可分解压裂球座表面复合膜层及球座及球座制备方法.pdf

本发明提供了一种可分解压裂球座表面复合膜层及球座及球座制备方法。该复合膜层包括微弧氧化陶瓷膜层、硬质涂层、耐高温聚合物涂层；所述微弧氧化陶瓷膜层包覆于所述球座的表面；所述硬质涂层包覆于所述微弧氧化陶瓷膜层的表面；所述耐高温聚合物涂层包覆于所述硬质涂层的表面。本发明还提供了具有上述复合膜层的可分解压裂球座及该球座的制备方法。本发明的可分解压裂球座的制备方法简便可行，可操作性好；本发明的可分解压裂球座在井筒内具有良好的耐腐蚀性和抗冲蚀性能。另外，本发明提供的可分解压裂球座的制备方法在对球座形成良好保护的同时，不影响球座基材的力学性能和分解特性，可以实现涂层与涂层之间、涂层与基体之间的紧密结合。

1.  一种可分解压裂球座表面复合膜层，其包括微弧氧化陶瓷膜层、硬质涂层、耐高温聚合物涂层；
所述微弧氧化陶瓷膜层包覆于所述球座的表面；所述硬质涂层包覆于所述微弧氧化陶瓷膜层的表面；所述耐高温聚合物涂层包覆于所述硬质涂层的表面。

2.  根据权利要求1所述的复合膜层，其中，所述微弧氧化陶瓷膜层的厚度为10-100μm。

3.  根据权利要求1所述的复合膜层，其中，所述耐高温聚合物涂层的厚度为20-50μm。

4.  根据权利要求3所述的复合膜层，其中，所述耐高温聚合物包括聚四氟乙烯、聚四氟乙烯与乙烯形成的共聚物、聚三氟氯乙烯、聚三氟氯乙烯与乙烯形成的共聚物或聚硅氧烷树脂。

5.  根据权利要求1所述的复合膜层，其中，所述硬质涂层的厚度为3-50μm，硬质涂层的硬度高于1000HV。

6.  根据权利要求5所述的复合膜层，其中，所述硬质涂层为单层或多层。

7.  根据权利要求5或6所述的复合膜层，其中，所述硬质涂层包括氮化物涂层、碳氮化物涂层、碳化物涂层或类金刚石涂层；
优选所述氮化物包括氮化钛、氮化铬、氮化铝、氮化钒、氮化锆、氮化硅或立方氮化硼；
优选所述碳氮化物包括碳氮化钛、碳氮化铬、碳氮化铝、碳氮化钒、碳氮化锆或碳氮化硅；
优选所述碳化物包括碳化钛、碳化铬、碳化铝、碳化钒、碳化锆或碳化硅。

8.  一种可分解压裂球座，其包括球座基体、权利要求1-7任一项所述的可分解压裂球座表面复合膜层，所述复合膜层包覆于所述球座基体的表面；
优选所述球座基体由镁铝合金制备得到。

9.  一种权利要求8所述的可分解压裂球座的制备方法，其包括以下步骤：
a、在可分解压裂球座表面制备微弧氧化陶瓷膜层，并采用封孔剂对膜层中的微孔进行填充封闭处理；
优选所述微弧氧化陶瓷膜层是采用微弧氧化法制备得到的；
还优选所述封孔剂包括环氧树脂、二氧化硅溶胶或硅酸钠；
b、在所述微弧氧化陶瓷膜层表面制备硬质涂层；
c、在所述硬质涂层的表面涂刷耐高温聚合物涂层。

