一種鎂合金、其制備方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種鎂合金，尤其是一種核殼結(jié)構(gòu)式鎂合金，由下述組分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)組成：Al：5～24%，F(xiàn)e：0.05～10%，Zn：0.2～5%，Zr：0.1～0.7%，Mn：0～0.2%，余量為Mg，各組分之和為100%。本發(fā)明提供的鎂合金尤其適用于在油氣開采的憋壓球材料中的應(yīng)用。本發(fā)明還提供該鎂合金的制備方法。本發(fā)明組分配比合理、生產(chǎn)工藝簡單，可有效提高鎂合金的總體強(qiáng)度和可分解性能。本發(fā)明通過高能球磨與真空熱壓燒結(jié)的方法，獲得晶粒細(xì)小的粉末冶金鎂合金，使其性能滿足石油天然氣開采用憋壓球?qū)Σ牧系膹?qiáng)度與分解性能的要求；拓展了鎂合金在石油天然氣開采領(lǐng)域的應(yīng)用，形成可實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的粉末冶金鎂合金。
【專利說明】一種鎂合金、其制備方法及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鎂合金、其制備方法及其應(yīng)用，具體涉及一種可分解的核殼結(jié)構(gòu) 式鎂合金，可作為油氣開采的憋壓球材料。

【背景技術(shù)】
[0002] 頁巖氣是指賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖及其夾層中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方 式的非常規(guī)天然氣，成分以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源。近幾年，美國頁巖氣勘 探開發(fā)技術(shù)突破，產(chǎn)量快速增長，對國際天然氣市場及世界能源格局產(chǎn)生重大影響，世界主 要資源國都加大了對頁巖氣的勘探開發(fā)力度。多級滑套分段壓裂技術(shù)是近年來油氣井工程

【技術(shù)領(lǐng)域】發(fā)展起來的一項(xiàng)新型油氣儲(chǔ)層改造技術(shù)，主要應(yīng)用于頁巖氣和低滲透儲(chǔ)層的定向 井、水平井壓裂增產(chǎn)改造。該項(xiàng)技術(shù)可根據(jù)地層地質(zhì)狀況與儲(chǔ)層開發(fā)的需要，采用封隔器將 水平井分隔成若干段，通過地面投球控制裝置向井內(nèi)依次投入直徑由小到大的憋壓球，逐 級打開滑套，有針對性地對產(chǎn)層巖石進(jìn)行壓裂，形成石油、天然氣流體裂縫通道，以擴(kuò)大油 氣產(chǎn)層泄油面積，提高油氣采收率。在這項(xiàng)技術(shù)中，關(guān)鍵部件之一是滑套憋壓球，其主要功 能為：1)打開滑套對產(chǎn)層進(jìn)行壓裂；2)隔離下部儲(chǔ)層。待所有產(chǎn)層壓裂結(jié)束后，利用地層壓 力將憋壓球返排出井口，或使用鉆具將滑套球座及憋壓球鉆掉，這些方法的不足之處在于， 受地層壓力及現(xiàn)場施工壓力的影響，可能導(dǎo)致憋壓球發(fā)生卡位，返排不成功，下入鉆具進(jìn)行 磨銑會(huì)延長施工周期，增加施工成本與風(fēng)險(xiǎn)。因此，研制一種能承受壓裂施工高壓、井底高 溫，并在井內(nèi)流體環(huán)境下能自行分解的憋壓球材料，可有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率。
[0003] 美國專利公布了一種可分解的多層包覆的核殼結(jié)構(gòu)式復(fù)合材料制備方法(美國專 利，US2011/0132143A1，2011年)，該專利顯示，通過在納米級核體金屬（如鎂、鋁、鋅、錳及其 合金）粉末顆粒的表面，采用流化床化學(xué)鍍的方法，鍍上多層不同金屬或金屬氧化的納米級 殼層，如Al、Ni、A1 203等，然后再把鍍層后復(fù)合粉末進(jìn)行燒結(jié)，獲得具有一定分解性能的納 米復(fù)合材料，但該方法要求在活性比較高的納米級鎂、鋁、鋅、錳及其合金表面鍍多層納米 級金屬或金屬氧化物，極大的增加了該材料的生產(chǎn)成本，無法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的旨在針對油氣儲(chǔ)層分段壓裂多級滑套憋壓球材料領(lǐng)域的技術(shù)不足 和缺陷，提出一種組分配比合理、生產(chǎn)工藝簡單、可有效分解的核殼結(jié)構(gòu)式鎂合金及其制備 方法，使鎂合金的分解性能超過現(xiàn)有的鑄錠冶金型鎂合金。
