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一種可降解鎂合金井下工具底座材料及其制備方法與流程

文檔序號:12817259閱讀:310來源:國知局
一種可降解鎂合金井下工具底座材料及其制備方法與流程

本發(fā)明屬于可降解鎂合金材料制備領域,具體為一種可降解鎂合金井下工具底座材料及其制備方法。



背景技術:

中國低滲透油氣資源豐富,具有很大的勘探開發(fā)潛力。近幾十年來,在低滲透砂巖、海相碳酸鹽巖、火山巖勘探方面取得了很大的發(fā)現,形成了國際一流的開發(fā)配套技術。低滲透油氣田開發(fā)成熟技術有注水、壓裂、注氣等。

未來油氣產量的穩(wěn)產、增產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同時對多個地層的改造來提高單井產能,從而提高施工效率。

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,其中采用井下工具進行的多層多段壓裂是目前普遍使用的一項技術。

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,以便打通井道實現油、氣的開采。

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。

作為第一代的鋼鐵材料因為比重大,存在返排困難;第二代復合材料,盡管解決了比重大的問題,但是因為不能完全降解,存在易卡澀,堵塞通道問題,而且原材料生產與加工需依賴進口,費用昂貴;在井下開采過程中并不能完全降解,存在易卡澀的特點。

而本申請旨在提供第三代可降解材料,可廣泛用于石油開采領域,具有超越第二代材料性能,能完全降解,不存在易卡澀,堵塞通道問題,并能夠降低生產成本,主要用在井下工具的底座材料加工零件裝配上。



技術實現要素:

本發(fā)明的目的是針對以上問題,提供一種可降解鎂合金井下工具底座材料及其制備方法,利用可溶鎂合金制造壓裂施工用工具,工具在完成工作任務后自行在井下消融,然后混在液體中通過管道反排出,能完全降解,不存在易卡澀、堵塞通道問題,從而省去鉆磨回收工序,降低工程難度,提高施工效率。

為實現以上目的,本發(fā)明采用的技術方案是:一種可降解鎂合金井下工具底座材料,所述可降解鎂合金井下工具底座材料組成成分以及各成分的質量份數含量如下:

鋅(zn):5%-10%;

鋯(zr):0.01%-0.75%;

硅(si):0.005-0.6%;

余量為鎂(mg),以上各組分質量份數之和為100%。

一種優(yōu)選的情況下,所述可降解鎂合金井下工具底座材料組成成分以及各成分的質量份數含量為:

鋅(zn):6.5%-8%;

鋯(zr):0.01%-0.45%;

硅(si):0.005-0.4%;

余量為鎂(mg),以上各組分質量份數之和為100%。

優(yōu)選的,所述可降解鎂合金井下工具底座材料用于生產油氣田開采過程中的壓裂施工用可消融工具底座。

本發(fā)明另一技術方案,利用以上配方和組分的一種可降解鎂合金井下工具底座材料的制備方法,包括以下步驟:

(1)熔煉準備:將坩堝內部清洗干凈,吊入電阻爐內,開啟電爐,至坩堝加熱暗紅色,表面撒上二號熔劑;

(2)加料煉制:按質量比例準備原料,加料順序如下:均勻加入鎂錠使之熔化,金屬鋅材料可隨鎂錠一起加入;金屬鋯材料先與鎂做成中間合金mgzr30;mgzr30、金屬硅材料放在爐臺上預熱,溫度到達770℃加入mgzr30合金材料,溫度到達780℃加入金屬硅材料,均勻攪拌使溶液合金化;

(3)中間取樣:取樣檢測化學成分,合格后封蓋靜置約一小時;

(4)鑄棒成型:待步驟(2)中取樣合格后,在730℃采用半連續(xù)澆鑄成鑄棒;

