本發(fā)明屬于陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種油氣井用氧化鋯陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
在油氣田鉆井、完井、修井作業(yè)中，膨脹管技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，特別是在補(bǔ)貼套管破漏或腐蝕井段、套變井打通道后補(bǔ)貼加固、封堵射孔層段、封堵高出水層段、加深井和側(cè)鉆井完井等方面技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。膨脹管技術(shù)是在液壓或機(jī)械力的作用下，驅(qū)動(dòng)膨脹芯頭在膨脹管內(nèi)產(chǎn)生縱向移動(dòng)，通過(guò)膨脹芯頭膨脹段擠壓膨脹管內(nèi)壁，使膨脹管發(fā)生永久塑性變形，從而緊貼在套管內(nèi)壁或者裸眼井段上。在高含硫氣田作業(yè)過(guò)程中，需要在120℃、高含硫化氫、二氧化碳的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，急需一種耐高溫耐磨抗硫膨脹芯頭。
目前膨脹管補(bǔ)貼和完井采用的膨脹芯頭所用材料多為普通碳鋼材料。ZL201110343666.3公開(kāi)的插接式膨脹頭和ZL200920164454.7公開(kāi)的膨脹管膨脹工具，都采用了高硬度鋼材，一體式設(shè)計(jì)，但不具備抗硫特性。ZL200910131180.6公開(kāi)的一種氧化鋯陶瓷缸套材料及其制備方法和ZL201310440933.8公開(kāi)的一種氧化鋯陶瓷制造工藝，其氧化鋯陶瓷材料的燒結(jié)溫度分別為1550～1600℃和1650～1800℃，氧化鋯陶瓷的燒結(jié)溫度過(guò)高，不利于生產(chǎn)和操作；同時(shí)，在膨脹管施工過(guò)程中，膨脹芯頭對(duì)膨脹管會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，進(jìn)而對(duì)膨脹管產(chǎn)生損傷，不利于后期生產(chǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提出一種油氣井用氧化鋯陶瓷，該陶瓷的摩擦系數(shù)低，解決了氧化鋯陶瓷材料燒結(jié)溫度較高和高溫下摩擦系數(shù)過(guò)大易對(duì)膨脹管產(chǎn)生損傷的問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
一種油氣井用氧化鋯陶瓷，按照重量份數(shù)計(jì)算，包括以下原料：
氧化鋯60～70份、氧化億1.5～2.5份、氧化鑭0.4～1.2份、氧化釤0.5～1.5份、石墨0.5～1.5份、碳化鉬2～4份、粘接劑1～2份與分散劑1～2份；其中，所述石墨與碳化鉬需要先經(jīng)過(guò)稀硝酸浸泡處理，然后固液分離。
作為優(yōu)選，本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述稀硝酸的濃度為0.5～3mol/L。
作為優(yōu)選，本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述粘接劑為甲基纖維素或乙基纖維素。
作為優(yōu)選，本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述分散劑為聚丙烯酸鹽。
作為優(yōu)選，本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述聚丙烯酸鹽為聚甲基丙烯酸銨或者聚甲基丙烯酸乙酯。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種油氣井用氧化鋯陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
1)預(yù)處理：將石墨與碳化鉬需要先經(jīng)過(guò)稀硝酸浸泡處理，然后固液分離，得到預(yù)處理的石墨與碳化鉬；
2)球磨粉料：按照配比稱(chēng)取氧化鋯、氧化億、氧化鑭與氧化釤，然后與預(yù)處理的石墨與碳化鉬的混合加入至球磨機(jī)中，形成混合粉料，再向混合粉料中分別加入粘接劑與分散劑，然后開(kāi)機(jī)球磨得到漿料；
3)造粒：在造粒噴霧塔中將步驟2)中得到的漿料進(jìn)行噴霧干燥，去除其中的水分得到造粒粉；
4)制作包套：根據(jù)膨脹芯頭膨脹段尺寸制作鋼制模具，并將其在烘箱中加熱至190℃，把加熱后的鋼制模具放入配好的聚氯乙烯料中，待鋼制模具外表面均勻掛料后，將鋼制模具再次放入190℃的烘箱加熱，10～15min后取出，放入水中，迅速?gòu)哪＞呱先∠掳祝?/p>
