CN105908038B - 一种用于制造压裂分隔工具的可溶合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造压裂分隔工具的可溶合金及其制备方法，是一种低密度的可溶合金材料，主要应用于油气田开发压裂施工过程中所涉及的分隔性工具中，该合金由Mg、Zn、Ca、Fe、Cu、Ni元素经熔炼和后续热挤压处理两步制得。本发明所述合金具有密度低（约1.8g/cm3）、力学强度高、在含电解质的水溶液中快速溶解等优点，利用该材料加工油气田压裂改造过程中使用的压裂分隔工具，可实现工具使用后的自行溶解失效，省去传统工具所需的返排、钻铣回收等工序，提高施工效率。

Description

一种用于制造压裂分隔工具的可溶合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造压裂分隔工具的可溶合金及其制备方法，是一种低密度的可溶合金材料，主要应用于油气田开发压裂施工过程中所涉及的分隔性工具中。
背景技术
我国新增探明石油天然气储量中，低渗透非常规油气资源已达70%，未来油气产量的稳产、增产将更多地依赖于这些低渗透非常规油气资源。
开发这些非常规油气资源必须依靠水力压裂、酸压等储层改造工艺技术，其中采用套管滑套、裸眼封隔器以及桥塞进行的多层多段压裂是目前普遍使用的一项技术。
多层多段压裂中，层段间需投压裂球或下桥塞分隔后再进行压裂施工，待施工完成后需将此类分隔性工具从井筒返排出或下钻具钻磨掉，以便打通井道实现油、气的开采。
目前，常用分隔工具大多由钢材制得，存在钻铣困难、耗时长、钻后粉末、碎块不易返排等缺点。
发明内容
本发明的目的是克服现有的常用分隔工具大多存在钻铣困难、耗时长、钻后粉末、碎块不易返排等缺点，利用可溶合金制造压裂施工用分隔工具，工具在完成自身使命后可自行在井下溶解失效，从而省去钻磨回收工序、降低工程风险，提高施工效率。
为此，本发明提供了一种用于制造压裂分隔工具的可溶合金，所述的可溶合金包括以下质量份数的组分：
Zn 2.0～8wt.%；
Ca 2.0～7wt.%；
Fe 0.5～2wt.%；
Cu 0.5～2wt.%；
Ni 0.5～2wt.%，
余量为Mg，以上各组分质量份数之和为100%。
所述的可溶合金包括以下质量份数的组分：86wt.%的Mg、6wt.%的Zn、5wt.%的Ca、1wt.%的Ni、1wt.%的Cu和1wt.%的Fe。
所述的可溶合金用于生产油气田压裂改造过程中使用的压裂球、桥塞分隔工具。
一种可溶合金的制备方法，包括如下步骤：
（a）按照可溶合金各个组分的质量份数配比称取Mg、Ca、Zn、Cu、Ni及Fe的纯金属，在保护气体环境条件下进行熔炼，熔炼成合金液，合金液在760～800℃下搅拌30～50分钟后，于660～700℃下将合金液浇入低碳钢模中，在空气中冷却成铸态合金；
（b）将步骤（a）得到的铸态合金经机械加工成圆柱体，放入热处理炉内加热至380～420℃下进行保温，3～5小时后进行热挤压处理，处理后得到可溶合金。
所述的步骤（a）中的Mg、Ca、Zn、Cu、Ni、Fe金属的纯度≥99.9%。
所述的步骤（a）中的保护气体为氦气、氩气或SF6+CO2混合气体的一种。
所述的SF6和CO2混合气体中的SF6和CO2的比例为：按气体体积份数0.5%SF6 和99.5%CO2。
所述的步骤（a）中合金液浇入的低碳钢模需提前预热至200～250℃。
所述的步骤（b）中的热挤压处理的热挤压温度：380～420℃，挤压比：5～40，挤压速度：1～3毫米/秒。
本发明的有益效果：本发明提供的这种用于制造压裂分隔工具的可溶合金，具有密度低（约1.8g/cm3）、硬度高、延展性大等优点，在含电解质的水溶液可快速溶解。利用该材料加工油气田压裂改造过程中使用的分隔工具，可实现工具使用后的自行溶解失效，从而省去传统压裂工具的返排、钻铣工序。
