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贝克“荷叶”涂层钻头 黏土层中过 “粒土”不沾身

仿生学新动向—贝克休斯“荷叶”涂层

材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系,集物理学、化学、冶金学等于一体的科学。对材料科学有深刻理解后,我们便可以按自己期望的方式设计材料的分子,然后将新材料应用于油气行业的涂层领域。

作者 | Jennifer Pallanich
编译 | 白小明

利用分子学知识,制造特殊的涂层和材料可以提高工具的性能。精心设计的涂层可以延长设备的寿命,提高工具的效率。贝克休斯主任科学家Sven Krueger称,第一步工作是建立分子级的模型。为了真正理解材料在分子级的物理特性和行为,贝克休斯做了很多分子、原子级模拟,并根据结果制造所需的材料。

例如,可以制造一种分子,具有疏水、防水特性。具有这种分子结构的疏水面,科学家有时将其称之为“荷叶效应”,即表面具有纳米结构,水洒在上面会变成珠状,然后滑落。这种表面的另一个优点,是液滴可以带走灰尘和其它污染物,使表面具有自洁特性。

研究人员正在实验室“复制”这种疏水特性,这是一种大自然教会我们的原理,荷花莲叶就有这种特性,人们有时将疏水涂层称为荷叶涂层。

“目前,真正的困难是如何使这种特性在井下环境下也能起作用。”Krueger表示,“公司主要要做的工作是,避免引起操作问题,同时提高可靠性以及延长井下工具的寿命,相信贝克休斯在这方面可以取得更大的进步。”

井下通常具有极高的温度,标准井的温度高达200℃,甚至更高,压力高达206.8MPa。另外,疏水涂层需要适应腐蚀、冲蚀和研磨性环境。

Krueger称:“我们几乎可以使每种材料都具有疏水性,可以改变材料的属性,这在以前是无法实现的。为了确保设计的涂层能够满足客户的要求,服务公司在位于德克萨斯Woodlands的贝克休斯技术中心的井下环境中测试了疏水涂层。”

现场应用

这种涂层技术可以大显身手的地方之一是钻头,例如,在页岩地层采用水基泥浆钻井时,使用PDC钻头形成的钻屑有变黏的趋势,可能引起钻头泥包和堵水眼等问题的发生。随着钻屑的聚集,机械钻速会大幅降低,导致不得不起钻清洗或更换钻头。

解决这个问题有不同的方法,例如使用一些添加剂处理泥浆,在钻头处加电荷,当然后者目前更多处于实验阶段,或者钻头使用疏水涂层改变表面属性。这一概念的实质是粘性的岩屑一旦形成,由于疏水涂层的存在,岩屑根本无法在钻头表面沉积。

2016年在墨西哥湾,贝克休斯采用了一只8-1/2in含疏水涂层的钻头,共钻进426.7m进尺,其中121.9m的页岩地层。

作业前,运营商本以为会遇到一些钻头泥包问题。而实际作业中,涂层不仅对钻头性能没有任何影响,而且如期发挥了防泥包的作用。起钻后,钻头非常干净,钻头上没有粘附页岩岩屑。大多数涂层仍然完好,说明其能够抵抗腐蚀和磨损。

作业人员对取得的成功表示非常满意。Krueger相信这些防泥包涂层将来在钻头上的使用会越来越多。

又一适用领域—阀涂层

在完井领域,紧急情况下在地面操作实施关井的井下安全阀,可以采用具有防污垢功能的疏水涂层。例如,在一些地方,特别是北海和加拿大,其生产环境中的井下安全阀很容易积累碳酸盐和硫酸盐污垢,影响安全阀的功能。

如果遇到这种问题,通常需要修井作业清理污垢。但如果给安全阀加一层涂层,可以避免污垢聚集,从而确保安全阀在数年内不出现故障,延长两次清理作业的时间间隔。

大量潜在应用机会

设计的这种涂层,可以应用于油气行业其它的很多领域,从钻井到电测工具,从永久装置到地面临时装置。Krueger称,我们可以考虑其它很多潜在的应用场合,可以考虑给地下环境中使用的设备加涂层。

这种涂层的应用前景不可限量,例如可以给地下岩石加涂层,改变储层的润湿性,从而提高采收率。Krueger表示,我们可以向地下注入液体,给砂岩地层表面加涂层,从而更容易地从地层中开采出更多的石油。这种应用可谓是一个非常大胆、非常有远见的想法,而且并非不能实现。

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白矾
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。

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