5)冷等靜壓：將步驟3)中的造粒粉放入制作好的包套中，進(jìn)行預(yù)成型壓制和冷等靜壓處理，得到膨脹芯頭膨脹段的坯料，預(yù)成型工作壓力為280～330kg/cm2，冷等靜壓工作壓力為1500～1700kg/cm2，壓制后對(duì)坯料進(jìn)行二次加工，使得膨脹段尺寸符合制作要求；
6)燒結(jié)坯料：對(duì)步驟5)中的生坯進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1150～1260℃，保溫6～8小時(shí)，即制作出油氣井用氧化鋯陶瓷。
作為優(yōu)選，本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述粘接劑為甲基纖維素或乙基纖維素。
作為優(yōu)選，本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述分散劑為聚丙烯酸鹽。
作為優(yōu)選，本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述聚丙烯酸鹽為聚甲基丙烯酸銨或者聚甲基丙烯酸乙酯。
本發(fā)明的有益效果：
1、通過(guò)氧化釔、氧化鑭、氧化釤的復(fù)合添加，顯著提高了氧化鋯陶瓷的致密度，稀土氧化物是非常好的表面活性物質(zhì)，可以改善材料的潤(rùn)濕性，最終達(dá)到降低燒結(jié)溫度的效果，降低了氧化鋯陶瓷膨脹芯頭的加工難度和加工成本。
2、發(fā)明人通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，石墨與碳化鉬經(jīng)過(guò)稀硝酸浸泡處理，這里浸泡處理只要將石墨與碳化鉬浸沒(méi)完全即可，替代傳統(tǒng)的鉬酸鹽、氧化鎂等潤(rùn)滑助劑，能夠顯著降低氧化鋯陶瓷在120℃溫度下的摩擦系數(shù)，同時(shí)迅速降低材料氣孔率和提高材料密度，從而較大程度降低四方多晶氧化鋯(TZP)材料的燒結(jié)溫度。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
一種油氣井用氧化鋯陶瓷，按照重量份數(shù)計(jì)算，包括以下原料：
氧化鋯62份、氧化億2份、氧化鑭0.5份、氧化釤1.5份、石墨1份、碳化鉬2份、甲基纖維素1份與聚甲基丙烯酸銨1份；其中，所述石墨與碳化鉬需要先經(jīng)過(guò)稀硝酸浸泡處理，然后固液分離。
制備方法，包括以下步驟：
1)預(yù)處理：將石墨與碳化鉬需要先經(jīng)過(guò)1mol/L的稀硝酸浸泡處理30min，然后固液分離，得到預(yù)處理的石墨與碳化鉬；
2)球磨粉料：按照配比稱(chēng)取氧化鋯、氧化億、氧化鑭與氧化釤，然后與預(yù)處理的石墨與碳化鉬的混合加入至球磨機(jī)中，形成混合粉料，再向混合粉料中分別加入甲基纖維素與聚甲基丙烯酸銨，然后開(kāi)機(jī)球磨得到漿料；
3)造粒：在造粒噴霧塔中將步驟2)中得到的漿料進(jìn)行噴霧干燥，去除其中的水分得到造粒粉；
4)制作包套：根據(jù)膨脹芯頭膨脹段尺寸制作鋼制模具，并將其在烘箱中加熱至190℃，把加熱后的鋼制模具放入配好的聚氯乙烯料中，待鋼制模具外表面均勻掛料后，將鋼制模具再次放入190℃的烘箱加熱，10min后取出，放入水中，迅速?gòu)哪＞呱先∠掳祝?/p>
5)冷等靜壓：將步驟3)中的造粒粉放入制作好的包套中，進(jìn)行預(yù)成型壓制和冷等靜壓處理，得到膨脹芯頭膨脹段的坯料，預(yù)成型工作壓力為300kg/cm2，冷等靜壓工作壓力為1600kg/cm2，壓制后對(duì)坯料進(jìn)行二次加工，使得膨脹段尺寸符合制作要求；
6)燒結(jié)坯料：對(duì)步驟5)中的生坯進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200℃，保溫7小時(shí)，即制作出油氣井用氧化鋯陶瓷。
實(shí)施例2
一種油氣井用氧化鋯陶瓷，按照重量份數(shù)計(jì)算，包括以下原料：
氧化鋯70份、氧化億1.5份、氧化鑭0.4份、氧化釤0.5份、石墨1.5份、碳化鉬4份、乙基纖維素2份與聚甲基丙烯酸銨2份；其中，所述石墨與碳化鉬需要先經(jīng)過(guò)稀硝酸浸泡處理，然后固液分離。
制備方法，包括以下步驟：
1)預(yù)處理：將石墨與碳化鉬需要先經(jīng)過(guò)0.5mol/L的稀硝酸浸泡處理40min，然后固液分離，得到預(yù)處理的石墨與碳化鉬；
2)球磨粉料：按照配比稱(chēng)取氧化鋯、氧化億、氧化鑭與氧化釤，然后與預(yù)處理的石墨與碳化鉬的混合加入至球磨機(jī)中，形成混合粉料，再向混合粉料中分別加入乙基纖維素與聚甲基丙烯酸銨，然后開(kāi)機(jī)球磨得到漿料；
