CN108533214B - 一种可降解合金及其作为单卡瓦式可溶桥塞的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可降解合金及其作为单卡瓦式可溶桥塞的应用，其包括如下组分：Zn为60~75%，Mg为5~15%，Na为5~10%，Fe为1~5%，C为0.1~0.5%，Si为0.5~2%，Ni为0.5~2%，以及不可避免的杂质；以上各组分质量分数之和为100%。利用可降解合金制造压裂施工用工具，工具在完成工作任务后自行在井下消融，能完全降解，不存在易卡涩、堵塞通道问题，并且降解时间可控，密封性能和承压性能优良。

Description

一种可降解合金及其作为单卡瓦式可溶桥塞的应用

技术领域

本发明涉及石油天然气、页岩气、煤层气储层压裂改造领域，具体涉及一种可降解合金及其作为单卡瓦式可溶桥塞的应用。

背景技术

随着我国社会经济的发展，对能源的需求量越来越大，油气资源进口量和进口比持续攀升，我国已有的高效经济性油气藏越来越少。为缓解保证我国能源安全，开发非常规和低效油气资源已迫在眉睫，而储层改造技术是开发这类资源有效技术之一，分段压裂技术是储层改造常用且较成功的工艺技术，同时桥塞工具是分段压裂技术常用工具之一。

多层多段压裂中，层段间需使用封隔工具，如压裂球、桥塞，分隔后逐层进行压裂改造，待所有层段施工完成后再将封隔工具返排出井筒，以便打通井道实现油、气的开采。

目前，常用封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。作为第一代的钢铁材料因为比重大，存在返排困难；第二代复合材料，尽管解决了比重大的问题，但是因为不能完全降解，存在易卡涩、堵塞通道问题，而且原材料生产与加工需依赖进口，费用昂贵；在井下开采过程中并不能完全降解，存在易卡涩的特点。

CN104651691B公开了一种快速降解镁合金材料，该材料包括如下组分Al、Li、Ca、Y、Si、Ni、Cu、Fe等元素，所述的Ni、Cu、Fe三个组元合金元素，处于配方设计要求或熔炼铸造中难以控制等原因，三者不宜同时使用，Fe可以在使用Ni或Cu时允许有不可控制的残量带入。Al是主加合金元素，与Mg构成快速降解镁合金的基础体系，具体应用时，其降解时间较短，因此应用范围单一，无法满足长时间溶解的工作需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种可降解合金及其作为单卡瓦式可溶桥塞的应用，利用可降解合金制造压裂施工用工具，工具在完成工作任务后自行在井下消融，能完全降解，不存在易卡涩、堵塞通道问题，并且降解时间可控，密封性能和承压性能优良。

本发明所述的可降解合金，其包括如下组分：

Zn为60~75%，Mg为5~15%，Na为5~10%，Fe为1~5%，C为0.1~0.5%，Si为0.5~2%，Ni为0.5~2%，以及不可避免的杂质；以上各组分质量分数之和为100%。

采用高含量比的Zn元素，主要影响可降解合金的溶蚀时间，同时也适度提高了合金的刚度，Zn在常温水环境中反应速度远低于Mg或者几乎不反应，在高温水环境条件下反应速率也较慢，使合金能够承受高温井下环境，延长了合金的溶蚀时间，满足长时间承压和可溶的需求。保留少量比例的Mg含量，主要目的在于维持合金的可溶性和活跃性，加入少量Na元素主要是依靠Na 元素的强活跃性，为合金溶蚀提供一定的能量。加入少量C和Fe元素，主要影响合金刚度，相较于现有可降解材料，其力学刚度大幅度增加，相同工具结构条件下采用该合金的工具其刚度值增加1倍及以上；承压密封时保证了工具结构不易变形，具有优良的密封性能和承压性能。少量的Si和Ni主要为了保证和调节合金的强度、刚度和稳定性等性能。

其适用于：井下温度条件60-120℃，最大承压100MPa，60℃条件下全溶时间需10天及以上，120℃条件下全溶时间需3天及以上。

进一步，所述的可降解合金，其包括如下组分：

Zn为70%，Mg为15%，Na为9.5%，Fe为3%，C为0.5%，Si为1%，Ni为1%，以及不可避免的杂质。

一种可降解合金，其包括如下组分：

Zn为10~20%，Mg为50~70%，Na为5~10%，Fe为0.5~2%，C为0~0.2%，Si为0.5~2%，Ni为0.5~2%，以及不可避免的杂质；以上各组分质量分数之和为100%。

