一种用于页岩气井分段压裂的可溶解憋压球制造技术

本发明专利技术公开了一种用于页岩气井分段压裂的可溶解憋压球，制作该憋压球的基体材料为核体晶粒直径60~100μm的金属Mg，金属Mg晶粒外包覆有厚度为10μm的壳体材料，所述壳体材料在富含Cl

【技术实现步骤摘要】
一种用于页岩气井分段压裂的可溶解憋压球
本专利技术涉及石油天然气勘探开发领域，具体地说涉及一种用于页岩气井分段压裂的可溶解憋压球。
技术介绍
在页岩油气、低渗透储层的定向井、水平井压裂增产工艺过程中，经常使用多级滑套分段压裂技术。投球式压裂滑套作为分段压裂技术中的关键工件，依靠井口依次投入直径由小到大的憋压球，依次将各段滑套打开，再进行后续压裂施工。待全部产层压裂结束后，憋压球在地层压力作用下返排出井口，若返排不畅，则下入钻具将球座及憋压球共同钻掉，以利于后期油气井生产。现有的憋压球，在井底受压时容易变形、影响憋压效果与顺利返排，且水平井趾端小直径憋压球返排难度大，经常需要下入钻具进行磨铣，导致施工周期延长，增加施工成本与风险。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种用于页岩气井分段压裂的可溶解憋压球，以解决现有技术中分段压裂时需要返排或磨铣憋压球的问题，实现憋压球可在井下环境中进行可控溶解的目的。本专利技术通过下述技术方案实现：一种用于页岩气井分段压裂的可溶解憋压球，制作该憋压球的基体材料为核体晶粒直径60~100μm的金属Mg，金属Mg晶粒外包覆有厚度为10μm的壳体材料，所述壳体材料在富含Cl—的电解质溶液中的腐蚀速率低于所述基体材料，所述壳体材料的间隙内均匀分布有β相金属元素，所述基体材料、壳体材料、β相金属元素的配比为5:3:2。针对现有技术中在分段压裂时需要返排或磨铣憋压球的问题，本专利技术提供了一种用于页岩气井分段压裂的可溶解憋压球。用于分段压裂技术的可溶解憋压球需要满足耐高压和可溶解的要求，因此其制作材料需要选用具有一定活性和强度的金属材料，并进行相应改进，以满足井底高压环境使用，以及在富含Cl—的压裂液和地层水中完成电解。因此，本专利技术中使用金属Mg为制作憋压球的基体材料，金属Mg的标准电极电位为-2.37V，腐蚀电位一般在+0.5~-1.65V之间，腐蚀主要以单价的Mg离子与水反应生成更加稳定的二价Mg产物，由于压裂液和地层水中都富含Cl—，所以会进一步发生反应生成MgCl2和氢氧根离子，从而使金属表面迅速发生电腐蚀，该反应过程如下所示：Mg+H++H2O→Mg2++OH—+H2Mg(OH)2+2Cl—→MgCl2+2OH—由于制作所述憋压球的基体晶粒过大会降低材料强度，不利于憋压球的承压性能，而晶粒过小又增加生产成本，因此优选所述金属Mg的核体晶粒直径在60~100μm范围内，在保证其强度及承压的前提下，尽量降低生产成本。金属Mg晶粒外包覆有厚度为10μm的壳体材料，用以保证溶解性能的可控。所述壳体材料在富含Cl—的电解质溶液中的腐蚀速率低于所述基体材料，即壳体材料必须与金属Mg之间形成电化学腐蚀电位差，以便于在完成憋压打开滑套的工作之前，憋压球不会开始电解。所述壳体材料若太薄，不利于腐蚀速率的控制，若太厚又占用体积过大不便于制备，因此经过多次实验得出其厚度为10μm时为最佳厚度。此外，所述壳体材料的间隙内均匀分布有β相金属元素，通过高温稳定的β相金属元素的弥散强化作用，提高憋压球的耐压强度。通过上述方式，以保证憋压球的强度和溶解性能。优选的，所述壳体材料为Al和/或Al2O3。Al和Al2O3满足上述作为壳体材料的所有要求，并且其晶粒易于与金属Mg聚结，便于制造。优选的，所述β相金属元素为Fe和/或Cu。Fe和Cu的β相结构易于获得。本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本专利技术一种用于页岩气井分段压裂的可溶解憋压球，通过使用核体晶粒直径60~100μm的金属Mg作为基体材料，并在其外包覆有厚度为10μm的腐蚀速率低于金属Mg的壳体材料，并在其中均与分布β相金属元素，使基体材料、壳体材料、β相金属元素的配比为5:3:2，从而满足憋压球耐高压和可溶解的要求，实现憋压球可在井下环境中进行可控溶解的目的。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为本专利技术一个具体实施例的金相模型微观示意图。其中：1-基体材料，2-壳体材料，3-β相金属元素。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作为对本专利技术的限定。实施例1：如图1所示的一种用于页岩气井分段压裂的可溶解憋压球，制作该憋压球的基体材料1为核体晶粒直径60~100μm的金属Mg，金属Mg晶粒外包覆有厚度为10μm的壳体材料2金属铝，所述金属铝的间隙内均匀分布有β相的Fe，所述Mg、Al、Fe的配比为5:3:2。本实施例中，使用上述材料制成直径38.1mm的憋压球进行有限元数模分析，其中所选取的纯Mg材料弹性模量44.8GPa，泊松比0.35，球座体内径35mm。模型分析结果显示，当球体承受70MPa压力时，最大应力处为球体与球座表面的接触点，其最大应力值为288MPa。而对该憋压球进行抗压性能试验得到，其最大抗压能力均超过了300MPa，大于憋压球与球座在70MPa压力下的理论接触应力。因此，本实施例中的憋压球可满足70MPa的承压要求，对于非异常压力的常规地层均能使用。此外，将憋压球置于85℃、质量浓度3%的KCl溶液中，模拟井下情况进行了溶解性试验。经测试，溶解速率达到0.2g/h且稳定。由此，可以解决现有技术中分段压裂时需要返排或磨铣憋压球的问题，实现憋压球可在井下环境中进行可控溶解的目的。以上所述的具体实施方式，对本专利技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本专利技术的具体实施方式而已，并不用于限定本专利技术的保护范围，凡在本专利技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于页岩气井分段压裂的可溶解憋压球，其特征在于：制作该憋压球的基体材料（1）为核体晶粒直径60~100μm的金属Mg，金属Mg晶粒外包覆有厚度为10μm的壳体材料（2），所述壳体材料（2）在富含Cl

【技术特征摘要】
1.一种用于页岩气井分段压裂的可溶解憋压球，其特征在于：制作该憋压球的基体材料（1）为核体晶粒直径60~100μm的金属Mg，金属Mg晶粒外包覆有厚度为10μm的壳体材料（2），所述壳体材料（2）在富含Cl—的电解质溶液中的腐蚀速率低于所述基体材料（1），所述壳体材料（2）的间隙内均匀分布有β相金属元素（3）...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭绍宾，
申请(专利权)人：彭绍宾，
类型：发明
国别省市：四川,51