一种溶解速度可控的可溶金属密封圈及其制备工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种溶解速度可控的可溶金属密封圈及其制备工艺，其结构包括圆环状的高塑性铝合金密封圈基体及其外表面包覆的标准电极电位高于

【技术实现步骤摘要】
一种溶解速度可控的可溶金属密封圈及其制备工艺


[0001]本专利技术属于井下工具
，具体为一种溶解速度可控的可溶金属密封圈及其制备工艺。

技术介绍

[0002]可溶桥塞是一种应用在油气井中起临时封隔作用的井下工具，主要包括接头、卡瓦、锥体、密封圈等部分，其中密封圈是保证桥塞封堵效果的关键部件。使用时，将桥塞下放至井下套管内目标位置，然后通过一定手段施加压力，使桥塞中密封圈的直径增大，最终，密封圈的外表面紧贴在套管内壁上，从而将套管封堵。密封圈良好的密封性能是保证压裂作业成功的关键。根据压裂工况，通常要求密封圈的延伸率大于35％以上，且各方向的延伸率要基本相等，极差小于5％，以实现密封圈良好的密封性能。压裂作业后，需要包括密封圈在内的可溶桥塞整体在7
‑
30天内完全溶解，目前可溶桥塞除密封圈外的其他部件常用可溶镁合金制备，可以在要求的时间内完全溶解。
[0003]目前国内外常用的可溶桥塞密封圈主要是可溶高分子材料密封圈，但可溶高分子材料密封圈耐温、耐压性能差，在压裂施工时易因地层温度高或承压不足导致密封失效；同时高分子材料密封圈在地下水中的溶解产物呈絮状，极易导致套管的堵塞。采用可溶金属密封圈代替可溶高分子材料密封圈，可有效解决可溶高分子材料密封圈承压不足、耐温性能差，溶解产物易堵塞的问题。目前常见的可溶金属主要是镁基合金和铝基合金，但是镁基合金的塑性变形能力较差，延伸率通常为10％
‑
20％，不能满足密封圈的塑性要求；其次，镁基合金密封圈通常以镁合金挤压棒材为原料，采用机加工按照设定的厚度将挤压棒材切成片状，然后将切片后的棒材内部挖空形成密封圈，这种成形工艺导致镁基密封圈具有明显的各向异性，压裂时各方向受力变形不均匀，导致密封不严或局部缩颈断裂。
[0004]铝为面心立方结构，具有较好的塑性，通过调整合金成分，其延伸率可达到35％以上，但铝合金因其表面覆盖有致密氧化膜而导致溶解性能较差。因此本专利技术采用高塑性的铝合金制备密封圈基体，在铝合金密封圈基体表面设计了一层腐蚀电位极高的表面覆盖涂层，在桥塞坐封前，表面覆盖涂层具有良好的耐蚀性，可以保护密封圈不受腐蚀；坐封时，高塑性的铝合金密封圈基体产生极大的塑性变形，但铝合金密封圈基体表面的覆盖涂层变形能力差，会产生大量微裂纹，使表面覆盖涂层与大塑性变形后的铝合金基体之间形成大量“大阴极
‑
小阳极”结构的电偶腐蚀，加速铝合金密封圈基体的腐蚀。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种溶解速度可控的可溶金属密封圈及其制备工艺，该密封圈不但具有延伸率大且各方向延伸率几乎相等的特点，还可通过调整表面覆盖涂层的成分、孔隙率来调整密封圈的溶解速度，具有延伸率大、溶解速率可控、成本低等优点。
[0006]为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种溶解速度可控的可溶
金属密封圈及其制备工艺，其结构包括高塑性的铝合金密封圈基体及其外表面包覆的复合涂层。
[0007]进一步地，所述高塑性的铝合金主要成分为铝、铜、镁，其中铜的含量为0.03％
‑
0.80％、镁的含量为0.03％
‑
0.40％，硅含量为0.20％，铁含量为0.25％，锰含量为0.03％，锌含量为0.04％，钛含量为0.03％，其余为铝。
[0008]进一步地，所述铝合金密封圈基体在作为一个整体的基础上分为密封圈基体上层、密封圈基体中层和密封圈基体下层，内径相同，密封圈基体下层外直径最大，密封圈基体中层外直径最小。
[0009]进一步地，所述复合涂层的厚度为5
‑
50μm，标准电极电位高于
‑
0.3V，包含石墨组元及一种或一种以上标准电极电位高于
‑
0.3V的金属组元。
[0010]进一步地，优选的复合涂层厚度在8
‑
30μm之间。
[0011]进一步地，所述复合涂层的组元，可以是石墨和镍两种组元。
[0012]进一步地，所述包含镍和石墨两种组元且标准电极电位高于
‑
0.3V的复合涂层中，石墨的体积分数为10％
‑
