CN105236962A

CN105236962A - 一种油气井用氧化锆陶瓷及其制造方法

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Publication number: CN105236962A
Application number: CN201510567454.1A
Authority: CN
Inventors: 行舒乐; 陈传东; 王木乐; 宋胜利; 赵斌; 向俊科; 郭伟成; 尚磊
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Petroleum Engineering Technology Research Institute of Sinopec Zhongyuan Oilfield Co
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Petroleum Engineering Technology Research Institute of Sinopec Zhongyuan Oilfield Co
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2035-09-08
Also published as: CN105236962B

Abstract

本发明涉及一种油气井用氧化锆陶瓷及其制造方法，属于油气田钻井、完井、修井用陶瓷技术领域。一种油气井用氧化锆陶瓷，由以下物质按照质量百分比混合而成：73～76％的氧化锆、15～17％的氧化镁、4～6％的氧化铝、1.8～2.2％的氧化钇、0.5～1％的氧化镧和0.3～0.8％的氧化钐、0.8～1.2％的粘接剂和0.8～1.2％的分散剂。制造方法，包括以下步骤：球磨粉料；造粒；制作包套；冷等静压；烧结坯料。本发明的有益效果是：通过添加氧化钇、氧化镧、氧化钐，提高了氧化锆陶瓷致密度，降低了烧结温度、加工难度和成本；通过优化氧化镁与氧化铝的配比，明显降低了120℃下氧化锆陶瓷的摩擦系数。

Description

一种油气井用氧化锆陶瓷及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种油气井用氧化锆陶瓷及其制造方法，属于油气田钻井、完井、修井用陶瓷技术领域。

背景技术

在油气田钻井、完井、修井作业中，膨胀管技术得到了广泛应用，特别是在补贴套管破漏或腐蚀井段、套变井打通道后补贴加固、封堵射孔层段、封堵高出水层段、加深井和侧钻井完井等方面技术优势明显。膨胀管技术是在液压或机械力的作用下，驱动膨胀芯头在膨胀管内产生纵向移动，通过膨胀芯头膨胀段挤压膨胀管内壁，使膨胀管发生永久塑性变形，从而紧贴在套管内壁或者裸眼井段上。在高含硫气田作业过程中，需要在120℃、高含硫化氢、二氧化碳的环境中进行作业，急需一种耐高温耐磨抗硫膨胀芯头。

目前膨胀管补贴和完井采用的膨胀芯头所用材料多为普通碳钢材料。ZL201110343666.3公开的插接式膨胀头和ZL200920164454.7公开的膨胀管膨胀工具，都采用了高硬度钢材，一体式设计，但不具备抗硫特性。ZL200910131180.6公开的一种氧化锆陶瓷缸套材料及其制备方法和ZL201310440933.8公开的一种氧化锆陶瓷制造工艺，其氧化锆陶瓷材料的烧结温度分别为1550～1600℃和1650～1800℃，氧化锆陶瓷的烧结温度过高，不利于生产和操作；同时，在膨胀管施工过程中，膨胀芯头对膨胀管会产生很大的摩擦力，进而对膨胀管产生损伤，不利于后期生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的氧化锆陶瓷材料烧结温度较高和高温下摩擦系数过大易对膨胀管产生损伤等缺陷，进而提供了一种油气井用氧化锆陶瓷，同时在于提供一种油气井用氧化锆陶瓷制造方法。

本发明通过以下技术方案加以实现：

一种油气井用氧化锆陶瓷，由氧化锆、氧化镁、氧化铝、氧化钇、氧化镧和氧化钐按照以下质量百分比混合而成：73～76％的氧化锆、15～17％的氧化镁、4～6％的氧化铝、1.8～2.2％的氧化钇、0.5～1％的氧化镧和0.3～0.8％的氧化钐、0.8～1.2％的粘接剂和0.8～1.2％的分散剂。

一种油气井用氧化锆陶瓷制造方法，包括以下步骤：

(1)球磨粉料：将质量百分比为73～76％的氧化锆、15～17％的氧化镁、4～6％的氧化铝、1.8～2.2％的氧化钇、0.5～1％的氧化镧和0.3～0.8％的氧化钐加入至球磨机中，形成混合粉料，再向混合粉料中分别加入占混合粉料百分比为0.8～1.2％的粘接剂和分散剂，然后开机球磨得到浆料；

(2)造粒：在造粒喷雾塔中将步骤(1)中得到的浆料进行喷雾干燥，去除其中的水分得到造粒粉；

(3)制作包套：根据膨胀芯头膨胀段尺寸制作钢制模具，并将其在烘箱中加热至180℃，把加热后的钢制模具放入配好的聚氯乙烯料中，待钢制模具外表面均匀挂料后，将钢制模具再次放入180℃的烘箱加热，10～15min后取出，放入水中，迅速从模具上取下包套；

