一种可降解镁合金井下工具底座材料及其制备方法与流程

本发明属于可降解镁合金材料制备领域，具体为一种可降解镁合金井下工具底座材料及其制备方法。

背景技术：

中国低渗透油气资源丰富，具有很大的勘探开发潜力。近几十年来，在低渗透砂岩、海相碳酸盐岩、火山岩勘探方面取得了很大的发现，形成了国际一流的开发配套技术。低渗透油气田开发成熟技术有注水、压裂、注气等。

未来油气产量的稳产、增产将更多地依赖于这些低渗透非常规油气资源。油气资源大多分布于不同深度的地层中，采用多层多段压裂技术可实现同时对多个地层的改造来提高单井产能，从而提高施工效率。

开发这些非常规油气资源必须依靠水力压裂、酸压等储层改造工艺技术，其中采用井下工具进行的多层多段压裂是目前普遍使用的一项技术。

多层多段压裂中，层段间需使用封隔工具（如压裂球、桥塞）分隔后逐层进行压裂改造，待所有层段施工完成后再将封隔工具返排出井筒，以便打通井道实现油、气的开采。

目前，常用封隔工具大多由钢材制得，存在钻铣困难、耗时长、钻后粉末、碎块不易返排等缺点。

作为第一代的钢铁材料因为比重大，存在返排困难；第二代复合材料，尽管解决了比重大的问题，但是因为不能完全降解，存在易卡涩，堵塞通道问题，而且原材料生产与加工需依赖进口，费用昂贵；在井下开采过程中并不能完全降解，存在易卡涩的特点。

而本申请旨在提供第三代可降解材料，可广泛用于石油开采领域，具有超越第二代材料性能，能完全降解，不存在易卡涩，堵塞通道问题，并能够降低生产成本，主要用在井下工具的底座材料加工零件装配上。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上问题，提供一种可降解镁合金井下工具底座材料及其制备方法，利用可溶镁合金制造压裂施工用工具，工具在完成工作任务后自行在井下消融，然后混在液体中通过管道反排出，能完全降解，不存在易卡涩、堵塞通道问题，从而省去钻磨回收工序，降低工程难度，提高施工效率。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种可降解镁合金井下工具底座材料，所述可降解镁合金井下工具底座材料组成成分以及各成分的质量份数含量如下：

锌（zn）：5%-10%；

锆（zr）：0.01%-0.75%；

硅（si）：0.005-0.6%；

余量为镁（mg），以上各组分质量份数之和为100%。

一种优选的情况下，所述可降解镁合金井下工具底座材料组成成分以及各成分的质量份数含量为：

锌（zn）：6.5%-8%；

锆（zr）：0.01%-0.45%；

硅（si）：0.005-0.4%；

余量为镁（mg），以上各组分质量份数之和为100%。

优选的，所述可降解镁合金井下工具底座材料用于生产油气田开采过程中的压裂施工用可消融工具底座。

本发明另一技术方案，利用以上配方和组分的一种可降解镁合金井下工具底座材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）熔炼准备：将坩埚内部清洗干净，吊入电阻炉内，开启电炉，至坩埚加热暗红色，表面撒上二号熔剂；

（2）加料炼制：按质量比例准备原料，加料顺序如下：均匀加入镁锭使之熔化，金属锌材料可随镁锭一起加入；金属锆材料先与镁做成中间合金mgzr30；mgzr30、金属硅材料放在炉台上预热，温度到达770℃加入mgzr30合金材料，温度到达780℃加入金属硅材料，均匀搅拌使溶液合金化；

