压裂暂堵工具可溶金属材料研究-精品文档.docx

压裂暂堵工具可溶金属材料研究摘要：可溶金属材料制备的井下暂堵工具在压裂施工中的应用，极大地提高了非常规油气井压裂施工效率及技术经济指标。综述了井下暂堵工具用可溶金属材料的性能要求，镁基胞状构造、铝基掺杂构造可溶合金材料的设计思路及制备工艺，介质中浓度、浓度及介质温度对可溶金属材料溶解速度的影响规律。针对我国特有的高浓度、高浓度及高温介质，研发溶解速度可控的可溶金属是当前井下暂堵工具材料的发展方向。关键词：压裂；工具；材料中国非常规油气资源极为丰富。据国土资源部估算，我国可采页岩气资源量、煤层气资源总量居世界第，分别是×和×；油砂油的可采资源量×，居世界第。非常规油气资源地下浸透率通常小于，开采难度极大。压裂增产技术是煤层气、页岩油气、致密气工业化开采的重要技术手段之一。传统的压裂球、桥塞分别采用钢材、纤维加强复合材料制备，存在钻铣困难、耗时长、钻磨后的粉末、碎屑返排困难等缺点。年，美国公司利用先进纳米技术开发制造了压裂施工后可自行溶解的第代降解压裂球，极大地提高了非常规油气井压裂施工效率和技术经济指标。随后，、等油田技术公司大力研发井下暂堵工具用可溶材料，开发了不同掺杂的铝基、胞状构造镁基可溶金属材料，研究了可溶金属材料微观构造对其力学性能及溶解行为的影响，介质浓度、温度对可溶金属材料溶解行为的影响；讨论了可溶金属材料的溶解机理，。从年开场，我国中石油川庆钻探工程有限公司、新疆油田工程技术研究院、中石化石油机械股份有限公司、中国石油勘探开发研究院、低浸透油气勘探开发国家工程实验室、长庆油田分公司及长庆油田油气工艺研究院、中国石油西南油气田公司工程技术研究院、中国石油化工集团东北油气分公司石油工程技术研究院、沈阳航空航天大学也开场了暂堵工具用可溶金属材料的开发及应用研究。到目前为止，用可溶金属材料制备的压裂球、桥塞等暂堵工具能知足在承压差条件下密封的要求，在不大于的清水、质量分数不大于的中性盐溶液、胍胶介质及返排液中的溶解速度可控，能知足现场施工要求。井下暂堵工具用可溶金属材料材料的性能要求密度低。压裂球在施工时需通过钻井液泵送，因而，要求压裂球的密度为，略小于钻井液的密度。知足该密度要求的金属主要有铍、镁、铝种。常用的井下暂堵工具用可溶金属材料主要为镁基合金、铝基合金。强度较高。压裂施工时，液压通常可到达，因而用于制备暂堵工具的可溶金属材料通常要求其强度极限不小于。工业纯镁、纯铝的抗拉强度均不大于，较低，不能知足井下暂堵工具的力学性能要求。但在镁基体、铝基体中参加适当种类和数量的合金元素制备得到的镁合金、铝合金强度分别可达、以上。溶解速度可控。在临界服役时间前，溶解速度极慢，或几乎不溶解，且不允许有明显的局部腐蚀。在临界服役时间后，溶解速度尽可能快。暂堵工具在井下介质中的溶解机理主要是电化学反响。在材料设计时，通过在标准电极电位较低的镁基、铝基合金中参加电极电位较高的、石墨元素，可增大电化学反响的驱动力，以加快镁基、铝基合金溶解反响的进行。对于铝基合金，可参加汞、稼、铟，毁坏其外表的钝化膜，可加快铝基合金的溶解。井下暂堵工具用可溶金属材料构造特点及制备工艺井下暂堵工具用可溶金属材料主要有“胞状及“固溶掺杂两种微观构造，如图所示。图所示为公司年生产的镁基合金压裂球的微观构造。该压裂球具有独特的"胞状"微观构造，每一个微胞均由基体粉末及其外表包覆的纳米尺度的电极电位较高的覆盖层组成。该材料的制备工艺包括：在惰性气体保护下喷雾成形，制备镁合金粉末；在镁合金粉末外表利用化学气相沉积法制备纳米包覆层；采用粉末冶金的方法将这些具有包覆层的粉末烧结成坯料；利用锻造成形或挤压成形的方法对烧结坯料进一步加工成形。研究表明，通过调整纳米包覆层厚度，可同时调整该可溶金属的强度及溶解速度。