分段压裂工具用可溶性镁合金材料机械加工及其性能研究_杨超.pdf

2023 年 第 7 期 化学工程与装备 2023 年 7 月 Chemical Engineering&Equipment 63 分段压裂工具用可溶性镁合金材料机械加工 及其性能研究 分段压裂工具用可溶性镁合金材料机械加工 及其性能研究 杨 超，何 宴，刘 涛，杨 敏，郭璐璐（捷贝通石油技术集团股份有限公司，四川 成都 610500）摘 要：摘 要：以可溶性镁合金为原料，采取先进的制造加工工艺技术对可溶性镁合金原材料进行再加工，以提高分段压裂工具可溶桥塞镁合金材料的性能。经过研究表明，可溶镁合金材料在不同温度环境中力学性能发生极大变化，同时，在相同温度条件不同的酸、碱、盐等离子溶液中降解速率也各不相同，这也表明可溶性镁合金在机械加工中严选切削液，防止两者接触发生化学反应，防止接触液使产品表面发生均匀降解，所选切削液在机械加工中能释放零件和废屑表面大量能量。从而制造符合油气开采的先进的分段压裂工具可溶桥塞。关键词：关键词：分段压裂技术；镁合金材料；机械加工；性能研究；可溶性；均匀降解 石油能源建设对我们国家意义重大，中国作为制造业大国，要发展实体经济，能源的饭碗必须端在自己手里。就目前而言，石油天然气已然成为各国所重点需要的能源之一，我国经济发展过程中，石油消耗的速度也是在迅速增长。对此，为有效缓解石油供需问题，通常采用寻找原油存储地以及提高现有采收率两种方式。其中通过改善开采技术来提高采收率无疑是极为有效的一种方式，分段压裂技术则是当前石油开采领域使用较为广泛的高新技术之一1。我国拥有大量的低渗透油气藏，若能广泛应用这一技术，势必能够最大化的实现对复杂油气藏的开采，以不断提高采收率。基于此，本文重点就可溶桥塞及可溶性镁合金材料机械加工及其性能进行研究，从而制造符合油气开采的先进的分段压裂工具可溶桥塞。1 分段压裂技术的相关概述 1 分段压裂技术的相关概述 1.1 水平井分段压裂技术概述 水平井分段压裂技术是当前颇为先进的一种石油开采技术，该技术的具体内涵如下：即根据油气藏的地质特征，沿水平井眼方向于储层力学性能较好的几个分段上，通过一定的技术手段控制孔眼数量、孔径大小等，且在后续将经一次性压裂技术施工同时压开数目更多的水平段油气层，这一工艺方法便被称作是水平井分段压裂技术2。压力技术主要用于开采低渗透油气藏，通过该技术的应用可以实现施工成本的降低，并有效提高采收率，因而有关该技术的研究也是愈发深入。国内而言，水平井分段压裂技术的施工应用正不断增多，据中石油所发表的声明可知，目前水平井分段压裂已经形成了三大主体技术，包括分段桥塞，裸眼分段，连油带底封水力喷射压裂技术。其中分段可溶桥塞是本文研究的重点所在，可溶桥塞即为分段压裂技术的核心工具之一。1.2 可溶桥塞镁合金原材料的基本特征 基于高纯度镁力学性能相对较低，通常会在炼制过程中加入某些稀土合金元素，用以提高其各方面性能。通常的，镁合金主要有以下特征：第一，刚度及强度都比较高；第二，镁合金的弹性模量较低，因而应力分布均匀，在受到外力时可以降低对相关零部件的破坏；第三，铸造性能优良，大多数的铸造工艺都可以运用；第四，易于切削，无需磨削、抛光等方式也可以达到较高的表面光洁度；第五，镁合金的阻尼性能也比较好，因而常用于制作抗振的零部件。总之，镁合金性能优良，适用范围更广3。2 可溶性镁合金材料机械加工及性能改进研究 2 可溶性镁合金材料机械加工及性能改进研究 2.1 熔铸可溶 Mg-7Gd-3Dy-2Zn 合金组织 铸态 Mg-7Gd-3Dy-2Zn 合金于显微镜下观察到的组织图示如下图 1 由此可以看出，该合金纤维组织包括白亮区域、灰色部分、黑色针状相三个部分4。其中黑色细针于网状相区域及该区域离散点状相中呈现整体排列且相互平行的分布状态，针状相则于长度上终止在灰色相边界处。图 1 铸态 Mg-7Gd-3Dy-2Zn 光学显微组织图示 图 1 铸态 Mg-7Gd-3Dy-2Zn 光学显微组织图示 2.2 固溶处理对 Mg-7Gd-3Dy-2Zn 合金组织及性能的影响 经实验研究表明，不同温度固溶处理后，DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.07.05864 杨 超：分段压裂工具用可溶性镁合金材料机械加工及其性能研究 Mg-7Gd-3Dy-2Zn 合金于光学显微镜下组织结构发生了明显的变化。经 515固溶处理后，该合金的晶界处聚集针状相较多，继续升高固溶温度，则针状相聚集现象缓解。镁合金分别在 525、530、540固溶温度下处理 10h 后，在不同固溶温度处理后的镁合金外形差异较大，其中在 515、10h的固溶条件下，18R-LPSO 数量减少，但针状相残留较多。