一种高强度、高速溶性的轻质压裂球的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属材料类及石油开采领域，尤其涉及一种高强度、高速溶性的轻质 压裂球的制备方法。
【背景技术】
[0002] 非常规油气资源分为非常规石油资源和非常规天然气资源两大类。前者主要指重 (稠）油、超重油、深层石油等，后者主要指低渗透气层气、煤层气、天然气水合物、深层天然 气及无机成因油气。此外，油页岩通过相应的化学工艺处理后产出的可燃气和石油也属于 非常规油气资源的核心技术，多级压裂是目前开发该资源的最好技术。压裂球是决定压裂 是否成功的主要因素，压裂球的材质决定了其应用领域及工艺复杂程度的先决条件，因此， 有必要对其制备材料进行研究，以保证非常规资源的合理开发及利用。
[0003] 然而，近年来压裂球的材质在应用领域存在以下显著的技术缺点： ⑴易堵塞：由于水平井压裂需投入低密度球，即可满足球在水平段前进打开压裂滑套； 目前较多使用低密度树脂球，但施工过程中出现球受井底高温及压力的作用变形，卡堵了 滑套通道，下层无法正常返排，导致地层污染及无法正常生产的情况。
[0004] ⑵强度低：同理，由于水平井压裂需要低密度球，所以目前采用的材料如陶瓷球， 塑料球，树脂球强度远不能满足压裂的标准，抗压强度<250MPa，在压裂过程中易发生变形 破碎，严重影响压裂效果。
[0005] ⑶返排困难：由于压裂球在多级压裂过程中的特殊作用，需要其暂时堵塞射孔炮 目艮，在压裂完成之后需要将其反排打开通道，目前采用的一些压裂球，如钢球，因为其密度 较大，质量较重，在反排过程中易堵塞，影响正常生产。
[0006] ⑷溶解速度慢:现在采用的一些可溶性压裂球，虽然解决了反排和易堵塞的问题， 但是在溶解压裂球的过程中所需要的时间太久，一般需要240h左右，严重拖慢了生产进度， 增加生产成本。
[0007] 因此，迫切需要研发一种高强速溶轻质压裂球，当压裂施工结束后，通过注入溶剂 或者加入压裂液中，使之溶解或部分溶解，打开通道，最终达到满足压裂施工和顺利打开通 道的目的。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、易于实施的高强度、高速溶性 的轻质压裂球的制备方法。
[0009] 为解决上述问题，本发明所述的一种高强度、高速溶性的轻质压裂球的制备方法， 包括以下步骤： ⑴对含30%铜的镁-铜合金进行预处理:将含30%铜的镁-铜合金切成20mm X 20mm X 20mm 的小块，并按常规方法去除表面的氧化物和油污，再经无水酒精清洗干净后，在温度为101 °C的条件下烘干至恒重，即得预处理后的镁-铜合金； (2) 对含50%镍的铝-镍合金进行预处理:将含50%镍的铝-镍合金切成10mm X 10mm X 10mm 的小块，并按常规方法去除表面的氧化物和油污，再经无水酒精清洗干净后，在温度为101 °C的条件下烘干至恒重，即得预处理后的铝-镍合金； (3) 分别对镁锭、错锭、锌锭进行预处理：分别将镁锭、错锭、锌锭切成100mm X 50mm X 20mm的小块，并按常规方法去除表面的氧化物和油污，再经无水酒精清洗干净后，在温度为 l〇l°C的条件下烘干至恒重，即分别得到预处理后的镁锭、铝锭、锌锭； ⑷分别对铁粉和银粉进行预处理:分别将粒度2 100目的铁粉和银粉在温度为l〇l°C的 条件下烘干至恒重后，即分别得到干燥的铁粉和干燥的银粉； (5) 将所述预处理后的镁锭410~71 lg、错锭9~48g、锌锭10~60g及所述预处理后的镁-铜 合金167~500g、所述预处理后的错-镍合金2~24g、所述干燥的铁粉10~30g、所述干燥的银粉 