封工艺复杂、存在安全隐患等问题。笔者在此提出并设计了相关的具有自主知识产权的装置及工具，介绍了装置及工具的用途、特点和结构。研究结果可在扩展可溶复合材料的应用方面提供借鉴。

1 目前应用情况

可溶复合金属材料目前主要应用在储层改造的压裂作业方面。压裂用可溶复合金属材料井下工具包括可溶压裂球、可溶压裂球座、可溶压裂桥塞等，其中可溶压裂球工艺已经成熟，可溶压裂球座、可溶压裂桥塞等还处在研发和批量试验阶段。

1.1 可溶压裂球

可溶压裂球主要用于压裂滑套隔离。通过下入该球，憋压打开压裂滑套液流通道，实施压裂作业。压裂作业完毕后该球留在井底慢慢溶解，无需返排。可溶压裂球密度最小为1.5 g/cm³，当投球速度突然变小时，能够避免球遇卡。该压裂球耐温200 ℃，耐压100 MPa，溶解时间可调，可以在含有电解质的水溶液和酸液中溶解，不溶于油类介质，随着井温的升高溶解速度加快。当水平段过长(超过2 000 m)或者压裂级数多(20级以上)时，可溶压裂球解决了常规压裂球取出或者清除困难的问题。

1.2 可溶复合金属材料球座

可溶复合金属材料球座设计在压裂滑套内部，其表面涂抹缓蚀材料。压裂过程中，缓蚀材料被压裂砂磨损，球座可与注入的压裂液反应，压裂完成后，球座可溶蚀，后期不用钻铣等施工。

应用可溶复合金属材料球座能够实现较大尺寸的生产通道，改善生产效果；该球座表面硬度可以达到3 000 HV陶瓷硬度，耐冲蚀，最高工作温度为150 ℃。

1.3 整体可溶复合材料桥塞

整体可溶复合材料桥塞用于套管完井分段压裂作业中。压裂作业完成后，可溶复合材料桥塞可整体溶解，后期不用钻铣等施工。

整体可溶复合材料桥塞整体耐压80 MPa，耐温150 ℃，可自行瓦解性溶解，二次压裂前只需进行简单通井，需要钻磨时桥塞可快速钻除，也可套铣打捞，施工风险低、时间短且费用低。

2 应用拓展 2.1 射孔完井作业

可溶复合金属材料在射孔完井作业中可应用于自动丢枪和防砂堵等方面。

2.1.1 射孔枪自动释放装置

射孔后丢枪是一种快捷、安全的射孔工艺, 射孔后不需要把射孔枪提到地面。现有丢枪装置全部为机械结构，主要的控制机构依赖于液压推动，但液压推动对于密封性能和加工精度要求较高。如果限位套上、下密封失效，其上、下两端即使同时受到高压液体作用，也不会移动。而如果限位套或与限位套相接触的结构加工精度不够高，则限位套可能被卡住。上述两种情况会导致限位套不能按设计上移，弹性卡爪在限位套作用下不能收缩，射孔枪无法脱离油管接头，丢枪失败。利用可溶复合金属材料制作的自动释放装置可有效解决上述问题。只要射孔后有液体进入自动释放装置中，可溶解金属构件即可溶解，自动释放装置中释放组件在重力作用下动作，完成丢枪作业，可提高射孔枪丢枪的成功率。

射孔枪自动释放装置结构如图 1所示。该装置主要由打捞头、连接油管的外壳、弹性卡爪、可溶复合金属套管、限制套筒、弹簧、中间的芯轴、连接射孔枪的下接头等主要零部件组成。自动释放装置工作原理为：射孔后井眼内高压液体通过下接头的通孔进入自动释放装置内，可溶解金属套筒遇到液体后逐渐溶解消失，限制套筒在弹簧的推动下向上移动；在射孔枪重力作用下，弹性卡爪失去限制后收缩，与连接在其下的组件和射孔枪筒落入井底，完成丢枪。

