一種可溶擠壓態(tài)鎂合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于鎂合金材料制備及油氣田開發(fā)領域，具體涉及一種可溶擠壓態(tài)鎂合金及其制備方法，按設計配方稱取Al、Mg、Zn、Cu、Ni金屬進行熔煉鑄造，得到的鑄錠加工成圓柱狀后進行熱處理，最后經(jīng)熱擠壓得到目標合金。本發(fā)明制得的鎂合金結晶形態(tài)良好、力學強度高、在含電解質的水溶液中可溶解，適用于加工油氣田壓裂改造過程中使用的封隔工具，利用可溶材料制造壓裂用封隔工具，工具在使用完后可自行溶解掉，省去后續(xù)的返排、磨銑工序，提高施工效率。
【專利說明】
一種可溶擠壓態(tài)鎂合金及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于鎂合金材料制備及油氣田開發(fā)領域，具體涉及一種可溶擠壓態(tài)鎂合金及其制備方法。
【背景技術】
[0002]我國新增探明石油天然氣儲量中，低滲透非常規(guī)油氣資源已達70%，未來油氣產(chǎn)量的穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)將更多地依賴于這些低滲透非常規(guī)油氣資源。油氣資源大多分布于不同深度的地層中，采用多層多段壓裂技術可實現(xiàn)同時對多個地層的改造來提高單井產(chǎn)能，從而提高施工效率。
[0003]開發(fā)這些非常規(guī)油氣資源必須依靠水力壓裂、酸壓等儲層改造工藝技術，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普遍使用的一項技術。
[0004]多層多段壓裂中，層段間需使用封隔工具(如壓裂球、橋塞)分隔后逐層進行壓裂改造，待所有層段施工完成后再將封隔工具返排出井筒或下鉆具磨銑掉，以便打通井道實現(xiàn)油、氣的開采。
[0005]目前，常用封隔工具大多由鋼材制得，存在鉆銑困難、耗時長、鉆后粉末、碎塊不易返排等缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術常用封隔工具大多由鋼材制得，存在鉆銑困難、耗時長、鉆后粉末、碎塊不易返排等缺點，利用可溶合金制造壓裂施工用分隔工具，工具在完成自身使命后可自行在井下溶解失效，從而省去鉆磨回收工序、降低工程風險，提高施工效率。
[0007]為此，本發(fā)明提供了一種可溶擠壓態(tài)鎂合金，所述的可溶擠壓態(tài)鎂合金包括以下質量份數(shù)的組分:
Al:5?10 wt.%；
Zn:I?3 wt.%；
N1:0.5?3 wt.%；
Cu:0.5?3 wt.%；
余量為Mg，以上各組分質量份數(shù)之和為100%。
[0008]所述的可溶擠壓態(tài)鎂合金用于生產(chǎn)油氣田壓裂改造過程中使用的壓裂球、橋塞封隔工具。
[0009]—種可溶擠壓態(tài)鎂合金的制備方法，包括熔煉鑄造和熱擠壓成型兩步:
(a )熔煉鑄造:按可溶擠壓態(tài)鎂合金各個組分的質量份數(shù)配比稱取Al、Mg、Zn、Cu、Ni純金屬，在保護氣體環(huán)境條件下進行熔煉，首先將鎂錠在720?750 V下熔化后，加入其它金屬升溫至750?780 °C攪拌30?50min，熔煉成合金液，于680?720 °C下將合金液澆入低碳鋼模中，在空氣中冷卻成鑄態(tài)合金； (b)熱擠壓成型:將步驟(a)得到的鑄態(tài)合金經(jīng)機械加工成圓柱體，放入熱處理爐內(nèi)加熱至380?420°C進行保溫，4?8小時后進行熱擠壓處理，擠壓前在合金表面涂刷潤滑劑，熱擠壓處理后得到可溶擠壓態(tài)鎂合金。
[0010]所述的步驟(a)中的Al、Mg、Zn、Cu、Ni金屬的純度彡99.9%。
[0011]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。
[0012]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(shù)0.5%SF6和99.5%C02o