(4)冷等静压：将步骤(2)中的造粒粉放入制作好的包套中，进行预成型压制和冷等静压处理，得到膨胀芯头膨胀段的坯料，预成型工作压力为280～330kg/cm²，冷等静压工作压力为1400～1600kg/cm²，压制后对坯料进行二次加工，使得膨胀段尺寸符合制作要求；

(5)烧结坯料：对步骤(4)中的生坯进行烧结，烧结温度为1250～1300℃，保温6～8小时，即制作出油气井用氧化锆陶瓷。

所述的粘接剂为甲基纤维素或乙基纤维素。

所述的分散剂为聚丙烯酸盐。

所述的聚丙烯酸盐包括聚甲基丙烯酸铵和聚甲基丙烯酸乙酯。

本发明的有益效果是：1、通过氧化钇、氧化镧、氧化钐的复合添加，显著提高了氧化锆陶瓷的致密度，稀土氧化物是非常好的表面活性物质，可以改善材料的润湿性，最终达到降低烧结温度的效果，降低了氧化锆陶瓷膨胀芯头的加工难度和加工成本；2、为了降低氧化锆陶瓷在120℃温度下的摩擦系数，进行了一系列的优化实验，发现氧化镁与氧化铝的配比不同，可以明显改变氧化锆陶瓷的在120℃温度下的摩擦系数。通过成分优化，降低了晶界处的残余应力，提高了晶粒的晶间强度；细化了晶粒，提高氧化锆陶瓷的致密度，最终降低氧化锆陶瓷高温摩擦系数。

附图说明

图1为对比例1在120℃温度下的摩擦系数测试结果；

图2为对比例2在120℃温度下的摩擦系数测试结果；

图3为对比例3在120℃温度下的摩擦系数测试结果；

图4为实施例5在120℃温度下的摩擦系数测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

(1)将氧化锆、氧化镁、氧化铝、氧化钇、氧化镧和氧化钐按如下重量加入至球磨机中，形成混合粉料，ZrO₂，74kg；MgO，16kg；Al₂O₃，4.4kg；Y₂O₃，2kg；La₂O₃，1kg；Sm₂O₃，0.6kg。再向混合粉料中加入0.8kg乙基纤维素和1.2kg聚甲基丙烯酸铵，然后开球磨机球磨得到浆料；

(2)在造粒喷雾塔中将(1)中得到的浆料进行喷雾干燥，去除其中的水分得到造粒粉；

(3)使用聚氯乙烯料制作包套，聚氯乙烯料的配比如下：聚氯乙烯树脂，49kg；苯二甲酸二辛脂，49kg；三盐基硫酸铅，1.85kg；硬脂酸，0.15kg，将制作的钢制模具在烘箱中加热至180℃，把加热后的模具放入配好的聚氯乙烯料中，将挂料后的模具再次放入180℃的烘箱加热，10min后待浆料变黄后取出，放入水中，迅速从模具上取下包套；

(4)将预制的造粒粉放入制作好的包套中，然后进行预成型压制和冷等静压处理，得到膨胀芯头膨胀段的坯料。预成型工作压力为300kg/cm²。冷等静压工作压力为1500kg/cm²。坯料压制后，按要求将坯料加工至膨胀段尺寸；

(5)烧结坯料。对生坯进行烧结，烧结温度为1250℃，保温7小时。

实施例2：

(1)混合粉料，将氧化锆、氧化镁、氧化铝、氧化钇、氧化镧和氧化钐按如下比例加入至球磨机中。ZrO₂，74kg；MgO，16kg；Al₂O₃，4.5kg；Y₂O₃，2kg；La₂O₃，0.8kg；Sm₂O₃，0.7kg。然后在混合粉料中加入1kg乙基纤维素和1kg聚甲基丙烯酸乙酯，开机球磨；

(3)使用聚氯乙烯料制作包套，聚氯乙烯料的配比如下：聚氯乙烯树脂，47kg；苯二甲酸二辛脂，50kg；三盐基硫酸铅，2.85kg；硬脂酸，0.15kg，将制作的钢制模具在烘箱中加热至180℃，把加热后的模具放入配好的聚氯乙烯料中。将挂料后的模具再次放入180℃的烘箱加热，15min后待浆料变黄后取出，放入水中，迅速从模具上取下包套；

(4)将预制的造粒粉放入制作好的包套中，然后进行预成型压制和冷等静压处理，得到膨胀芯头膨胀段的坯料。预成型工作压力为330kg/cm²，冷等静压工作压力为1600kg/cm²，压制后对坯料进行二次加工，使得膨胀段尺寸符合制作要求；

