可溶性镁基合金材料，其制备方法及应用.pdf

1、10申请公布号CN103898384A43申请公布日20140702CN103898384A21申请号201410166267822申请日20140423C22C23/02200601C22C1/04200601E21B43/2620060171申请人大连海事大学地址116026辽宁省大连市高新园区凌海路1号72发明人李国宾马忠民孙树德74专利代理机构大连东方专利代理有限责任公司21212代理人赵淑梅李馨54发明名称可溶性镁基合金材料，其制备方法及应用57摘要可溶性镁基合金材料，包括以下质量份数的组分8095的MG、319的AL、053的ZN、011的MN和011的CO，以上各组分质量份数之和

2、为100。本发明的可溶性镁基合金材料采用将镁粉、铝粉、锌粉、锰粉和钴粉进行混匀、冷压和烧结的方法制备，可用于在水平井分段压裂技术中制备压裂球，在在常温3KCL溶液中的溶解速率为1040MGCM2H1，能承受的压力为60110MPA，超出现有技术水平；本发明制备可溶性镁基合金材料的工艺简单，解决了现有的压裂球制备成本高及工作效率低的问题。51INTCL权利要求书1页说明书4页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页10申请公布号CN103898384ACN103898384A1/1页21可溶性镁基合金材料，其特征在于包括以下质量份数的组分以上各组分质量份数之和为1

3、00。2根据权利要求1所述的可溶性镁基合金材料，其特征在于所述组分的质量份数为以上各组分质量份数之和为100。3权利要求1或2所述的可溶性镁基合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤按照设定的质量份数取镁粉、铝粉、锌粉、锰粉和钴粉，在惰性气体保护下，充分混合，再装入高纯石墨模具中，以80120MPA的压力进行预压；将以上预压成型的材料放置在真空烧结炉中进行烧结，烧结过程中通过惰性气体保护，烧结温度500600，烧结过程中施加压力150250MPA，烧结时间为1525H，随炉冷却，得所述可溶性镁基合金材料。4根据权利要求3所述的可溶性镁基合金材料的制备方法，其特征在于步骤中所述镁粉粒度为501

4、00M，铝粉、锌粉、锰粉和钴粉粒度为110M。5根据权利要求3所述的可溶性镁基合金材料的制备方法，其特征在于步骤中所述镁粉、铝粉、锌粉、锰粉和钴粉的纯度999。6根据权利要求3所述的可溶性镁基合金材料的制备方法，其特征在于步骤中所述惰性气体为氩气。7权利要求1所述的可溶性镁基合金材料在水平井分段压裂技术中制备压裂球的应用。权利要求书CN103898384A1/4页3可溶性镁基合金材料，其制备方法及应用技术领域0001本发明涉及合金材料技术，具体为一种可溶解的镁基合金材料及其制备方法和用途。背景技术0002在全球进入难动用储量开发的时代背景下，我国主力油田均面临着低渗透、超低渗透开发难题，迫切地

5、需要在如密气、页岩气、致密油等非常规油气资源开发上寻求突破。水平井分段压裂技术的研发与应用，正成为破解当前难题及今后发展的关键，也成为中国压裂技术发展的未来。水平井分段压裂技术的关键部件之一是压裂球，是决定压裂是否成功的主要因素。目前，压裂球存在的主要问题是采用金属或非金属材料制成的压裂球均不能溶解，在压裂作业完成后，压裂球必须返排出井口或者通过钻铣工具磨掉。压裂球的返排或钻铣不仅使压裂工艺的复杂程度增加，而且作业时间延长，严重影响压裂作业的生产效率。尤其近年来，为提高油井的增产效果，水平井压裂段数越来越多，压裂作业后需要返排或钻铣的压裂球亦越来越多，压裂作业时间越来越长，生产效率越来越低。压

6、裂球的返排或钻铣将大大限制水平井分段压裂技术的推广应用，是水平井分段压裂技术迫切需要解决的问题。00032012年1月，美国贝克休斯公司BAKERHUGHES基于镁合金的电化学腐蚀特性提出可控电化学腐蚀材料简称CEMCONTROLLEDELECTROCHEMICALCORROSIONMATERIALS，研发出溶解速率为10MGCM2H1的可溶球，并成功用于水平井的分段压裂。2013年，美国山拓公司SANTROL通过研发，在其产品系列中增加了可溶性密封球。当压裂层有射孔段，压裂过程中需要采用分层压裂技术时，可溶性压裂球起到暂时封堵孔眼的作用。可溶性压裂球可以替代油田传统上所用的标准RCN球形压裂