以Mg为合金主体，复合加入C、Fe和Zn，提高了合金的刚度。Na的作用是使得合金达到快速溶解的目的，满足短时间溶蚀的工作需求。

其适用于：井下温度条件0-80℃，最大承压100MPa，0℃条件下全溶时间需6天及以上，解封需1天及以上，80℃条件下全溶时间需2天及以上，解封需4h及以上。

进一步，所述的可降解合金，其包括如下组分：

Zn为15%，Mg为70%，Na为10%，Fe为1.5%，C为0.2%，Si为1.3%，Ni为2%，以及不可避免的杂质。

一种单卡瓦式可溶桥塞包括中心管和由上至下依次固定在中心管上的推环、胶筒导环、胶筒、锥体卡瓦和引鞋，所述推环、胶筒导环、胶筒和锥体能够沿中心管的轴向移动；所述卡瓦单向设置，为单卡瓦，所述锥体的小径端伸入卡瓦与胶筒之间与卡瓦紧配，所述推环上径向设有弹簧销钉，所述中心管外壁上设有定位销孔，所述定位销孔设于推环位于坐封位置时在中心管上相对应的位置处，所述弹簧销钉具有被所述中心管的外壁压制时的压缩状态、以及伸入至定位销孔而与定位销孔配合时的自由状态；所述卡瓦上设有五颗可溶材料卡瓦齿；所述卡瓦的数量为六个，均匀分布于中心管的周边；所述卡瓦齿位于卡瓦的四个角和中心位置处，所述可溶材料为上述的可降解合金。

进一步，所述胶筒导环通过锁环套设于中心管的外壁，所述锁环上端设有挡环，防止锁环向上滑动，锁环与中心管之间采用单向齿滑动。

进一步，所述胶筒上端与胶筒导环下端之间、胶筒下端与锥体上端之间均具有背圈，该背圈由内背圈、外背圈组成。

进一步，所述胶筒与中心管之间设有O形圈，该O形圈之上套有承留环。

进一步，所述承留环的截面为梯形。

进一步，所述锥体通过剪切销钉与中心管连接。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：采用快速降解镁合金材料制造封堵球、靶镖、可溶球座及可溶桥塞等制品，可以实现在酸性、碱性以及盐类压裂液中可溶或完全降解，解决了易卡涩、堵塞通道问题；并且合金溶蚀时间可控，密封性能和承压性能优良，满足了多种条件的压裂施工需求，达到预期压裂目的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是锁环的结构示意图；

图3是O形圈和承留环的结构示意图；

图4是卡瓦齿的分布示意图；

图5是本发明的工作示意图。

图中，1—中心管，11—定位销孔，2—推环，21—弹簧销钉，3—胶筒导环，31—锁环，32—挡环，4—胶筒，5—锥体，51—剪切销钉，6—卡瓦，61—卡瓦齿，7—引鞋，8—背圈，81—内背圈，82—外背圈，9—O形圈，10—承留环。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作详细说明。

实施例一，一种可降解合金，其包括如下组分：

Zn为70%，Mg为15%，Na为9.5%，Fe为3%，C为0.5%，Si为1%，Ni为1%，以及不可避免的杂质。

实施例二，一种可降解合金，其包括如下组分：

Zn为65%，Mg为15%，Na为10%，Fe为5%，C为0.5%，Si为2%，Ni为2%，以及不可避免的杂质。

实施例三，一种可降解合金，其包括如下组分：

Zn为75%，Mg为5%，Na为10%，Fe为5%，C为0.5%，Si为2%，Ni为2%，以及不可避免的杂质。

采用实施例一、实施例二、实施例三的可降解合金制得的可溶桥塞的刚度较以Mg为合金材料主体的常规可溶桥塞的刚度增加1倍及以上。在60℃条件下，最大承压120 MPa，稳压时间2天及以上，全溶蚀时间需10天及以上。在120℃条件下，最大承压100 MPa，稳压时间6小时及以上，全溶蚀时间需3天及以上。

实施例四，一种可降解合金，其包括如下组分：

Zn为15%，Mg为70%，Na为10%，Fe为1.5%，C为0.2%，Si为1.3%，Ni为2%，以及不可避免的杂质。

实施例五，一种可降解合金，其包括如下组分：

Zn为20%，Mg为65%，Na为7%，Fe为2%，C为0.2%，Si为1.8%，Ni为2%，以及不可避免的杂质。

采用实施例四、实施例五的可降解合金制得的可溶桥塞的刚度较常规可溶桥塞的刚度增加0.5倍及以上，在0℃条件下，最大承压120 MPa，稳压时间1天及以上，全溶蚀时间需6天及以上。在80℃条件下，最大承压100 MPa，稳压时间4小时及以上，全溶蚀时间需2天及以上。

实施例六，一种可降解合金作为单卡瓦式可溶桥塞的卡瓦齿的应用。

参见图1至图4，所示的单卡瓦式可溶桥塞，包括中心管1和由上至下依次固定在中心管1上的推环2、胶筒导环3、胶筒4、锥体5、卡瓦6和引鞋7，所述推环2、胶筒导环3、胶筒4和锥体5能够沿中心管1的轴向移动，所述卡瓦6单向设置，为单卡瓦，所述锥体5的小径端伸入卡瓦6与胶筒5之间与卡瓦6紧配，所述推环2上径向设有弹簧销钉51，所述中心管1外壁上设有定位销孔11，所述定位销孔11设于推环2位于坐封位置时在中心管1上相对应的位置处，所述弹簧销钉51具有被所述中心管1的外壁压制时的压缩状态、以及伸入至定位销孔11而与定位销孔11配合时的自由状态。通过弹簧销钉51的设置防止推环2在坐封时回退，进而能够很好的定位胶筒4和锥体5的位置，使得卡瓦6能够正常锚定。