(5)烧结坯料。对生坯进行烧结，烧结温度为1250℃，保温6小时。

实施例3～8：步骤和实验温度与实施例1相同，具体组成如下表1所示：

表1混合粉料各组分用量表

为了证明本发明的优越性所在，还进行了如下对比试验：

对比例1：按照ZL200910131180.6公开的专利制备氧化锆陶瓷,该材料维氏硬度13.8GPa、抗弯强度920MPa、断裂韧性8.8MPa·m^1/2，烧结温度为1600℃，使用MG-2000型高温摩擦磨损试验机对该陶瓷材料在120℃下的摩擦系数进行测试，摩擦系数约为0.52，摩擦系数测试结果如图1所示。

对比例2：按照ZL201110237836.x公开的专利制备氧化锆陶瓷,该材料抗弯强度、断裂韧性、维氏硬度分别达到980MPa、8.5MPa·m^1/2、12GPa，烧结温度为1380℃，材料在120℃下摩擦系数约为0.381，摩擦系数测试结果如图2所示。

对比例3：按照ZL201210321601.3公开的专利制备氧化锆陶瓷,该材料维氏硬度11.8GPa、抗弯强度461MPa、断裂韧性5.7MPa·m^1/2，烧结温度为1500℃，材料在120℃下摩擦系数约为0.25，摩擦系数测试结果如图3所示。从表2中实施例与对比例的性能参数可以看出，实施例1～8的抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度与对比例1和2相差不大，较对比例3有明显提高。实施例1～8的烧结温度分别比对比例1、2和3降低了400℃、180℃和300℃。通过氧化钇、氧化镧、氧化钐的复合添加，显著提高了氧化锆陶瓷的致密度，稀土氧化物是非常好的表面活性物质，可以改善材料的润湿性，最终达到降低烧结温度的效果。使氧化锆陶瓷的烧结温度由1600℃降到1250℃，降低了加工难度和加工成本。

表2实施例与对比例力学性能对比

材料在120℃下的摩擦系数也有较明显地改善，实施例5摩擦系数测试结果如图4所示。氧化锆陶瓷摩擦系数的降低主要是以下两方面原因：一方面氧化镁与氧化铝生成的镁铝尖晶石可以降低晶界处的残余应力，从而提高晶粒的晶间强度，防止晶粒被拔出形成磨粒磨损,从而降低了材料的摩擦系数；另一方面，氧化镁在烧结过程中变形小，可以作为晶粒生长核心，有助于消除气泡和孔洞，而且镁铝尖晶石相分布均匀，不易长大，有助于晶粒细化，提高氧化锆陶瓷的致密度，降低高温摩擦系数，从而降低了陶瓷胀头在作业过程中对膨胀管材料的损害。

实施例和对比例综合对比，实施例1～8中一种油气井用氧化锆陶瓷材料，其抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度在可以满足高含硫气田井下作业的前提下，其烧结温度和120℃温度下的摩擦系数有了较明显的降低，更适应酸性气田的要求。

Claims

1.一种油气井用氧化锆陶瓷，其特征是：由氧化锆、氧化镁、氧化铝、氧化钇、氧化镧和氧化钐按照以下质量百分比混合而成：73～76％的氧化锆、15～17％的氧化镁、4～6％的氧化铝、1.8～2.2％的氧化钇、0.5～1％的氧化镧和0.3～0.8％的氧化钐、0.8～1.2％的粘接剂和0.8～1.2％的分散剂。

2.根据权利要求1所述的一种油气井用氧化锆陶瓷，其特征是：所述的粘接剂为甲基纤维素或乙基纤维素。

3.根据权利要求1所述的一种油气井用氧化锆陶瓷，其特征是：所述的分散剂为聚丙烯酸盐。

4.根据权利要求3所述的一种油气井用氧化锆陶瓷，其特征是：所述的聚丙烯酸盐包括聚甲基丙烯酸铵和聚甲基丙烯酸乙酯。

5.一种油气井用氧化锆陶瓷制造方法，其特征在于包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种油气井用氧化锆陶瓷制造方法，其特征是：所述的粘接剂为甲基纤维素或乙基纤维素。

7.根据权利要求5所述的一种油气井用氧化锆陶瓷制造方法，其特征是：所述的分散剂为聚丙烯酸盐。

8.根据权利要求7所述的一种油气井用氧化锆陶瓷制造方法，其特征是：所述的聚丙烯酸盐包括聚甲基丙烯酸铵和聚甲基丙烯酸乙酯。