一種用于制造可溶壓裂球的鎂合金及其制備方法
【專利摘要】本發明屬于鎂合金材料制備及油氣田開發領域，具體涉及一種用于制造可溶壓裂球的鎂合金及其制備方法，該合金由Zn：5～8 wt.%，Ca：2～7 wt.%，Nd：0.5～4 wt.%，FeCl3：0.2～2 wt.%，Cu：0.5～2 wt.%，Ni：0.5～2 wt.%，余量為Mg組成。材料經由熔煉鑄造和后續熱擠壓處理兩步制得。本發明的鎂合金材料具有密度低、力學強度高、在含電解質的水溶液中溶解快等優點。利用該材料加工油氣田壓裂改造過程中使用壓裂球，可以克服傳統壓裂球在施工中遇到的卡堵、難返排等問題。
【專利說明】
一種用于制造可溶壓裂球的鎂合金及其制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于鎂合金材料制備及油氣田開發領域，具體涉及一種用于制造可溶壓裂球的鎂合金及其制備方法。
【背景技術】
[0002]開發低滲透非常規油氣資源必須依靠水力壓裂、酸壓等儲層改造工藝技術來實現提高單井產量的目的，其中采用套管滑套、裸眼封隔器以及橋塞進行的多層多段壓裂是目前改造油氣田普遍使用的一項技術。
[0003]多層多段壓裂中，層段間需使用不同尺寸的壓裂球分隔后再進行壓裂施工，待所有層段施工完成后再將壓裂球利用地層壓力從井筒返排至地面，以便打通井道實現油、氣的開米。
[0004]常規壓裂球大多由鋼材制得，存在密度大、返排困難等缺陷。復合高分子材料壓裂球具有密度低的優勢，但在井下高溫高壓的環境中存在變形卡入球座的風險。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是克服傳統多層多段壓裂技術中，壓裂球在施工中遇到的卡堵、難返排問題。利用可溶鎂合金材料制造壓裂球，一方面，使得壓裂球易于返排出井筒；另一方面，減小球卡入球座帶來的工程風險，提高施工效率。
[0006]為此，本發明提供了一種用于制造可溶壓裂球的鎂合金，所述的鎂合金包括以下質量份數的組分:
Zn 5.0?8wt.%;
Ca 2.0?7wt.%;
Nd 0.5?4 wt.%；
FeCls 0.2?2wt.%;
Cu 0.5?2wt.%;
Ni 0.5?2wt.%，
余量為Mg，以上各組分質量份數之和為100%。
[0007]所述的鎂合金用于生產油氣田壓裂改造過程中使用的壓裂球、橋塞分隔工具。
[0008]上述用于制造可溶壓裂球的鎂合金的制備方法，包括如下步驟:
(a)按用于制造可溶壓裂球的鎂合金各個組分的質量份數配比稱取Mg、Ca、Nd、Zn、Cu、Ni的純金屬，在保護氣體條件下進行熔煉成合金液，合金液在720?750°C下攪拌均勻后，加入無水FeCl3,升溫至750?780 °C后繼續攪拌30?50min，于680?720 °C下將合金液澆入低碳鋼模中、空氣中冷卻成鑄態合金。
[0009](b)將步驟(a)得到的鑄態合金經機加工成圓柱體，放入熱處理爐內加熱至380?420°C下進行保溫，4?8小時后進行熱擠壓處理，熱擠壓處理后得到可溶擠壓態鎂合金。
[0010]所述的步驟(a)中，無水FeCl3加入到合金液之前要在180?250°C下預熱3?6小時。
[0011]所述的步驟(a)中合金液澆入的低碳鋼模需提前預熱至100?200°C。
[0012]所述的步驟(&)中的1%、0&、則、211、(:11、祖金屬的純度2 99.9%。
[0013]所述的步驟(a)中的保護氣體為氦氣、氬氣或SF6+C02混合氣體的一種。
[0014]所述的SF6和⑶2混合氣體中的SF6和⑶2的比例為:按氣體體積份數0.5%SF6和99.5%C02o
[0015]所述的步驟(b)中的熱擠壓處理的熱擠壓溫度:380?420°C，擠壓比:5?20，擠壓速度:10?20毫米/分鐘。
[0016]本發明的有益效果:本發明提供的這種用于制造可溶壓裂球的鎂合金及其制備方法，Ca、Zn元素的添加主要用于提高合金的力學強度，FeCl3、Nd的加入可以起到細化晶粒的作用。Cu、Ni元素可在合金中形成大量金屬間化合微顆粒，從而促進合金的溶解。這種用于制造可溶壓裂球的鎂合金材料具有密度低(約1.8g/cm3)、力學強度高等優點，在含電解質的水溶液中可快速溶解。利用該材料加工油氣田壓裂改造過程中使用壓裂球，可以克服傳統壓裂球在施工中遇到的卡堵、難返排問題。
【附圖說明】
