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)通過向井內(nèi)注入較高壓力（～70 MPa）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(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。在施工過程中，需采用壓裂球和橋塞等工具對不同作業(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(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)重限制了我國石油的增效開采。因此,研發(fā)具備可溶功能的壓裂工具對于保障我國油田的穩(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儲氫合金及應(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)相對鋁氧化膜的破壞和對鋁原子的傳輸作用，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等其他合金元素對合金溶解性能的影響，發(fā)現(xiàn)這些金屬對鋁水反應(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)相通常對合金的強(qiáng)度和塑性不利，尤其是對塑性損害極大。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)量等途徑來改善合金的塑性，采用淬火和時(shí)效工藝對合金的綜合性能進(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)350 MPa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、球座和橋塞等多個產(chǎn)品。壓裂球已在大慶和長慶等油田獲得應(yīng)用，可溶鋁合金橋塞和球座也已通過大慶的井上實(shí)驗(yàn)測試。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)幾十萬口，僅大慶就有近萬口，對可溶鋁合金有巨大的市場需求。

圖1?可溶壓裂球（直徑60 mm）在90 ℃水中于12小時(shí)內(nèi)的溶解測試

圖2?可溶壓裂球和橋塞產(chǎn)品的應(yīng)用

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