7、球，此压裂球最大的优点就是在有效封堵之后溶解。可见，溶性压裂球可解决压裂球返排或钻铣问题，具有压裂作业效率高、成本低等优点，特别适用于水平井的多段压裂作业。然而，国外溶性压裂球技术尚处于技术封锁阶段，国内相关技术尚无法实现在水平井分段压裂技术中压裂球的应用。因此，为了打破国外技术封锁，推进我国水平井分段压裂技术的研发与应用，迫切需要研发用于水平井分段压裂技术的可溶压裂球。发明内容0004为打破技术封锁，并解决现有压裂技术的压裂球存在工艺复杂、成本高及工作效率低的问题，本发明提供一种可溶性镁基合金材料，并公开其制备方法，本发明的可溶性镁基合金材料可应用于水平井分段压裂技术中制备压裂球，所制备的压

8、裂球硬度高，承受压力能力强，在电解质溶液中的溶解速率满足需求。0005本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的0006可溶性镁基合金材料，其特征在于包括以下质量份数的组分0007说明书CN103898384A2/4页40008以上各组分质量份数之和为100。0009进一步的，所述组分的质量份数更优选为00100011以上各组分质量份数之和为100。0012本发明的另一技术目的在于提供所述可溶性镁基合金材料的制备方法，包括以下步骤0013按照设定的质量份数取镁粉、铝粉、锌粉、锰粉和钴粉，在惰性气体保护下，充分混合，再装入高纯石墨模具中，以80120MPA的压力进行预压；0014将以上预压成型的材

9、料放置在真空烧结炉中进行烧结，烧结过程中通过惰性气体保护，烧结温度500600，烧结过程中施加压力150250MPA，烧结时间为1525H，随炉冷却，得所述可溶性镁基合金材料。0015进一步地，步骤中所述镁粉粒度为50100M，铝粉、锌粉、锰粉和钴粉粒度为110M，所述镁粉、铝粉、锌粉、锰粉和钴粉的纯度999。0016进一步地，步骤和中所述惰性气体可采用如氦、氖、氩、氪和氙气等，更优选为氩气。0017进一步地，步骤中所述高纯石墨模具，石墨含量在999以上。0018同时，在制备过程中，烧结温度和压力影响材料的硬度和强度，当烧结温度过高，压力过大时，可溶材料的硬度和强度会下降。因此，进一步的，烧结

10、温度更优选为530560，压力更优选为160200MPA。0019本发明的再一技术目的在于提供所述可溶性镁基合金材料在水平井分段压裂技术中制备压裂球的应用。以本发明的可溶性镁基合金材料硬度为5070HV，密度为174215G/CM3。上述可溶性金属合金可通过机械加工获得直径20150MM的压裂球，压裂球能承受的压力为60110MPA，在常温3KCL溶液中的溶解速率为1040MGCM2H1，在100左右的3KCL溶液中的溶解速率为1060MGCM2H1。在机械加工压裂球时，通过提高压裂球光洁度，可降低其溶解速度，压裂球表面越光滑，溶解速度越小。0020上述可溶性金属合金材料溶解的机理是基于镁合金

11、在电解质溶液如KCL溶说明书CN103898384A3/4页5液中的电化学反应。电极电位最低的MG标准电极电位237V作为主要成分的基体形成腐蚀电池的阳极，而电极电位大于MG的AL标准电极电位166V、SN标准电极电位0136V、PB标准电极电位0126V、MN标准电极电位1182V作为主要成分的晶界形成腐蚀电池的阴极。由于在MGALZNMNCO合金表面基体与晶界存在电化学不均匀性，在金属表面就形成了无数的微阳极和微阴极，这样，当合金在电解质溶液中时，就构成大量微观腐蚀电池，反映方程如下0021阳极反应2MG2MG24E0022阴极反应O22H2O4E4OH0023这样反应的结果，使得基体被大

12、量腐蚀形成MG2进入溶液，与OH反应行成MGOH2，如下式0024反应方程2MG22OHMGOH20025因此，根据镁合金的电化学腐蚀原理，通过控制镁合金的化学成分可获得溶解速率不同的可溶材料金属材料。0026经试验证明，按本发明所述制备方法所获得的镁基合金的组织为基体是镁晶粒，晶界为网状的MG17AL12，其在电解质溶液中具有自动溶解的性质。本发明的可溶性镁基合金材料，可通过控制合金中的各组分的含量获得溶解速率不同的材料五种元素中，镁和铝元素含量的多少与可溶性金属合金材料的腐蚀速度及强度密切相关，镁元素含量降低，铝元素含量升高，可溶球的强度硬度将下降，腐蚀速度减慢，这是因为，随着AL含量的增