[0017]以下將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0018]圖1是鎂合金的工程應力-應變曲線。
[0019]圖2是鎂合金在室溫及600C下在3%KC1溶液中的溶解失重-時間曲線。
【具體實施方式】
[0020]實施例1:
本實施例提供一種用于制造可溶壓裂球的鎂合金，鎂合金包括以下質量份數的組分: Zn 5.0?8wt.%;
Ca 2.0?7wt.%;
Nd 0.5?4 wt.%；
FeCls 0.2?2wt.%;
Cu 0.5?2wt.%;
Ni 0.5?2wt.%，
余量為Mg，以上各組分質量份數之和為100%。
[0021]上述鎂合金用于生產油氣田壓裂改造過程中使用的壓裂球、橋塞分隔工具。
[0022]實驗表明，本發明制備的用于制造可溶壓裂球的鎂合金材料由晶粒相及網狀的晶界相構成。由于晶粒相與晶界相之間存在電位差，當合金存在于含有電解質的溶液中時，在合金的界面處，合金中的晶粒與晶界之間會構成無數微型原電池，從而導致基體的電化學腐蝕溶解。Ca、Zn元素的添加主要用于提高合金的力學強度，FeCl3、Nd的加入可以起到細化晶粒的作用。Cu、Ni元素可在合金中形成大量金屬間化合微顆粒，從而促進合金的溶解。
[0023]這種用于制造可溶壓裂球的鎂合金材料具有密度低(約1.8g/cm3)、力學強度高等優點，在含電解質的水溶液中可快速溶解。利用該材料加工油氣田壓裂改造過程中使用壓裂球，可以克服傳統壓裂球在施工中遇到的卡堵、難返排問題。
[0024]實施例2:
本實施例提供一種用于制造可溶壓裂球的鎂合金的制備方法，包括如下步驟:
(a)按用于制造可溶壓裂球的鎂合金各個組分的質量份數配比稱取Mg、Ca、Nd、Zn、Cu、Ni的純金屬(Mg、Ca、Nd、Zn、Cu、Ni金屬的純度299.9%)，在保護氣體(氦氣、氬氣或3?6+0)2混合氣體的一種)條件下進行熔煉成合金液，合金液在720?750°C下攪拌均勻后，加入180?250°C下預熱3?6小時的無水FeCl3,升溫至750?780 °C后繼續攪拌30?50min，于680?720°C下將合金液澆入提前預熱至100?200°C的低碳鋼模中、空氣中冷卻成鑄態合金；
(b)將步驟(a)得到的鑄態合金經機加工成圓柱體，放入熱處理爐內加熱至380?420°C下進行保溫，4?8小時后進行熱擠壓處理，熱擠壓處理的熱擠壓溫度:380?420°C，擠壓比:5?20，擠壓速度:10?20毫米/分鐘，熱擠壓處理后得到可溶擠壓態鎂合金。
[0025]以下結合具體的實驗數據進行說明:
實施例3:
鎂合金84.25Mg-6Zn-5Ca-2.5Nd_0.25FeCl3-lNi_lCu 的制備:
(a)稱取設定質量份數的Mg、Ca、Nd、Zn、Cu、Ni的純金屬，在保護氣體0.5%SF6+99.5%C02下進行熔煉，合金液在740 °C下攪拌均勻后，加入在200°C下預熱4小時的無水FeCl3,升溫至760°C后繼續攪拌30min，于700°C下將合金液澆入預熱至100°C的低碳鋼模中、空氣中冷卻。
[0026](b)將步驟(a)得到的鑄態合金經機加工成圓柱體，放入熱處理爐內加熱至400°C下進行保溫，6小時后進行熱擠壓處理。熱擠壓溫度:400°C，擠壓比:10.9，擠壓速度:10毫米/分鐘。
[0027]通過上述方法獲得的84.25Mg-6Zn-5Ca-2.5Nd_0.25FeCl3-lNi_lCu鎂合金材料，其工程應力-應變曲線如圖1所示，可知室溫抗拉強度308MPa，斷裂伸長率8%，用該材料加工的Φ 37mm壓裂球在Φ 35mm的球座上進行打壓試驗，90°C、70MPa下保壓30分鐘后的壓降值為0.52MPa，壓降比0.74%，滿足壓裂施工指標。
[0028]本實施例的這種鎂合金材料，室溫及60°C下在3%KC1溶液中的失重-時間曲線，如圖2所示，很明顯可以看出，該材料在礦化度3%KC1溶液中，隨著時間的推移，不斷地失重，SP能不斷地自行溶解。
[0029]實施例4:
鎂合金 85.5Mg-6Zn-4Ca-2.0Nd-0.5FeC13-lNi_lCu 的制備:
(a)稱取設定質量份數的Mg、Ca、Nd、Zn、Cu、Ni的純金屬，在保護氣體0.5%SF6+99.5%C02下進行熔煉，合金液在750 °C下攪拌均勻后，加入在200°C下預熱6小時的無水FeCl3,升溫至760°C后繼續攪拌30min，于720°C下將合金液澆入預熱至150°C的低碳鋼模中、空氣中冷卻。