如表所示，随纳米包覆层厚度增加，该可溶金属屈从强度不断增加，溶解速度则呈现先增加再下降的趋势，当包覆层厚度为时，溶解速度最大。材料的成形工艺也会影响其溶解速度。如表所示，锻造成形的可溶金属的溶解速度为挤压成形的倍。图为公司于年研发的可溶材料的"固溶掺杂"微观构造，其特点是掺杂的元素在基体合金的晶界构成多个活性阴极区，进而加速基体金属的溶解。研究表明，当掺杂元素含量较高时，可溶金属材料的溶解速度可到达低掺杂合金的倍以上，。“固溶掺杂可溶合金采用传统铸造工艺制备，解决了原公司粉末冶金法难以制备大尺寸、大体积材料的困难，可用于制备可溶桥塞。服役环境对可溶金属材料溶解性能的影响浓度对可溶金属溶解速度的影响表为公司可溶球在不同质量分数的溶液中的溶解速度。从表可见，“控制电解材料在溶液中溶解速度高达，为其在溶液中溶解速度的倍。我国某些油田地层水中质量浓度可高达×不考虑高浓度盐溶液的密度增大因素，可近似质量分数为，如采用制作压裂球或可溶桥塞，将会因溶解速度过大而不知足施工要求。图为维泰油气能源技术有限公司测试的可溶金属在不同浓度的溶液中的溶解速度。材料、材料、材料均为镁铝合金，但成分及微观组织略有不同。介质温度为，质量分数分别为、。从图可见，种材料在溶液中的溶解速度均随介质中浓度的增加而增加；随浓度增加，种材料溶解速度增加的幅度不同，其中材料的溶解速度增加幅度最大，材料的溶解速度增加幅度最小。浓度对可溶金属溶解速度的影响图为公司测试的可溶金属在不同质量分数的盐酸溶液中环境温度的溶解速度。由图可见，可溶金属在盐酸溶液中的溶解速度随盐酸质量分数的增加迅速增加；可溶金属在质量分数为、的盐酸溶液中的溶解速度分别是其在的盐酸溶液中溶解速度的倍，倍。对碳酸盐岩进行酸化压裂施工时，盐酸质量分数通常为，如采用图中的可溶金属材料制备井下暂堵工具，其溶解速度将到达以上，难以知足现场施工要求。因而，随着钻井技术的不断发展及可溶金属材料研发技术的不断提高，研发知足酸化压裂施工的井下暂堵工具用可溶金属材料势在必行。介质温度对可溶金属溶解速度的影响图为公司给出的阴极掺杂可溶金属材料相对溶解速度与温度的关系。将介质温度为时材料的相对溶解速度定为，则介质温度为时材料的相对溶解速度为，介质温度为时，材料的相对溶解速度为。可见，阴极掺杂可溶金属材料的溶解速度随温度升高而升高，但溶解速度与温度不呈线性关系。图为种材料在溶液中的溶解速度。种材料在溶液中的溶解速度均随温度的增加而增加；材料溶解速度随温度增加的幅度最大，材料溶解速度随温度增加的幅度最小。我国某些油气田的井下介质温度可高达，质量浓度可高达×，酸化压裂时，介质中盐酸的质量分数可高达，现有可溶金属材料制备的暂堵工具由于溶解速度过快，难以保证在规定时间的承压要求。因而，针对我国某些油气田特有的高浓度、高浓度的盐酸介质及高温介质，研发溶解速度知足压裂施工要求的井下暂堵工具用可溶金属材料是当前我国可溶金属材料研发的重点及发展方向。要求井下暂堵工具用可溶金属材料的密度低，强度极限高及溶解速度可控。现有的井下暂堵工具用可溶金属材料主要包括镁基合金及铝基合金两大类，制备工艺主要包括粉末冶金及铸造法种。现有井下暂堵工具用可溶金属材料的设计思路是通过化学气相沉积或其他方法，在基体相的外表构成一层高电极电位的包覆层，或通过掺杂方式在基体合金的晶界构成高电极电位的阴极掺杂相，通过调整两相电极电位差及两相的相对含量，控制合金的溶解速度。井下暂堵工具用可溶金属材料的溶解速度随介质中浓度、浓度的增加，介质温度的增加而增加；井下暂堵工具用可溶金属材料在低温段的返排液中溶解速度较高，在高温段的返排液中溶解速度较低。针对高浓度、高浓度的盐酸介质及高温介质，研发溶解速度知足压裂施工要求的井下暂堵工具用可溶金属材料是当前可溶金属材料研发的重点及发展方向。