（3）中间取样：取样检测化学成分，合格后封盖静置约一小时；

（4）铸棒成型：待步骤（2）中取样合格后，在730℃采用半连续浇铸成铸棒；

（5）材料检测：炉后取样检测化学成分、力学性能、金相组织，测试腐蚀速率。

优选的，在步骤（2）加料炼制过程中，整过过程充分搅拌熔液，并抛洒二号熔剂灭火，使熔液合金化。

优选的，在步骤（2）加料炼制过程中，mgzr30、金属硅材料放在炉台上预热时，采用热电偶测量熔体温度。

优选的，在步骤（3）中间取样前，温度在760℃精炼，抛洒五号熔剂，均匀搅拌使合金液光亮后，再进行取样操作。

优选的，步骤（2）加料炼制中的镁（mg）、锌（zn）、锆（zr）、硅（si）金属的纯度≥99.9%。

优选的，步骤（1）熔炼准备中，电炉加热坩埚的温度控制在680-780℃。

二号熔剂（rj-2）是氯化钾、氯化镁、氯化钡等氯化物高温熔炼混合而成的共熔体，也可通过光卤石和氧化镁加入少量的氯化钡灼烧或其它方法合成，可用于镁合金或铝镁合金等含镁合金的生产。高温熔炼金属镁时，块状镁极易氧化而燃烧，在出炉时，加入适量粉状二号熔剂可阻止金属镁的燃烧；在精炼金属镁时，加入二号熔剂进行精炼，可从熔融液中沉淀出杂质氧化物和氮化物，因此二号熔剂可用于镁及镁合金的精炼剂和保护剂；此外二号熔剂还可用于镁铝合金焊接剂和金属助熔剂。二号熔剂的用途不同，其中各组分的含量也不同，而且在熔炼过程中可能会引入其他杂质或残留未反应的原料，因此需对二号熔剂中氧化镁的含量进行测定。

五号熔剂（rj-5）是氯化钾、氯化镁、氯化钡、氟化镁、氟化钙等氟、氯化物高温熔炼混合而成的共熔体，该熔剂借助表面张力作用，在镁熔体表面形成一层连续、完整的覆盖层，隔绝空气和水汽，防止镁的氧化和燃烧。同时该熔剂对夹杂物具有良好的湿润、吸附能力，并利用熔剂与金属的密度差，把金属夹杂物随同熔剂从熔体中排除。能起到很好灭火、精炼、排渣、分离等作用。

本发明的有益效果：本发明提供了一种可降解镁合金井下工具底座材料及其制备方法，利用可溶镁合金制造压裂施工用工具，工具在完成工作任务后自行在井下消融，然后混在液体中通过管道反排出，能完全降解，不存在易卡涩、堵塞通道问题，从而省去钻磨回收工序，降低工程难度，提高施工效率。

本发明以镁为基础材料，金属锌材料与镁结合析出强化相，提高合金强度，提高合金的拉伸性能；提高含量主要是提高合金的腐蚀速率。金属锆材料添加在合金中主要起显著细化合金铸造组织晶粒的作用，提高组织的均匀性和性能的稳定性。金属硅材料添加至镁合金中可提高熔融金属的流动性，提高合金的腐蚀性，与镁生成mg2si具有高熔点、低密度、高弹性模量和低热膨胀系数，是一种非常有效的强化相。

附图说明

图1是圆柱铸棒产品直径圆心处（0.5d，放大200倍）的金相图。

图2是圆柱铸棒产品直径四分之一处（0.25d，放大200倍）的金相图。

图3是材料腐蚀曲线图。

图4是材料的力学性能拉伸曲线图。图中g线处刻度以左边坐标为准；其他的刻度以右边坐标为准（右边坐标值是实际测量值的5倍，用于放大显示腐蚀速率）。

补充说明：

以上金相图的实际组分配比为实施例①mg-7.0zn-0.03zr-0.02si；实施例②mg-6.8zn-0.3zr-0.05si金相图类似①，故省略。

实施例①的腐蚀速率为11mg/cm².h，实施例②的腐蚀速率为14mg/cm².h。

实施例①抗拉强度为198.2mpa,屈服强度为111.2mpa,延伸率为10.2，硬度为70.5hbw；实施例②抗拉强度为201.5mpa,屈服强度为102.3mpa,延伸率为9.6，硬度为65.3hbw。