1~l〇g依次加入到熔炼炉中，在惰性气体氩气的保护下升温至660~750°C使其熔化，并搅拌 均匀，得到熔融物;所述熔融物在700°0750°C保温25~35分钟后降温至660~700°C，并在该 温度下静置10~20分钟后进行浇铸，得到铸锭； (6) 将所述铸锭自然冷却至室温后进行机加工，再运用常规方法除去表面油污，经无水 酒精清洗之后放入电阻炉I中进行退火，随炉加热至300°C~380°C并保温30~35小时，然后随 炉冷却； (7) 挤压准备： 将所述步骤(6)所得的铸锭放入电阻炉Π 中，其加热目标温度为300~380°C，加热方式为 空炉到温后一次性放入铸锭，铸锭实测到350~380°C后保温1~3小时； 同时将模具放入电阻炉ΙΠ 中，其加热目标温度为250~380°C，加热方式为冷炉放模，模 具实测到300~350°C后保温1~3小时； 同时将挤压筒加热至150~300°C; (8) 实测温度达到要求之后对挤压筒、挤压头、挤压头与模具连接处用润滑剂进行润滑 后放入所述模具和所述步骤(7)所得的铸锭进行挤压，在速度改为恒速度之后对模具运用点 冲方式进行冲水冷却，型材出模具衬100~200mm后用牵引机开始牵引； (9) 对所述步骤(8)所得的型材进行切割，第一根型材从头部10~50mm处锯掉，尾部从连接 处锯掉，第二根型材从与第一根连接处100~200mm处锯掉，尾部从与第三根型材连接处锯 掉，第三根型材裁锯位置同第二根，最末一根型材头部裁锯位置同第二根，尾部从剪压余处 50mm处锯掉； (10) 将所述步骤(9)所得的产品进行机加工，然后运用常规方法除去表面油污，经无水酒 精清洗后放入电阻炉IV中加热至340°C~400°C，并保温2~5小时，再加热至400~460°C，保温4 ~10小时，淬水，得到固溶强化处理后的镁合金;将所述固溶强化处理后的镁合金进行时效 处理后使其自然冷却至室温； (11) 对所述步骤(10)所得的材料进行机加工和常规的表面去污处理后，在数控车床上进行 加工，即得所需尺寸的压裂球。
[0010]所述步骤⑴中的含30%铜的镁-铜合金、所述步骤⑵中的含50%镍的铝-镍合金、所 述步骤⑶中的镁锭、铝锭、锌锭均为工业级纯度及以上。
[0011] 所述步骤⑷中的铁粉、银粉均为工业级。
[0012] 所述步骤(8)中挤压初始速度为0 · 5~15mm/s，之后恒速度为0》10mm/s 〇
[0013]所述步骤(8)中牵引机的牵引力为20~80KN。
[0014] 所述步骤(8)中润滑剂是指动物油脂猪油。
[0015] 所述步骤(10)中的时效处理条件是指温度为170~190°C，时间为20~40小时。
[0016] 本发明与现有技术相比具有以下优点： 1、 本发明充分利用一种快速腐蚀的镁合金产品（申请号201410810629.2)制作压裂球， 使其力学性能和腐蚀速率均有大幅度提升（参见表1，腐蚀速率的测试参照JB/T 7901-1999，具体条件为样球在60°C，3%的KC1溶液中进行测试），其抗拉强度在290MPa以上，抗压 强度在380MPa以上，布氏硬度在75以上，且球体密度只有1.8~1.98g/cm 3,腐蚀速率为一般 可溶性压裂球的5倍以上，在2天之内即可完全溶解。与其他材质的压裂球相比，完美地解决 了目前市场上压裂球强度低、易堵塞、难反排和溶解速度慢的问题。大幅度提升多级压裂的 成果及效率。
[0017]表1
2、 本发明工艺简单、易于实施。
【具体实施方式】
