金屬所研制出可在純水中溶解的鋁合金材料

水力壓裂技術是一項應用于低豐度、低滲透油氣田的增效開采技術。該技術通過向井內注入較高壓力（～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改變油氣的滲流方式以實現增產。在施工過程中，需采用壓裂球和橋塞等工具對不同作業層的施工管柱進行封堵。由普通合金制成的壓裂球等工具如果滯留井中，會降低油井產能。而壓裂球一旦卡在封隔器上，則需用特殊工具切削，既延長了施工周期又提高了施工成本。針對上述問題，國外石油公司研發出了可溶解的壓裂球（樹脂、鎂或鋁復合材料），但可溶解橋塞和球座等工具尚未開發成功。



　　壓裂技術在北美已廣泛應用，雖然在我國也已有近40年的應用歷史，但相關工具仍依靠進口，嚴重限制了我國石油的增效開采。因此,研發具備可溶功能的壓裂工具對于保障我國油田的穩產和高產有著十分重要的意義。

　　金屬所專用材料與器件研究部儲氫合金及應用課題組利用已有的鋁水反應研究基礎研發出在純水中即可溶解的可溶鋁合金材料，并且可調控該合金與水反應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，因為鋁表面連續而致密的氧化膜阻礙了鋁水反應。如果將鋁與一些低熔點金屬（Ga、In、Sn）合金化，則由這些低熔點金屬在鋁晶粒表面上形成的界面低熔點相將破壞鋁表面氧化膜的連續性。課題組圍繞鋁水反應的一些基本問題開展了系列工作，發現當合金與水接觸時界面低熔點相中的鋁與水即發生放熱反應，同時鋁晶粒中的鋁原子能夠向液態的界面低熔點相中不斷擴散。借助低熔點相對鋁氧化膜的破壞和對鋁原子的傳輸作用，鋁可持續與水反應。進一步研究發現，鋁水反應的起始溫度與界面低熔點相的熔點密切相關，并且界面低熔點相的熔點可通過合金的成分進行調控，而反應速率與覆蓋于鋁晶粒表面上的低熔點相面積成正比。此外，課題組還研究了Cu、Mg、Zn和 Ti等其他合金元素對合金溶解性能的影響，發現這些金屬對鋁水反應的起始溫度及反應速率亦有不同程度的影響。

　　可溶鋁合金作為結構件使用除了要求具備良好的溶解性能外，還須兼備足夠高的強度和一定的塑性。為了滿足可溶鋁合金的溶解性能和力學性能，合金中需同時添加低熔點金屬（Ga、In、Sn）和多種強化合金元素。但是分布于鋁合金晶界上的低熔點相通常對合金的強度和塑性不利，尤其是對塑性損害極大。另一方面，強化合金元素在強化合金的同時也改變合金的溶解性能。因為這兩類合金元素所發揮的作用相互制約，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性能，對合金制備至關重要。研究人員在大量實驗基礎上對合金成分進行優化，利用細化合金晶粒和提高鋁液質量等途徑來改善合金的塑性，采用淬火和時效工藝對合金的綜合性能進行調控，最終制備出滿足實際工況需求的鋁合金材料。

　　所研發合金的強度達350MPa以上，維氏硬度接近150，抗壓強度滿足水力壓裂要求�？扇芎辖鸬匿X水起始反應溫度從室溫至85℃范圍內可調，合金的溶解速率亦可根據不同工況調整。

　　與該課題組研制的可溶鋁合金相比，現行的樹脂和鋁復合材料類可溶材料雖然在強度上相當，但前者需用特制的腐蝕液溶解，后者與水的起始反應溫度和在水中的溶解速率均不易調控，而該合金顯示了優異的綜合性能。此外，該合金可采用傳統工藝冶煉和鑄造成型，成本低，易達高產能，適合大規模應用和推廣。

　　課題組與有關企業合作研發了壓裂球、球座和橋塞等多個產品。壓裂球已在大慶和長慶等油田獲得應用，可溶鋁合金橋塞和球座也已通過大慶的井上實驗測試。目前全球采用水力壓裂技術開采的油井粗略估計達幾十萬口，僅大慶就有近萬口，對可溶鋁合金有巨大的市場需求。(全球金屬網 OMETAL.COM) (您想天天免費看到如此海量的金屬資訊嗎？1、點擊此處將全球金屬網設為您的上網首頁 2、點擊此處將全球金屬網添加到您的收藏夾內。)