35％，金属镍的体积分数为65％
‑
90％。
[0013]进一步地，复合涂层上制备有若干数量的直径小于0.5mm的微孔。
[0014]本专利技术提供一种溶解速度可控的可溶金属密封圈及其制备工艺，其制备工艺包括如下步骤：
[0015]步骤一：根据高塑性铝合金的化学成分熔炼铝合金并浇注成铝合金锭，然后将铝合金锭均匀化处理后，轧制成板材。
[0016]步骤二：根据设计的几何尺寸，从铝合金轧制板材上下料，并用机加工的方式进一步加工出所需形状及尺寸的铝合金密封圈基体；
[0017]步骤三：对铝合金密封圈基体进行退火处理，退火温度为300
‑
400℃，热处理时间为25
‑
40min，以此消除铝合金密封圈基体因为铝合金原始板材内轧制织构带来的各向异性，使其各个方向的延伸率几乎相等；
[0018]步骤四：根据复合涂层组分要求，确定复合涂层原料的组分种类及百分含量，按照设计的比例混合均匀；
[0019]步骤五：对铝合金密封圈基体进行表面喷砂处理；
[0020]步骤六：采用火焰喷涂或等离子喷涂的方式，在铝合金密封圈基体外表面制备复合涂层并采用机械或化学方式在涂层表面加工若干个直径小于0.5mm的微孔。
[0021]进一步地，在所述步骤四中，复合涂层以镍包石墨粉末为原料，原料包含石墨和镍两种组分，其中石墨体积分数为10％
‑
35％、金属镍的体积分数为65％
‑
90％。
[0022]本专利技术的有益效果：
[0023]针对现有技术的缺陷以及压裂作业对可溶桥塞密封圈的密封性、溶解性及承压能力的要求，本专利技术结合合金成分设计、结构设计及电偶腐蚀原理，创造性地设计了一种溶解速度可控的可溶金属密封圈及其制备工艺。本专利技术以高塑性铝合金制备密封圈基体，并通过退火处理消除铝合金密封圈基体的各向异性，使其各方向的延伸率几乎相等，保证了密封圈的密封性能；通过将铝合金密封圈基体设计为内径相等，但密封圈基体下层外直径最大，密封圈基体中层外直径最小的几何结构保证了密封圈的承压能力；在此基础上，通过在铝合金密封圈基体外表面上包覆一层标准电极电位高于
‑
0.3V的复合涂层，通过坐封时复
合涂层表面产生的微裂纹或局部磨损与铝合金密封圈基体形成大量“大阴极
‑
小阳极”结构的电偶腐蚀对来加速铝合金密封圈基体的溶解速率，通过调整涂层上预制的微孔数量来调控铝合金密封圈基体的溶解速度，从而解决了现有产品中存在的可溶密封圈良好密封性能与良好溶解性能难以兼得的问题。本专利技术所述的可溶金属密封圈具有密封性能好、承压能力强、耐温性能好、溶解速率可控、制备简单、成本低等优点，同时本专利技术所述的可溶金属密封本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种溶解速度可控的可溶金属密封圈及其制备工艺，该可溶金属密封圈(5)结构包括圆环状高塑性的密封圈铝合金基体(8)，所述铝合金密封圈基体(8)包括密封圈基体上层(81)、密封圈基体中层(82)和密封圈基体下层(83)，所述铝合金密封圈基体(8)外表面包覆有标准电极电位高于
‑
0.3V的复合涂层(9)。2.根据权利要求1所述的一种溶解速度可控的可溶金属密封圈及其制备工艺，其特征在于：所述铝合金密封圈基体(8)的主要成分为铝、铜、镁，其中铜的含量为0.03％
‑
0.80％、镁的含量为0.03％
‑
0.40％，硅含量为0.20％，铁含量为0.25％，锰含量为0.03％，锌含量为0.04％，钛含量为0.03％，其余为铝。3.根据权利要求1所述的一种溶解速度可控的可溶金属密封圈及其制备工艺，其特征在于：所述密封圈上层(81)、密封圈中层(82)和密封圈下层(83)为一个整体，内径相同，密封圈下层(83)外直径最大，密封圈中层(82)外直径最小，为密封圈下层直径的94％，密封圈上层(81)外直径为密封圈下层直径的97％。4.根据权利要求1所述的一种溶解速度可控的可溶金属密封圈及其制备工艺，其特征在于：所述复合涂层(9)包含石墨组元及一种或一种以上标准电极电位高于
‑
0.3V的金属组元，其中石墨的体积分数为10％
‑
35％，金属组元的体积分...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小红，蒋焰罡，刘涛，徐仕磊，李子硕，林元华，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：