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金屬所研制出可在純水中溶解的鋁合金材料

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金屬所專用材料與器件研究部?jī)?chǔ)氫合金及應(yīng)用課題組利用已有的鋁水反應(yīng)研究基礎(chǔ)研發(fā)出在純水中即可溶解的可溶鋁合金材料,并且可調(diào)控該合金與水反應(yīng)的起始溫度和在水中的溶解速率。

水力壓裂技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用于低豐度、低滲透油氣田的增效開采技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)向井內(nèi)注入較高壓力(~70MPa)的壓裂液將地層壓裂,利用壓裂液中的支撐劑充填裂縫來(lái)改變油氣的滲流方式以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。在施工過(guò)程中,需采用壓裂球和橋塞等工具對(duì)不同作業(yè)層的施工管柱進(jìn)行封堵。由普通合金制成的壓裂球等工具如果滯留井中,會(huì)降低油井產(chǎn)能。而壓裂球一旦卡在封隔器上,則需用特殊工具切削,既延長(zhǎng)了施工周期又提高了施工成本。針對(duì)上述問(wèn)題,國(guó)外石油公司研發(fā)出了可溶解的壓裂球(樹脂、鎂或鋁復(fù)合材料),但可溶解橋塞和球座等工具尚未開發(fā)成功。
  
壓裂技術(shù)在北美已廣泛應(yīng)用,雖然在我國(guó)也已有近40年的應(yīng)用歷史,但相關(guān)工具仍依靠進(jìn)口,嚴(yán)重限制了我國(guó)石油的增效開采。因此,研發(fā)具備可溶功能的壓裂工具對(duì)于保障我國(guó)油田的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)有著十分重要的意義。
  
金屬所專用材料與器件研究部?jī)?chǔ)氫合金及應(yīng)用課題組利用已有的鋁水反應(yīng)研究基礎(chǔ)研發(fā)出在純水中即可溶解的可溶鋁合金材料,并且可調(diào)控該合金與水反應(yīng)的起始溫度和在水中的溶解速率。
  
通常,人們很難觀察到鋁在水中溶解,因?yàn)殇X表面連續(xù)而致密的氧化膜阻礙了鋁水反應(yīng)。如果將鋁與一些低熔點(diǎn)金屬(Ga、In、Sn)合金化,則由這些低熔點(diǎn)金屬在鋁晶粒表面上形成的界面低熔點(diǎn)相將破壞鋁表面氧化膜的連續(xù)性。課題組圍繞鋁水反應(yīng)的一些基本問(wèn)題開展了系列工作,發(fā)現(xiàn)當(dāng)合金與水接觸時(shí)界面低熔點(diǎn)相中的鋁與水即發(fā)生放熱反應(yīng),同時(shí)鋁晶粒中的鋁原子能夠向液態(tài)的界面低熔點(diǎn)相中不斷擴(kuò)散。借助低熔點(diǎn)相對(duì)鋁氧化膜的破壞和對(duì)鋁原子的傳輸作用,鋁可持續(xù)與水反應(yīng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),鋁水反應(yīng)的起始溫度與界面低熔點(diǎn)相的熔點(diǎn)密切相關(guān),并且界面低熔點(diǎn)相的熔點(diǎn)可通過(guò)合金的成分進(jìn)行調(diào)控,而反應(yīng)速率與覆蓋于鋁晶粒表面上的低熔點(diǎn)相面積成正比。此外,課題組還研究了Cu、Mg、Zn和Ti等其他合金元素對(duì)合金溶解性能的影響,發(fā)現(xiàn)這些金屬對(duì)鋁水反應(yīng)的起始溫度及反應(yīng)速率亦有不同程度的影響。
  
可溶鋁合金作為結(jié)構(gòu)件使用除了要求具備良好的溶解性能外,還須兼?zhèn)渥銐蚋叩膹?qiáng)度和一定的塑性。為了滿足可溶鋁合金的溶解性能和力學(xué)性能,合金中需同時(shí)添加低熔點(diǎn)金屬(Ga、In、Sn)和多種強(qiáng)化合金元素。但是分布于鋁合金晶界上的低熔點(diǎn)相通常對(duì)合金的強(qiáng)度和塑性不利,尤其是對(duì)塑性損害極大。另一方面,強(qiáng)化合金元素在強(qiáng)化合金的同時(shí)也改變合金的溶解性能。因?yàn)檫@兩類合金元素所發(fā)揮的作用相互制約,所以選擇合適的合金元素種類、含量和比例以平衡溶解性能和力學(xué)性能,對(duì)合金制備至關(guān)重要。研究人員在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)合金成分進(jìn)行優(yōu)化,利用細(xì)化合金晶粒和提高鋁液質(zhì)量等途徑來(lái)改善合金的塑性,采用淬火和時(shí)效工藝對(duì)合金的綜合性能進(jìn)行調(diào)控,最終制備出滿足實(shí)際工況需求的鋁合金材料。
  
所研發(fā)合金的強(qiáng)度達(dá)350MPa以上,維氏硬度接近150,抗壓強(qiáng)度滿足水力壓裂要求??扇芎辖鸬匿X水起始反應(yīng)溫度從室溫至85℃范圍內(nèi)可調(diào),合金的溶解速率亦可根據(jù)不同工況調(diào)整。
  
與該課題組研制的可溶鋁合金相比,現(xiàn)行的樹脂和鋁復(fù)合材料類可溶材料雖然在強(qiáng)度上相當(dāng),但前者需用特制的腐蝕液溶解,后者與水的起始反應(yīng)溫度和在水中的溶解速率均不易調(diào)控,而該合金顯示了優(yōu)異的綜合性能。此外,該合金可采用傳統(tǒng)工藝冶煉和鑄造成型,成本低,易達(dá)高產(chǎn)能,適合大規(guī)模應(yīng)用和推廣。
  
課題組與有關(guān)企業(yè)合作研發(fā)了壓裂球、球座和橋塞等多個(gè)產(chǎn)品。壓裂球已在大慶和長(zhǎng)慶等油田獲得應(yīng)用,可溶鋁合金橋塞和球座也已通過(guò)大慶的井上實(shí)驗(yàn)測(cè)試。目前全球采用水力壓裂技術(shù)開采的油井粗略估計(jì)達(dá)幾十萬(wàn)口,僅大慶就有近萬(wàn)口,對(duì)可溶鋁合金有巨大的市場(chǎng)需求。

鋁合金 可溶解

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