[0030](b)將步驟(a)得到的鑄態合金經機加工成圓柱體，放入熱處理爐內加熱至400°C下進行保溫，5小時后進行熱擠壓處理。熱擠壓溫度:400°C，擠壓比:15.66，擠壓速度:12毫米/分鐘。
[0031 ] 通過上述方法獲得的85.5Mg-6Zn-4Ca-2.0Nd-0.5FeC13-lNi_lCu鎂合金材料室溫抗拉強度288MPa，斷裂伸長率6%，用該材料加工的Φ 37mm壓裂球在Φ 35mm的球座上進行打壓試驗，90°C、70MPa下保壓30分鐘后的壓降值為0.89MPa，壓降比1.3%，滿足壓裂施工指標。
[0032]實施例5:
鎂合金91.3Mg-5Zn-2Ca-0.5Nd_0.2FeCl3_0.5Ni_0.5Cu的制備: (a)稱取設定質量份數的Mg、Ca、Nd、Zn、Cu、Ni的純金屬，在保護氣體0.5%SF6+99.5%C02下進行熔煉，合金液在720°C下攪拌均勻后，加入在180°C下預熱3小時的無水FeCl3,升溫至750°C后繼續攪拌40min，于680°C下將合金液澆入預熱至150°C的低碳鋼模中、空氣中冷卻。
[0033](b)將步驟(a)得到的鑄態合金經機加工成圓柱體，放入熱處理爐內加熱至380°C下進行保溫，4小時后進行熱擠壓處理。熱擠壓溫度:380°C，擠壓比:5，擠壓速度:15毫米/分鐘。
[0034]通過上述方法獲得的91.3Mg-5Zn-2Ca-0.5Nd_0.2FeCl3-0.5Ν?-0.5Cu鎂合金材料室溫抗拉強度283MPa，斷裂伸長率13%，用該材料加工的Φ 37mm壓裂球在Φ 35mm的球座上進行打壓試驗，90 °C、70MPa下保壓30分鐘后的壓降值為0.43MPa，壓降比0.61%，滿足壓裂施工指標。
[0035]實施例6:
鎂合金 75Mg-8Zn-7Ca-4Nd-2FeCl3-2N1-2Cu 的制備:
(a)稱取設定質量份數的Mg、Ca、Nd、Zn、Cu、Ni的純金屬，在保護氣體0.5%SF6+99.5%C02下進行熔煉，合金液在750 °C下攪拌均勻后，加入在250°C下預熱6小時的無水FeCl3,升溫至780°C后繼續攪拌50min，于720°C下將合金液澆入預熱至200°C的低碳鋼模中、空氣中冷卻。
[0036](b)將步驟(a)得到的鑄態合金經機加工成圓柱體，放入熱處理爐內加熱至420°C下進行保溫，8小時后進行熱擠壓處理。熱擠壓溫度:420°C，擠壓比:20，擠壓速度:20毫米/分鐘。
[0037]通過上述方法獲得的75Mg-8Zn-7Ca-4Nd-2FeCl3-2N1-2Cu鎂合金材料室溫抗拉強度367MPa，斷裂伸長率4%，用該材料加工的Φ 37mm壓裂球在Φ 35mm的球座上進行打壓試驗，90°(:、7010^下保壓30分鐘后的壓降值為0.2910^，壓降比0.41%，滿足壓裂施工指標。
[0038]實施例7:
鎂合金84.5Mg-7Zn-3Ca-2.5Nd-lFeCl3-l.5Ni_l.5Cu的制備:
(a)稱取設定質量份數的Mg、Ca、Nd、Zn、Cu、Ni的純金屬，在保護氣體0.5%SF6+99.5%C02下進行熔煉，合金液在730°C下攪拌均勻后，加入在190°C下預熱4小時的無水FeCl3,升溫至760°C后繼續攪拌35min，于690°C下將合金液澆入預熱至130°C的低碳鋼模中、空氣中冷卻。
[0039](b)將步驟(a)得到的鑄態合金經機加工成圓柱體，放入熱處理爐內加熱至390°C下進行保溫，5小時后進行熱擠壓處理。熱擠壓溫度:390°C，擠壓比:10，擠壓速度:13毫米/分鐘。
[0040]通過上述方法獲得的84.5Mg-7Zn-3Ca-2.5Nd_lFeCl3-l.5Ν?-1.5Cu鎂合金材料室溫抗拉強度327MPa，斷裂伸長率6%，用該材料加工的Φ 37mm壓裂球在Φ 35mm的球座上進行打壓試驗，90 °C、70MPa下保壓30分鐘后的壓降值為0.39MPa，壓降比0.56%，滿足壓裂施工指標。
[0041 ] 實施例8:
鎂合金80.5Mg-7Zn-6Ca-3Nd-l.5FeCl3-lNi_lCu的制備:
(a)稱取設定質量份數的Mg、Ca、Nd、Zn、Cu、Ni的純金屬，在保護氣體0.5%SF6+99.5%C02下進行熔煉，合金液在740°C下攪拌均勻后，加入在210°C下預熱5小時的無水FeCl3,升溫至770°C后繼續攪拌45min，于710°C下將合金液澆入預熱至170°C的低碳鋼模中、空氣中冷卻。