10.  根据权利要求9所述的方法，其中，在步骤b中，所述硬质涂层的制备方法包括气相沉积法或热喷涂法。

可分解压裂球座表面复合膜层及球座及球座制备方法
技术领域
本发明涉及一种可分解压裂球座表面复合膜层及球座及球座制备方法，属于油气田开发技术领域。
背景技术
在油气田开发领域中，为了提高单井产量，多级投球滑套压裂是应用比较广泛的分段增产改造技术。在这种技术中，投球滑套系统为管柱内的压裂液提供了流向地层的通道。压裂前，滑套处于关闭状态；压裂过程中通过投送压裂球至球座，开启滑套，打通管柱和地层之间的通道；压裂作业完成后，压裂球返排至地面。传统球座的材料为钢或铸铁，需要下钻将球座磨铣掉，否则将影响单井生产效率或后续的井下作业。
由于镁铝合金在盐水中的腐蚀分解速率远高于钢或铸铁材料，因此采用镁铝合金加工成的可分解压裂球座，在井筒一定矿化度地层水条件下可逐步分解，不但省去磨铣作业，而且还保证了大通径的油气流通道。在压裂作业前，压裂球座需在井筒内保存完好，不能因腐蚀或冲蚀而失去承压能力，因此需对镁铝合金可分解压裂球座进行表面防护处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可分解压裂球座表面复合膜层。
本发明的目的还在于提供一种具有上述复合膜层的可分解压裂球座。
本发明的目的还在于提供一种上述可分解压裂球座的制备方法。
为达上述目的，本发明提供了一种可分解压裂球座表面复合膜层，其包括微弧氧化陶瓷膜层、硬质涂层、耐高温聚合物涂层；
所述微弧氧化陶瓷膜层包覆于所述球座的表面；所述硬质涂层包覆于所述微弧氧化陶瓷膜层的表面；所述耐高温聚合物涂层包覆于所述硬质涂层的表面。
根据本发明所述的复合膜层，优选地，所述微弧氧化陶瓷膜层的厚度为10-100μm。
根据本发明所述的复合膜层，优选地，所述耐高温聚合物涂层的厚度为20-50μm。
根据本发明所述的复合膜层，优选地，所述耐高温聚合物包括聚四氟乙烯、聚四氟乙烯与乙烯形成的共聚物、聚三氟氯乙烯、聚三氟氯乙烯与乙烯形成的共聚物或聚硅氧烷树脂，并且进一步优选上述聚四氟乙烯、聚四氟乙烯与乙烯形成的共聚物、聚三氟氯乙烯、聚三氟氯乙烯与乙烯形成的共聚物或聚硅氧烷树脂的分子量均不小于100万。
根据本发明所述的复合膜层，优选地，所述硬质涂层的厚度为3-50μm。
根据本发明所述的复合膜层，优选地，所述硬质涂层为单层或多层。
根据本发明所述的复合膜层，优选地，所述硬质涂层包括氮化物涂层、碳氮化物涂层、碳化物涂层或类金刚石涂层；
更优选所述氮化物包括氮化钛、氮化铬、氮化铝、氮化钒、氮化锆、氮化硅或立方氮化硼；
更优选所述碳氮化物包括碳氮化钛、碳氮化铬、碳氮化铝、碳氮化钒、碳氮化锆或碳氮化硅；
更优选所述碳化物包括碳化钛、碳化铬、碳化铝、碳化钒、碳化锆或碳化硅。
本发明还提供了一种可分解压裂球座，其包括球座基体、上述可分解压裂球座表面复合膜层，所述复合膜层包覆于所述球座基体的表面。
根据本发明所述的可分解压裂球座，优选地，该球座基体由镁铝合金制备得到。
本发明还提供了上述可分解压裂球座的制备方法，其包括以下步骤：
a、在可分解压裂球座表面制备微弧氧化陶瓷膜层，并采用封孔剂对膜层中的微孔进行填充封闭处理；
b、在所述微弧氧化陶瓷膜层表面制备硬质涂层；
c、在所述硬质涂层的表面涂刷耐高温聚合物涂层。
