[发明专利]一种用于全金属桥塞胶筒的可溶镁合金材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于全金属桥塞胶筒的可溶镁合金，其特征在于，所述可溶镁合金包括Li元素和M元素，各元素的质量百分数为：Li：8.0～14.0wt.％；M为Ni，Cu元素中的至少一种，其中Ni：0.01～5.0wt.％，Cu：0.01～5.0wt.％；余量为Mg。所述可溶镁合金还包括N元素，N是Al，Zn，Ca，Zr元素中的至少一种，其中Al：0.1～5.0wt.％，Zn：0.1～3.0wt.％，Ca：0.1～2.0wt.％，Zr：0.05～0.3wt.％；余量为Mg。本发明的可溶镁合金延伸率高，并且绝对强度适中，在压力作用下产生径向形变，从而与套管接触达到密封效果。并且，本发明的Mg‑Li全金属可溶胶筒能在井下充分溶解，溶解后不残留块状或者胶状产物等，不存在卡堵通道问题，无需二次钻井，在石油开采领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于金属材料制备与加工技术领域，涉及一种全金属桥塞胶筒用可溶镁合金材料及其制备方法。

背景技术

面对巨大的能源需求，世界油气产能建设和生产却相对不足，加之油气工程开采技术的进步，人们开始更多地关注非常规石油天然气资源。美国能源信息署发布的《国际能源展望2016》报告中指出，非常规油气的生产将从2015年的0.8227万亿立方增加到2040年的2.48万亿立方米，其快速发展已导致全球能源工业的巨大改变。

以桥塞分段压裂为主体的水平井分段改造技术已成为非常规油气开采的重要手段，北美页岩油气开采的快速发展正得益于水平井分段改造压裂技术的进步与大规模应用。该技术的优点是在对油气储层改造时，不受分段压裂层限制，不易挂卡，其中油气开采用压裂桥塞是核心工具之一。

目前，常用桥塞有可钻桥塞、大通径桥塞、可溶桥塞等。相比其他桥塞，可溶桥塞具有作业完成后自动溶解、对储层污染小、投产快、风险小、综合成本低等优势，极具推广潜力，未来有望全面替代大通径桥塞和可钻桥塞。

胶筒作为可溶桥塞分层密封的关键部件，目前主要是由橡胶材料组成，其质量对桥塞作业时的密封性能有着重要影响。桥塞在井下坐封时，胶筒会承受压力而产生轴向载荷，使其轴向压缩从而导致径向扩张变形，并且随着压力的增加，胶筒外侧首先与套管内壁接触，同时胶筒内侧远离中心管，但由于胶筒组成材料一致，压缩时不同部位受力差异较大，造成中间变形大，两端变形小，从而产生“肩突”现象，造成密封效果降低。

因为橡胶胶筒不能完全溶解，当水平段过长，在水平井中大量使用可溶桥塞时，橡胶胶筒溶解后会在井下留下胶状或渣状产物，不利于后续作业，给后续生产带来安全隐患，增加工作难度。同时胶筒材料本身抗拉强度低，随温度的增加强度明显下降。且井下开采环境越来越复杂，岩层深度越来越深，对胶筒的耐温耐压性能也提出了更高的要求，而现有可溶橡胶胶筒在高温高压(90℃、70MPa)条件下承压效果差，无法满足井矿作业需求。

现有技术发明中，授权公告号为CN211524766U的实用新型专利公开了一种低温可溶桥塞胶筒结构，该胶筒结构由胶筒和肩保组成，通过肩保的作用，能保证可溶性桥塞的密封效果，同时在胶筒和肩保的端面均采用锥形设计，在一定程度上能对胶筒肩部起到保护作用，延长胶筒的有效承压时间,该实用新型专利申请公开了肩保可以由镁铝合金加工而成，但没有公开其实际腐蚀和力学性能，更不清楚其是否满足非常规油气开采在高温高压环境下的工作要求。

现有技术发明中，授权公告号CN211397538U的发明专利公开了一种全金属可溶桥塞。所述的全金属可溶桥塞，包括球座、金属密封筒、卡瓦、卡瓦齿、基座。所述的金属密封筒在外力的作用下发生径向塑性变形，其密封筒的材料为金属可溶材料。实施例中指出密封筒2可以考虑采用可溶铝合金、可溶镁合金材料。但没有提及合金的具体成分、力学性能和腐蚀性能。

镁合金是最轻的结构金属材料，具有密度低(ρ＝～1.3～1.9g/cm³)、环保、易回收等特点，已广泛应用于航空航天、3C等领域。镁合金存在绝对强度低，抗腐蚀性能差等特点，限制了进一步的应用。相反对于桥塞用可溶胶筒而言，这恰好是所需特性，因此需要寻找一种合适的镁合金体系显得尤为重要。