附图说明
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1是合金的扫描电镜（SEM）图。
图2是合金室温及60℃下，浸泡在矿化度4%盐水中的失重-时间曲线。
具体实施方式
实施例1：
本实施例提供一种用于制造压裂分隔工具的可溶合金，可溶合金包括以下质量份数的组分：
Zn 2.0～8wt.%；
Ca 2.0～7wt.%；
Fe 0.5～2wt.%；
Cu 0.5～2wt.%；
Ni 0.5～2wt.%，
余量为Mg，以上各组分质量份数之和为100%。
上述可溶合金用于生产油气田压裂改造过程中使用的压裂球、桥塞分隔工具。
本实施例的用于制造压裂分隔工具的可溶合金，由晶粒相及连续的网状晶界相构成。由于晶粒相与晶界相之间存在电位差，当合金存在于含有电解质的溶液中时，在溶液与合金的界面处，合金中的晶粒与晶界之间会构成无数微型原电池导致镁基体的腐蚀溶解。本发明用于制造压裂分隔工具的可溶合金，其力学性能及溶解性能可以通过调控材料的配方及挤压比进行调节：Ca、Zn元素的添加主要用于提高合金的力学强度，但过多的Ca添加会导致材料脆性上升，过多的Zn添加则会降低合金的溶解性。Fe、Cu、Ni元素可在合金中形成大量金属间化合微颗粒，从而促进合金的溶解。
实施例2：
本实施例提供一种可溶合金的制备方法，包括如下步骤：
（a）按照可溶合金各个组分的质量份数配比称取Mg、Ca、Zn、Cu、Ni及Fe的纯金属（Mg、Ca、Zn、Cu、Ni、Fe金属的纯度≥99.9%），在保护气体环境条件下进行熔炼，保护气体为氦气、氩气或SF6+CO2混合气体的一种，熔炼成合金液，合金液在760～800℃下搅拌30～50分钟后，于660～700℃下将合金液浇入提前预热至200～250℃的低碳钢模中，在空气中冷却成铸态合金。
（b）将步骤（a）得到的铸态合金经机械加工成圆柱体，放入热处理炉内加热至380～420℃下进行保温，3～5小时后进行热挤压处理，处理后得到可溶合金。
热挤压处理的热挤压温度：380～420℃，挤压比（挤压比 = 铸态试样横截面积/挤压制品横截面积）：5～40，挤压速度：1～3毫米/秒。
以下结合具体的实验数据进行说明：
实施例3：
合金86Mg-6Zn-5Ca-1Ni-1Cu-1Fe的制备：
（a）称取质量份数86wt.%的Mg、6wt.%的Zn、5wt.%的Ca、1wt.%的Ni、1wt.%的Cu和1wt.%的Fe金属，纯度均为99.9%，在保护气体0.5%SF6 + 99.5%CO2下进行熔炼，合金液在790℃下搅拌40min后，于700℃下将合金液浇入预热至250℃的低碳钢模中、空气中冷却。
（b）将步骤（a）得到的铸态Mg-6Zn-5Ca-1Ni-1Cu-1Fe合金经机械加工成圆柱体，放入热处理炉内加热至410℃下进行保温，3小时后进行热挤压处理。热挤压温度：410℃，挤压比：32.65，挤压速度：1毫米/秒。
通过上述方法获得的86Mg-6Zn-5Ca-1Ni-1Cu-1Fe可溶合金材料，该材料的扫描电镜（SEM）照片如图1所示，经过测试可得，室温抗拉强度228MPa，断裂伸长率3%，布氏硬度80，所加工直径37mm压裂球90℃，70MPa下30分钟压降0.52MPa，满足压裂施工要求。该材料的在室温及60℃下，浸泡在矿化度4%盐水中的失重-时间曲线如图2所示，很明显可以看出，该材料在矿化度4%的盐水中，随着时间的推移，不断地失重，即能不断地自行溶解。
实施例4：
合金94.5Mg-2Zn-2Ca-0.5Ni-0.5Cu-0.5Fe