所述卡瓦6上设有五颗可溶材料卡瓦齿61，所述卡瓦齿61位于卡瓦6的四个角和中心位置处。在现有的四颗卡瓦齿的基础上增加了一颗卡瓦齿，并设置于卡瓦的中心位置处，能够更好的锚定套管，防止因套管与桥塞工具的刚度差而导致的卡瓦受损，使得卡瓦起不到锚定的作用。

所述胶筒导环3通过锁环31套设于中心管1的外壁，所述锁环31上端设有挡环32，防止锁环31向上滑动，锁环31与中心管1之间采用单向齿滑动，使得锁环31在坐封时在中心管1上锁紧，保持下压负荷防止回弹。

所述胶筒4上端与胶筒导环3下端之间、胶筒4下端与锥体5上端之间均具有背圈8，该背圈8由内背圈81、外背圈82组成，所述胶筒导环3下端为锥面，与背圈8配合使用，使得内背圈81、外背圈82便于撑开。

所述胶筒4与中心管1之间设有O形圈9，该O形圈9之上套有承留环10，所述承留环10的截面为梯形。该承留环10与O形圈9在胶筒4承压时进一步密封了胶筒4与中心管1的间隙。O形圈9的设置能够有效防止胶筒4在坐封过程中过度挤压和不规则变形，进而强化胶筒4的密封效果。

所述锥体5通过剪切销钉51与中心管1连接。当剪切力达到设定值时，该剪切销钉51被剪断，锥体5便可沿着中心管1的轴向移动。

具体工作时，参见图5，剪切销钉51在剪切力的作用下剪断，锥体5沿轴向移动，推环2的弹簧销钉21沿轴向移动到中心管1的定位销孔11处，伸入定位销孔11与定位销孔11配合。推环2接收坐封力后驱动胶筒导环3向胶筒4运动并施加给所述胶筒4挤压力，驱动驱动锥体向卡瓦的锥形开口运动，胶筒4接收挤压力后收缩，胶筒收缩后直径增大以抵紧井筒的内壁从而达到了径向定位的作用，所述卡瓦6接收锥体5的挤压力扩展，通过卡瓦齿锚定坐封工具的套管内壁，从而达到了轴向定位的作用。

Claims (8)

1.一种可降解合金，其特征在于包括如下组分：

Zn为60~75%，Mg为5~15%，Na为5~10%，Fe为1~5%，C为0.1~0.5%，Si为0.5~2%，Ni为0.5~2%，以及不可避免的杂质；

以上各组分质量分数之和为100%。

2.根据权利要求1所述的可降解合金，其特征在于包括如下组分：

Zn为70%，Mg为15%，Na为9.5%，Fe为3%，C为0.5%，Si为1%，Ni为1%，以及不可避免的杂质。

3.一种单卡瓦式可溶桥塞，其特征在于：包括中心管（1）和由上至下依次固定在中心管上的推环（2）、胶筒导环（3）、胶筒（4）、锥体（5）、卡瓦（6）和引鞋（7），所述推环、胶筒导环、胶筒和锥体能够沿中心管的轴向移动；其特征在于：所述卡瓦（6）单向设置，为单卡瓦，所述锥体（5）的小径端伸入卡瓦与胶筒（4）之间与卡瓦紧配，所述推环（2）上径向设有弹簧销钉（21），所述中心管（1）外壁上设有定位销孔（11），所述定位销孔设于推环位于坐封位置时在中心管上相对应的位置处，所述弹簧销钉具有被所述中心管的外壁压制时的压缩状态、以及伸入至定位销孔而与定位销孔配合时的自由状态；

所述卡瓦（6）上设有五颗可溶材料卡瓦齿（61）；所述卡瓦（6）的数量为六个，均匀分布于中心管（1）的周边；所述卡瓦齿位于卡瓦的四个角和中心位置处，所述可溶材料为权利要求1~2任一项所述的可降解合金。

4.根据权利要求3所述的单卡瓦式可溶桥塞，其特征在于：所述胶筒导环（3）通过锁环（31）套设于中心管（1）的外壁，所述锁环上端设有挡环（32），防止锁环向上滑动，锁环与中心管之间采用单向齿滑动。

5.根据权利要求3或4所述的单卡瓦式可溶桥塞，其特征在于：所述胶筒（4）上端与胶筒导环（3）下端之间、胶筒下端与锥体（5）上端之间均具有背圈（8），该背圈由内背圈（81）、外背圈（82）组成。

6.根据权利要求3或4所述的单卡瓦式可溶桥塞，其特征在于：所述胶筒（4）与中心管（1）之间设有O形圈（9），该O形圈之上套有承留环（10）。

7.根据权利要求6所述的单卡瓦式可溶桥塞，其特征在于：所述承留环（10）的截面为梯形。

8.根据权利要求3或4所述的单卡瓦式可溶桥塞，其特征在于：所述锥体（5）通过剪切销钉（51）与中心管（1）连接。

Images