楊 軍１,王建樹１,尹俊祿１,韓振華２

(１．川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司,西安 ７１００２１;

２．西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 ７１００４８)

    摘 要:開發(fā)和制備了 MgＧCaＧZnＧFeＧNiＧCu可溶合金,對(duì)鑄態(tài)和熱擠壓態(tài)合金的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比,研究了熱擠壓態(tài)合金的溶解性能、應(yīng)用性能等.結(jié)果表明:試驗(yàn)合金的密度約為１．８g??cm－３,組織由αＧMg、Mg２Ca、Mg２Ni、Mg２Cu及 Mg６Ca２Zn３ 等相組成,熱擠壓態(tài)合金的基體相和析出相尺寸均小于鑄態(tài)合金的,并沿?zé)釘D壓方向分布;經(jīng)熱擠壓處理后合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率增大,硬度升高;熱擠壓態(tài)合金的溶解速率隨溫度的升高而增大,室溫浸泡２４h后合金的質(zhì)量損失率為４０％,而６０ ℃浸泡２４h后合金已完全溶解;采用擠壓態(tài)合金加工的壓裂球在９０ ℃和７０MPa下的壓降比為０．８６％,密封性良好;現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果顯示該合金壓裂球的應(yīng)用效果良好.

關(guān)鍵詞:分隔工具;可溶合金;溶解性能

中圖分類號(hào):TG３７９ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１７)０９Ｇ００３２Ｇ０

MicrostructureandPropertiesofSolubleAlloyUsedfor

FracturingSeparationTools

YANGJun１,WANGJianshu１,YINGJunlu１,HANZhenhua２

(１．ChangqingDownholeTechnologyCompany,ChuanqingDrillingEngineeringCo．,Ltd．,Xi′an７１００２１,China;

２．SchoolofMaterialsScienceandEngineering,Xi′anUniversityofTechnology,Xi′an７１００４８,China)

Abstract:The MgＧCaＧZnＧFeＧNiＧCusolublealloy weredevelopedandprepared．The microstructureand

mechanicalpropertiesofthecastandhotＧextrudedalloywerecompared,andthedissolvingpropertyandapplication

performanceofthehotＧextrudedalloy wereinvestigated．Theresultsindicatethatthetestalloy withdensityof

１．８g??cm－３ wascomposed ofαＧMg,Mg２Ca,Mg２Ni,Mg２Cu and Mg６Ca２Zn３ phases．The matrix phaseand

precipitatedphaseofhotextrudedalloydistributedalongtheextrusiondirectionandexhibitedasmallersizethanthecastalloys．Thetensilestrength,elongationandhardnessofalloywereincreasedafterhotＧextruding．ThesolublerateofhotＧextrudedalloyincreasedwhentemperaturerose．Thehotextrudedalloyshowedamasslossof４０％afterdissolvedfor２４hatroomtemperaturewhiledissolvedcompletelyafter２４hat６０ ℃．Thepressuredroprateof

fracＧballfabricatedbyhotＧextrudedalloywas０．８６％ under７０ MPaat9０℃,whichshowedagoodleakproofness．