[0013]步驟(a)中合金液澆入的低碳鋼模需提前預熱至100?200°C。
[0014]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:5?20毫米/分鐘。
[0015]所述的步驟(b)中的潤滑劑為石墨潤滑劑。
[0016]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提供的這種可溶擠壓態(tài)鎂合金及其制備方法，Al、Zn元素的添加主要用于提高合金的力學強度，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。利用該可溶擠壓態(tài)鎂合金加工油氣田壓裂改造過程中使用的封隔工具，使用后可在井下自行溶解掉，從而省去常規(guī)返排、磨銑工序，提高施工效率。
【附圖說明】
[0017]以下將結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0018]圖1是本發(fā)明合金的工程應力-應變曲線。
[0019]圖2是本發(fā)明合金室溫及60°C下在3%KC1溶液中的失重-時間曲線。
【具體實施方式】
[0020]實施例1:
本實施例提供一種可溶擠壓態(tài)鎂合金，可溶擠壓態(tài)鎂合金包括以下質量份數(shù)的組分: Al:5?10 wt.%；
Zn:I?3 wt.%；
N1:0.5?3 wt.%；
Cu:0.5?3 wt.%；
余量為Mg，以上各組分質量份數(shù)之和為100%。
[0021]上述可溶擠壓態(tài)鎂合金用于生產(chǎn)油氣田壓裂改造過程中使用的壓裂球、橋塞封隔工具。
[0022]力學測試表明，較之于鑄態(tài)合金，本發(fā)明制備的可溶擠壓態(tài)鎂合金的力學性能大幅提高。這是由于擠壓過程中合金晶粒的形狀發(fā)生了改變，原先近似球形的晶粒由于受力而被拉長變得細小，晶粒越細，裂紋就越不容易形成且裂紋形成后也不易擴展。另一方面，熱擠壓過程減少了鑄態(tài)合金組織中存在的氣孔、縮松等缺陷，進一步提高了合金的力學強度。掃描電鏡測試表明，本發(fā)明制備的可溶擠壓態(tài)鎂合金由晶粒相及纖維網(wǎng)狀的晶界相構成，由于兩者之間存在電位差，當合金存在于含有電解質的溶液中時，合金中的晶粒與晶界之間會構成無數(shù)微型原電池，從而導致基體的電化學腐蝕溶解。本發(fā)明中Al、Zn元素的添加主要用于提高合金的力學強度，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。利用該可溶擠壓態(tài)鎂合金加工油氣田壓裂改造過程中使用的封隔工具，使用后可在井下自行溶解掉，從而省去常規(guī)返排、磨銑工序，提高施工效率。
[0023]實施例2:
鎂合金具有低密度、高比強度比剛度、易腐蝕溶解等特性已成為加工壓裂封隔工具的首選材料。然而，鑄造鎂合金由于較低的力學性能限制了其作為結構件的使用，通過熱擠壓處理可均勻化合金組織、細化晶粒、消除鑄造缺陷，從而極大地提高鎂合金的力學性能。
[0024]本實施例提供一種可溶擠壓態(tài)鎂合金的制備方法，包括熔煉鑄造和熱擠壓成型兩步:
(a )熔煉鑄造:按可溶擠壓態(tài)鎂合金各個組分的質量份數(shù)配比稱取Al、Mg、Zn、Cu、Ni純金屬(Al、Mg、Zn、Cu、Ni金屬的純度彡99.9%)，在保護氣體(氦氣、氬氣或SF6+⑶2混合氣體的一種)環(huán)境條件下進行熔煉，首先將鎂錠在720?750°C下熔化后，加入其它金屬升溫至750?780°C攪拌30?50min，熔煉成合金液，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，在空氣中冷卻成鑄態(tài)合金；
(b)熱擠壓成型:將步驟(a)得到的鑄態(tài)合金經(jīng)機械加工成圓柱體，放入熱處理爐內(nèi)加熱至380?420°C進行保溫，4?8小時后進行熱擠壓處理，擠壓前在合金表面涂刷石墨潤滑劑，熱擠壓處理的熱擠壓溫度:380?420°C，擠壓比:5?20，擠壓速度:5?20毫米/分鐘，熱擠壓處理后得到可溶擠壓態(tài)鎂合金。