根据本发明所述的方法，优选地，在上述步骤a中，所述微弧氧化陶瓷膜层是采用微弧氧化法制备得到的。
根据本发明所述的方法，优选地，在上述步骤a中，所述封孔剂包括环氧树脂、二氧化硅溶胶或硅酸钠；
上述微弧氧化法为本领域的常规技术手段，本发明只是采用微弧氧化法在可分解压裂球座的表面制备微弧氧化陶瓷膜层，本发明并没有对微弧氧化法进行改进； 由微弧氧化法制备得到的微弧氧化陶瓷膜层是以球座基材金属氧化物为主的陶瓷膜层，其组成会受到球座基体合金成分及微弧氧化法的电解液成分的影响，如球座是以镁铝合金制成的，则微弧氧化陶瓷膜层中会含有MgO、Al₂O₃，如果微弧氧化法的电解液为硅酸盐，则微弧氧化陶瓷膜层中还含有SiO₂，如果微弧氧化法的电解液为铝酸盐，则微弧氧化陶瓷膜层中含有Al₂O₃；在本发明中，微弧氧化陶瓷膜在可分解压裂球座表面通电氧化自然形成，微弧氧化法采用的电解液为硅酸钠和氢氧化钠的混合液，以该混合液的总体积计，其浓度范围为5-25g/L；因此，微弧氧化陶瓷膜层以MgO、Al₂O₃、SiO₂等氧化物为主，但是本发明对其具体组分及组分的含量不作要求。
根据本发明所述的方法，优选地，在步骤a中，采用微弧氧化法制备得到的微弧氧化陶瓷膜层中含有微孔，该微孔为本领域的公知技术常识，只要采用微弧氧化法来制备微弧氧化陶瓷膜层，该陶瓷膜层中就会出现微孔，该微孔是由表面放电造成的；在本发明中需要对上述微孔进行填充封闭处理，填充封闭处理技术为本领域的常规技术手段，本申请没有对填充封闭处理技术进行改进，在本发明的优选实施例中使用的封孔剂为SiO₂溶胶。
根据本发明所述的方法，优选地，在步骤b中，所述硬质涂层的制备方法包括气相沉积法或热喷涂法。
上述气相沉积法、热喷涂法为本领域的常规技术手段，本发明只是采用气相沉积法或热喷涂法在微弧氧化陶瓷膜层的表面制备硬质涂层，本发明并没有对气相沉积法、热喷涂法进行改进。
根据本发明所述的方法，在可分解压裂球座表面制备微弧氧化陶瓷膜层的步骤之前，依现场作业需要，可先对可分解压裂球座表面进行清洗，清洗过程为本领域的公知技术常识，通常清洗过程包括对可分解球座的表面进行除油处理，之后用纯水清洗球座表面并将其表面吹干。
本发明的可分解球座复合膜层由微弧氧化陶瓷膜层、硬质涂层和耐高温聚合物涂层构成，其中，微弧氧化陶瓷膜层与球座基体结合强度高，耐腐蚀；硬质涂层硬度大，具有良好的耐冲蚀效果；耐高温聚合物涂层对球座起到封装效果，可以提高球座的耐腐蚀和耐冲蚀性能。本发明的可分解压裂球座的制备方法简便可行，可操作性好；通过本发明的可分解压裂球座的制备方法得到的可分解压裂球座，其在井筒内具有良好的耐腐蚀性和抗冲蚀性能。
本发明提供的可分解压裂球座的制备方法在对球座形成良好保护的同时，不影响球座基材的力学性能和分解特性，可以实现涂层与涂层之间、涂层与基体之间的紧密结合。
附图说明
图1为本发明的可分解压裂球座的截面结构示意图。
主要附图标号说明
1 球座基体  2 微弧氧化陶瓷膜层  3 硬质涂层  4 耐高温聚合物涂层。
具体实施方式
以下将通过具体的实施例及附图详细地说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，但是不作为对本案可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种可分解压裂球座的制备方法，本实施例中的可分解压裂球座是以镁铝合金为基材的压裂球座，该压裂球座的制备方法包括以下步骤：