[0005] 本發(fā)明提供一種鎂合金，由下述組分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)組成：A1 :5?24%，F(xiàn)e :0. 05? 10%，Zn :0· 2 ?5%，Zr :0· 1 ?0· 7%，Μη :0 ?0· 2%，余量為 Mg，各組分之和為 100%。
[0006] 在本發(fā)明中，優(yōu)選所述鎂合金為核殼結(jié)構(gòu)式鎂合金。更加優(yōu)選地，所述鎂合金的核 體包含元素鎂、鋅和鋯，所述鎂合金的殼層由鋁和鐵兩種元素組成；進(jìn)一步地，優(yōu)選所述鎂 合金的核體由鎂、鋅和鋯三種元素組成或由鎂、鋁、鋅、鋯和錳五種元素組成。
[0007] 本發(fā)明還提供所述鎂合金在油氣開采的憋壓球材料中的應(yīng)用。
[0008] 本發(fā)明還提供所述鎂合金的制備方法，包括，步驟A，配料和球磨包覆：采用球形 鎂合金與純鎂混合制備核體復(fù)合粉，采用含鋁和含鐵的金屬粉末制備殼層復(fù)合粉，把核體 復(fù)合粉與殼層復(fù)合粉混合進(jìn)行高能球磨包覆；步驟B，成型和燒結(jié)：把步驟A所得的球磨包 覆后的粉末采用模壓形式壓制成坯體，并將所得坯體進(jìn)行燒結(jié)，即得所述核殼結(jié)構(gòu)式鎂合 金。在本發(fā)明中，可通過V型機(jī)或球磨機(jī)來混合粉狀原料制備核體復(fù)合粉或殼層復(fù)合粉。
[0009] 在上述制備方法中，優(yōu)選的是，采用純鋁與鋁鐵合金混合制備殼層復(fù)合粉。優(yōu)選所 述核體復(fù)合粉中球形鎂合金粉與純鎂粉的質(zhì)量比為19:1?1:1，所述殼層復(fù)合粉中純鋁粉 與錯(cuò)鐵合金粉的質(zhì)量比為4:1?1:2。
[0010] 在本發(fā)明的制備方法中，優(yōu)選所述球形鎂合金為Mg-Al-Zn-Mn系鎂合金或者 Mg-Zn-Zr系鎂合金。
[0011]在本發(fā)明一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，所述核體復(fù)合粉與殼層復(fù)合粉的質(zhì)量比為 19:1 ?2:1。
[0012] 優(yōu)選地，在本發(fā)明所述高能球磨包覆中，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300?600轉(zhuǎn)/分鐘，采用 氬氣保護(hù)；所述燒結(jié)在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行，燒結(jié)溫度為500?600°C，燒結(jié)時(shí)所施加的 壓力為5?25MPa，燒結(jié)時(shí)間2?6h。燒結(jié)時(shí)所施加的壓力由坯料上部的液壓加壓裝置提 供，將粉末坯料壓實(shí)。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過高能球磨在核體粉末表面包覆殼層材料，然后通過 真空熱壓燒結(jié)，獲得致密度高、孔隙少、晶粒細(xì)小、金屬間化合物相細(xì)小彌散分布的燒結(jié)態(tài) 樣品，使合金組織處于核殼結(jié)構(gòu)式狀態(tài)，從而具有良好的綜合機(jī)械性能；同時(shí)，合金在高溫 鹵素溶液中的分解性能明顯超過現(xiàn)有的鑄態(tài)鎂合金。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 在以下對比例和實(shí)施例中，合金化學(xué)成分中數(shù)據(jù)代表其質(zhì)量百分含量；如AZ91鑄 態(tài)鎂合金 Mg-9Al-0. 9Zn-0. 5Zr-0. 2Mn 中 Al、Zn、Zr 和 Μη 的含量分別為 9%、0. 9%、0. 5% 和 0· 2%，余量為 Mg，共 100%。
[0015] 對比例1
[0016] 該對比合金為AZ91鑄態(tài)鎂合金，其化學(xué)成分為Mg-9Al-0. 9Zn-0. 5Zr-0. 2Mn。AZ91 的原料包括A00純鋁、Al-4Zr中間合金、2號工業(yè)純鎂、Al-10Mn中間合金和2號純鋅；上 述原料在中頻感應(yīng)電阻爐中熔煉，并用C 2C16進(jìn)行精練處理，經(jīng)過靜置、扒渣，通過鐵模澆鑄 成坯錠。該合金的室溫最大抗壓縮強(qiáng)度為245MPa，其在93°C的3%KC1溶液中的腐蝕速率為 0. 01g/h〇
[0017] 對比例2
[0018] 該對比合金為ZK61鑄態(tài)鎂合金，其化學(xué)成分為Mg-6Zn-0. 9Zr。ZK61的原料包 括Mg-lOZr中間合金、2號工業(yè)純鎂和2號純鋅；上述原料在中頻感應(yīng)電阻爐中熔煉，并用 C2C16進(jìn)行精練處理，經(jīng)過靜置、扒渣，通過鐵模澆鑄成坯錠。該合金的室溫最大抗壓縮強(qiáng)度 為252MPa，其在93°C的3%KC1溶液中的腐蝕速率為0. 014g/h。