[0025]以下結合具體的實驗數(shù)據(jù)進行說明:
實施例3:
鎂合金 90Mg-7Al-lZn-lN1-lCu 的制備:
(a)熔煉鑄造:按配比稱取各質量份數(shù)的Al、Mg、Zn、Cu、Ni純金屬，在保護氣體0.5%SF6+99.5%C02下進行熔煉，鎂錠在720 0C下熔化后，加入其它各種原料升溫至750 °C攪拌40min，于700 0C下將合金液澆入預熱至150 0C的低碳鋼模中、空氣中冷卻。
[0026](b)熱擠壓成型:將步驟(a)得到的鑄態(tài)合金機加工成圓柱體，放入熱處理爐內(nèi)加熱至400°C進行保溫，4小時后進行熱擠壓處理，擠壓前合金表面涂刷石墨潤滑劑。熱擠壓溫度:400 0C，擠壓比:10.9，擠壓速度:1O毫米/分鐘。
[0027]通過步驟(a)獲得的鑄態(tài)90Mg-7Al-lZn-lNi_lCu合金室溫拉伸強度235MPa，斷裂伸長率3.8%，經(jīng)步驟(b)熱擠壓處理后合金拉伸強度上升至305MPa，斷裂伸長率上升至18.5%，具體工程應力如圖1所示，兩者上升幅度分別為29.8%和386.8%。60°(:下，該擠壓態(tài)合金在3%KC1溶液中的溶解速率為10mg/cm2/h。該材料浸泡在礦化度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，即能不斷地自行溶解。
[0028]實施例4:
鎂合金 90Mg-7.5Al-lZn-lN1-0.5Cu 的制備:
(a)熔煉鑄造:按配比稱取各質量份數(shù)的Al、Mg、Zn、Cu、Ni純金屬，在保護氣體0.5%SF6+99.5%C02下進行熔煉，鎂錠在720 0C下熔化后，加入其它各種原料升溫至760 °C攪拌30min，于710 °C下將合金液澆入預熱至200 0C的低碳鋼模中、空氣中冷卻。
[0029](b)熱擠壓成型:將步驟(a)得到的鑄態(tài)合金機加工成圓柱體，放入熱處理爐內(nèi)加熱至400°C進行保溫，6小時后進行熱擠壓處理，擠壓前合金表面涂刷石墨潤滑劑。熱擠壓溫度:400 °C，擠壓比:9.2，擠壓速度:15毫米/分鐘。
[0030]通過步驟(a)獲得的鑄態(tài)90Mg-7.5Al-lZn_lN1-0.5Cu合金室溫拉伸強度178MPa，斷裂伸長率2.3%，經(jīng)步驟(b)熱擠壓處理后合金拉伸強度上升至282MPa，斷裂伸長率上升至9.5%，兩者上升幅度分別為58.4%和313.0%。室溫下，該擠壓態(tài)合金在3%KC1溶液中的溶解速率為8mg/cm2/h，可以自行溶解。
[0031]實施例5:
鎂合金90Mg-5Al-2Zn-l.5Ν?-1.5Cu的制備:
(a)熔煉鑄造:按配比稱取各質量份數(shù)的Al、Mg、Zn、Cu、Ni純金屬，在保護氣體0.5%SF6+99.5%C02下進行熔煉，鎂錠在730 0C下熔化后，加入其它各種原料升溫至780 °C攪拌40min，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。
[0032](b)熱擠壓成型:將步驟(a)得到的鑄態(tài)合金機加工成圓柱體，放入熱處理爐內(nèi)加熱至420°C進行保溫，6小時后進行熱擠壓處理，擠壓前合金表面涂刷石墨潤滑劑。熱擠壓溫度:4200C，擠壓比:13.4，擠壓速度:8毫米/分鐘。
[0033]通過步驟(a)獲得的鑄態(tài)90Mg-5Al-2Zn-l.5Ni_l.5Cu合金室溫拉伸強度205MPa，斷裂伸長率4.2%，經(jīng)步驟(b)熱擠壓處理后合金拉伸強度上升至285MPa，斷裂伸長率上升至10.3%，兩者上升幅度分別為39.0%和145.2%。室溫下，該擠壓態(tài)合金在3%KC1溶液中的溶解速率為20mg/cm2/h，可以自行溶解。
[0034]實施例6:
鎂合金 93Mg-5Al-lZn-0.5Ν?-0.5Cu 的制備:
(a)熔煉鑄造:按配比稱取各質量份數(shù)的Al、Mg、Zn、Cu、Ni純金屬，在保護氣體0.5%SF6+99.5%C02下進行熔煉，鎂錠在720 0C下熔化后，加入其它各種原料升溫至750 °C攪拌30min，于680 0C下將合金液澆入預熱至2100 0C的低碳鋼模中、空氣中冷卻。
[0035](b)熱擠壓成型:將步驟(a)得到的鑄態(tài)合金機加工成圓柱體，放入熱處理爐內(nèi)加熱至380°C進行保溫，4小時后進行熱擠壓處理，擠壓前合金表面涂刷石墨潤滑劑。熱擠壓溫度:3800C，擠壓比:5，擠壓速度:5毫米/分鐘。
[0036]通過步驟(a)獲得的鑄態(tài)93Mg-5Al-lZn-0.5Ν?-0.5Cu合金室溫拉伸強度195MPa，斷裂伸長率5.6%，經(jīng)步驟(b)熱擠壓處理后合金拉伸強度上升至290MPa，斷裂伸長率上升至
11.3%，兩者上升幅度分別為48.7%和101.8%。室溫下，該擠壓態(tài)合金在3%KC1溶液中的溶解速率為18mg/cm2/h，可以自行溶解。
[0037]實施例7:
鎂合金 81Mg-10Al-3Zn-3N1-3Cu 的制備:
(a)熔煉鑄造:按配比稱取各質量份數(shù)的Al、Mg、Zn、Cu、Ni純金屬，在保護氣體0.5%SF6+99.5%C02下進行熔煉，鎂錠在750 0C下熔化后，加入其它各種原料升溫至780 °C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。
[0038](b)熱擠壓成型:將步驟(a)得到的鑄態(tài)合金機加工成圓柱體，放入熱處理爐內(nèi)加熱至420°C進行保溫，8小時后進行熱擠壓處理，擠壓前合金表面涂刷石墨潤滑劑。熱擠壓溫度:4200C，擠壓比:20，擠壓速度:20毫米/分鐘。
[0039]通過步驟(a)獲得的鑄態(tài)81Mg-10Al-3Zn-3N1-3Cu合金室溫拉伸強度237MPa，斷裂伸長率6.1%，經(jīng)步驟(b)熱擠壓處理后合金拉伸強度上升至321MPa，斷裂伸長率上升至12.7%，兩者上升幅度分別為35.4%和108.2%。室溫下，該擠壓態(tài)合金在3%KC1溶液中的溶解速率為15mg/cm 2/h，可以自行溶解。
[0040]實施例8:
鎂合金87.5Mg-7.5Α1-2Ζη-1.5Ni_l.5Cu的制備:
(a)熔煉鑄造:按配比稱取各質量份數(shù)的Al、Mg、Zn、Cu、Ni純金屬，在保護氣體0.5%SF6+99.5%C02下進行熔煉，鎂錠在740 0C下熔化后，加入其它各種原料升溫至760 °C攪拌40min，于700 0C下將合金液澆入預熱至150 0C的低碳鋼模中、空氣中冷卻。
[0041](b)熱擠壓成型:將步驟(a)得到的鑄態(tài)合金機加工成圓柱體，放入熱處理爐內(nèi)加熱至400°C進行保溫，6小時后進行熱擠壓處理，擠壓前合金表面涂刷石墨潤滑劑。熱擠壓溫度:400 °C，擠壓比:1，擠壓速度:1O毫米/分鐘。
[0042]通過步驟(a)獲得的鑄態(tài)87.5Mg_7.5Al_2Zn_l.5Ni_l.5Cu合金室溫拉伸強度213MPa，斷裂伸長率5.1%，經(jīng)步驟(b)熱擠壓處理后合金拉伸強度上升至297MPa，斷裂伸長率上升至9.8%，兩者上升幅度分別為39.4%和92.2%。室溫下，該擠壓態(tài)合金在3%KC1溶液中的溶解速率為18mg/cmVh，可以自行溶解。
[0043]實施例9:
鎂合金86.5Mg-8Al-2.5Zn_l.3Ni_l.7Cu的制備:
(a)熔煉鑄造:按配比稱取各質量份數(shù)的Al、Mg、Zn、Cu、Ni純金屬，在保護氣體0.5%SF6+99.5%C02下進行熔煉，鎂錠在740 0C下熔化后，加入其它各種原料升溫至760 °C攪拌45min，于695 °C下將合金液澆入預熱至180 0C的低碳鋼模中、空氣中冷卻。
[0044](b)熱擠壓成型:將步驟(a)得到的鑄態(tài)合金機加工成圓柱體，放入熱處理爐內(nèi)加熱至390°C進行保溫，7小時后進行熱擠壓處理，擠壓前合金表面涂刷石墨潤滑劑。熱擠壓溫度:390 0C，擠壓比:15.5，擠壓速度:15毫米/分鐘。
