快速降解鎂合金材料及其制造方法和應用
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鎂合金材料，該鎂合金材料作出制品（如可溶球、可溶靶標、可溶 球座、可溶橋塞等）用于石油井、油氣井及水井井下作業(yè)，能快速降解。發(fā)明還涉及該鎂合 金材料的制備方法和具體應用，屬于鎂合金技術領域
【背景技術】
[0002] 低、中滲透壓力的石油油田或采油油井因受井下滲透壓力低，造成自然產(chǎn)能低下， 以及高滲透壓力的石油油田或采油油井在采油后期由于滲透壓力減低以及出油通道窄小 或堵塞不通，造成石油開采效率低下、產(chǎn)量低甚至不出油，迫使石油開產(chǎn)企業(yè)采用各類先 進、高新技術及其方法來提高開采效率、提高出油量。其中井下壓裂技術就是其中一項先進 技術，壓裂技術作業(yè)中必須用到封堵材料及耗品，屬于被設計為執(zhí)行臨時性功能或僅是暫 時性需要的石油構件，如封堵用的壓裂球及靶鏢等關鍵作業(yè)材料及耗品，必須通過井上工 具運送到井下預定部位，進行分段、分層封堵與壓裂，直到井下作業(yè)完成。井下作業(yè)完成后 要將這些封堵材料及耗品從井下到井上進行打通，以便使石油及油氣順暢地從井道噴出， 實現(xiàn)開采。常規(guī)技術是采用磨銑作業(yè)，以去除封堵材料及耗品，如封堵用的壓裂球及靶鏢 等，其碎削因材料種類及密度不同，將給返排作業(yè)帶來技術上的難度或困難，同時二次鉆井 或磨銑作業(yè)又增加了高成本問題。為此，這些耗材及制品在技術上有了新突破，已采用復合 材料（MMC)、鋁合金、C纖維、尼龍以及酚醛材料制造，使碎削返排作業(yè)技術上難度降低，但 二次鉆井或磨銑作業(yè)尚未能解決。
[0003] 壓裂作業(yè)因地質(zhì)結構和地層特性不同，可以采用酸性、堿性以及鹽類壓裂液，對壓 裂后的井下地質(zhì)進行腐蝕，從而實現(xiàn)溶通出油通道、拓寬出油通道以及增深出油通道的技 術效果。采用鋼或其它可鉆重金屬以及鋁合金因密度較大、不易腐蝕或降解速度小不利于 返排作業(yè)時間要求；而復合材料（MMC)還存在易擠碎問題，滿足不了高壓力壓裂作業(yè)要求； 采用C纖維、尼龍以及酚醛材料存在難腐蝕問題或不易降解，而且封堵時如封堵球還易被 拉長，易造成球座卡堵問題，必須進行二次鉆井或磨銑作業(yè)。
[0004] 現(xiàn)有工業(yè)AZ、AM、AS、WE、ZK等系列鎂合金，在成分配方設計上都是力圖提高耐腐 蝕性，其降解速度要數(shù)年或數(shù)月。顯然，不具備用于石油井下增產(chǎn)作業(yè)要求，滿足不了在規(guī) 定的作業(yè)條件、作業(yè)時間內(nèi)全部溶失掉的特定要求。
[0005] 申請?zhí)枮?00610041586. 1中國發(fā)明專利申請公開《一種高耐蝕性鎂合金》（申 請公布號為CN1920077A)公布了一種高耐蝕性鎂合金材料及技術，該申請涉及顯然滿足 不了易溶鎂合金的設計要求。類型的，中國發(fā)明專利申請CN1737212A、CN1632168A及 CN101245484A分別公布了提高鎂合金耐蝕性的不同處理技術及方法，顯然也滿足不了鎂合 金在高壓耐溫封堵作業(yè)和后續(xù)可溶返排作業(yè)兩階段不同性質(zhì)的技術要求。
[0006] 參考申請?zhí)枮?00910130736.X的中國發(fā)明專利申請公開《生產(chǎn)油田可降解合金 以及相關產(chǎn)品的方法》（申請公布號為CN101560619A)，和美國專利文獻US2007/018224、俄 羅斯專利RU2009107632A，這些文獻申請公開的合金雖滿足了可降解要求，但密度不合適， 也不耐高溫，并添加了低熔點合金組元，而且其合金體系中有的還含有部分有毒元素或?qū)?環(huán)境有害的低熔點元素如鎵、鉛、汞、鉈等。顯然這些材料或合金及制品既存在密度大，又有 害，不適合或不能滿足高溫作業(yè)場合的使用要求，也不適合現(xiàn)代采油技術進步與發(fā)展的要 求。
