CN107587019B - 一种石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金及制备方法，属于镁合金材料技术领域，解决现有技术中分段压裂时需要返排或磨铣憋压球的技术问题，解决方案为：所述镁合金的原料组成及其重量百分比含量为：Al：3‑15％，Zn：0.5‑5％，Cu：0‑5％，Ni：0‑5％，其余部分为Mg及不可避免的杂质元素，所述Cu与Ni元素的含量不同时为零，各组分重量百分比之和为100％。本发明还公布了该合金材料的制备方法，充分利用铝和锌的作用来提高镁合金的强度，通过添加铜、镍来增强分解速率。本发明组分配比合理、工艺过程简单，通过调控合金成分，获得了强度高在特定条件下快速分解镁合金材料。

Description

一种石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金及制备方法

技术领域

本发明属于镁合金材料技术领域，特别涉及石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金及制备方法。

背景技术

在石油开发领域，多级投球滑套压裂是目前使用比较广泛的直井分层和水平井分段增产改造技术。投球滑套系统提供了管柱内压裂液流向地层的通道，压裂前滑套处于关闭状态，压裂过程中投送憋压球到球座打压来开启滑套，打通管柱和地层间的通道，因此憋压球是决定压裂是否成功的关键因素。压裂施工完成后，传统的工艺是将憋压球返排至地面或者下入钻具进行磨铣，但是有时存在由于地层压力不足或球变形等导致憋压球卡死在通道内而无法返排至地面的情况，而下钻磨铣不仅会延长施工周期，而且增加施工成本与风险，这些方法都可能严重影响油井的产量。使憋压球具备可分解功能成为解决这个问题的有效办法之一，即压裂作业完成后憋压球可自行分解，从而可以免去返排或磨铣工序，消除了压裂球阻塞通道的可能性。

现有的憋压球通常采用空心钢球或普通低密度金属球，然而这些空心钢球憋压球受压时易变形，变形后球与阀座不易密封且密封不可靠；而普通低密度金属球的抗冲击能力差，在液流的冲击下易磨损破碎，同样也不能实现可靠密封。鉴于此，研制一种能承受施工高压压裂、井底高温，并在井内流体环境下能自行快速分解的憋压球，可有效降低施工风险，提高施工效率。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，解决现有技术中分段压裂时需要返排或磨铣憋压球的技术问题，使憋压球既能承受压裂施工高压、井底高温，并且能在井内流体环境下能自行快速分解，本发明提供制备石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金及制备方法。

本发明通过以下技术方案予以实现。

石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金，其中：所述镁合金的原料组成及其重量百分比含量为：Al：3-15％，Zn：0.5-5％，Cu：0-5％，Ni：0-5％，其余部分为Mg及不可避免的杂质元素，所述Cu与Ni元素的含量不同时为零，各组分重量百分比之和为100％。

石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金的制备方法，包括以下步骤：

a、以纯镁、纯铝、纯锌、纯铜、纯镍为原料，按原料组成及其重量百分比含量：Al：3-15％，Zn：0.5-5％，Cu：0-5％，Ni：0-5％进行配料，其余为Mg以及不可避免的杂质，所述Cu与Ni元素的含量不同时为零，各组分重量百分比之和为100％，将称取的原料进行烘干处理留待后步使用；

b、向坩埚炉中通入保护性混合气体，当坩埚加热温度升高至440～480℃时，向坩埚中加入上述步骤a中烘干的纯镁、纯铝，待纯镁、纯铝熔化后再将其他原料加入到镁铝合金熔融体中，并以10℃/min的升温速度快速升温，当坩埚加热温度升高至700～720℃时，搅拌均匀后保温并静置10～20分钟，获得镁合金液；

c、将步骤b中制得的镁合金液浇铸到经250～350℃预热后的模具中，冷却得镁合金铸锭。

本发明提供制备石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金，该材料由3-15％Al，0.5-5％Zn，0-5％Cu，0-5％Ni，剩余部分为Mg及不可避免的杂质元素。通过对合金组分进行调控，获得了室温抗压缩强度大于300 MPa且在93℃浓度为3%氯化钾溶液中分解速率大于40 mg·cm^-2·h^-1，完全能够满足多级滑套分裂技术中对憋压球材料的要求。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明提供的制备石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金及制备方法，通过在镁合金中添加Al、Zn元素来提高镁合金的强度，通过添加Cu、Ni元素增大了憋压球在电解质溶液中与Mg元素的电极电位差，有利于Mg在电解质溶液中的快速分解，使得憋压球既能承受压裂施工高压、井底高温，更能在井内流体环境下自行快速分解。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细说明：本实施例是以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下面的实施例。

