[发明专利]一种油气开采工具用可溶镁合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种油气开采工具用可溶镁合金材料及其制备方法。以Ni和Cu作为主元素，形成Mg‑Ni‑Cu系合金，通过调控Mg‑Ni‑Cu系合金元素类型与含量形成含不同第二相的可溶镁合金，使基体与第二相的电位差发生变化，从而加快合金溶解。Mg‑Ni‑Cu系合金在50℃的0.05％KCl溶液中腐蚀速率为3～35mg·cm^‑2·h^‑1，在25℃和93℃的3％KCl溶液中腐蚀速率分别为8～30mg·cm^‑2·h^‑1和130～285mg·cm^‑2·h^‑1。本发明制备的可溶Mg‑Ni‑Cu系合金具有工艺简单、成本低、溶解速率快等优点，可满足不同油气开采工具的溶解要求。此外，通过调控热处理制度和变形工艺，可进一步提高力学性能，从而获得优异的综合性能。本发明的Mg‑Ni‑Cu系可溶镁合金在油气开采领域具有广阔的应用前景。

发明领域

本发明涉及一种油气开采工具用可溶镁合金材料及其制备方法，所述的可溶镁合金具有工艺简单，成本低，力学和腐蚀综合性能优异等优点。

背景技术

近些年，随着非常规油气田勘探方面取得重要发现，低渗透油气田的开采逐步受到重视，这些油田大多数分布在不同深度的地层中。目前低渗透油气田开采常用的技术有注水、压裂等。水平井分段压裂技术是改善低渗透油气、增加油气井产量的一个重要手段。

井下工具(如压裂球、桥塞等)是油气开采的重要组成部分。大多数井下工具材料使用钢和复合材料。钢不能溶解或溶解速率太慢而不利于返排作业。复合材料容易挤碎变脆，其抗压强度不能满足所需的性能要求，并且在某些情况下，某些含有纤维或聚合物的复合材料可能会阻塞石油钻探的通道。严重时必须再次进行钻井，这将带来成本的增加。

因此，研究和开发油井下用可溶工具材料十分必要，比如可溶解压裂桥塞和压裂球等，其优点是压裂作业完成后工具在一定时间内将完全溶解，无需二次钻井，可以极大提高油气的开采效率。

镁合金具有低的密度(1.8g/cm³)和腐蚀电位(25℃，-2.37V)，高比强度和比刚度等优点，使其成为了可溶工具的优选材料。例如采用可溶镁合金材料制备滑套内部球座，在表面涂抹缓蚀材料。在压裂过程中，缓蚀材料首先被压裂砂磨损，随后球座与注入的压裂液(一般由前置液、携砂液和顶替液组成)反应。当压裂工作完成后，球座可在返排液作用下自行溶解，避免了后期钻除，降低成本。

CN 106536773 A专利中镁电子有限公司的蒂莫西·威尔克斯等提供了在93℃、15％KCl下至少达到50mg/cm²/day腐蚀速率的镁合金，并给出合金在不同环境下的腐蚀速率和机械性能(主要指屈服强度、抗拉强度和伸长率)。而不同油气田所处环境不同，如3％KCl、清水(0.05％KCl)等，并且所处温度不同，合金所得性能要求也不同，这些都应当考虑。

CN107002475 A专利中Baker Hughes公司公开了一种锚固装置方法，所述方法包括：为可降解基板提供第一硬度以及向所述可降解基板的所述外延部应用粒状抓持材料，其中所述粒状抓持材料具有比所述第一硬度更大的第二硬度。所述的可降解基板主要为镁合金，包括镁硅合金、镁铝合金、镁铝锌合金、镁铝锰合金等二元或三元镁合金。尽管发明人张智慧等人提供了合金的元素组成，但对于合金的具体成分与工艺制备方法并未提及，而且合金材料的力学性能和腐蚀速率并未给出。