[0007] 在此基礎上，申請人作了改進，見申請?zhí)枮?01410246482. 7的中國發(fā)明專利申請 公開《易溶性鎂合金材料及其制造方法和應用》（申請公布號為CN104004950A)，該材料包 括如下組分八1、1^、0&、211、111、6&、51、21'等元素，由于該合金不含鎵、鉛、汞、鉈有毒或?qū)Νh(huán) 境有害的元素，因此同時解決了合金有害性問題，但該合金密度控制不嚴格，容易引起密度 過大的問題，同時但該合金中含有多種低熔點金屬（如In、Ga、Zn、Li等），導致耐熱性能較 差的問題，常溫下抗壓強度300MPa左右，在高的溫度如130°C~170°C，抗壓強度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述的技術現(xiàn)狀而另外提供一種低密度且對 環(huán)境友好的快速降解鎂合金材料。
[0009] 本發(fā)明所要解決的又一個技術問題是針對上述的技術現(xiàn)狀而提供一種耐熱性佳 的快速降解鎂合金材料。
[0010] 本發(fā)明所要解決的又一個技術問題是針對上述的技術現(xiàn)狀而提供一種耐熱性佳 的快速降解鎂合金材料的制備方法。
[0011] 本發(fā)明所要解決的又一個技術問題是針對上述的技術現(xiàn)狀而提供一種耐熱性佳 的快速降解鎂合金材料應用。
[0012] 本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案為：包括下述重量百分比例組成：
[0013]A1 :3. 0%~7. 0%;
[0014]Li:0? 01%~1. 0%;
[0015]Ca:0? 5%~1. 0%;
[0016] Y:0.3%~2.3%;
[0017]Si:0? 3%~2. 0%;
[0018]Ni:0? 016%~0? 8%;
[0019]Cu:0? 05%~1. 0%;
[0020] Fe:0? 016%~1. 0% ;
[0021] 余量為Mg及不可避免的雜質(zhì)。
[0022] 所述的Ni、Cu、Fe三個組元合金元素，處于配方設計要求或熔煉鑄造中難以控制 等原因，三者不宜同時使用，F(xiàn)e可以在使用Ni或Cu時允許有不可控制的殘量帶入。
[0023]在本發(fā)明中，A1是主加合金元素，與Mg構成本發(fā)明合金的基礎體系。A1能夠提高 鎂合金的力學性能，特別是對常溫強度的提高作用極大。但在使用溫度或環(huán)境溫度提高后， 鎂合金的力學性能特別是強度降低迅速，使用溫度不宜超過130°C。A1對鎂合金易溶性或 快速降解特性作用不大，甚至有抑制作用。A1含量太高會使鎂合金變脆，應力腐蝕加劇，但 這有利于易溶或快速降解的技術特性；A1含量太少強度較低，滿足不了高承載強度要求。 A1的密度為2. 7g/cm3比Mg的密度1. 73g/cm3大，顯然A1加入量太多對合金密度控制不利。 在二元1§41合金中41加入量到8%時合金密度達到1.8 §/(^3。顯然，解決低密度、耐高 溫、高承載強度以及快速降解的技術功效，僅僅依靠A1的單一作用是不夠的，綜合優(yōu)化A1 含量應控制在3. 0 %~7. 0 %。
[0024] 在本發(fā)明中，Li對合金常溫及高溫強度提高作用不大，但其化學活性極高，其主要 作用是提高鎂合金易溶性或快速降解特性以及控制合金密度。當合金中添加過多比鎂密度 大的合金元素時，需要配入Li來調(diào)整鎂合金密度。但由于Li的化學活性高，氧化、燃燒、 爆炸等危險性極大，易發(fā)生比重偏析，造成制品質(zhì)量性能不均勻，使制品或構件質(zhì)量特性難 控；此外，Li原材料價格高以及熔煉不易控制等問題，加入量應在0. 01 %~1. 0%。
[0025] 在本發(fā)明中，Y(釔）的主要作用是提高鎂的高溫性能，特別是對承載強度的提高 作用極大。Y的原子擴散能力差，并能形成穩(wěn)定的彌散相粒子，從而大幅度提高高溫強度和 蠕變抗力，可禰補A1的強化作用不足問題。Y還能對鎂的熔體進行凈化，去除合金中有害 雜質(zhì)，但對鎂的易溶或降解速度不利。Y的密度較大，對合金的密度控制不宜。當Y含量達 到5. 2%時，二元鎂合金的密度達到1. 8g/cm3。因此，在配方設計中應匹配Al、Si的綜合作 用，控制Y:0? 3%~2. 3%。
[0026] 在本發(fā)明中，Si能夠提高高溫性能、提高合金易溶性或快速降解特性與鑄造時合 金流動性，并且在堿性壓裂液中易溶性或快速降解作用更為強烈，在酸性壓裂液中也是不 可或缺合金元素，有著特殊的化學物理作用特點。所形成的Mg2Si相高熔點、密度小與高模 量對合金承載強度有利。特別是Mg2Si相高熔點對合金的耐熱性能提高極為有利，使工業(yè)AS 系列耐熱