Разработка состава магниевого сплава для создания временных герметизирующих устройств, используемых в нефтяной промышленности

Разработан состав и определен режим термообработки получения интенсивно растворяющегося магниевого сплава для использования его в качестве шаровых пробок в условиях подготовки к работе нефтяных скважин, т.е. для герметизации различных участков скважин с последующим практически полным разрушением этих шаров в течение короткого времени (до 11 ч). Выявлено, что причиной высокой скорости растворения Mg-сплава, по составу близкого к высоко- прочному МЛ6, является повышенное содержание в нем никеля (до 0,19 %). Соединения этого элемента располагаются по границам зерен, что приводит к интенсивной межкристаллитной коррозии сплава в среде, содержащей хлорионы. Показано, что эффективным способом управления скоростью растворения Mg-сплава является получение на его поверхности покрытий различной толщины методом плазменно-электролитической обработки (ПЭО) в водном растворе, содержащем 110 г/л технического жидкого стекла. Этот способ позволил наносить покрытия толщиной от 10 до 41 мкм на экспериментальный магниевый сплав, содержащий повышенную концентрацию никеля (~0,19 %), за короткий период времени (от 10 до 20 мин) при небольшой заданной плотности переменного тока (4 А/дм2) – гальваностатический режим проведения процессов ПЭО. Коррозионные исследования проводили в 3 %-ном водном растворе KCl при температуре 93 ± 2 °С, а покрытия методом ПЭО на магниевом сплаве получали с помощью емкостной установки. Условия коррозионных испытаний материалов, используемых в качестве шаровых пробок в герметизирующих устройствах нефтяных скважин, являлись аналогичными тем, что приводятся в зарубежных исследованиях.

1. Aviles I., Dardis M., Jacob G. Degradable alternative to risky mill-out operations in plug and perf. In: SPE/ICoTA Coiled Tubing & Well Intervention Conference & Exhibition (Woodlands, Texas, USA, 2015). P. 1—10. https://doi.org/10.2118/173695-MS.

2. Fripp M., Walton Z. Degradable metal for use in a fully dissolvable frac plug. In: Offshore technology conference (Houston, Texas, USA, 2016). P. 1—9. https://doi.org/10.4043/27187-MS.

3. Chali E. Corrosion resistance of aluminium and magnesium alloys: understanding, performance and testing. New Jersey: John Wiley and Sons, 2010. DOI:10.1002/9780470531778.

4. Энциклопедия современной техники. Строительство. URL: http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-181-2/145.htm. Encyclopedia of modern technology. Building. URL: http://www.biblioteka.ru/spravochnik-181-2/145/htm (In Russ.).

5. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Материаловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСиС, 2001. Kolachev B.A., Elagin V.I., Livanov V.A. Materials science and thermal processing non-ferrous metals and alloys. Moscow: MISIS, 2001 (In Russ.).

6. Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Чурсин В.М., Бибиков Е.Л. Производство отливок из сплавов цветных метал лов: Учеб. для вузов. М.: МИСиС, 1996. Kurdyumov A.V., Pikunov M.V., Chursin V.M., Bibikov E.L. Manufacture of castings from non-ferrous alloys. Moscow: MISIS, 1996 (In Russ.).

7. Ракоч А.Г., Дуб А.В., Гладкова А.А. Анодирование легких сплавов при различных электрических режимах. Плазменно-электролитическая нанотехнология. М.: Старая Басманная, 2012. Rakoch A.G., Dub A.V., Gladkova A.A. Anodizing of light alloys under different electrical modes. Plasmaelectrolytic nanotechnology. Moscow: Staraya Basmannaya, 2012 (In Russ.).

8. Снежко Л.А., Руднев В.С. Анодно-искровое оксидирование магния. М.: Техника. ТУМА ГРУПП, 2014. Snezhko L.A., Rudnev V.S. Spark anodizing oxidation of magnesium. Moscow: Tekhnika. TUMA GRUPP, 2014 (In Russ.).

9. El Mahallawy N.A., Shoeib M.A., Abouelenain M.H. AZ91 Magnesium alloys: anodizing of using environmental friendly electrolytes. J. Surf. Eng. Mater. Adv. Technol. 2011. No. 1. P. 62—72. DOI:10.4236/jsemat.2011.12010.

10. Yang Y., Wu H. Effect of current density on corrosion resistance of micro-arc oxide coatings on magnesium alloy. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2010. Vol. 20. P. 688—692. http://doi.org/10.1016/S1003-6326(10)60563-8.