（a）称取质量份数94.5wt.%的Mg、2wt.%的Zn、2wt.%的Ca、0.5wt.%的Ni、0.5wt.%的Cu和0.5wt.%的Fe金属，纯度均为99.9%，在保护气体0.5%SF6+99.5%CO2下进行熔炼，合金液在790℃下搅拌35min后，于670℃下将合金液浇入预热至220℃的低碳钢模中、空气中冷却。
（b）将步骤（a）得到的铸态合金经机械加工成圆柱体，放入热处理炉内加热至390℃下进行保温，3.5小时后进行热挤压处理。热挤压温度：410℃，挤压比：35，挤压速度：1.5毫米/秒。
通过上述方法获得的94.5Mg-2Zn-2Ca-0.5Ni-0.5Cu-0.5Fe可溶合金材料，经过测试可得，室温抗拉强度238MPa，断裂伸长率3.8%，布氏硬度76，所加工直径37mm的压裂球90℃，70MPa下30分钟压降0.57MPa，满足压裂施工要求。
实施例5：
合金79Mg-8Zn-7Ca-2Ni-2Cu-2Fe
（a）称取质量份数79wt.%的Mg、8wt.%的Zn、7wt.%的Ca、2wt.%的Ni、2wt.%的Cu和2wt.%的Fe金属，纯度均为99.9%，在保护气体0.5%SF6+99.5%CO2下进行熔炼，合金液在770℃下搅拌45min后，于680℃下将合金液浇入预热至240℃的低碳钢模中、空气中冷却。
（b）将步骤（a）得到的铸态合金经机械加工成圆柱体，放入热处理炉内加热至410℃下进行保温，4.5小时后进行热挤压处理。热挤压温度：400℃，挤压比：25，挤压速度：2毫米/秒。
通过上述方法获得的79Mg-8Zn-7Ca-2Ni-2Cu-2Fe可溶合金材料，经过测试可得，室温抗拉强度226MPa，断裂伸长率3.2%，布氏硬度82，所加工直径37mm的压裂球90℃，70MPa下30分钟压降0.56MPa，满足压裂施工要求。
实施例6：
合金89Mg-4Zn-4Ca-1.2Ni-0.7Cu-1.1Fe
（a）称取质量份数89wt.%的Mg、4wt.%的Zn、4wt.%的Ca、1.2wt.%的Ni、0.7wt.%的Cu和1.1wt.%的Fe金属，纯度均为99.9%，在保护气体0.5%SF6+99.5%CO2下进行熔炼，合金液在760℃下搅拌30min后，于660℃下将合金液浇入预热至200℃的低碳钢模中、空气中冷却。
（b）将步骤（a）得到的铸态合金经机械加工成圆柱体，放入热处理炉内加热至380℃下进行保温，3小时后进行热挤压处理。热挤压温度：380℃，挤压比：5，挤压速度：1毫米/秒。
通过上述方法获得的89Mg-4Zn-4Ca-1.2Ni-0.7Cu-1.1Fe可溶合金材料，经过测试可得，室温抗拉强度246MPa，断裂伸长率4.8%，布氏硬度89，所加工直径37mm的压裂球90℃，70MPa下30分钟压降0.67MPa，满足压裂施工要求。
实施例7：
合金86Mg-7Zn-3Ca-1Ni-1.6Cu-1.4Fe
（a）称取质量份数86wt.%的Mg、7wt.%的Zn、3wt.%的Ca、1wt.%的Ni、1.6wt.%的Cu和1.4wt.%的Fe金属，纯度均为99.9%，在保护气体0.5%SF6+99.5%CO2下进行熔炼，合金液在780℃下搅拌40min后，于690℃下将合金液浇入预热至230℃的低碳钢模中、空气中冷却。
（b）将步骤（a）得到的铸态合金经机械加工成圆柱体，放入热处理炉内加热至400℃下进行保温，4小时后进行热挤压处理。热挤压温度：390℃，挤压比：30，挤压速度：2.5毫米/秒。
通过上述方法获得的86Mg-7Zn-3Ca-1Ni-1.6Cu-1.4Fe可溶合金材料，经过测试可得，室温抗拉强度230MPa，断裂伸长率4%，布氏硬度86，所加工直径37mm的压裂球90℃，70MPa下30分钟压降0.59MPa，满足压裂施工要求。
实施例8：
合金85Mg-5Zn-6Ca-1.8Ni-1.2Cu-1Fe
