一種壓裂用鎂合金憋壓球及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油勘探中壓裂技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步說，涉及一種壓裂用鎂合金憋壓球及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年來，國外非常規(guī)頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)取得突破，產(chǎn)量快速增長，對(duì)國際天然氣市場(chǎng)及世界能源格局產(chǎn)生重大影響，世界主要資源國都加大了對(duì)頁巖氣的勘探開發(fā)力度。多級(jí)滑套分段壓裂技術(shù)是一項(xiàng)新型石油、天然氣儲(chǔ)層改造技術(shù)，主要應(yīng)用與頁巖氣和低滲透儲(chǔ)層的定向井、水平井的壓裂增產(chǎn)改造。該項(xiàng)技術(shù)可根據(jù)地層地質(zhì)狀況與儲(chǔ)層開發(fā)的需要，采用封隔器將水平井分隔成若干段，通過地面頭球控制裝置向井內(nèi)依次投入直徑由小到大的憋壓球，逐級(jí)打開滑套，有針對(duì)性地對(duì)產(chǎn)層巖石進(jìn)行壓裂，形成石油、天然氣流體裂縫通道，以擴(kuò)大油氣產(chǎn)層的泄油面積，提高油氣采收率。在這項(xiàng)技術(shù)中，關(guān)鍵部位之一是憋壓球。目前所用的憋壓球主要采用高分子材料制備，其在室溫下的水溶液中的憋壓強(qiáng)度達(dá)到70MPa，但不發(fā)生腐蝕分解。高分子材料憋壓球主要有兩個(gè)功能，I)將滑套打開，以便對(duì)產(chǎn)層巖石進(jìn)行壓裂；2)將與壓裂液體和壓力隔離。待到所有巖石產(chǎn)層壓裂結(jié)束后，需要對(duì)井內(nèi)油管進(jìn)行泄壓，以便利于后期油氣井的生產(chǎn)。以往的常規(guī)方法是利用低層壓力作用下把憋壓球反排出井口，或使用鉆具將滑套球座及憋壓球鉆掉，這些方法的不足之處在于，受地層壓力及現(xiàn)場(chǎng)施工壓力的影響，可能導(dǎo)致憋壓球發(fā)生卡位，反排不成功，下入鉆具進(jìn)行磨銑會(huì)延長施工周期，增加施工成本與風(fēng)險(xiǎn)，因此研制一種能承受壓裂施工高壓、井底高溫，并在井內(nèi)流體環(huán)境下能自行快速腐蝕的輕質(zhì)憋壓球，可有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率。美國專利公布了一種可分解的多層包覆的核殼結(jié)構(gòu)式復(fù)合材料制備方法(美國專利，US2011/0132143A1，2011年)，該專利顯示，通過在納米級(jí)核體金屬粉末(如鎂、鋁、鋅、錳及其合金)顆粒的表面，采用化學(xué)鍍的方法，鍍上多層不同金屬或金屬氧化物納米級(jí)殼層，如Al、N1、Al2O3等，然后再把鍍層后復(fù)合粉末進(jìn)行燒結(jié)，獲得具有一定分解性能的納米復(fù)合材料，但該方法要求在活性比較高的納米級(jí)鎂、鋁、鋅、錳及其合金粉表面鍍多層納米級(jí)金屬或金屬氧化物，極大的增加了該材料的生產(chǎn)成本，無法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。而中國專利(專利號(hào)201110328251.9)公布了 “一種用于分段壓裂投球滑套打開的新材料憋壓球”，盡管該專利制備的材料密度比較低，但該專利采用的是高分子材料制備憋壓球，憋壓球材料在高溫腐蝕介質(zhì)中不發(fā)生分解，導(dǎo)致在多級(jí)滑套分段壓裂技術(shù)中必需使用鉆具將憋壓球鉆掉，極大地增加了生產(chǎn)成本。
[0003]在現(xiàn)有輕質(zhì)合金材料中，鎂合金因其據(jù)有密度低、綜合性能較好而廣受關(guān)注，其中尤以鑄造鎂合金AZ91鎂合金的應(yīng)用最為廣泛，該合金的主要成分及其重量百分比是Al8.3?9.7、Zn 0.35?1.0,Mn 0.15?0.5、余量為鎂，合金的維氏硬度低(小于80HV)，腐蝕速率極低(^ 5X10 4g.cm2, h)(中國有色金屬學(xué)報(bào)，2007，17卷2期，pl81)，無法滿足多級(jí)滑套分段壓裂技術(shù)中對(duì)憋壓球材料的輕質(zhì)耐壓可分解性能要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種壓裂用鎂合金憋壓球及制備方法，制備的憋壓球具有一定憋壓強(qiáng)度和快速腐蝕分解的能力，能滿足多級(jí)滑套分段壓裂技術(shù)中對(duì)憋壓球的憋壓強(qiáng)度與快速腐蝕分解性能要求。
[0005]本發(fā)明的目的之一是提供一種壓裂用鎂合金憋壓球。
[0006]所述憋壓球由合金球體和覆蓋在合金球體上的涂層組成；
[0007]合金球體由以下組分組成:
[0008]Al:15?20wt%，
[0009]Cu: 5.5 ?15wt%，
[0010]Zn:0.1 ?1.9wt%,
