分享：壓裂分隔工具用可溶合金的組織與性能
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作業公司,西安 ７１００２１;
２．西安理工大學材料科學與工程學院,西安 ７１００４８)
摘 要:開發和制備了 MgＧCaＧZnＧFeＧNiＧCu可溶合金,對鑄態和熱擠壓態合金的顯微組織和力學性能進行了對比,研究了熱擠壓態合金的溶解性能、應用性能等.結果表明:試驗合金的密度約為１．８g??cm－３,組織由αＧMg、Mg２Ca、Mg２Ni、Mg２Cu及 Mg６Ca２Zn３ 等相組成,熱擠壓態合金的基體相和析出相尺寸均小于鑄態合金的,并沿熱擠壓方向分布;經熱擠壓處理后合金的抗拉強度和伸長率增大,硬度升高;熱擠壓態合金的溶解速率隨溫度的升高而增大,室溫浸泡２４h后合金的質量損失率為４０％,而６０ ℃浸泡２４h后合金已完全溶解;采用擠壓態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;現場試驗結果顯示該合金壓裂球的應用效果良好.
關鍵詞:分隔工具;可溶合金;溶解性能
中圖分類號:TG３７９ 文獻標志碼:A 文章編號: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中,壓裂改造(通過地面泵入高壓流體對地層進行人工造縫)是增加單井產量的有效技術手段,相關設備與工具的開發也成為當今油氣田開發領域的研究熱點[１Ｇ３].在多級分段壓裂中,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,以便打通井道來實現油、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、耗時長、鉆磨后粉末或碎塊不易從井筒返排出等缺點.因此,借鑒生物醫用可降解合金,石油行業提出了可在地層水中快速分解的“可溶合金”材料的開發要求.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境中溶解消失,從而省去鉆磨等回收工序,降低了工程風險,提高了施工效率,同時還可避免鉆屑及循環液對儲層造成的傷害.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)率先報道了由鎂、鋁等元素構成的INＧTallic可分解壓裂球,具有密度小、強度高、在含有電解質的水溶液中可自行分解等特點,但由于技術封鎖、制備方法特殊等因素,造成其價格昂貴[４].目前,國內還沒有研究與生產此類合金的報道.為此,基于鈣、鋅元素可以提高合金的強度[５Ｇ６],鐵、銅、鎳元素可以促進合金的溶解等原理,作者開發了一種 MgＧCaＧZnＧFeＧNiＧCu系可溶合金,對其顯微組織、力學性能、溶解性能和應用性能進行了研究,為可溶材料在井下分隔工具中的應用提供了參考.
１ 試樣制備與試驗方法
１．１ 試樣制備
試驗用原料包括純度為９９．９％(質量分數)的鎂錠(山西聞喜鎂業)、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).設計合金的成分(質量分數)為:５％鈣,６％鋅,１％銅,１．５％ 鐵,１％ 鎳,余 鎂.其 中 鐵 以 FeCl３ 的 形 式 加入.按照設計成分配料,采用 ZGＧ２５A 型感應熔煉爐在體積分數為０．５％SF６ 和９９．５％CO２混合氣體保護下進行熔煉,合金液在７５０℃下攪拌均勻后,加入２００℃下預熱３h的無水FeCl３,繼續攪拌３０min,
于７２０℃下將合金液澆入預熱至２００℃的低碳鋼模具中,在 空 氣 中 冷 卻 制 得 MgＧCaＧZnＧNiＧFeＧCu 合金.將鑄態合金機加工成?１８５mm×４００mm 的棒材后進行熱擠壓處理,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,然后用體積分數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 ASTM E８－２００９,在 HTＧ２４２０型萬能試驗機上進行拉伸試驗,每組８個試樣,試樣尺寸如圖１所示,試驗溫度為室溫和１２０ ℃,拉 伸 速 度 為 １ mm??min－１.利 用 HBＧ３０００型顯微硬度測量儀進行布氏硬度測試,載荷為２５０kN,保載時間為３０s.在模擬地層水中進行溶解試驗,模擬地層水的配方(質量分數)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 溫 度 為 室 溫 和６０ ℃.在井下工具高溫高壓模擬試驗系統中對可溶壓裂球 的 保 壓 密 封 性 能 進 行 測 試,試 驗 溫 度 為９０ ℃,壓 力 為７０MPa,保 壓 時 間 為 ３０ min,將?３４mm的壓裂 球 坐 封 于 油 管 內?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,試驗裝置如圖２所示.