2.1.2 可自动打开滑套工具

可自动打开滑套工具结构如图 2所示。该工具主要由下接头、管体、可溶解金属外筒、可移动外筒、保护套筒、上接头、挡环和内藏式弹簧等主要零部件组成。管体上加工有流通孔，挡环通过销钉固定在管体上，限制可溶解金属套筒向下移动。保护套筒上端部通过销钉固定在管体上，内藏式弹簧安装在管体与保护套筒之间，可溶解金属套筒和可移动外筒安装在管体上。可移动外筒与管体之间放置O形橡胶圈形成密封，防止砂粒或岩屑等通过流通孔进入管体内部。其工作原理为：滑套工具下接头与射孔枪激发机构连接，上接头与油管连接，随射孔枪管柱一同下到井下后，可溶解金属套筒在井筒流体作用下慢慢溶解消失，可移动外筒在内藏式弹簧的推动下向下移动，管体上的流通孔露出，管体内外联通，通过加压进行后续射孔和生产作业。

2.2 完井管柱承压作业

可溶复合金属材料在完井管柱下入作业中可应用于井筒流体控制和封隔器坐封等方面。

2.2.1 井下管柱承压堵塞装置

井下管柱承压堵塞装置结构如图 3所示。该装置主要由上接头、芯轴、密封槽、销钉、密封阀、弹簧、带孔固定轴、限制套筒、下接头、球和可溶解金属套筒等主要零部件组成。井下管柱承压堵塞器上部接头上端加工有螺纹，可与油管连接。芯轴通过销钉固定在堵塞器本体上。密封阀通过带孔固定轴与销钉和堵塞器本体连接。密封阀上安装有弹簧和可溶解金属套筒。芯轴下部与密封阀上部接触，实现金属或橡胶密封。装置工作原理为：完井作业前将堵塞器连接在油管下部，下入完井管柱至预定深度，从井口投球，加压坐封封隔器。同时，堵塞器中的可溶解金属套筒在井下流体作用下溶解，密封阀在弹簧张力作用下向上位移，与芯轴接触，封隔上、下通道。之后进行上部作业，如打开滑套，替换环空保护液等。上部完井作业完成后，再从井口加压，剪断销钉，芯轴连同密封阀落入井底，留出油气进入油管的通道。

2.2.2 用于封隔器坐封的自密封承压装置

自密封承压装置结构如图 4所示。该装置主要由上接头、可移动芯轴、内筒、带孔固定轴Ⅱ、可溶解金属套筒、带孔固定轴Ⅱ、销钉、弹簧、限制套筒和螺母等主要零部件组成。上部接头上端加工有螺纹，可与油管连接，内筒通过销钉固定在自密封承压装置本体上，可移动芯轴通过带孔固定轴与内筒连接。可移动芯轴上安装有可溶解金属套筒和弹簧，可移动芯轴小端部加工有螺纹，通过螺母和限制套筒固定弹簧。

该装置工作原理为：完井作业前将自密封承压装置连接在油管下部，下入完井管柱至预定深度，待一定时间后，自密封承压装置中的可溶解金属套筒在井下流体作用下逐渐溶解，可移动芯轴在弹簧张力作用下向下位移，与内筒接触，封隔上、下通道。承压装置自密封后，从井口加压，坐封封隔器。之后进行上部作业，如打开滑套，替换环空保护液等。上部完井作业完成后，再从井口加压，剪断销钉，内筒连同可移动芯轴落入井底，留出油气进入油管的通道。

3 结论

(1) 可溶复合金属材料制作的油气井完井工具目前主要应用于完井工艺储层改造作业中，如分段酸化和压裂作业，配套研发了可溶压裂球、可溶压裂球座和可溶压裂桥塞等工具。

(2) 拓展了复合材料结构件或工具在完井工艺中应用范围，如在射孔自动丢枪和防砂堵、完井管柱安全与承压作业中应用等，提出并设计了相关的装置及工具，介绍了装置及工具的用途、特点和结构。

(3) 在油气开发领域可溶复合金属材料的应用将会大有作为，笔者的设计介绍可在扩展可溶复合材料的应用方面提供启发和借鉴。