[0011]Zr:0.6 ?1.4wt%
[0012]余量為Mg，各組分重量百分之和為100% ;
[0013]涂層為兩層:一層為化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理的有機(jī)涂層，有機(jī)涂層厚度為I?3um ;外層為耐熱有機(jī)涂層，耐熱有機(jī)涂層的厚度為5?10um。
[0014]合金球體表面先進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理，有助于后續(xù)耐熱有機(jī)涂層的冷噴涂處理?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化膜處理是在每毫升化學(xué)轉(zhuǎn)化膜溶液中浸入20?25毫克憋壓球(即20?25mg/mL)中浸泡10?60分鐘，使其表面形成一層I?3um厚的有機(jī)涂層?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化膜溶液中各物質(zhì)的組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:乙二酸鋇10?20%、酒石酸鉍鉀2?5%、酒石酸銻鉀2?5%、稀丙醇I?5%、環(huán)己胺I?5%、水70?80%。
[0015]把化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理后的合金球體進(jìn)行耐熱有機(jī)涂層的噴涂處理，耐熱有機(jī)涂層由氟改性聚合樹脂、環(huán)氧硅樹脂、醋酸丁酯、異氰酸酯與氨基聚酰胺組成，各組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:25?45%氟改性聚合樹脂、20?40%環(huán)氧硅樹脂、10?20%醋酸丁酯、5?10%異氰酸酯、5?10%氨基聚酰胺。耐熱有機(jī)涂層厚度5?10um。
[0016]本發(fā)明的目的之二是提供一種壓裂用鎂合金憋壓球的制備方法。
[0017]包括:
[0018]I)按設(shè)計(jì)的要求組分配比，稱取各組分，先將純鎂、純鋁、鋁_50被％銅合金、鎂-30 %鋯合金放入熔煉爐中，熔化后再將純鋅放入合金熔體中，升溫熔化后，用鎂合金精煉劑精煉除氣、靜置，然后在氬氣保護(hù)氣氛下澆鑄成型；
[0019]鎂合金精煉劑為現(xiàn)有產(chǎn)品，成分的重量百分比為:35% MgCl,35% KCl,10% NaCl,10% CaCU5% BaCl2^5% CaF2。
[0020]2)原料的熔化溫度為720?740°C ;精煉溫度為720?730°C ;靜置、澆鑄溫度為710?730°C，澆鑄保護(hù)氣氛為氬氣；
[0021]3)把上述制備的鑄錠加工成球；
[0022]4)合金球體表面先進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理，有助于后續(xù)耐熱有機(jī)涂層的冷噴涂處理。化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理是在每毫升化學(xué)轉(zhuǎn)化膜溶液中浸入20?25毫克憋壓球(即20?25mg/mL)中浸泡10?60分鐘，使其表面形成一層I?3um厚的有機(jī)涂層；化學(xué)轉(zhuǎn)化膜溶液中各物質(zhì)組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:乙二酸鋇10?20%、酒石酸鉍鉀2?5%、酒石酸銻鉀2?5%、稀丙醇I?5%、環(huán)己胺I?5%、水70?80%。
[0023]5)把化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理后的合金球體進(jìn)行耐熱有機(jī)涂層的噴涂處理，耐熱有機(jī)涂層由氟改性聚合樹脂、環(huán)氧硅樹脂、醋酸丁酯、異氰酸酯與氨基聚酰胺組成，各組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:25?45%氟改性聚合樹脂、20?40%環(huán)氧硅樹脂、10?20%醋酸丁酯、5?10%異氰酸酯、5?10%氨基聚酰胺。耐熱有機(jī)涂層厚度5?10um。
[0024]為降低憋壓球在開始階段的腐蝕速率，對(duì)球表面進(jìn)行涂層處理，這種涂層當(dāng)受壓時(shí)會(huì)發(fā)生破裂，隨后的腐蝕分解速度加快。
[0025]為了降低生產(chǎn)成本，制備具有一定憋壓強(qiáng)度和快速腐蝕分解的憋壓球，本發(fā)明通過優(yōu)化合金成分設(shè)計(jì)，采用熔煉鑄造方法，制備快速腐蝕分解的鎂合金材料，并加工成憋壓球。
[0026]我們選用以鎂作為研究基礎(chǔ)，通過調(diào)控化學(xué)成分與制備工藝，采用工業(yè)化生產(chǎn)方法，制備快速腐蝕分解的鎂合金材料，并加工成憋壓球，以滿足多級(jí)滑套分段壓裂技術(shù)中對(duì)憋壓球的憋壓強(qiáng)度與快速腐蝕分解性能要求.
