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高強(qiáng)度可溶新型復(fù)合材料在井下工具中的應(yīng)用為近兩年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，目前主要應(yīng)用在鉆完井工具和分段壓裂作業(yè)中。已研發(fā)的可溶壓裂球、可溶壓裂球座、可溶壓裂橋塞、可溶盲板等多種工具，解決了目前分段壓裂技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中球無(wú)法返排出、生產(chǎn)通徑小、壓后需鉆塞等問(wèn)題。

 

復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)
 

高強(qiáng)度可溶性復(fù)合材料是石油鉆采工程領(lǐng)域用特種工程材料，該材料的溶解速度與其使用溫度、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)，在溫度為 60 攝氏度的鈉鹽、 鈣鹽、 鎂鹽、 氯化鉀水溶液中，48 小時(shí)溶解率為 16.7%，96 小時(shí)溶解率為 41.7%，且反應(yīng)速度隨溫度升高而升高，另外材料表面可以噴涂 0.05 毫米厚溫度控制膜，滿足不同溫度條件應(yīng)用要求。該材料將對(duì)鉆完井工具改進(jìn)及工藝簡(jiǎn)化起到至關(guān)重要的作用，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

 

利用復(fù)合材料制成鉆完井工具可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化鉆完井施工工藝、 降低鉆完井成本、節(jié)約完井時(shí)間，可保持套管大通徑， 便于油氣井的后期改造作業(yè)，特別是應(yīng)用于非常規(guī)鉆完井壓裂領(lǐng)域，采用這種材料制備可溶卡瓦的免鉆式橋塞。在壓裂工藝過(guò)程完成之后，卡瓦在井下自行降解，經(jīng)過(guò)一段可控時(shí)間之后，橋塞自行解封，可以將其打撈或者直接推入井底，解決油氣井分段壓裂所使用的橋塞需要用鉆銑工藝而增加成本和時(shí)間問(wèn)題。可溶復(fù)合材料用于可溶橋塞代替快鉆橋塞能降低電纜作業(yè)的施工風(fēng)險(xiǎn)，壓裂施工完畢后，通過(guò)放噴將橋塞剩余部件返排出地面，施工效率高，保持套管大通徑，便于油氣井的后期改造作業(yè)。

 

復(fù)合材料制造
 

復(fù)合材料化學(xué)組成成分按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)為：15~20％的增強(qiáng)體碳纖維，75~80％鎂鋁鋅合金 ；所述增強(qiáng)體纖維的當(dāng)量直徑小于 5μm，所述鎂鋁合金中各組分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)為：錳 0.005％，硅 0.013％，鐵 0.034%，銅 3.5％，鎳 0.008%，鉛0.038％， 錫0.013％， 銀0.002％。

 

采用混合漿料擠壓成型法制備不同體積分?jǐn)?shù)的增強(qiáng)碳纖維顆粒體平行分布預(yù)制體。具體過(guò)程如下 :增強(qiáng)碳纖維顆粒體首先經(jīng)過(guò)清洗、分選、干燥等一系列預(yù)處理后 , 加入一定量的有機(jī)分散劑充分混合 ,再加入適量的粘合劑攪拌成混合漿料。在定向壓力的作用下 , 漿料通過(guò)錐形模腔，在模壁和?？谑`應(yīng)力擠壓下，高粘度的漿體作軸向收縮流動(dòng)， 逐漸帶動(dòng)纖維的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，增強(qiáng)碳纖維顆粒體，最終平行于壓力方向，從而獲得纖維平行分布的具有一定抗壓強(qiáng)度的預(yù)制體坯料。待坯料干燥后，將其放入 900℃ 爐中充分灼燒，使有機(jī)物燃燒、 揮發(fā)，最后獲得增強(qiáng)碳纖維顆粒體平行分布的復(fù)合材料預(yù)制體。

 