本发明提供制备石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金，该材料由3-15％Al，0.5-5％Zn，0-5％Cu，0-5％Ni，剩余部分为Mg及不可避免的杂质元素。通过对合金组分进行调控，获得了室温抗压缩强度大于300 MPa且在93℃浓度为3%氯化钾溶液中分解速率大于40 mg·cm^-2·h^-1，完全能够满足多级滑套分裂技术中对憋压球材料的要求。下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例一

制备石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金，其原料组成及其重量百分比含量为：3％Al，5％Zn，5％Cu，剩余部分为Mg及不可避免的杂质元素。

制备石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金的制备方法：首先将坩埚加热至暗红（约 450℃），纯镁、纯铝放入熔炼炉的坩埚中，同时通入保护气氛；当坩埚温度升至720℃，炉料全部熔化后，加入剩余金属，搅拌两分钟，保温 15分钟；之后保持预置的时间，去除表面的氧化物，浇注到预热为 250℃的铁模型中，浇注时应保持平稳。

实施例二

制备石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金，优选的原料组成及其重量百分比含量为：6％Al，2％Zn，3％Cu，5％Ni，剩余部分为Mg及不可避免的杂质元素。

制备石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金的制备方法：首先将坩埚加热至暗红（约 450℃），纯镁、纯铝放入熔炼炉的坩埚中，同时通入保护气氛；当坩埚温度升至 720℃，炉料全部熔化后，加入剩余金属，搅拌两分钟，保温 15分钟；之后保持预置的时间，去除表面的氧化物，浇注到预热为 250℃的铁模型中，浇注时应保持平稳。

实施例三

制备石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金，其原料组成及其重量百分比含量为：8％Al，3％Zn， 3％Cu，3％Ni，剩余部分为Mg及不可避免的杂质元素。

制备石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金的制备方法：首先将坩埚加热至暗红（约 450℃），纯镁、纯铝放入熔炼炉的坩埚中，同时通入保护气氛；当坩埚温度升至 720℃，炉料全部熔化后，加入剩余金属，搅拌两分钟，保温 15分钟；之后保持预置的时间，去除表面的氧化物，浇注到预热为 250℃的铁模型中，浇注时应保持平稳。

实施例四

制备石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金，优选的原料组成及其重量百分比含量为：10％Al，1.5％Zn，5％Ni，剩余部分为Mg及不可避免的杂质元素。

制备方法：首先将坩埚加热至暗红（约 450℃），纯镁、纯铝放入熔炼炉的坩埚中，同时通入保护气氛；当坩埚温度升至 720℃，炉料全部熔化后，加入剩余金属，搅拌两分钟，保温 15分钟；之后保持预置的时间，去除表面的氧化物，浇注到预热为 250℃的铁模型中，浇注时应保持平稳。

实施例五

制备石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金，其原料组成及其重量百分比含量为：15％Al，0.5％Zn，2％Cu，1％Ni，剩余部分为Mg及不可避免的杂质元素。

制备方法：首先将坩埚加热至暗红（约450℃），纯镁、纯铝放入熔炼炉的坩埚中，同时通入保护气氛；当坩埚温度升至 720℃，炉料全部熔化后，加入剩余金属，搅拌两分钟，保温 15分钟；之后保持预置的时间，去除表面的氧化物，浇注到预热为 250℃的铁模型中，浇注时应保持平稳。

本具体实施方式中实施例一至实施例五中合金组分配比见表1，实施例一至实施例五中合金性能指标见表，具体如下：

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.石油开采用憋压球的高强快速分解镁合金的制备方法，所述镁合金的原料组成及其重量百分比含量为：Al：15％，Zn：0.5％，Cu：2％，Ni：1％，其余部分为Mg及不可避免的杂质元素，所述Cu与Ni元素的含量不同时为零，各组分重量百分比之和为100％；其特征在于，制备方法由以下步骤组成：

a、以纯镁、纯铝、纯锌、纯铜、纯镍为原料，按原料组成及其重量百分比含量：Al：15％，Zn：0.5％，Cu：2％，Ni：1％进行配料，其余为Mg以及不可避免的杂质，所述Cu与Ni元素的含量不同时为零，各组分重量百分比之和为100％，将称取的原料进行烘干处理留待后步使用；

b、向坩埚炉中通入保护性混合气体，当坩埚加热温度升高至450℃时，向坩埚中加入上述步骤a中烘干的纯镁、纯铝，待纯镁、纯铝熔化后再将其他原料加入到镁铝合金熔融体中，并以10℃/min的升温速度快速升温，当坩埚加热温度升高至720℃时，搅拌均匀后保温并静置15分钟，获得镁合金液；

c、将步骤b中制得的镁合金液浇铸到经250℃预热后的模具中，冷却得镁合金铸锭。