[0018] 实施例1 一种高强度、高速溶性的轻质压裂球的制备方法，包括以下步骤： ⑴对含30%铜的镁-铜合金进行预处理:将含30%铜的镁-铜合金切成20mm X 20mm X 20mm 的小块，并按常规方法去除表面的氧化物和油污，再经无水酒精清洗干净后，在温度为101 °C的条件下烘干至恒重，即得预处理后的镁-铜合金。
[0019] ⑵对含50%镍的铝-镍合金进行预处理：将含50%镍的铝-镍合金切成10mm X 10mm X 10mm的小块，并按常规方法去除表面的氧化物和油污，再经无水酒精清洗干净后，在温度为 l〇l°C的条件下烘干至恒重，即得预处理后的铝-镍合金。
[0020] ⑶分别对镁锭、错锭、锌锭进行预处理:分别将镁锭、错锭、锌锭切成100mm X 50mm X20mm的小块，并按常规方法去除表面的氧化物和油污，再经无水酒精清洗干净后，在温度 为l〇l°C的条件下烘干至恒重，即分别得到预处理后的镁锭、铝锭、锌锭。
[0021] ⑷分别对铁粉和银粉进行预处理:分别将粒度2 100目的铁粉和银粉在温度为101 °〇的条件下烘干至恒重后，即分别得到干燥的铁粉和干燥的银粉。
[0022] (5)将预处理后的镁锭585g、铝锭9g、锌锭60g及预处理后的镁-铜合金333g、预处理 后的铝-镍合金2g、干燥的铁粉10g、干燥的银粉lg依次加入到熔炼炉中，在惰性气体氩气的 保护下升温至660~690°C使其熔化，并搅拌均匀，得到熔融物;熔融物在700°C~715°C保温35 分钟后降温至660~670°C，并在该温度下静置10分钟后进行浇铸，得到铸锭。
[0023] (6)将铸锭自然冷却至室温后进行机加工，再运用常规方法除去表面油污，经无水 酒精清洗之后放入电阻炉I中进行退火，随炉加热至300°C~330°C并保温30小时，然后随炉 冷却。
[0024] ⑵挤压准备： 将步骤(6)所得的铸锭放入电阻炉Π 中，其加热目标温度为300~330°C，加热方式为空炉 到温后一次性放入铸锭，铸锭实测到350~360°C后保温3小时； 同时将模具放入电阻炉ΙΠ 中，其加热目标温度为250~295°C，加热方式为冷炉放模，模 具实测到300~315°C后保温3小时； 同时将挤压筒加热至150~200°C。
[0025] (8)实测温度达到要求之后对挤压筒、挤压头、挤压头与模具连接处用润滑剂，即动 物油脂猪油，进行润滑后放入模具和步骤⑵所得的铸锭进行挤压，挤压初始速度为0.5mm/ s，之后恒速度为0.2mm/s。在速度改为恒速度之后对模具运用点冲方式进行冲水冷却，型材 出模具衬1 〇〇mm后以20KN的牵引力用牵引机开始牵引。
[0026] (9)对步骤(8)所得的型材进行切割，第一根型材从头部10mm处锯掉，尾部从连接处 锯掉，第二根型材从与第一根连接处100mm处锯掉，尾部从与第三根型材连接处锯掉，第三 根型材裁锯位置同第二根，最末一根型材头部裁锯位置同第二根，尾部从剪压余处50mm处 锯掉。
[0027] (10)将步骤(9)所得的产品进行机加工，然后运用常规方法除去表面油污，经无水酒 精清洗后放入电阻炉IV中加热至340°C~360°C，并保温5小时，再加热至400~420°C，保温10 小时，淬水，得到固溶强化处理后的镁合金;将固溶强化处理后的镁合金在温度为170~175 °C、时间为40小时的条件下进行时效处理后使其自然冷却至室温。
[0028] (11)对步骤(10)所得的材料进行机加工和常规的表面去污处理后，在数控车床上进行 加工，即得所需尺寸的压裂球。
[0029] 实施例2 -种高强度、高速溶性的轻质压裂球的制备方法，包括以下步骤： ⑴对含30%铜的镁-铜合金进行预处理同实施例1。
[0030]⑵对含50%镍的错-镍合金进行预处理同实施例1。
[0031] ⑶分别对镁锭、错锭、锌锭进行预处理同实施例1。<