高强度可溶新型复合材料在井下工具中的应用为近两年发展起来的新技术，目前主要应用在钻完井工具和分段压裂作业中。已研发的可溶压裂球、可溶压裂球座、可溶压裂桥塞、可溶盲板等多种工具，解决了目前分段压裂技术应用过程中球无法返排出、生产通径小、压后需钻塞等问题。

 

复合材料优势
 

高强度可溶性复合材料是石油钻采工程领域用特种工程材料，该材料的溶解速度与其使用温度、结构特点有关，在温度为 60 摄氏度的钠盐、 钙盐、 镁盐、 氯化钾水溶液中，48 小时溶解率为 16.7%，96 小时溶解率为 41.7%，且反应速度随温度升高而升高，另外材料表面可以喷涂 0.05 毫米厚温度控制膜，满足不同温度条件应用要求。该材料将对钻完井工具改进及工艺简化起到至关重要的作用，具有十分广阔的应用前景。

 

利用复合材料制成钻完井工具可以实现简化钻完井施工工艺、 降低钻完井成本、节约完井时间，可保持套管大通径， 便于油气井的后期改造作业，特别是应用于非常规钻完井压裂领域，采用这种材料制备可溶卡瓦的免钻式桥塞。在压裂工艺过程完成之后，卡瓦在井下自行降解，经过一段可控时间之后，桥塞自行解封，可以将其打捞或者直接推入井底，解决油气井分段压裂所使用的桥塞需要用钻铣工艺而增加成本和时间问题。可溶复合材料用于可溶桥塞代替快钻桥塞能降低电缆作业的施工风险，压裂施工完毕后，通过放喷将桥塞剩余部件返排出地面，施工效率高，保持套管大通径，便于油气井的后期改造作业。

 

复合材料制造
 

复合材料化学组成成分按质量分数计为：15~20％的增强体碳纤维，75~80％镁铝锌合金 ；所述增强体纤维的当量直径小于 5μm，所述镁铝合金中各组分按质量百分数计为：锰 0.005％，硅 0.013％，铁 0.034%，铜 3.5％，镍 0.008%，铅0.038％， 锡0.013％， 银0.002％。

 

采用混合浆料挤压成型法制备不同体积分数的增强碳纤维颗粒体平行分布预制体。具体过程如下 :增强碳纤维颗粒体首先经过清洗、分选、干燥等一系列预处理后 , 加入一定量的有机分散剂充分混合 ,再加入适量的粘合剂搅拌成混合浆料。在定向压力的作用下 , 浆料通过锥形模腔，在模壁和模口束缚应力挤压下，高粘度的浆体作轴向收缩流动， 逐渐带动纤维的轴向转动，增强碳纤维颗粒体，最终平行于压力方向，从而获得纤维平行分布的具有一定抗压强度的预制体坯料。待坯料干燥后，将其放入 900℃ 炉中充分灼烧，使有机物燃烧、 挥发，最后获得增强碳纤维颗粒体平行分布的复合材料预制体。

 

对 复 合 材 料 进 行 性 能 测 试。采用金相显微技术对复合材料的显微组织以及增强碳纤维颗粒体的含量和分布进行分析。采用纳米综合（力学）性能测试仪进行一次压痕获得接触刚度、硬度和弹性模量随压痕深度的连续函数分布；在 10 分钟内完成一个恒应变速率（例如：0.05s-1, 标准试样 ) 控制下的纳米压痕测试，单次压入实验应能获得沿压痕深度方向不少于 50,000 个硬度和弹性模量数据点。图 1~2 为制备金属基复合材料的金相组织。图中信息表明在制备过程形成了细小微晶组织， 没有发现原颗粒边界、层状结构和形变晶粒等不正常的组织形态。图 2 中白色区域为 α 镁基体，灰色区域为 β（Mg 17 Al 12 ）相。在制备过程中各金属元素保留了均匀分布的特征。分析结果表明，该金属基复合材料显微组织结构致密，析出相与基体紧密结合、 分布均匀。便于提高其力学性能。

各项优势性能
 

力 学 性 能。 利 用 是 德 科 技 公司的纳米压痕仪（Nano IndenterG200）测量三种（四个）金属复合材料的纳米力学特征，其中包括硬度和杨氏模量。纳米压痕测试采用的准静态深度控制模式，最大压入深度设定为 2,000nm, 加载采用恒应变速率加载模式， 应变速率为 0.051/s, 峰值保载时间 10s。每个样品分别在十个不同位置分别进行同样的压痕测试，最后将实验结果进行平均处理得出材料的硬度和杨氏模量。图 3 为复合材料样品的载荷 -压入深度曲线数据，从该图可以看出， 随着压入深度的增加， 载荷增加，当压入深度达到 2,000 纳米时，载荷达到 130 毫牛。采用纳米压痕测试仪进行样品的硬度及杨氏模量的测定。测定的结果是该复合材料样品的硬度平均值为 1.326GPa，杨氏模量的平均值为 55.83 GPa。溶解性能。该复合材料的溶解性能的优劣直接决定该材料是否可以应用于石油钻采工程领域。该材料的溶解速度与其使用温度、材料的组成及结构特点有关。在温度为60 摄氏度的钠盐、钙盐、镁盐、氯图 3 复合材料样品的载荷 - 压入深度曲线化钾水溶液中， 96 小时溶解率为41.7%，且反应速度随温度升高而升高，另外材料表面可以喷涂 0.05毫米厚温度控制膜，满足不同温度条件应用要求。

 

通过试验与研究表明，制备的金属基复合材料显微组织结构致密，析出相与基体紧密结合、分布均匀；随着压入深度的增加，载荷增加，当压入深度达到 2,000 纳米时，载荷达到 130 毫牛；复合材料样品的硬度平均值为 1.326GPa，杨氏模量的平均值为 55.83 GPa；材料的溶解速度与其使用温度、材料的组成及结构特点有关。