[0019] 實(shí)施例1
[0020] 本實(shí)施例中制備得到的合金化學(xué)成分為：Mg-14. 0A1-2. 50Fe-0. 65Ζη-(λ 36Zr-0. 1 4Mn。其原料包括-200目的球形AZ91鎂合金粉、-50目的Mg粉、-50目的Al-50Fe粉和-300 目的A1粉。該合金的制備方法為：先把質(zhì)量比為4:1的AZ91粉和純鎂粉用V型機(jī)混合制 備成核體復(fù)合粉，把質(zhì)量比為1:1的A1粉和Al-50Fe粉用V型機(jī)混合制備成殼層復(fù)合粉； 然后取質(zhì)量比為9:1的核體粉和殼層粉，在氬氣保護(hù)下，通過600轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速高能球磨 混合均勻；然后在室溫下模壓成型；壓坯在真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為550°C，燒結(jié)時(shí) 間為4h。以該方法制備得到的合金的室溫最大抗壓縮強(qiáng)度彡310MPa，其在93°C的3%KC1溶 液中的腐蝕速率為0.81 g/h。
[0021] 實(shí)施例2
[0022] 本實(shí)施例中制備得到的合金化學(xué)成分為：Mg-12. 6A1-0. 5Fe-0. 81Zn-0. 45Zr-0. 18 Μη。其原料包括-50目的球形AZ91鎂合金粉、-300目的Mg粉、-300目的Al-50Fe粉和-50 目的A1粉。該合金的制備方法為：先把質(zhì)量比為19:1的AZ91粉和純鎂粉用V型機(jī)混合制 備成核體復(fù)合粉，把質(zhì)量比為4:1的A1粉和Al-50Fe粉用V型機(jī)混合制備成殼層復(fù)合粉； 然后取質(zhì)量比為19:1的核體粉和殼層粉，在氬氣保護(hù)下，通過300轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速高能球 磨混合均勻；然后在室溫下模壓成型；壓坯在真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500°C，燒結(jié) 時(shí)間為6h。以該方法制備得到的合金的室溫最大抗壓縮強(qiáng)度彡300MPa，其在93°C的3%KC1 溶液中的腐蝕速率為〇. 73g/h。
[0023] 實(shí)施例3
[0024] 本實(shí)施例中制備得到的合金化學(xué)成分為：Mg-13. 4A1-0. 95Fe-0. 77Zn-0. 43Zr-0. 17Mn。其原料包括-150目的球形AZ91鎂合金粉、-150目的Mg粉、-150目的Al-50Fe粉 和-150目的A1粉。該合金的制備方法為：先把質(zhì)量比為11:1的AZ91粉和純鎂粉用V型 機(jī)混合制備成核體復(fù)合粉，把質(zhì)量比為2. 5:1的A1粉和Al-50Fe粉用V型機(jī)混合制備成殼 層復(fù)合粉；然后取質(zhì)量比為14:1的核體粉和殼層粉，在氬氣保護(hù)下，通過450轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn) 速球磨混合均勻；然后在室溫下模壓成型；壓坯在真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為600°C， 燒結(jié)時(shí)間為2h。以該方法制備得到的合金的室溫最大抗壓縮強(qiáng)度> 310MPa，其在93°C的 3%KC1溶液中的腐蝕速率為0. 76g/h。
[0025] 實(shí)施例4
[0026] 本實(shí)施例中制備得到的合金化學(xué)成分為：Mg-23. 2A1-10. 0Fe-0. 32Zn-0. 18Zr-0. 0 7Mn。其原料包括-200目的球形AZ91鎂合金粉、-50目的Mg粉、-200目的Al-50Fe粉和-300 目的A1粉。該合金的制備方法為：先把質(zhì)量比為1:1的AZ91粉和純鎂粉用V型機(jī)混合制 備成核體復(fù)合粉，把質(zhì)量比為1:2的A1粉和Al-50Fe粉用V型機(jī)混合制備成殼層復(fù)合粉； 然后取質(zhì)量比為7:3的核體粉和殼層粉，在氬氣保護(hù)下，通過450轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速球磨混合均 勻；然后在室溫下模壓成型；壓坯在真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為600°C，燒結(jié)時(shí)間為2h。 以該方法制備得到的合金的室溫最大抗壓縮強(qiáng)度> 340MPa，其在93°C的3%KC1溶液中的腐 蝕速率為〇. 94g/h。