表面清洗：对上述可分解球座的表面进行除油处理，之后用纯水清洗球座表面并将表面吹干；
生成微弧氧化陶瓷膜层：采用微弧氧化法，在球座表面生长出微弧氧化陶瓷膜层，该膜层的厚度约为27μm；其中，微弧氧化法使用的电解液为硅酸钠和氢氧化钠的混合液，以该混合液的总体积计，其浓度范围为5-25g/L；随后采用SiO₂溶胶封孔剂对微弧氧化陶瓷膜层中的微孔进行填充封闭处理；
制备硬质涂层：采用多弧离子镀沉积法在微弧氧化陶瓷膜层表面制备氮化钛硬质涂层；该氮化钛涂层的厚度约为8μm，硬度高于2100HV；其中，多弧离子镀沉积法采用的弧电流为50-80A，真空度为3.0×10^-1-2Pa；
涂覆耐高温聚合物层：在氮化钛硬质涂层的表面喷涂一层耐高温聚硅氧烷树脂层；其厚度为30μm。
实施例2
本实施例提供了由实施例1制备得到的可分解压裂球座，该可分解压裂球座的截面结构示意图如图1所示，其包括球座基体1及可分解压裂球座表面复合膜层；所述 可分解压裂球座表面复合膜层包括微弧氧化陶瓷膜层2、硬质涂层3、耐高温聚合物涂层4；所述微弧氧化陶瓷膜层2包覆于所述球座基体1的表面；所述硬质涂层3包覆于所述微弧氧化陶瓷膜层2的表面；所述耐高温聚合物涂层4包覆于所述硬质涂层3的表面；其中，微弧氧化陶瓷膜层2的厚度为27μm，所述硬质涂层3为氮化钛硬质涂层，其厚度为8μm，所述耐高温聚合物涂层4为耐高温聚硅氧烷树脂层，其厚度为30μm。
实施例3
本实施例将实施例1制备得到的可分解压裂球座浸泡于80℃、1％的氯化钾水溶液中，浸泡15天后，球座表面无腐蚀发生；采用含砂20wt％的水以8m/s的速度冲刷本实施例1制备得到的可分解压裂球座，冲刷超过3小时，可分解压裂球座表面复合膜层对球座基体保护依然良好，表明具有上述复合膜层的可分解压裂球座具有良好的耐腐蚀性能和抗冲蚀性能。
实施例4
本实施例提供了一种可分解压裂球座的制备方法，本实施例中的可分解压裂球座是以镁铝合金为基材的压裂球座，该压裂球座的制备方法包括以下步骤：
表面清洗：对上述可分解球座的表面进行除油处理，之后用纯水清洗球座表面并将表面吹干；
生成微弧氧化陶瓷膜层：采用微弧氧化法，在球座表面生长出微弧氧化陶瓷膜层，该膜层的厚度约为35μm；其中，微弧氧化法使用的电解液为硅酸钠和氢氧化钠的混合液，以该混合液的总体积计，其浓度范围为5-25g/L；随后采用SiO₂溶胶封孔剂对微弧氧化陶瓷膜层中的微孔进行填充封闭处理；
制备硬质涂层：采用多弧离子镀沉积法在微弧氧化陶瓷膜层表面制备碳化钛硬质涂层；该碳化钛涂层的厚度约为6μm，硬度高于2400HV；其中，多弧离子镀沉积法采用的弧电流为50-80A，真空度为3.0×10^-1-2Pa；
涂覆耐高温聚合物层：在碳化钛硬质涂层的表面喷涂一层耐高温聚四氟乙烯层；其厚度为42μm。
实施例5
本实施例提供了由实施例4制备得到的可分解压裂球座，该可分解压裂球座的截面结构示意图如图1所示，其包括球座基体1及可分解压裂球座表面复合膜层；所述 可分解压裂球座表面复合膜层包括微弧氧化陶瓷膜层2、硬质涂层3、耐高温聚合物涂层4；所述微弧氧化陶瓷膜层2包覆于所述球座基体1的表面；所述硬质涂层3包覆于所述微弧氧化陶瓷膜层2的表面；所述耐高温聚合物涂层4包覆于所述硬质涂层3的表面；其中，微弧氧化陶瓷膜层2的厚度为35μm，所述硬质涂层3为碳化钛硬质涂层，其厚度为6μm，所述耐高温聚合物涂层4为耐高温聚四氟乙烯层，其厚度为42μm。