[0027]本發(fā)明采用高鋁含量的Mg-Al系鎂合金為基礎(chǔ)，并添加提高鎂合金腐蝕性能的高含量Cu元素與提高強(qiáng)度的Zn元素，同時(shí)添加晶粒細(xì)化劑Zr元素，形成了 Mg-Cu-Zn-Zr系鎂合金材料。其中添加Al元素在鎂合金中除了固溶強(qiáng)化鎂基體外，還在鎂合金的晶界處形成了陰極相Mg17AUg ;而添加Cu元素在鎂合金晶界處Mg 17A112相中形成了陰極相的T相(MgAlZnCu)顆粒，陰極相Mg17Al12相及T相與陽極相鎂基體相形成了大量微電池，這些微電池在高溫腐蝕過程中產(chǎn)生大量的細(xì)小電流，從而加速了鎂合金的腐蝕分解。添加Zr元素在鎂合金中形成了細(xì)小彌散的Al3Zr相，細(xì)化鎂合金晶粒，提高合金的強(qiáng)度。為減低開始階段的腐蝕速率，把憋壓球表面進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理和噴涂耐熱有機(jī)層，化學(xué)轉(zhuǎn)化膜厚度為l_3um，耐熱有機(jī)涂層的厚度為5-10um，這種涂層當(dāng)受壓時(shí)會(huì)發(fā)生破裂，隨后的腐蝕分解速度加快。表面處理后的鎂合金憋壓球在室溫水中的憋壓強(qiáng)度(達(dá)到70MPa以上)超過了現(xiàn)有的AZ91鎂合金(憋壓強(qiáng)度低于50MPa)，達(dá)到了現(xiàn)有的高分子材料憋壓球的憋壓強(qiáng)度(70MPa)，鎂合金憋壓球在93°C及3% KCl溶液中的快速腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)有AZ91鎂合金憋壓球與高分子高分子材料憋壓球。而且本發(fā)明的合金的澆鑄成型性能與AZ91鎂合金相當(dāng)，憋壓球的加工性能較好。
[0028]綜上所述，本發(fā)明組分配比合理、生產(chǎn)工藝簡單、可有效提高鎂合金憋壓球的快速腐蝕分解性能。采用熔煉鑄造方法，通過調(diào)控合金的成分與制備工藝，可獲得高鋁銅含量的快速腐蝕分解的鎂合金材料及其憋壓球，使其性能滿足多級(jí)滑套分段壓裂技術(shù)中憋壓球材料的性能要求，形成可實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的快速腐蝕分解鎂合金憋壓球。
【附圖說明】
[0029]圖1本發(fā)明的未涂層的鎂合金憋壓球；
[0030]圖2本發(fā)明的涂層后的憋壓球；
[0031]圖3憋壓測(cè)試后的憋壓球(70MPa水壓下保壓10分鐘)；
[0032]圖4憋壓球在93°C及3% KCl溶液中腐蝕10天后的形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合實(shí)施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明，本發(fā)明中的原料采用市售原料。
[0034]對(duì)比例I
[0035]對(duì)比合金為AZ91鎂合金，該合金的化學(xué)成分為:Mg-9Al-lZn-0.3Zr (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，合金配料(原料為:純鋁、純鎂、鋁