[0027] 實(shí)施例5
[0028] 本實(shí)施例中制備得到的合金化學(xué)成分為：Mg-19. 5A1-5. 0Fe-0. 45Zn-0. 25Zr-0. 10 Μη。其原料包括-200目的球形AZ91鎂合金粉、-50目的Mg粉、-200目的Al-50Fe粉和-300 目的A1粉。該合金的制備方法為：先把質(zhì)量比為5:3的AZ91粉和純鎂粉用V型機(jī)混合制 備成核體復(fù)合粉，把質(zhì)量比為1:1的A1粉和Al-50Fe粉用V型機(jī)混合制備成殼層復(fù)合粉； 然后取質(zhì)量比為4:1的核體粉和殼層粉，在氬氣保護(hù)下，通過400轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速球磨混合均
【權(quán)利要求】
1. 一種鎂合金，由下述組分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)組成： A1 :5 ?24%，F(xiàn)e :0· 05 ?10%，Zn :0· 2 ?5%，Zr :0· 1 ?0· 7%，Mn :0 ?0· 2%，余量為 Mg， 各組分之和為100%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金，其特征在于，所述鎂合金為核殼結(jié)構(gòu)式鎂合金。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鎂合金，其特征在于，所述鎂合金的核體包含元素鎂、鋅和 锫， 所述鎂合金的殼層由鋁和鐵兩種元素組成；優(yōu)選所述鎂合金的核體由鎂、鋅和鋯三種 元素組成或由鎂、鋁、鋅、鋯和錳五種元素組成。
4. 一種如權(quán)利要求1?3中任意一項(xiàng)所述鎂合金在油氣開采的憋壓球材料中的應(yīng)用。
5. -種如權(quán)利要求2或3所述鎂合金的制備方法，包括， 步驟A，配料和球磨包覆：采用球形鎂合金與純鎂混合制備核體復(fù)合粉，采用含鋁和含 鐵的金屬粉末制備殼層復(fù)合粉，把所述核體復(fù)合粉與殼層復(fù)合粉混合進(jìn)行高能球磨包覆； 步驟B，成型和燒結(jié)：把步驟A所得的球磨包覆后的粉末采用模壓形式壓制成坯體，并 將所得坯體進(jìn)行燒結(jié)，即得所述核殼結(jié)構(gòu)式鎂合金。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，采用純鋁與鋁鐵合金混合制備殼層 復(fù)合粉。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述核體復(fù)合粉中球形鎂合金粉與 純鎂粉的質(zhì)量比為19:1?1:1，所述殼層復(fù)合粉中純鋁粉與鋁鐵合金粉的質(zhì)量比為4:1? 1:2。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述球形鎂合金為Mg-Al-Zn-Mn系鎂 合金或者M(jìn)g-Zn-Zr系鎂合金。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5?8中任意一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述核體復(fù)合粉與殼 層復(fù)合粉的質(zhì)量比為19:1?2:1。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5?8中任意一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述高能球磨包覆 中，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300?600轉(zhuǎn)/分鐘，采用氬氣保護(hù)；所述燒結(jié)在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行， 燒結(jié)溫度為500?600°C，燒結(jié)時(shí)所施加的壓力為5?25MPa，燒結(jié)時(shí)間2?6h。
【文檔編號】E21B43/26GK104120317SQ201310146529
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月24日
【發(fā)明者】魏遼, 吳姬昊, 馬開華, 姚輝前, 薛占峰 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院