水力压裂技术是一项应用于低丰度低渗透油气田的增效开采技术该技术通过向井内注入较高压力MPa的压裂液将地层压裂利用压裂液中的支撑剂充填裂缝来改变油气的渗流方式以实现增产在施工过程中需采用压裂球和桥塞等工具对不同作业层的施工管柱进行封堵由普通合金制成的压裂球等工具如果滞留井中会降低油井产能而压裂球一旦卡在封隔器上则需用特殊工具切削既延长了施工周期又提高了施工成本针对上述问题国外石油公司研发出了可溶解的压裂球树脂镁或铝复合材料但可溶解桥塞和球座等工具尚未开发成功
压裂技术在北美已广泛应用虽然在我国也已有近年的应用历史但相关工具仍依靠进口严重限制了我国石油的增效开采因此研发具备可溶功能的压裂工具对于保障我国油田的稳产和高产有着十分重要的意义
金属所专用材料与器件研究部储氢合金及应用课题组利用已有的铝水反应研究基础研发出在纯水中即可溶解的可溶铝合金材料并且可调控该合金与水反应的起始温度和在水中的溶解速率
通常人们很难观察到铝在水中溶解因为铝表面连续而致密的氧化膜阻碍了铝水反应如果将铝与一些低熔点金属GaInSn合金化则由这些低熔点金属在铝晶粒表面上形成的界面低熔点相将破坏铝表面氧化膜的连续性课题组围绕铝水反应的一些基本问题开展了系列工作发现当合金与水接触时界面低熔点相中的铝与水即发生放热反应同时铝晶粒中的铝原子能够向液态的界面低熔点相中不断扩散借助低熔点相对铝氧化膜的破坏和对铝原子的传输作用铝可持续与水反应进一步研究发现铝水反应的起始温度与界面低熔点相的熔点密切相关并且界面低熔点相的熔点可通过合金的成分进行调控而反应速率与覆盖于铝晶粒表面上的低熔点相面积成正比此外课题组还研究了CuMgZn和Ti等其他合金元素对合金溶解性能的影响发现这些金属对铝水反应的起始温度及反应速率亦有不同程度的影响
可溶铝合金作为结构件使用除了要求具备良好的溶解性能外还须兼备足够高的强度和一定的塑性为了满足可溶铝合金的溶解性能和力学性能合金中需同时添加低熔点金属GaInSn和多种强化合金元素但是分布于铝合金晶界上的低熔点相通常对合金的强度和塑性不利尤其是对塑性损害极大另一方面强化合金元素在强化合金的同时也改变合金的溶解性能因为这两类合金元素所发挥的作用相互制约所以选择合适的合金元素种类含量和比例以平衡溶解性能和力学性能对合金制备至关重要研究人员在大量实验基础上对合金成分进行优化利用细化合金晶粒和提高铝液质量等途径来改善合金的塑性采用淬火和时效工艺对合金的综合性能进行调控最终制备出满足实际工况需求的铝合金材料
所研发合金的强度达MPa以上维氏硬度接近抗压强度满足水力压裂要求可溶合金的铝水起始反应温度从室温至范围内可调合金的溶解速率亦可根据不同工况调整
与该课题组研制的可溶铝合金相比现行的树脂和铝复合材料类可溶材料虽然在强度上相当但前者需用特制的腐蚀液溶解后者与水的起始反应温度和在水中的溶解速率均不易调控而该合金显示了优异的综合性能此外该合金可采用传统工艺冶炼和铸造成型成本低易达高产能适合大规模应用和推广
课题组与有关企业合作研发了压裂球球座和桥塞等多个产品压裂球已在大庆和长庆等油田获得应用可溶铝合金桥塞和球座也已通过大庆的井上实验测试目前全球采用水力压裂技术开采的油井粗略估计达几十万口仅大庆就有近万口对可溶铝合金有巨大的市场需求
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