13、高，晶界部分充斥着AL及CO和MN元素，这三种元素相对于镁元素较耐腐蚀。而MN和CO元素的加入，偏聚在晶界，起到了强化晶界的作用，提高了材料的硬度和抗压能力，以满足井下保持一定压力时对可溶球具有相当强度的要求，因此MN和CO元素的加入具有重要作用。同时腐蚀一般都从结晶等缺陷处开始，加入的MN和CO较耐腐蚀，通过加入量的多少可加快或延迟镁基合金材料的溶解速度。因此可通过调整5种金属元素的配比获得不同溶解速率的合金，满足不同条件下压裂作业的需求。0027本发明的有益效果0028本发明的可溶性镁基合金材料，硬度为5070HV，密度为174215G/CM3，在常温3KCL溶液中的溶解速率为1040MG

14、CM2H1，在100左右的3KCL溶液中的溶解速率为1060MGCM2H1，在水平井分段压裂技术中制备的压裂球能承受的压力为60110MPA，性能超出现有技术的水平。本发明制备可溶性镁基合金材料的工艺简单，解决了现有的压裂球制备成本高及工作效率低的问题。具体实施方式0029下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。0030实施例10031准备纯度999的5种金属粉末，质量份数分别为MG94、AL35、ZN15、MN07、CO03，其粒度分别为镁粉5060M、铝粉15M、锌粉15M、铅粉15M和钴粉15M0032将以上配比的组分置于真空混粉机中混合

15、均匀，混合过程中通入氩气保护，再装说明书CN103898384A4/4页6入圆筒状高纯石墨模具中，在冷压成型机上以100MPA的压力进行预压成型；0033将以上预压成型的材料放置在真空烧结炉中进行烧结，烧结过程中通入氩气保护，烧结温度550，烧结过程中施加压力170MPA，烧结时间为15H；0034烧结完成后合金随炉冷却1H后取出，获得圆柱状合金坯料；0035通过机械加工将合金坯料加工成直径不同的球，最后对加工的球进行剖光处理，即可作为压裂球。0036通过上述方法获得的压裂球的溶解速率在常温3KCL溶液中的平均溶解速率为30MGCM2H1左右；在100的3KCL溶液中的平均溶解速率为50MGC

16、M2H1左右。可溶材料的硬度为65HV，密度为175G/CM3，压裂球能承受的压力为105MPA。0037实施例20038准备纯度999的5种金属粉末，质量份数分别为MG89、AL80、ZN17、MN10、CO03，其粒度分别为镁粉5060M、铝粉15M、锌粉15M、铅粉15M和钴粉15M。将以上配比的组分置于真空混粉机中混合均匀，混合过程中通入氩气保护，再装入圆筒状高纯石墨模具中，在冷压成型机上以100MPA的压力进行预压成型；0039将以上预压成型的材料放置在真空烧结炉中进行烧结，烧结过程中通入氩气保护，烧结温度550，烧结过程中施加压力170MPA，烧结时间为15H；0040烧结完成后合

17、金随炉冷却1H后取出，获得圆柱状合金坯料；0041通过机械加工将合金坯料加工成直径不同的球，最后对加工的球进行剖光处理，即可作为压裂球。0042通过上述方法获得的压裂球的溶解速率在常温3KCL溶液中的平均溶解速率为15MGCM2H1左右；在100的3KCL溶液中的平均溶解速率为30MGCM2H1左右。可溶材料的硬度为59HV，密度为191G/CM3，压裂球能承受的压力为100MPA。0043实施例30044准备纯度999的5种金属粉末，质量份数分别为MG82、AL15、ZN17、MN10、CO03，其粒度分别为镁粉5070M、铝粉15M、锌粉15M、铅粉15M和钴粉15M。将以上配比的组分置于

18、真空混粉机中混合均匀，混合过程中通入氩气保护，再装入圆筒状高纯石墨模具中，在冷压成型机上以100MPA的压力进行预压成型；0045将以上预压成型的材料放置在真空烧结炉中进行烧结，烧结过程中通入氩气保护，烧结温度550，烧结过程中施加压力170MPA，烧结时间为15H；0046烧结完成后合金随炉冷却1H后取出，获得圆柱状合金坯料；0047通过机械加工将合金坯料加工成直径不同的球，最后对加工的球进行剖光处理，即可作为压裂球。0048通过上述方法获得的压裂球的溶解速率在常温3KCL溶液中的平均溶解速率为10MGCM2H1左右；在100的3KCL溶液中的平均溶解速率为15MGCM2H1左右。可溶材料的硬度为51HV，密度为208G/CM3，压裂球能承受的压力为95MPA。说明书CN103898384A