（a）称取质量份数85wt.%的Mg、5wt.%的Zn、6wt.%的Ca、1.8wt.%的Ni、1.2wt.%的Cu和1wt.%的Fe金属，纯度均为99.9%，在保护气体0.5%SF6+99.5%CO2下进行熔炼，合金液在800℃下搅拌50min后，于700℃下将合金液浇入预热至250℃的低碳钢模中、空气中冷却。
（b）将步骤（a）得到的铸态合金经机械加工成圆柱体，放入热处理炉内加热至420℃下进行保温，5小时后进行热挤压处理。热挤压温度：420℃，挤压比：40，挤压速度：3毫米/秒。
通过上述方法获得的85Mg-5Zn-6Ca-1.8Ni-1.2Cu-1Fe可溶合金材料，经过测试可得，室温抗拉强度229MPa，断裂伸长率3.8%，布氏硬度83，所加工直径37mm的压裂球90℃，70MPa下30分钟压降0.63MPa，满足压裂施工要求。
实施例9：
合金88Mg-6Zn-3Ca-1.5Ni-1Cu-0.5Fe的制备：
（a）称取质量份数88wt.%的Mg、6wt.%的Zn、3wt.%的Ca、1.5wt.%的Ni、1wt.%的Cu和0.5wt.%的Fe金属，纯度均为99.9%，在保护气体0.5%SF6+99.5%CO2下进行熔炼，合金液在780℃下搅拌40min后，于680℃下将合金液浇入预热至200℃的低碳钢模中、空气中冷却。
（b）将步骤（a）得到的铸态合金经机械加工成圆柱体，放入热处理炉内加热至400℃下进行保温，5小时后进行热挤压处理。热挤压温度：400℃，挤压比：10.68，挤压速度：1.5毫米/秒。
通过上述方法获得的88Mg-6Zn-3Ca-1.5Ni-1Cu-0.5Fe可溶合金材料，经过测试可得，室温抗拉强度234MPa，断裂伸长率4.4%，布氏硬度84，所加工直径37mm的压裂球90℃，70MPa下30分钟压降0.62MPa，满足压裂施工要求。
综上所述，本发明的这种可溶合金，具有密度低、硬度高、延展性大等优点，在含电解质的水溶液可快速溶解。利用该材料加工油气田压裂改造过程中使用的分隔工具，可实现工具使用后的自行溶解失效，从而省去传统压裂工具的返排、钻铣工序。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于制造压裂分隔工具的可溶合金，其特征在于：所述的可溶合金包括以下质量份数的组分：
Zn 2.0～8wt.%；
Ca 2.0～7wt.%；
Fe 0.5～2wt.%；
Cu 0.5～2wt.%；
Ni 0.5～2wt.%，
余量为Mg，以上各组分质量份数之和为100%；
所述的可溶合金用于生产油气田压裂改造过程中使用的压裂球、桥塞分隔工具；
所述的可溶合金的制备方法，包括如下步骤：
（a）按照可溶合金各个组分的质量份数配比称取Mg、Ca、Zn、Cu、Ni及Fe的纯金属，在保护气体环境条件下进行熔炼，熔炼成合金液，合金液在760～800℃下搅拌30～50分钟后，于660～700℃下将合金液浇入低碳钢模中，在空气中冷却成铸态合金；
（b）将步骤（a）得到的铸态合金经机械加工成圆柱体，放入热处理炉内加热至380～420℃下进行保温，3～5小时后进行热挤压处理，处理后得到可溶合金；
所述的步骤（a）中的Mg、Ca、Zn、Cu、Ni、Fe金属的纯度≥99.9%；
所述的步骤（a）中的保护气体为氦气、氩气或SF6+CO2混合气体的一种；SF6和CO2混合气体中的SF6和CO2的比例为：按气体体积份数0.5%SF6 和 99.5%CO2；
所述的步骤（a）中合金液浇入的低碳钢模需提前预热至200～250℃；
所述的步骤（b）中的热挤压处理的热挤压温度：380～420℃，挤压比：5～40，挤压速度：1～3毫米/秒。
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