FieldtestresultsshowedthatthefracＧballhadanexcellentapplicationperformance．

Keywords:separationtool;solublealloy;dissolvingproperty

０ 引 言

    在低滲透油氣田開發(fā)中,壓裂改造(通過地面泵入高壓流體對(duì)地層進(jìn)行人工造縫)是增加單井產(chǎn)量的有效技術(shù)手段,相關(guān)設(shè)備與工具的開發(fā)也成為當(dāng)今油氣田開發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[１Ｇ３].在多級(jí)分段壓裂中,不同油層間需要投壓裂球或下橋塞分隔后再逐層進(jìn)行壓裂施工,待所有層段施工完成后需將這些分隔工具從井筒返排出或利用鉆具鉆磨掉,以便打通井道來實(shí)現(xiàn)油、氣的開采.目前,常用分隔工具大多是由鋼材制得的,存在鉆銑困難、耗時(shí)長、鉆磨后粉末或碎塊不易從井筒返排出等缺點(diǎn).因此,借鑒生物醫(yī)用可降解合金,石油行業(yè)提出了可在地層水中快速分解的“可溶合金”材料的開發(fā)要求.利用可溶合金制造的壓裂施工用分隔工具,在完成施工后可自行在井下環(huán)境中溶解消失,從而省去鉆磨等回收工序,降低了工程風(fēng)險(xiǎn),提高了施工效率,同時(shí)還可避免鉆屑及循環(huán)液對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害.壓裂分隔工具要求耐溫９０℃、耐壓７０ MPa,以滿足在高溫(地層溫度)、高壓(地面泵注)下的使用需求.２０１２年美國貝克休斯公司(BakerHughes)率先報(bào)道了由鎂、鋁等元素構(gòu)成的INＧTallic可分解壓裂球,具有密度小、強(qiáng)度高、在含有電解質(zhì)的水溶液中可自行分解等特點(diǎn),但由于技術(shù)封鎖、制備方法特殊等因素,造成其價(jià)格昂貴[４].目前,國內(nèi)還沒有研究與生產(chǎn)此類合金的報(bào)道.為此,基于鈣、鋅元素可以提高合金的強(qiáng)度[５Ｇ６],鐵、銅、鎳元素可以促進(jìn)合金的溶解等原理,作者開發(fā)了一種 MgＧCaＧZnＧFeＧNiＧCu系可溶合金,對(duì)其顯微組織、力學(xué)性能、溶解性能和應(yīng)用性能進(jìn)行了研究,為可溶材料在井下分隔工具中的應(yīng)用提供了參考.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

１．１ 試樣制備

    試驗(yàn)用原料包括純度為９９．９％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鎂錠(山西聞喜鎂業(yè))、鈣片、鋅粒(?３mm)、銅塊、鎳塊(北京中諾新材)和分析純的 FeCl３(國藥集團(tuán)).設(shè)計(jì)合金的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:５％鈣,６％鋅,１％銅,１．５％ 鐵,１％ 鎳,余 鎂.其 中 鐵 以 FeCl３ 的 形 式 加入.按照設(shè)計(jì)成分配料,采用 ZGＧ２５A(chǔ) 型感應(yīng)熔煉爐在體積分?jǐn)?shù)為０．５％SF６ 和９９．５％CO２混合氣體保護(hù)下進(jìn)行熔煉,合金液在７５０℃下攪拌均勻后,加入２００℃下預(yù)熱３h的無水FeCl３,繼續(xù)攪拌３０min,

于７２０℃下將合金液澆入預(yù)熱至２００℃的低碳鋼模具中,在 空 氣 中 冷 卻 制 得 MgＧCaＧZnＧNiＧFeＧCu 合金.將鑄態(tài)合金機(jī)加工成?１８５mm×４００mm 的棒材后進(jìn)行熱擠壓處理,擠壓溫度為３８０ ℃,擠壓后尺寸為?５６mm,擠壓比為１０．９,擠壓速度為２mm??s－１.擠壓前在合金表面涂刷石墨作為潤滑劑,并在３８０℃下保溫６h.