在長慶油田某天然氣直井上進行可溶壓裂球的現場試驗,井深為３３３１．０m,壓裂施工５層.試驗的具體過程為:液體排量１．１m３??min－１下將?３４mm可溶壓裂球送到一級滑套開關處(約３１３２．０m),壓力３７．０MPa下一級滑套開啟成功,進行泵注程序,地層破裂壓力為４５MPa,施工過程中井口壓力維持在３５~４５ MPa,施工時間為６５ min.其余各層壓裂施工情況類似.
２ 試驗結果與討論
２．１ 顯微組織
由圖 ３ 可 知:鑄 態 合 金 組 織 由 αＧMg、Mg２Ca、 Mg２Ni、Mg２Cu及 Mg６Ca２Zn３ 等相組成;熱擠壓態合 金的顯微組織基本遺傳或保持了鑄態合金的,但由于熱擠壓變形造成了合金組織纖維化,且在變形過程中發生了動態回復與再結晶[７],因此熱擠壓態合金 析出相的尺寸及數量發生了變化,導致衍射峰強度弱化或相應相析出角度發生微弱偏移.在 XRD
譜中并沒有發現 Fe及其相關金屬化合物的 衍 射峰,結合鎂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形式分布在晶界處,同時因鐵含量較少,因此在XRD譜中未發現其衍射峰.
由圖４可知:鑄態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;與鑄態合金相比,熱擠壓態合金的晶粒及析出相沿熱擠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生的回復與再結晶.
２．２ 力學性能
由表１可知:經熱擠壓處理后合金的抗拉強度和伸長率均增大,硬度升高;抗拉強度分別從室溫和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.這些現象的產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化,且呈空間交錯分布;(２)熱擠壓變形后,合金中的位錯密度大幅增加,導致拉伸過程中位錯不易被啟動,從而提高了合金的屈服強度和抗拉強度;(３)晶粒的細化及位錯密度的增加共同導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 ℃下的力學性能表明試驗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后合金的質量損失率為４０％,而６０℃浸泡２４h后合金已完全溶解.這是由構成合金的晶粒與晶界析出相之間存在電位差所導致的[９Ｇ１０].當溶液中含有電解質時,在溶液與合金的界面處的晶粒與晶界之間會構成無數微型原電池,從而加速基體的腐蝕溶解,反應式為陽極: Mg→Mg２＋ ＋２e (１)陰極:２H２O＋２e→H２↑＋２OH－ (２)總反應:Mg＋２H２O→Mg(OH)２＋H２↑ (３)由圖６可知,室溫下溶解１２h后,熱擠壓態合金的表面出現尺寸均勻的連續蜂窩狀孔洞.
２．４ 應用性能
在井下工具高溫高壓模擬試驗系統上測得熱擠壓態合 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.現場試驗結果顯示該合金壓裂球的應用效果良好,可溶壓裂球的成功應用極大地提高了施工效率、降低了施工風險,為可溶材料在井下分隔工具中的 應用奠定了基礎.
３ 結 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,熱擠壓態合金的基體相和析出相尺寸小于鑄態合金的,并沿熱擠壓方向分布;經熱擠壓處理后合金的抗拉強度和伸長率均增大,硬度升高.
(２)熱擠壓態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;現場試驗結果顯示該合金壓裂球的應用效果良好.
浙公網安備 33042402000106號