(5)材料檢測:爐后取樣檢測化學成分、力學性能、金相組織,測試腐蝕速率。

優(yōu)選的,在步驟(2)加料煉制過程中,整過過程充分攪拌熔液,并拋灑二號熔劑滅火,使熔液合金化。

優(yōu)選的,在步驟(2)加料煉制過程中,mgzr30、金屬硅材料放在爐臺上預熱時,采用熱電偶測量熔體溫度。

優(yōu)選的,在步驟(3)中間取樣前,溫度在760℃精煉,拋灑五號熔劑,均勻攪拌使合金液光亮后,再進行取樣操作。

優(yōu)選的,步驟(2)加料煉制中的鎂(mg)、鋅(zn)、鋯(zr)、硅(si)金屬的純度≥99.9%。

優(yōu)選的,步驟(1)熔煉準備中,電爐加熱坩堝的溫度控制在680-780℃。

二號熔劑(rj-2)是氯化鉀、氯化鎂、氯化鋇等氯化物高溫熔煉混合而成的共熔體,也可通過光鹵石和氧化鎂加入少量的氯化鋇灼燒或其它方法合成,可用于鎂合金或鋁鎂合金等含鎂合金的生產。高溫熔煉金屬鎂時,塊狀鎂極易氧化而燃燒,在出爐時,加入適量粉狀二號熔劑可阻止金屬鎂的燃燒;在精煉金屬鎂時,加入二號熔劑進行精煉,可從熔融液中沉淀出雜質氧化物和氮化物,因此二號熔劑可用于鎂及鎂合金的精煉劑和保護劑;此外二號熔劑還可用于鎂鋁合金焊接劑和金屬助熔劑。二號熔劑的用途不同,其中各組分的含量也不同,而且在熔煉過程中可能會引入其他雜質或殘留未反應的原料,因此需對二號熔劑中氧化鎂的含量進行測定。

五號熔劑(rj-5)是氯化鉀、氯化鎂、氯化鋇、氟化鎂、氟化鈣等氟、氯化物高溫熔煉混合而成的共熔體,該熔劑借助表面張力作用,在鎂熔體表面形成一層連續(xù)、完整的覆蓋層,隔絕空氣和水汽,防止鎂的氧化和燃燒。同時該熔劑對夾雜物具有良好的濕潤、吸附能力,并利用熔劑與金屬的密度差,把金屬夾雜物隨同熔劑從熔體中排除。能起到很好滅火、精煉、排渣、分離等作用。

本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提供了一種可降解鎂合金井下工具底座材料及其制備方法,利用可溶鎂合金制造壓裂施工用工具,工具在完成工作任務后自行在井下消融,然后混在液體中通過管道反排出,能完全降解,不存在易卡澀、堵塞通道問題,從而省去鉆磨回收工序,降低工程難度,提高施工效率。

本發(fā)明以鎂為基礎材料,金屬鋅材料與鎂結合析出強化相,提高合金強度,提高合金的拉伸性能;提高含量主要是提高合金的腐蝕速率。金屬鋯材料添加在合金中主要起顯著細化合金鑄造組織晶粒的作用,提高組織的均勻性和性能的穩(wěn)定性。金屬硅材料添加至鎂合金中可提高熔融金屬的流動性,提高合金的腐蝕性,與鎂生成mg2si具有高熔點、低密度、高彈性模量和低熱膨脹系數,是一種非常有效的強化相。

附圖說明

圖1是圓柱鑄棒產品直徑圓心處(0.5d,放大200倍)的金相圖。

圖2是圓柱鑄棒產品直徑四分之一處(0.25d,放大200倍)的金相圖。

圖3是材料腐蝕曲線圖。

圖4是材料的力學性能拉伸曲線圖。圖中g線處刻度以左邊坐標為準;其他的刻度以右邊坐標為準(右邊坐標值是實際測量值的5倍,用于放大顯示腐蝕速率)。

補充說明:

以上金相圖的實際組分配比為實施例①mg-7.0zn-0.03zr-0.02si;實施例②mg-6.8zn-0.3zr-0.05si金相圖類似①,故省略。

實施例①的腐蝕速率為11mg/cm2.h,實施例②的腐蝕速率為14mg/cm2.h。

實施例①抗拉強度為198.2mpa,屈服強度為111.2mpa,延伸率為10.2,硬度為70.5hbw;實施例②抗拉強度為201.5mpa,屈服強度為102.3mpa,延伸率為9.6,硬度為65.3hbw。

實際組分配比為①mg-7.0zn-0.03zr-0.02si;前端數字代表為質量分數,即mg-7.0zn-0.03zr-0.02si:表示質量分數為7.0%的zn,0.03%的zr,0.02%的si,余量為mg,總質量分數為100%。

具體實施方式

為了使本領域技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案,下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細描述,本部分的描述僅是示范性和解釋性,不應對本發(fā)明的保護范圍有任何的限制作用。

實施例①:

本實施例提供一種制造可降解鎂合金材料,具體質量組分:

zn:7.0%,zr:0.03%,si:0.02%,余量為mg,以上各組分質量份數加微量雜質之和為100%。

利用以上配方和組分的一種可降解鎂合金井下工具底座材料的制備方法,包括以下步驟:

(1)熔煉準備:將坩堝內部清洗干凈,吊入電阻爐內,開啟電爐,電爐加熱坩堝的溫度控制在680-780℃,至坩堝加熱暗紅色,表面撒上二號熔劑;

(2)加料煉制:按質量比例準備原料,加料順序如下:均勻加入鎂錠使之熔化,金屬鋅材料可隨鎂錠一起加入;金屬鋯材料先與鎂做成中間合金mgzr30;mgzr30、金屬硅材料放在爐臺上預熱,采用熱電偶測量熔體溫度,溫度到達770℃加入mgzr30合金材料,溫度到達780℃加入金屬硅材料,均勻攪拌使溶液合金化;整過過程充分攪拌熔液,并拋灑二號熔劑滅火,使熔液合金化;

(3)中間取樣:取樣檢測化學成分,合格后封蓋靜置約一小時;取樣前,溫度在760℃精煉,拋灑五號熔劑,均勻攪拌使合金液光亮后,再進行取樣操作;

(4)鑄棒成型:待步驟(2)中取樣合格后,在730℃采用半連續(xù)澆鑄成鑄棒;

(5)材料檢測:爐后取樣檢測化學成分、力學性能、金相組織,測試腐蝕速率。

優(yōu)選的,步驟(2)加料煉制中的鎂(mg)、鋅(zn)、鋯(zr)、硅(si)金屬的純度≥99.9%。

產品的性能以及檢測參數見附圖1-4。

實施例②:

本實施例提供一種制造可降解鎂合金材料,具體質量組分:

zn:6.8%,zr:0.3%,si:0.05%,余量為mg,以上各組分質量份數加微量雜質之和為100%。

利用以上配方和組分的一種可降解鎂合金井下工具底座材料的制備方法,包括以下步驟:

(1)熔煉準備:將坩堝內部清洗干凈,吊入電阻爐內,開啟電爐,電爐加熱坩堝的溫度控制在680-780℃,至坩堝加熱暗紅色,表面撒上二號熔劑;

(2)加料煉制:按質量比例準備原料,加料順序如下:均勻加入鎂錠使之熔化,金屬鋅材料可隨鎂錠一起加入;金屬鋯材料先與鎂做成中間合金mgzr30;mgzr30、金屬硅材料放在爐臺上預熱,采用熱電偶測量熔體溫度,溫度到達770℃加入mgzr30合金材料,溫度到達780℃加入金屬硅材料,均勻攪拌使溶液合金化;整過過程充分攪拌熔液,并拋灑二號熔劑滅火,使熔液合金化;

(3)中間取樣:取樣檢測化學成分,合格后封蓋靜置約一小時;取樣前,溫度在760℃精煉,拋灑五號熔劑,均勻攪拌使合金液光亮后,再進行取樣操作;

(4)鑄棒成型:待步驟(2)中取樣合格后,在730℃采用半連續(xù)澆鑄成鑄棒;

(5)材料檢測:爐后取樣檢測化學成分、力學性能、金相組織,測試腐蝕速率。

優(yōu)選的,步驟(2)加料煉制中的鎂(mg)、鋅(zn)、鋯(zr)、硅(si)金屬的純度≥99.9%。

產品的性能以及檢測參數見附圖3-4。

通過檢測,產品力學性能抗拉強度:大于180mpa;屈服強度:大于80mpa;延伸率:大于8%,布氏硬度:大于50hbw;腐蝕速率:材料在3%氯化鉀溶液中,恒溫92℃,腐蝕24小時后為6-16mg/cm2.h。材料通過客戶試用,比第二代成本降低,且性能和腐蝕效果滿足要求,能完全降解,不存在易卡澀、堵塞通道問題,現場試用效果達到理想狀態(tài)。

需要說明的是,在本文中,術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含,從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素,而且還包括沒有明確列出的其他要素,或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。

本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述,以上實例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式,應當指出,由于文字表達的有限性,對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進、潤飾或變化,也可以將上述技術特征以適當的方式進行組合;這些改進潤飾、變化或組合,或未經改進將發(fā)明的構思和技術方案直接應用于其它場合的,均應視為本發(fā)明的保護范圍。

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