高強度可溶新型復合材料在井下工具中的應用為近兩年發展起來的新技術，目前主要應用在鉆完井工具和分段壓裂作業中。已研發的可溶壓裂球、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應用過程中球無法返排出、生產通徑小、壓后需鉆塞等問題。

 

復合材料優勢
 

高強度可溶性復合材料是石油鉆采工程領域用特種工程材料，該材料的溶解速度與其使用溫度、結構特點有關，在溫度為 60 攝氏度的鈉鹽、 鈣鹽、 鎂鹽、 氯化鉀水溶液中，48 小時溶解率為 16.7%，96 小時溶解率為 41.7%，且反應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用要求。該材料將對鉆完井工具改進及工藝簡化起到至關重要的作用，具有十分廣闊的應用前景。

 

利用復合材料制成鉆完井工具可以實現簡化鉆完井施工工藝、 降低鉆完井成本、節約完井時間，可保持套管大通徑， 便于油氣井的后期改造作業，特別是應用于非常規鉆完井壓裂領域，采用這種材料制備可溶卡瓦的免鉆式橋塞。在壓裂工藝過程完成之后，卡瓦在井下自行降解，經過一段可控時間之后，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間問題。可溶復合材料用于可溶橋塞代替快鉆橋塞能降低電纜作業的施工風險，壓裂施工完畢后，通過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。

 

復合材料制造
 

復合材料化學組成成分按質量分數計為：15~20％的增強體碳纖維，75~80％鎂鋁鋅合金 ；所述增強體纖維的當量直徑小于 5μm，所述鎂鋁合金中各組分按質量百分數計為：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數的增強碳纖維顆粒體平行分布預制體。具體過程如下 :增強碳纖維顆粒體首先經過清洗、分選、干燥等一系列預處理后 , 加入一定量的有機分散劑充分混合 ,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 , 漿料通過錐形模腔，在模壁和模口束縛應力擠壓下，高粘度的漿體作軸向收縮流動， 逐漸帶動纖維的軸向轉動，增強碳纖維顆粒體，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度的預制體坯料。待坯料干燥后，將其放入 900℃ 爐中充分灼燒，使有機物燃燒、 揮發，最后獲得增強碳纖維顆粒體平行分布的復合材料預制體。

 

對 復 合 材 料 進 行 性 能 測 試。采用金相顯微技術對復合材料的顯微組織以及增強碳纖維顆粒體的含量和分布進行分析。采用納米綜合（力學）性能測試儀進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函數分布；在 10 分鐘內完成一個恒應變速率（例如：0.05s-1, 標準試樣 ) 控制下的納米壓痕測試，單次壓入實驗應能獲得沿壓痕深度方向不少于 50,000 個硬度和彈性模量數據點。圖 1~2 為制備金屬基復合材料的金相組織。圖中信息表明在制備過程形成了細小微晶組織， 沒有發現原顆粒邊界、層狀結構和形變晶粒等不正常的組織形態。圖 2 中白色區域為 α 鎂基體，灰色區域為 β（Mg 17 Al 12 ）相。在制備過程中各金屬元素保留了均勻分布的特征。分析結果表明，該金屬基復合材料顯微組織結構致密，析出相與基體緊密結合、 分布均勻。便于提高其力學性能。

各項優勢性能
 

力 學 性 能。 利 用 是 德 科 技 公司的納米壓痕儀（Nano IndenterG200）測量三種（四個）金屬復合材料的納米力學特征，其中包括硬度和楊氏模量。納米壓痕測試采用的準靜態深度控制模式，最大壓入深度設定為 2,000nm, 加載采用恒應變速率加載模式， 應變速率為 0.051/s, 峰值保載時間 10s。每個樣品分別在十個不同位置分別進行同樣的壓痕測試，最后將實驗結果進行平均處理得出材料的硬度和楊氏模量。圖 3 為復合材料樣品的載荷 -壓入深度曲線數據，從該圖可以看出， 隨著壓入深度的增加， 載荷增加，當壓入深度達到 2,000 納米時，載荷達到 130 毫牛。采用納米壓痕測試儀進行樣品的硬度及楊氏模量的測定。測定的結果是該復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。該復合材料的溶解性能的優劣直接決定該材料是否可以應用于石油鉆采工程領域。該材料的溶解速度與其使用溫度、材料的組成及結構特點有關。在溫度為60 攝氏度的鈉鹽、鈣鹽、鎂鹽、氯圖 3 復合材料樣品的載荷 - 壓入深度曲線化鉀水溶液中， 96 小時溶解率為41.7%，且反應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用要求。

 

通過試驗與研究表明，制備的金屬基復合材料顯微組織結構致密，析出相與基體緊密結合、分布均勻；隨著壓入深度的增加，載荷增加，當壓入深度達到 2,000 納米時，載荷達到 130 毫牛；復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、材料的組成及結構特點有關。