[0045]通過步驟(a)獲得的鑄態(tài)86.5Mg_8Al_2.5Zn_l.3Ν?-1.7Cu合金室溫拉伸強度213MPa，斷裂伸長率3.6%，經(jīng)步驟(b)熱擠壓處理后合金拉伸強度上升至290MPa，斷裂伸長率上升至8.5%，兩者上升幅度分別為36.2%和136.1%。室溫下，該擠壓態(tài)合金在3%KC1溶液中的溶解速率為13mg/cm2/h，可以自行溶解。
[0046]綜上所述，本發(fā)明的這種可溶擠壓態(tài)鎂合金及其制備方法，利用可溶材料制造壓裂用封隔工具，工具在使用完后可自行溶解掉，省去后續(xù)的返排、磨銑工序，提高施工效率。
[0047]以上例舉僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構成對本發(fā)明的保護范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設計均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種可溶擠壓態(tài)鎂合金，其特征在于:所述的可溶擠壓態(tài)鎂合金包括以下質量份數(shù)的組分: Al:5?10 wt.%； Zn:I?3 wt.%； N1:0.5?3 wt.%； Cu:0.5?3 wt.%； 余量為Mg，以上各組分質量份數(shù)之和為100%。2.如權利要求1所述的可溶擠壓態(tài)鎂合金，其特征在于:所述的可溶擠壓態(tài)鎂合金用于生產(chǎn)油氣田壓裂改造過程中使用的壓裂球、橋塞封隔工具。3.—種如權利要求1或2所述的可溶擠壓態(tài)鎂合金的制備方法，其特征在于，包括熔煉鑄造和熱擠壓成型兩步: (a)熔煉鑄造:按可溶擠壓態(tài)鎂合金各個組分的質量份數(shù)配比稱取Al、Mg、Zn、Cu、Ni純金屬，在保護氣體環(huán)境條件下進行熔煉，首先將鎂錠在720?750 V下熔化后，加入其它金屬升溫至750?780 °C攪拌30?50min，熔煉成合金液，于680?720 °C下將合金液澆入低碳鋼模中，在空氣中冷卻成鑄態(tài)合金； (b)熱擠壓成型:將步驟(a)得到的鑄態(tài)合金經(jīng)機械加工成圓柱體，放入熱處理爐內(nèi)加熱至380?420°C進行保溫，4?8小時后進行熱擠壓處理，擠壓前在合金表面涂刷潤滑劑，熱擠壓處理后得到可溶擠壓態(tài)鎂合金。4.如權利要求3所述的可溶擠壓態(tài)鎂合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟(a)中的八1、]\%、211、(:11、附金屬的純度彡99.9%。5.如權利要求3所述的可溶擠壓態(tài)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。6.如權利要求5所述的可溶擠壓態(tài)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(shù)0.5%SF6和99.5%C02。7.如權利要求3所述的可溶擠壓態(tài)鎂合金的制備方法，其特征在于:步驟(a)中合金液澆入的低碳鋼模需提前預熱至100?200°C。8.如權利要求3所述的可溶擠壓態(tài)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:5?20毫米/分鐘。9.如權利要求3所述的可溶擠壓態(tài)鎂合金的制備方法，其特征在于:所述的步驟(b)中的潤滑劑為石墨潤滑劑。
【文檔編號】C22C23/02GK105950930SQ201610470762
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】楊軍, 韓振華, 鄧小強, 尹俊祿, 張文, 陳飛
【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(yè)公司