１．２ 試驗(yàn)方法

    將試樣在８００＃ 、１０００＃ 砂紙上加水濕磨后,采用金剛石拋光劑拋至鏡面,然后用體積分?jǐn)?shù)５％硝酸酒精溶液腐蝕１２~１８s,采用JEOLJSMＧ７０００F型掃描電鏡(SEM)觀察試樣的顯微組織.根據(jù) ASTM E８－２００９,在 HTＧ２４２０型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),每組８個(gè)試樣,試樣尺寸如圖１所示,試驗(yàn)溫度為室溫和１２０ ℃,拉 伸 速 度 為 １ mm??min－１.利 用 HBＧ３０００型顯微硬度測量儀進(jìn)行布氏硬度測試,載荷為２５０kN,保載時(shí)間為３０s.在模擬地層水中進(jìn)行溶解試驗(yàn),模擬地層水的配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:蒸餾水＋２．５％NaCl＋０．３％CaCl２＋０．２％MgCl２,試樣尺寸為２０ mm ×２０mm×２０ mm,試 驗(yàn) 溫 度 為 室 溫 和６０ ℃.在井下工具高溫高壓模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中對(duì)可溶壓裂球 的 保 壓 密 封 性 能 進(jìn) 行 測 試,試 驗(yàn) 溫 度 為９０ ℃,壓 力 為７０MPa,保 壓 時(shí) 間 為 ３０ min,將?３４mm的壓裂 球 坐 封 于 油 管 內(nèi)?３２ mm 的 球 座上,在 壓 裂 球 上 方 將 液 壓 加 載 至 ７０ MPa 并 保 持３０min,記錄其壓降值,試驗(yàn)裝置如圖２所示.

    在長慶油田某天然氣直井上進(jìn)行可溶壓裂球的現(xiàn)場試驗(yàn),井深為３３３１．０m,壓裂施工５層.試驗(yàn)的具體過程為:液體排量１．１m３??min－１下將?３４mm可溶壓裂球送到一級(jí)滑套開關(guān)處(約３１３２．０m),壓力３７．０MPa下一級(jí)滑套開啟成功,進(jìn)行泵注程序,地層破裂壓力為４５MPa,施工過程中井口壓力維持在３５~４５ MPa,施工時(shí)間為６５ min.其余各層壓裂施工情況類似.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

 ２．１ 顯微組織 

    由圖 ３ 可 知:鑄 態(tài) 合 金 組 織 由 αＧMg、Mg２Ca、 Mg２Ni、Mg２Cu及 Mg６Ca２Zn３ 等相組成;熱擠壓態(tài)合 金的顯微組織基本遺傳或保持了鑄態(tài)合金的,但由于熱擠壓變形造成了合金組織纖維化,且在變形過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶[７],因此熱擠壓態(tài)合金 析出相的尺寸及數(shù)量發(fā)生了變化,導(dǎo)致衍射峰強(qiáng)度弱化或相應(yīng)相析出角度發(fā)生微弱偏移.在 XRD

    譜中并沒有發(fā)現(xiàn) Fe及其相關(guān)金屬化合物的 衍 射峰,結(jié)合鎂Ｇ鐵二元相圖可知,鐵在鎂中的固溶度極小且不與鎂形成金屬間化合物,鎂合金中鐵一般以單質(zhì)形式分布在晶界處,同時(shí)因鐵含量較少,因此在XRD譜中未發(fā)現(xiàn)其衍射峰.

    由圖４可知:鑄態(tài)合金由鎂基體及沿晶界分布的析出相組成,其中鎂基體呈等軸晶狀,平均晶粒尺寸約為５０μm,析出相較大,平均寬度約為５μm;與鑄態(tài)合金相比,熱擠壓態(tài)合金的晶粒及析出相沿?zé)釘D壓方向呈纖維狀分布,基體相和析出相的尺寸明顯減小,這歸因于擠壓變形過程中發(fā)生的回復(fù)與再結(jié)晶.