對(duì) 復(fù) 合 材 料 進(jìn) 行 性 能 測(cè) 試。采用金相顯微技術(shù)對(duì)復(fù)合材料的顯微組織以及增強(qiáng)碳纖維顆粒體的含量和分布進(jìn)行分析。采用納米綜合（力學(xué)）性能測(cè)試儀進(jìn)行一次壓痕獲得接觸剛度、硬度和彈性模量隨壓痕深度的連續(xù)函數(shù)分布；在 10 分鐘內(nèi)完成一個(gè)恒應(yīng)變速率（例如：0.05s-1, 標(biāo)準(zhǔn)試樣 ) 控制下的納米壓痕測(cè)試，單次壓入實(shí)驗(yàn)應(yīng)能獲得沿壓痕深度方向不少于 50,000 個(gè)硬度和彈性模量數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖 1~2 為制備金屬基復(fù)合材料的金相組織。圖中信息表明在制備過(guò)程形成了細(xì)小微晶組織， 沒(méi)有發(fā)現(xiàn)原顆粒邊界、層狀結(jié)構(gòu)和形變晶粒等不正常的組織形態(tài)。圖 2 中白色區(qū)域?yàn)?α 鎂基體，灰色區(qū)域?yàn)?β（Mg 17 Al 12 ）相。在制備過(guò)程中各金屬元素保留了均勻分布的特征。分析結(jié)果表明，該金屬基復(fù)合材料顯微組織結(jié)構(gòu)致密，析出相與基體緊密結(jié)合、 分布均勻。便于提高其力學(xué)性能。

各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)性能
 

力 學(xué) 性 能。 利 用 是 德 科 技 公司的納米壓痕儀（Nano IndenterG200）測(cè)量三種（四個(gè)）金屬?gòu)?fù)合材料的納米力學(xué)特征，其中包括硬度和楊氏模量。納米壓痕測(cè)試采用的準(zhǔn)靜態(tài)深度控制模式，最大壓入深度設(shè)定為 2,000nm, 加載采用恒應(yīng)變速率加載模式， 應(yīng)變速率為 0.051/s, 峰值保載時(shí)間 10s。每個(gè)樣品分別在十個(gè)不同位置分別進(jìn)行同樣的壓痕測(cè)試，最后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均處理得出材料的硬度和楊氏模量。圖 3 為復(fù)合材料樣品的載荷 -壓入深度曲線數(shù)據(jù)，從該圖可以看出， 隨著壓入深度的增加， 載荷增加，當(dāng)壓入深度達(dá)到 2,000 納米時(shí)，載荷達(dá)到 130 毫牛。采用納米壓痕測(cè)試儀進(jìn)行樣品的硬度及楊氏模量的測(cè)定。測(cè)定的結(jié)果是該復(fù)合材料樣品的硬度平均值為 1.326GPa，楊氏模量的平均值為 55.83 GPa。溶解性能。該復(fù)合材料的溶解性能的優(yōu)劣直接決定該材料是否可以應(yīng)用于石油鉆采工程領(lǐng)域。該材料的溶解速度與其使用溫度、材料的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。在溫度為60 攝氏度的鈉鹽、鈣鹽、鎂鹽、氯圖 3 復(fù)合材料樣品的載荷 - 壓入深度曲線化鉀水溶液中， 96 小時(shí)溶解率為41.7%，且反應(yīng)速度隨溫度升高而升高，另外材料表面可以噴涂 0.05毫米厚溫度控制膜，滿足不同溫度條件應(yīng)用要求。

 

通過(guò)試驗(yàn)與研究表明，制備的金屬基復(fù)合材料顯微組織結(jié)構(gòu)致密，析出相與基體緊密結(jié)合、分布均勻；隨著壓入深度的增加，載荷增加，當(dāng)壓入深度達(dá)到 2,000 納米時(shí)，載荷達(dá)到 130 毫牛；復(fù)合材料樣品的硬度平均值為 1.326GPa，楊氏模量的平均值為 55.83 GPa；材料的溶解速度與其使用溫度、材料的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。