[发明专利]一种具有宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料

说明书

一种具有宽腐蚀速率范围的Mg‑Zn‑Ni三元镁合金材料，原料组分按照100wt％计，为：Zn 4‑10wt％，Ni 0.5‑4wt％，其余为Mg，三者通过熔炼反应生成合金；本发明通过生成不同相以及相数量的差异，实现宽腐蚀速率范围变化，同时调整其力学性能，具体是Mg、Zn、Ni三种合金元素通过熔炼反应生成合金，其组织组成相包括αMg、Mg₂Ni相、MgZnNi相、MgZn相等，其中由于Mg₂Ni相与基体的电极电位差比较大，在腐蚀环境中容易发生电偶腐蚀，从而加快腐蚀的发生，MgZnNi相、MgZn相与基体电极电位差相对比较小，腐蚀过程相对缓慢；在制备合金过程中，通过合理调节各元素的含量，可以控制生成不同物相并改变其数量，从而调控合金的腐蚀速率使其在一定范围内变化。

技术领域

本发明涉及油气开采用可降解镁合金材料，特别涉及一种具有宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料，是基于相图设计的低成本宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料。

背景技术

近年来，随着我国经济快速增长，对能源的需求量越来越大，石油、天然气供求矛盾越来越大，仅靠常规油气供应将很难满足国民经济发展的需要，发展非常规油气资源成为解决我国能源安全问题的有效手段。页岩气作为一种非常规天然气，在我国储量非常丰富，初步估计，我国页岩气可采资源量在36.1万亿立方米，居世界首位。这意味着大力发展页岩气开采产业成为了解决我国能源安全问题的有效手段。与常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，但是埋藏深度深、渗透率较低，开采难度比较大，一般采用水平井和分段多级压裂相结合的方式进行开采。随着水平井分段压裂技术的迅速发展，应用于分段压裂工艺的完井工具(如压裂球、球座、桥塞等)由可钻、易钻向可降解的方向发展。这一发展，可以避免因钻除完井工具所带来的时间、经济成本等，大大提高了生产效率。目前压裂用完井工具的可降解材料主要有非金属可降解材料和金属可降解材料。非金属可降解材料一般是高分子材料，虽然可以自行降解，但是抗压强度较低，由这种材料制成的压裂球在作业过程中容易出现变形或者破裂而卡在球座上，造成失效。所以，目前主要研究方向转向了金属可降解材料。

国外可降解材料比较成熟，形成了可降解球、可降解球座、可降解桥塞等多种工具。我国使用的这类工具基本还是靠进口，但国外进口产品的价格贵，且供货商单一，国内企业容易受制于人。此外，国外与国内的地质环境即温度、pH值、地下水成分等不同，进口材料难以满足我国复杂地质环境的实际要求。国内有很多企业和高校也在研发此类材料，通过专利和文献调研发现，这些研究中的大部分金属可降解材料的成分都比较复杂，有些含有数十种合金元素，如专利CN 104004950 B易溶性镁合金材料及其制造方法和应用中含有多达13种合金元素，专利CN 106636821 A一种智能降解镁合金材料及其制备方法和应用中合金元素多达19种，且含有多种含量很高的稀土元素；有些添加过多的稀土元素导致材料制备成本增加，如上述专利以及专利CN 109295368 A含镍高强韧可控降解镁合金材料及其制备方法和应用中描述添加稀土元素含量最高达到了28％，有些添加了过多高密度合金元素，导致材料密度过大，如专利CN 103343271 A一种轻质耐压快速分解的铸造镁合金中含有9种合金元素，且添加的Al、Zn含量最高达到了25％和15％，不利于井下工具的传送等，而且绝大多数专利中的腐蚀速率范围调节较小，无法通过简单的成分配比实现腐蚀速率的数量级变化，如专利CN 107523732 B一种含Na快速降解镁合金及其制备方法，专利CN105950930 A一种可溶挤压态镁合金及其制备方法等专利中实施例腐蚀速率变化不大。因此，研发出适于国内腐蚀环境可宽范围调节腐蚀速率的、合金元素种类少且密度较低、满足使用要求的可降解材料对于国内页岩气开发的发展至关重要。目前我国亟需研发具有自主知识产权的可降解镁合金，以用于页岩气开采完井及压裂工具中。

发明内容

基于现有可降解材料存在的以上问题，本发明的目的在于提供一种具有宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料，通过分析完善三元合金相图，设计不同成分的Mg-Zn-Ni三元合金，通过生成不同相以及相数量的差异，实现宽腐蚀速率范围变化，同时调整其力学性能，以满足油气开采中对可降解材料的不同需求。