２．２ 力學(xué)性能

    由表１可知:經(jīng)熱擠壓處理后合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率均增大,硬度升高;抗拉強(qiáng)度分別從室溫和１２０ ℃的１２５,１０ MPa增加到２２８,２０４ MPa,增加幅度 分 別 為 １０２％,１０４％;伸 長 率 分 別 從 室 溫 和１２０℃的１．５％和１％增加到４．４％和２．１％,熱擠壓處理后合金的韌性得到提高.這些現(xiàn)象的產(chǎn)生可歸因于以下三方面[７Ｇ８]:(１)熱擠壓變形使合金晶粒及析出相細(xì)化,且呈空間交錯(cuò)分布;(２)熱擠壓變形后,合金中的位錯(cuò)密度大幅增加,導(dǎo)致拉伸過程中位錯(cuò)不易被啟動(dòng),從而提高了合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度;(３)晶粒的細(xì)化及位錯(cuò)密度的增加共同導(dǎo)致合金在變形過程中處于軟取向的滑移系增多,從而在一定程度上提高了合金的塑性.合金在１２０ ℃下的力學(xué)性能表明試驗(yàn)合金可以滿足井下高溫的工況要求.

２．３ 溶解性能

    由圖５可知:熱擠壓態(tài)合金的溶解速率隨溫度的升高而增大;室溫浸泡２４h后合金的質(zhì)量損失率為４０％,而６０℃浸泡２４h后合金已完全溶解.這是由構(gòu)成合金的晶粒與晶界析出相之間存在電位差所導(dǎo)致的[９Ｇ１０].當(dāng)溶液中含有電解質(zhì)時(shí),在溶液與合金的界面處的晶粒與晶界之間會(huì)構(gòu)成無數(shù)微型原電池,從而加速基體的腐蝕溶解,反應(yīng)式為陽極: Mg→Mg２＋ ＋２e (１)陰極:２H２O＋２e→H２↑＋２OH－ (２)總反應(yīng):Mg＋２H２O→Mg(OH)２＋H２↑ (３)由圖６可知,室溫下溶解１２h后,熱擠壓態(tài)合金的表面出現(xiàn)尺寸均勻的連續(xù)蜂窩狀孔洞.

２．４ 應(yīng)用性能

    在井下工具高溫高壓模擬試驗(yàn)系統(tǒng)上測得熱擠壓態(tài)合 金 壓 裂 球 的 壓 降 值 為 ０．６ MPa,壓 降 比 為０．８６％,小于３％,滿足現(xiàn)場使用要求.所加工壓裂球的尺寸精度為０．０５mm,稱量并除以球體積后得到該熱擠壓態(tài)合金密度約為１．８g??cm－３,僅為鋼球密度(約７．８g??cm－３)的四分之一,利于壓裂施工后返排出井筒.由圖７可知,通過線性擬合得到室溫和６０℃下壓裂球直徑的減小速率分別為０．２３５mm??h－１ 和０．９３０mm??h－１.由圖８可以看出,溶解７h后壓裂球仍然為均勻的球體,這說明壓裂球的溶解呈各向同性.現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果顯示該合金壓裂球的應(yīng)用效果良好,可溶壓裂球的成功應(yīng)用極大地提高了施工效率、降低了施工風(fēng)險(xiǎn),為可溶材料在井下分隔工具中的 應(yīng)用奠定了基礎(chǔ). 

３ 結(jié) 論

    (１)MgＧCaＧZnＧFeＧNiＧCu系可溶合金的密度約為 １．８ g??cm－３,組 織 由 αＧMg、Mg２Ca、Mg２Ni、Mg２Cu及 Mg６Ca２Zn３ 等相組成,熱擠壓態(tài)合金的基體相和析出相尺寸小于鑄態(tài)合金的,并沿?zé)釘D壓方向分布;經(jīng)熱擠壓處理后合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率均增大,硬度升高.

    (２)熱擠壓態(tài)合金的溶解速率隨溫度的升高而增大,室溫浸泡２４h后合金的質(zhì)量損失率為４０％,而６０ ℃下浸泡２４h后合金已完全溶解;采用擠壓態(tài)合金加工的壓裂球在９０ ℃和７０ MPa條件下的壓降比為０．８６％,密封性良好;現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果顯示該合金壓裂球的應(yīng)用效果良好.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機(jī)械工程材料 > 2017年 > 9期 > pp.32）