可溶镁合金材料在井下压裂工具中的应用效果

可溶镁合金材料在井下压裂工具中的应

用效果

摘要：可以通过热挤压工艺、熔炼工艺制备可溶镁合金材料，从而为井下压

裂工具的制造提供材料。从实际情况来看，可溶镁合金材料的抗拉强度相对较高、延伸率也比较大，可以优化井下压裂工具的性能，因此需要充分发挥可溶镁合金

材料在井下压裂工具中的作用。

关键词：可溶镁合金；井下压裂工作；腐蚀性能

前言：

井下压裂工具在油气田开发中发挥着重要作用，但传统的井下压裂工具都是

由普通合金钢制成的，具有密度大、粉末不易返排等问题。而镁合金材料的重量

较轻、强度较高，所以可以利用可溶镁合金材料制造井下压裂工具。

1.实验方法

在实验过程中，实验人员需要利用纯度为99.9%的纯金属以及 Mg-Al中间体

合金制备 Mg-7Al-1Zn-1Ni-1Cu合金【1】。之后，实验人员需要对制备好的铸态

合金进行加工处理，使其成为合金棒材。同时，实验人员需要在400℃的温度下

对棒材进行热挤压处理。在处理过程中，实验人员需要将热挤压速度控制在

12mm/s，将热挤压比控制在10.7。在完成热挤压处理后，实验人员需要利用数控

机床对挤压态合金进行加工，使其成为精度为0.05mm的井下压裂球。在完成上

述工作之后，实验人员需要利用X 射线衍射仪对镁合金材料进行物相分析，并利

用电子显微镜观察镁合金的显微组织。在观察过程中，应利用砂纸与水对镁合金

试样进行湿磨处理，再利用金刚石抛光剂将其抛至镜面，最后利用酒精与硝酸配

制成混合溶液，对试样进行观测。其次，实验人员应利用万能实验机对镁合金材

料进行拉伸实验。在实验时应将拉伸速度控制在1mm/min，将实验温度控制在

120 ℃。再次，实验人员需利用显微硬度测量仪进行布氏硬度实验，将保载时间

控制在35s，将保载荷度控制在250kN。同时，实验人员需利用浓度为3%的氯化钾水溶液进行试样的腐蚀溶解实验。此外，实验人员需利用井下工具高温高压模拟实验系统对由可溶镁合金材料制成的井下压裂球进行实验。

2.实验结果

2.1镁合金微观组织的结构

在可溶镁合金材料配制过程中添加Al、Zn等元素可以增强镁合金材料的强度，添加Cu、Ni等元素可以加快镁合金材料的溶解速度。从图一来看，可溶镁

合金主要是由Mg、 Mg

4AlZn

11

等相共同构成的。从油气田开发情况来看，井下

压裂工具的运行环境较为恶劣，会受到高温以及高压等因素的影响。所以在制备

可溶镁合金时需要对合金进行热挤压处理，从而增强可溶镁合金材料的力学性能。其次，从微观组织来看，可溶镁合金材料主要是由镁基体以及中间相共同构成的，其中镁基体组织的晶粒大小在150μm左右【2】。同时，在热挤压过程中镁合金会出现恢复与再结晶等情况，所以相比于铸态镁合金，挤压态镁合金的晶粒以及析

出相的纤维化程度相对较低，且基体相以及析出相的尺度也比较低。

图一：可溶镁合金的XRD谱图

2.2镁合金力学性能

从表1来看，进行热挤压处理可以提升可溶镁合金的力学性能。例如，在热

挤压处理后，室温下铸态镁合金的拉伸强度从160MPa变为了300MPa，120℃下的

铸态镁合金的拉伸强度从150MPa变为了251MPa。从实际情况来看，进行热挤压

处理可以提升可溶镁合金材料的力学性能是由多种因素造成的。第一，对镁合金

材料进行热挤压处理可以细化镁合金的晶粒，缩小晶粒的析出尺寸。第二，对镁

合金材料进行热挤压处理可以增加镁合金材料的位错密度，降低镁合金材料的拉伸性，从而提高镁合金材料的抗拉强度。第三，镁合金晶粒的细化以及位错密度的增加可以提升镁合金材料的塑性。从实际情况来看，铸态合金的拉伸断口属于沿晶断裂，且含有一小部分撕裂棱区。但是挤压态合金的断口包含大量的撕裂棱区，这就说明对镁合金材料进行热挤压处理可以提升镁合金的塑性。所以，利用可溶镁合金材料制成的井下压裂工具可以抵抗高温以及高压等因素的影响。

表1：铸态镁合金与挤压态镁合金的力学性能对比

2.3镁合金的腐蚀性能

由于挤压态镁合金材料的力学性能符合井下压裂工具的使用标准，所以实验人员还需要对镁合金材料的腐蚀性能进行深入研究，综合判断是否可以利用可溶镁合金制备井下压裂工具。从实验结果来看，在浸泡时间不断增长的过程中，可溶镁合金试样的腐蚀失重量不断加大。但是，在高温环境下，镁合金材料的腐蚀效率要高于室温。在分析后发现，镁合金材料出现腐蚀情况主要是由晶粒相与晶

界析出相之间存在电位差造成的。如果将镁合金材料放置在含有电解质的水溶液当中，镁合金材料当中的晶粒相与晶界析出相就会形成原电池并进行氧化还原反应，会促进镁合金材料的腐蚀溶解【3】。同时，也可以发现在浸泡的前二十四小时内，镁合金材料的腐蚀速度相对较慢，但是之后镁合金材料的腐蚀速度不断加快。

2.4镁合金的应用性能

实验人员可以利用经过热挤压处理的可溶镁合金制作井下压裂球，并将井下压裂球的精度控制在0.05mm左右。之后，实验人员需要利用井下工具高温高压模拟实验系统检测井下压裂球的承压密封性。在实验过程中，实验人员需要将井下压裂球放置在油管的球座当中，并在90℃的环境中将油压调整到70MPa，并将这种状态保持半个小时。之后，实验人员会发现压降值是0.58MPa，压降比在3%以内，符合油气田开发要求。在实验之后，实验人员需要检查井下压裂球是否存在破损以及裂痕等情况，分析井下压裂球的应用性能。

结语：

从实验结果来看，挤压态镁合金材料的力学性能较为优异，应用这种材料的井下压裂工具具有良好的密封性，所以可以利用镁合金材料制造井下压裂工具，为油气田开发提供更优质的工具。

参考文献：

[1]刘宝胜,董舸航,张跃忠,任晓霞,卫英慧,宋光铃.压裂暂堵工具用可溶镁合金的研究进展[J/OL].中国有色金属学报:1-29[2022-03-22].

[2]牛亚峰,刘恩洋,于思荣,刘林.漂珠/镁合金可溶复合材料切削加工表面粗糙度及其预测模型[J].轻合金加工技术,2019,47(10):51-57.

[3]陈伟文.一种功能性快速可溶稀土镁合金材料及其制备方法[J].有色金属材料与工程,2019,40(03):61.