实际组分配比为①mg-7.0zn-0.03zr-0.02si；前端数字代表为质量分数，即mg-7.0zn-0.03zr-0.02si：表示质量分数为7.0%的zn，0.03%的zr，0.02%的si，余量为mg，总质量分数为100%。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

实施例①：

本实施例提供一种制造可降解镁合金材料，具体质量组分：

zn:7.0%，zr:0.03%，si:0.02%，余量为mg，以上各组分质量份数加微量杂质之和为100%。

利用以上配方和组分的一种可降解镁合金井下工具底座材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）熔炼准备：将坩埚内部清洗干净，吊入电阻炉内，开启电炉，电炉加热坩埚的温度控制在680-780℃，至坩埚加热暗红色，表面撒上二号熔剂；

（2）加料炼制：按质量比例准备原料，加料顺序如下：均匀加入镁锭使之熔化，金属锌材料可随镁锭一起加入；金属锆材料先与镁做成中间合金mgzr30；mgzr30、金属硅材料放在炉台上预热，采用热电偶测量熔体温度，温度到达770℃加入mgzr30合金材料，温度到达780℃加入金属硅材料，均匀搅拌使溶液合金化；整过过程充分搅拌熔液，并抛洒二号熔剂灭火，使熔液合金化；

（3）中间取样：取样检测化学成分，合格后封盖静置约一小时；取样前，温度在760℃精炼，抛洒五号熔剂，均匀搅拌使合金液光亮后，再进行取样操作；

（4）铸棒成型：待步骤（2）中取样合格后，在730℃采用半连续浇铸成铸棒；

（5）材料检测：炉后取样检测化学成分、力学性能、金相组织，测试腐蚀速率。

优选的，步骤（2）加料炼制中的镁（mg）、锌（zn）、锆（zr）、硅（si）金属的纯度≥99.9%。

产品的性能以及检测参数见附图1-4。

实施例②：

本实施例提供一种制造可降解镁合金材料，具体质量组分：

zn:6.8%，zr:0.3%，si:0.05%，余量为mg，以上各组分质量份数加微量杂质之和为100%。

利用以上配方和组分的一种可降解镁合金井下工具底座材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）熔炼准备：将坩埚内部清洗干净，吊入电阻炉内，开启电炉，电炉加热坩埚的温度控制在680-780℃，至坩埚加热暗红色，表面撒上二号熔剂；

（2）加料炼制：按质量比例准备原料，加料顺序如下：均匀加入镁锭使之熔化，金属锌材料可随镁锭一起加入；金属锆材料先与镁做成中间合金mgzr30；mgzr30、金属硅材料放在炉台上预热，采用热电偶测量熔体温度，温度到达770℃加入mgzr30合金材料，温度到达780℃加入金属硅材料，均匀搅拌使溶液合金化；整过过程充分搅拌熔液，并抛洒二号熔剂灭火，使熔液合金化；

（3）中间取样：取样检测化学成分，合格后封盖静置约一小时；取样前，温度在760℃精炼，抛洒五号熔剂，均匀搅拌使合金液光亮后，再进行取样操作；

（4）铸棒成型：待步骤（2）中取样合格后，在730℃采用半连续浇铸成铸棒；

（5）材料检测：炉后取样检测化学成分、力学性能、金相组织，测试腐蚀速率。

优选的，步骤（2）加料炼制中的镁（mg）、锌（zn）、锆（zr）、硅（si）金属的纯度≥99.9%。

产品的性能以及检测参数见附图3-4。

通过检测，产品力学性能抗拉强度：大于180mpa；屈服强度：大于80mpa；延伸率：大于8%，布氏硬度：大于50hbw；腐蚀速率：材料在3%氯化钾溶液中，恒温92℃，腐蚀24小时后为6-16mg/cm2.h。材料通过客户试用，比第二代成本降低，且性能和腐蚀效果满足要求，能完全降解，不存在易卡涩、堵塞通道问题，现场试用效果达到理想状态。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。