3)造粒：在造粒噴霧塔中將步驟2)中得到的漿料進(jìn)行噴霧干燥，去除其中的水分得到造粒粉；
4)制作包套：根據(jù)膨脹芯頭膨脹段尺寸制作鋼制模具，并將其在烘箱中加熱至190℃，把加熱后的鋼制模具放入配好的聚氯乙烯料中，待鋼制模具外表面均勻掛料后，將鋼制模具再次放入190℃的烘箱加熱，15min后取出，放入水中，迅速?gòu)哪＞呱先∠掳祝?/p>
5)冷等靜壓：將步驟3)中的造粒粉放入制作好的包套中，進(jìn)行預(yù)成型壓制和冷等靜壓處理，得到膨脹芯頭膨脹段的坯料，預(yù)成型工作壓力為330kg/cm2，冷等靜壓工作壓力為1500kg/cm2，壓制后對(duì)坯料進(jìn)行二次加工，使得膨脹段尺寸符合制作要求；
6)燒結(jié)坯料：對(duì)步驟5)中的生坯進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1150℃，保溫6小時(shí)，即制作出油氣井用氧化鋯陶瓷。
實(shí)施例3
一種油氣井用氧化鋯陶瓷，按照重量份數(shù)計(jì)算，包括以下原料：
氧化鋯60份、氧化億2.5份、氧化鑭1.2份、氧化釤1.5份、石墨0.5份、碳化鉬2份、乙基纖維素1.5份與聚甲基丙烯酸銨1.5份；其中，所述石墨與碳化鉬需要先經(jīng)過(guò)稀硝酸浸泡處理，然后固液分離。
制備方法，包括以下步驟：
1)預(yù)處理：將石墨與碳化鉬需要先經(jīng)過(guò)3mol/L的稀硝酸浸泡處理20min，然后固液分離，得到預(yù)處理的石墨與碳化鉬；
2)球磨粉料：按照配比稱(chēng)取氧化鋯、氧化億、氧化鑭與氧化釤，然后與預(yù)處理的石墨與碳化鉬的混合加入至球磨機(jī)中，形成混合粉料，再向混合粉料中分別加入乙基纖維素與聚甲基丙烯酸銨，然后開(kāi)機(jī)球磨得到漿料；
3)造粒：在造粒噴霧塔中將步驟2)中得到的漿料進(jìn)行噴霧干燥，去除其中的水分得到造粒粉；
4)制作包套：根據(jù)膨脹芯頭膨脹段尺寸制作鋼制模具，并將其在烘箱中加熱至190℃，把加熱后的鋼制模具放入配好的聚氯乙烯料中，待鋼制模具外表面均勻掛料后，將鋼制模具再次放入190℃的烘箱加熱，12min后取出，放入水中，迅速?gòu)哪＞呱先∠掳祝?/p>
5)冷等靜壓：將步驟3)中的造粒粉放入制作好的包套中，進(jìn)行預(yù)成型壓制和冷等靜壓處理，得到膨脹芯頭膨脹段的坯料，預(yù)成型工作壓力為280kg/cm2，冷等靜壓工作壓力為1700kg/cm2，壓制后對(duì)坯料進(jìn)行二次加工，使得膨脹段尺寸符合制作要求；
6)燒結(jié)坯料：對(duì)步驟5)中的生坯進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1260℃，保溫8小時(shí)，即制作出油氣井用氧化鋯陶瓷。
對(duì)比實(shí)施例1
(1)將氧化鋯、氧化鎂、氧化鋁、氧化釔、氧化鑭和氧化釤按如下重量加入至球磨機(jī)中，形成混合粉料，ZrO2，74kg；MgO，16kg；Al2O3，4.4kg；Y2O3，2kg；La2O3，1kg；Sm2O3，0.6kg。再向混合粉料中加入0.8kg乙基纖維素和1.2kg聚甲基丙烯酸銨，然后開(kāi)球磨機(jī)球磨得到漿料；
(2)在造粒噴霧塔中將(1)中得到的漿料進(jìn)行噴霧干燥，去除其中的水分得到造粒粉；
(3)使用聚氯乙烯料制作包套，聚氯乙烯料的配比如下：聚氯乙烯樹(shù)脂，49kg；苯二甲酸二辛脂，49kg；三鹽基硫酸鉛，1.85kg；硬脂酸，0.15kg，將制作的鋼制模具在烘箱中加熱至180℃，把加熱后的模具放入配好的聚氯乙烯料中，將掛料后的模具再次放入180℃的烘箱加熱，10min后待漿料變黃后取出，放入水中，迅速?gòu)哪＞呱先∠掳祝?/p>
(4)將預(yù)制的造粒粉放入制作好的包套中，然后進(jìn)行預(yù)成型壓制和冷等靜壓處理，得到膨脹芯頭膨脹段的坯料。預(yù)成型工作壓力為300kg/cm2。冷等靜壓工作壓力為1500kg/cm2。坯料壓制后，按要求將坯料加工至膨脹段尺寸；
(5)燒結(jié)坯料。對(duì)生坯進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1350℃，保溫7小時(shí)。
將實(shí)施例1-3與對(duì)比實(shí)施例1進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比，具體結(jié)果見(jiàn)表1：
表1 實(shí)施例1-3與對(duì)比實(shí)施例1力學(xué)性能
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。