在原来长度方向上，连续的针状相发生断裂，且有部分针状相球化，对于这一现象进行分析，初步推断其机理如下：固溶处理后，随保温时间延长，则针状相会于长度方向发生断裂，即被分割为多个小段，长度较短的小段将发生球化，小球中的合金元素会扩散到集体中，最终被完全溶解。而在530、10h 的固溶条件处理中，针状共晶相较 515更多地融入基体，同时也加快了 18R-LPSO 向 14H-LPSO 的转变，在此条件下，仍会有少量针状相残留。最后，镁合金在 540、10h 的固溶条件处理下，针状相大部分融入基体，仅有很少的断裂后的细短针状相并未溶解，因而从合金中也能观察到18R-LPSO。若是长期在 540下保温，则 18R-LPSO 也会逐渐溶解，一方面镁合金晶粒内部成分均匀化，另一方面少量的 14H-LPSO 周围低溶质原子浓度会促使其分解，导致难以形成 14H-LPSO。经不同温度固溶处理后的镁合金在 1NaCl 溶液中浸泡后发生了腐蚀现象，即表面出现大量腐蚀坑，四组试样中铸态合金腐蚀最为严重，浸泡 72h 后铸态镁合金几乎全部发生溶解。且经不同温度固溶处理后，Mg-7Gd-3Dy-2Zn 合金于 90、1 NaCl 溶液中分别浸泡 24h、48h、72h 的失重率也大大降低，主要是由于烛台合金中包含数量较多的18R-LPSO，由此便加剧了合金的腐蚀。总之，随着腐蚀时间的延长，镁合金的腐蚀速率呈现出下降趋势，而固溶态合金腐蚀速率则有所上升。2.3 机械加工 Mg-7Al-12Zn-1Ni-1Cu 合金 该实验主要是对可溶性镁合金进行热挤压处理，首先制备好相应 Mg-7Al-12Zn-1Ni-1Cu 合金，再对该铸态合金进行加工处理，最终得到合金棒材。与此同时，实验过程中将在400条件下对镁合金材料进行热挤压处理，在此过程中，相应的热挤压速度及热挤压比分别为 12mm/s、0.7。热挤压工艺完成之后，则通过数控机床进一步加工挤压态合金，使其成为可溶桥塞，精度则控制为 0.05mm。由此便完成了对可溶性镁合金材料的机械加工过程，之后便是对处理后的镁合金材料性能进行观察分析，诸如利用电子显微镜观察合金的纤维组织，进行拉伸试验，测试硬度等。经分析可知，对于可溶性镁合金进行热挤压处理可以有效提高合金材料的力学性能，而从显微镜所得微观组织来看，可溶性镁合金材料主要是由镁基体及中间相所构成，且基体组织的晶粒大小约为 150m。且经热挤压处理之后，可溶性镁合金的拉伸强度由原来的 160MPa 上升至 300MPa。而在井下浸泡过程中，随时间延长镁合金式样腐蚀不断加大，这一现象主要是由于晶粒相与析出相之间存在电位差所导致的。最后热处理后的可溶性镁合金作为井下压裂球精度较高，且经测试后压裂球使用性能符合油气田开发的基本要求。3 可溶性 AZ80+Ni 的腐蚀行为研究 3 可溶性 AZ80+Ni 的腐蚀行为研究 3.1 AZ80+Ni 在 NaCl 环境下的失重率 本实验中主要模拟井深分别为 4500m、3500m、2500m下的合金服役高温环境，由此对合金的失重率进行评估。合金试样进入 NaCl 溶液时，将会发生剧烈反应，试样表面不断地有大量气泡生成，且有黑色小颗粒从合金上掉落。反应进行一段时间后，中性溶液已经变浑浊，试验结束后则可以观察到烧杯底部残留的黑色粉末状物体，为合金腐蚀产物。经研究表明，在某一温度下，016 合金于 70、50下，在NaCl 溶液中的失重率随浸泡时间的延长而呈现上升趋势，而在 90的溶液中浸泡，失重率会随浸泡时间延长而降低。3.2 AZ80+Ni 在酸性环境中的失重率 实验中于氯化钠溶液中加入了一定量的醋酸溶液，由此模拟酸性经，挤压态 AZ80+Ni 于酸性环境下也会产生析氢反应，烧杯中产生大量气泡。但随着反应进行，酸性条件下溶液会逐渐呈现玫红色，且试验结束后残留的腐蚀产物也是玫红色的粉末。通过测定相应的失重率可知，在 90的条件下，该挤压态合金失重率会随着浸泡时间的增加而有所降低，而在 50、70下，合金于酸性溶液中失重率变动很小。4 结束语 4 结束语 本文就分段压裂技术进行了深入的分析研究，而可溶桥塞作为实现这一工艺的核心工具，相关材料的选择也是十分重要。经由本文的分析后确定经热处理等工艺可以有效提高镁合金的力学性能，这对于镁合金可溶桥塞的应用也有着十分重要的意义。参考文献 参考文献 1 张俭,刘乐,赵继展,等.煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂技术与装备J/OL.煤田地质与勘探:2022.http:/ 朱雯钊,苗娟,陈思韵,等.深层碳酸盐岩大斜度井及水平井纤维暂堵转向分段压裂参数优化J.特种油气藏,2022,29(03):170-174.3 黄新胜,彭惠民.车体用高强度阻燃性镁合金挤压材料的开发J.国外机车车辆工艺,2020(05):31-35.4 尹卓湘,卫广智,陈肖虎.稀土元素对 ZM5 镁合金性能的影响J.有色金属,2007(01):27-31.