实施例6
本实施例将实施例4制备得到的可分解压裂球座浸泡于80℃、1％的氯化钾水溶液中，浸泡15天后，球座表面无腐蚀发生；采用含砂20wt％的水以8m/s的速度冲刷本实施例1制备得到的可分解压裂球座，冲刷超过3小时，可分解压裂球座表面复合膜层对球座基体保护依然良好，表明具有上述复合膜层的可分解压裂球座具有良好的耐腐蚀性能和抗冲蚀性能。
实施例7
本实施例提供了一种可分解压裂球座的制备方法，本实施例中的可分解压裂球座是以镁铝合金为基材的压裂球座，该压裂球座的制备方法包括以下步骤：
表面清洗：对上述可分解球座的表面进行除油处理，之后用纯水清洗球座表面并将表面吹干；
生成微弧氧化陶瓷膜层：采用微弧氧化法，在球座表面生长出微弧氧化陶瓷膜层，该膜层的厚度约为31μm；其中，微弧氧化法使用的电解液为硅酸钠和氢氧化钠的混合液，以该混合液的总体积计，其浓度范围为5-25g/L；随后采用SiO₂溶胶封孔剂对微弧氧化陶瓷膜层中的微孔进行填充封闭处理；
制备硬质涂层：采用多弧离子镀沉积法在微弧氧化陶瓷膜层表面制备碳氮化钛硬质涂层；该碳氮化钛涂层的厚度约为7μm，硬度高于2300HV；其中，多弧离子镀沉积法采用的弧电流为50-80A，真空度为3.0×10^-1-2Pa；
涂覆耐高温聚合物层：在碳氮化钛硬质涂层的表面喷涂一层耐高温聚三氟氯乙烯层；其厚度为45μm。
实施例8
本实施例提供了由实施例7制备得到的可分解压裂球座，该可分解压裂球座的截面结构示意图如图1所示，其包括球座基体1及可分解压裂球座表面复合膜层；所述 可分解压裂球座表面复合膜层包括微弧氧化陶瓷膜层2、硬质涂层3、耐高温聚合物涂层4；所述微弧氧化陶瓷膜层2包覆于所述球座基体1的表面；所述硬质涂层3包覆于所述微弧氧化陶瓷膜层2的表面；所述耐高温聚合物涂层4包覆于所述硬质涂层3的表面；其中，微弧氧化陶瓷膜层2的厚度为31μm，所述硬质涂层3为碳氮化钛硬质涂层，其厚度为7μm，所述耐高温聚合物涂层4为耐高温聚三氟氯乙烯层，其厚度为45μm。
实施例9
本实施例将实施例7制备得到的可分解压裂球座浸泡于80℃、1％的氯化钾水溶液中，浸泡15天后，球座表面无腐蚀发生；采用含砂20wt％的水以8m/s的速度冲刷本实施例1制备得到的可分解压裂球座，冲刷超过3小时，可分解压裂球座表面复合膜层对球座基体保护依然良好，表明具有上述复合膜层的可分解压裂球座具有良好的耐腐蚀性能和抗冲蚀性能。
实施例10
本实施例提供了一种可分解压裂球座的制备方法，本实施例中的可分解压裂球座是以镁铝合金为基材的压裂球座，该压裂球座的制备方法包括以下步骤：
表面清洗：对上述可分解球座的表面进行除油处理，之后用纯水清洗球座表面并将表面吹干；
生成微弧氧化陶瓷膜层：采用微弧氧化法，在球座表面生长出微弧氧化陶瓷膜层，该膜层的厚度约为29μm；其中，微弧氧化法使用的电解液为硅酸钠和氢氧化钠的混合液，以该混合液的总体积计，其浓度范围为5-25g/L；随后采用SiO₂溶胶封孔剂对微弧氧化陶瓷膜层中的微孔进行填充封闭处理；
