[发明专利]一种压裂用镁合金憋压球及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油勘探中压裂技术领域，更进一步说，涉及一种压裂用镁合金憋压球及制备方法。

背景技术

近几年来，国外非常规页岩气勘探开发技术取得突破，产量快速增长，对国际天然气市场及世界能源格局产生重大影响，世界主要资源国都加大了对页岩气的勘探开发力度。多级滑套分段压裂技术是一项新型石油、天然气储层改造技术，主要应用与页岩气和低渗透储层的定向井、水平井的压裂增产改造。该项技术可根据地层地质状况与储层开发的需要，采用封隔器将水平井分隔成若干段，通过地面头球控制装置向井内依次投入直径由小到大的憋压球，逐级打开滑套，有针对性地对产层岩石进行压裂，形成石油、天然气流体裂缝通道，以扩大油气产层的泄油面积，提高油气采收率。在这项技术中，关键部位之一是憋压球。目前所用的憋压球主要采用高分子材料制备，其在室温下的水溶液中的憋压强度达到70MPa，但不发生腐蚀分解。高分子材料憋压球主要有两个功能，1)将滑套打开，以便对产层岩石进行压裂；2)将与压裂液体和压力隔离。待到所有岩石产层压裂结束后，需要对井内油管进行泄压，以便利于后期油气井的生产。以往的常规方法是利用低层压力作用下把憋压球反排出井口，或使用钻具将滑套球座及憋压球钻掉，这些方法的不足之处在于，受地层压力及现场施工压力的影响，可能导致憋压球发生卡位，反排不成功，下入钻具进行磨铣会延长施工周期，增加施工成本与风险，因此研制一种能承受压裂施工高压、井底高温，并在井内流体环境下能自行快速腐蚀的轻质憋压球，可有效降低施工风险，提高施工效率。美国专利公布了一种可分解的多层包覆的核壳结构式复合材料制备方法(美国专利，US2011/0132143A1,2011年)，该专利显示，通过在纳米级核体金属粉末(如镁、铝、锌、锰及其合金)颗粒的表面，采用化学镀的方法，镀上多层不同金属或金属氧化物纳米级壳层，如Al、Ni、Al₂O₃等，然后再把镀层后复合粉末进行烧结，获得具有一定分解性能的纳米复合材料，但该方法要求在活性比较高的纳米级镁、铝、锌、锰及其合金粉表面镀多层纳米级金属或金属氧化物，极大的增加了该材料的生产成本，无法进行工业化生产。而中国专利(专利号201110328251.9)公布了“一种用于分段压裂投球滑套打开的新材料憋压球”，尽管该专利制备的材料密度比较低，但该专利采用的是高分子材料制备憋压球，憋压球材料在高温腐蚀介质中不发生分解，导致在多级滑套分段压裂技术中必需使用钻具将憋压球钻掉，极大地增加了生产成本。

在现有轻质合金材料中，镁合金因其据有密度低、综合性能较好而广受关注，其中尤以铸造镁合金AZ91镁合金的应用最为广泛，该合金的主要成分及其重量百分比是Al 8.3～9.7、Zn 0.35～1.0、Mn 0.15～0.5、余量为镁，合金的维氏硬度低(小于80HV)，腐蚀速率极低(≤5×10^-4g.cm².h)(中国有色金属学报，2007，17卷2期，p181)，无法满足多级滑套分段压裂技术中对憋压球材料的轻质耐压可分解性能要求。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种压裂用镁合金憋压球及制备方法，制备的憋压球具有一定憋压强度和快速腐蚀分解的能力，能满足多级滑套分段压裂技术中对憋压球的憋压强度与快速腐蚀分解性能要求。

本发明的目的之一是提供一种压裂用镁合金憋压球。

所述憋压球由合金球体和覆盖在合金球体上的涂层组成；

合金球体由以下组分组成：

Al：15～20wt％，

Cu：5.5～15wt％，

Zn：0.1～1.9wt％，

Zr：0.6～1.4wt％

余量为Mg，各组分重量百分之和为100％；

涂层为两层：一层为化学转化膜处理的有机涂层，有机涂层厚度为1～3um；外层为耐热有机涂层，耐热有机涂层的厚度为5～10um。

合金球体表面先进行化学转化膜处理，有助于后续耐热有机涂层的冷喷涂处理。化学转化膜处理是在每毫升化学转化膜溶液中浸入20～25毫克憋压球(即20～25mg/mL)中浸泡10～60分钟，使其表面形成一层1～3um厚的有机涂层。化学转化膜溶液中各物质的组成质量分数为：乙二酸钡10～20％、酒石酸铋钾2～5％、酒石酸锑钾2～5％、烯丙醇1～5％、环己胺1～5％、水70～80％。