[0042](b)將步驟(a)得到的鑄態合金經機加工成圓柱體，放入熱處理爐內加熱至410°C下進行保溫，7小時后進行熱擠壓處理。熱擠壓溫度:410°C，擠壓比:17，擠壓速度:17毫米/分鐘。
[0043]通過上述方法獲得的80.5Mg-7Zn-6Ca-3Nd-l.5FeCl3-lNi_lCu鎂合金材料室溫抗拉強度324MPa，斷裂伸長率7%，用該材料加工的Φ 37mm壓裂球在Φ 35mm的球座上進行打壓試驗，90°C、70MPa下保壓30分鐘后的壓降值為0.73MPa，壓降比1.04%，滿足壓裂施工指標。
[0044]綜上所述，本發明的這種用于制造可溶壓裂球的鎂合金及其制備方法，經由熔煉鑄造和后續熱擠壓處理兩步制得。本發明的鎂合金材料具有密度低、力學強度高、在含電解質的水溶液中溶解快等優點。利用該材料加工油氣田壓裂改造過程中使用壓裂球，可以克服傳統壓裂球在施工中遇到的卡堵、難返排等問題。
[0045]以上例舉僅僅是對本發明的舉例說明，并不構成對本發明的保護范圍的限制，凡是與本發明相同或相似的設計均屬于本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種用于制造可溶壓裂球的鎂合金，其特征在于:所述的鎂合金包括以下質量份數的組分: Zn 5.0?8wt.%; Ca 2.0?7wt.%; Nd 0.5?4 wt.%； FeCls 0.2?2wt.%; Cu 0.5?2wt.%; Ni 0.5?2wt.%， 余量為Mg，以上各組分質量份數之和為100%。2.如權利要求1所述的用于制造可溶壓裂球的鎂合金，其特征在于:所述的鎂合金用于生產油氣田壓裂改造過程中使用的壓裂球、橋塞分隔工具。3.如權利要求1或2所述的用于制造可溶壓裂球的鎂合金的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (a)按用于制造可溶壓裂球的鎂合金各個組分的質量份數配比稱取Mg、Ca、Nd、Zn、Cu、Ni的純金屬，在保護氣體條件下進行熔煉成合金液，合金液在720?750°C下攪拌均勻后，加入無水FeCl3,升溫至750?780 °C后繼續攪拌30?50min，于680?720 °C下將合金液澆入低碳鋼模中、空氣中冷卻成鑄態合金。4.(b)將步驟(a)得到的鑄態合金經機加工成圓柱體，放入熱處理爐內加熱至380?420°C下進行保溫，4?8小時后進行熱擠壓處理，熱擠壓處理后得到可溶擠壓態鎂合金。5.如權利要求3所述的用于制造可溶壓裂球的鎂合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟(a)中，無水FeCl3加入到合金液之前要在180?250°C下預熱3?6小時。6.如權利要求3或4所述的用于制造可溶壓裂球的鎂合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟(a)中合金液饒入的低碳鋼模需提前預熱至100?200 °C。7.如權利要求3所述的用于制造可溶壓裂球的鎂合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟匕)中的]\%、03、則、211、(:11、祖金屬的純度299.9%。8.如權利要求3所述的用于制造可溶壓裂球的鎂合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟(a)中的保護氣體為氦氣、氬氣或SF6+C02混合氣體的一種。9.如權利要求7所述的用于制造可溶壓裂球的鎂合金的制備方法，其特征在于:所述的SF6和CO2混合氣體中的SF6和CO2的比例為:按氣體體積份數0.5%SF6和99.5%C02。10.如權利要求3所述的用于制造可溶壓裂球的鎂合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟(b)中的熱擠壓處理的熱擠壓溫度:380?420°C，擠壓比:5?20，擠壓速度:10?20毫米/分鐘。
【文檔編號】C22F1/06GK105908037SQ201610467486
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】楊軍, 高燕, 尹俊祿, 樊啟國, 景志明, 韓振華
【申請人】中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司