11. Arrabal R., Mota J.M., Criado A., Pardo A., Mohedano M., Matykina E. Assessment of duplex coating combining plasma electrolytic oxidation and polymer layer on AZ31 magnesium alloy. Surf. Coat. Technol. 2012. Vol. 206. P. 4692—4703. http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.05.091.

12. Guo H., An M. Effect of surfactants on surface morphology of ceramic coatings fabricated on magnesium alloys by micro-arc oxidation. Thin Solid Films. 2006. Vol. 500. P. 186—189. http://doi.org/10.1016/j.tsf.2005.11.045.

13. Tang Y., Zhao X., Jiang K. Chen J., Zuo Y. The Influence of duty cycle on the bonding strength of AZ31B magnesium alloy by microarc oxidation treatment. Surf. Coat. Technol. 2010. Vol. 205. P. 1789—1792. http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.05.016.

14. Cai Q., Wang L., Wei B. Electrochemical performance of microarc oxidation films formed on AZ91D magnesium alloy in silicate and phosphate electrolytes. Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 3727—3733. http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.05.039.

15. Wang Y.M., Wang F.H., Xu M.J., Zhao B., Guo L.X., Ouyang J.H. Microstructure and corrosion behavior of coated AZ91 alloy by microarc oxidation for biomedical application. Appl. Surf. Sci. 2009. Vol. 255. P. 9124—9131. http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.06.116.

16. Ma Y., Nie X., Northwood D., Hu H. Systematic study of the electrolytic plasma oxidation process on Mg alloy for corrosion protection. Thin Solid Films. 2006. Vol. 494. P. 296—301. http://doi.org/10.1016/j.tsf.2005.08.156.

17. Zhang P., Nie X., Hua H., Liu Y. TEM analysis and tribological properties of plasma electrolytic oxidation (PEO) coatings on magnesium engine AJ62 alloy. Surf. Coat. Technol. 2010. Vol. 205. P. 1508—1514. http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.10.015.

18. Yerokhin A.L., Shatrov A., Samsonov V., Shashkov P., Leyland A., Matthews A. Fatigue properties of Keronite coatings on a magnesium alloy. Surf. Coat. Technol. 2004. Vol. 182. P. 78—84. http://doi.org/10.1016/S0257-8972(03)00877-6.

19. Barbosa D.P., Knornschild G., Strunk H.P. Electron microscopic studies of anodic oxide films on the AZ91HP alloy. Mater. Res. 2003. Vol. 6. P. 103—106. http://dx.doi.org/10.1590/S1516-14392003000100018.

20. Rakoch A.G., Gladkova A.A., Zayar Linn, Strekalina D.M. The evidence of cathodic micro-discharges during plasma electrolytic oxidation of light metallic alloys and micro-discharge intensity depending on pH of the electrolyte. Surf. Coat. Technol. 2015. Vol. 269. P. 138—144. http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.02.026.

21. Хохлов В.В., Ракоч А.Г., Хла Мо, Жаpинов П.М., Баутин В.А., Баpдин И.В. Влияние силиката натрия на механизм роста оксидно-керамических покрытий при микродуговом оксидировании алюминиевых сплавов. Коррозия: материалы, защита. 2007. No. 1. С. 28—33. Hohlov V.V., Rakoch A.G., Hla Mo, Zharinov P.M., Bautin V.A., Bardin I.V. Impact of sodium silicate to the ceramic oxide coating growth mechanism at micro-arc oxidation of aluminum alloys. Korroziya: materialy, zashchita. 2007. No. 1. P. 28—33 (In Russ.).

22. Ракоч А.Г., Гладкова А.А., Дуб А.В. Плазменно- электролитическая обработка алюминиевых и ти- тановых сплавов. М.: Изд. дом МИСиС, 2017. Rakoch A.G., Gladkova A.A., Dub A.V. Plasma-electrolytic treatment of aluminum and titanium alloys. Moscow: MISIS, 2017 (In Russ.).

23. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Теория коррозии и кор- розионно-стойкие сплавы: Учеб. пос. для вузов. М.: Металлургия, 1993. Tomashov N.D., Chernova G.P. Theory of corrosion and corrosion-resistant alloys: A manual for universities. Moscow: Metallurgiya, 1993 (In Russ.).

24. Uhlig Herbert H., Revie R. Winston. Corrosion and corrosion control: An introduction to corrosion science and engineering. 4th ed. John Wiley and Sons, Inc., Publ., 2008.

25. Barchiche C.-E., Rocca E., Juers C., Hazan J., Steinmetz J. Corrosion resistance of plasma-anodized AZ91D magnesium alloy by electrochemical methods. Electrochim. Acta. 2007. Vol. 53. P. 417—425. http://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.04.030.