制备硬质涂层：采用多弧离子镀沉积法在微弧氧化陶瓷膜层表面制备碳化铬硬质涂层；该碳化铬涂层的厚度约为8μm，硬度高于2000HV；其中，多弧离子镀沉积法采用的弧电流为50-80A，真空度为3.0×10^-1-2Pa；
涂覆耐高温聚合物层：在碳化铬硬质涂层的表面喷涂一层耐高温聚硅氧烷树脂层；其厚度为40μm。
实施例11
本实施例提供了由实施例10制备得到的可分解压裂球座，该可分解压裂球座的截面结构示意图如图1所示，其包括球座基体1及可分解压裂球座表面复合膜层；所 述可分解压裂球座表面复合膜层包括微弧氧化陶瓷膜层2、硬质涂层3、耐高温聚合物涂层4；所述微弧氧化陶瓷膜层2包覆于所述球座基体1的表面；所述硬质涂层3包覆于所述微弧氧化陶瓷膜层2的表面；所述耐高温聚合物涂层4包覆于所述硬质涂层3的表面；其中，微弧氧化陶瓷膜层2的厚度为29μm，所述硬质涂层3为碳化铬硬质涂层，其厚度为8μm，所述耐高温聚合物涂层4为耐高温聚硅氧烷树脂层，其厚度为40μm。
实施例12
本实施例将实施例10制备得到的可分解压裂球座浸泡于80℃、1％的氯化钾水溶液中，浸泡15天后，球座表面无腐蚀发生；采用含砂20wt％的水以8m/s的速度冲刷本实施例1制备得到的可分解压裂球座，冲刷超过3小时，可分解压裂球座表面复合膜层对球座基体保护依然良好，表明具有上述复合膜层的可分解压裂球座具有良好的耐腐蚀性能和抗冲蚀性能。
实施例13
本实施例提供了一种可分解压裂球座的制备方法，本实施例中的可分解压裂球座是以镁铝合金为基材的压裂球座，该压裂球座的制备方法包括以下步骤：
表面清洗：对上述可分解球座的表面进行除油处理，之后用纯水清洗球座表面并将表面吹干；
生成微弧氧化陶瓷膜层：采用微弧氧化法，在球座表面生长出微弧氧化陶瓷膜层，该膜层的厚度约为31μm；其中，微弧氧化法使用的电解液为硅酸钠和氢氧化钠的混合液，以该混合液的总体积计，其浓度范围为5-25g/L；随后采用SiO₂溶胶封孔剂对微弧氧化陶瓷膜层中的微孔进行填充封闭处理；
制备硬质涂层：采用多弧离子镀沉积法在微弧氧化陶瓷膜层表面制备碳氮化锆硬质涂层；该碳氮化锆涂层的厚度约为5μm，硬度高于2500HV；其中，多弧离子镀沉积法采用的弧电流为50-80A，真空度为3.0×10^-1-2Pa；
涂覆耐高温聚合物层：在氮化钛硬质涂层的表面喷涂一层耐高温聚硅氧烷树脂层；其厚度为33μm。
实施例14
本实施例提供了由实施例13制备得到的可分解压裂球座，该可分解压裂球座的截面结构示意图如图1所示，其包括球座基体1及可分解压裂球座表面复合膜层；所 述可分解压裂球座表面复合膜层包括微弧氧化陶瓷膜层2、硬质涂层3、耐高温聚合物涂层4；所述微弧氧化陶瓷膜层2包覆于所述球座基体1的表面；所述硬质涂层3包覆于所述微弧氧化陶瓷膜层2的表面；所述耐高温聚合物涂层4包覆于所述硬质涂层3的表面；其中，微弧氧化陶瓷膜层2的厚度为31μm，所述硬质涂层3为碳氮化锆硬质涂层，其厚度为5μm，所述耐高温聚合物涂层4为耐高温聚硅氧烷树脂层，其厚度为33μm。
实施例15
本实施例将实施例13制备得到的可分解压裂球座浸泡于80℃、1％的氯化钾水溶液中，浸泡15天后，球座表面无腐蚀发生；采用含砂20wt％的水以8m/s的速度冲刷本实施例1制备得到的可分解压裂球座，冲刷超过3小时，可分解压裂球座表面复合膜层对球座基体保护依然良好，表明具有上述复合膜层的可分解压裂球座具有良好的耐腐蚀性能和抗冲蚀性能。