一种页岩气井分段压裂使用的可溶憋压球制作方法与流程

本发明涉及石油天然气勘探开发领域，具体地说涉及一种页岩气井分段压裂使用的可溶憋压球制作方法。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种页岩气井分段压裂使用的可溶憋压球制作方法，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。

本发明通过下述技术方案实现：

一种页岩气井分段压裂使用的可溶憋压球制作方法，该方法包括以下工序：（a）将晶粒直径在60~100μm之间的金属镁粉作为核体晶体（1），将晶粒直径为10μm的al或/和al2o3粉末作为壳体晶体（2），进行核壳包覆，得到复合粉末；（b）添加β相金属粉末（3）至复合粉末中，混合均匀；（c）加入合金成形剂混合至均匀，将粉末置于模具中并压制成形；（d）将已经压制成形的坯体在真空加热炉内加热至400~600℃，再冷却至室温，得到制作完成的坯体材料；（e）将制作完成的坯体材料制作为球形。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，本发明提供了一种页岩气井分段压裂使用的可溶憋压球制作方法，使用本方法制作而成的憋压球，能够满足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。

本发明中使用金属mg为制作憋压球的核体材料，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^—+h2

mg(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。

此外，使用晶粒直径为10μm的al或/和al2o3粉末作为壳体晶体，将镁粉与铝粉或/和al2o3粉末进行核壳包覆，以保证溶解性能的可控。所述壳体晶体在富含cl^—的电解质溶液中的腐蚀速率低于所述基体材料，即壳体晶体与金属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，憋压球不会开始迅速电解。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且电解发生速率过慢，因此经过实验得出其厚度为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。之后，加入合金成形剂混合至均匀，将粉末置于模具中并压制成形；将已经压制成形的坯体在真空加热炉内加热至400~600℃，加热过程中，mg和al/al2o3金属粉末颗粒的聚集体变成为金属晶粒的聚结体，烧结体的强度增加。再冷却至室温，得到制作完成的坯体材料；将制作完成的坯体材料切削为球形，即得到了高强度、可溶解的憋压球。

优选的，所述步骤（a）中使用1:1的核壳比。即所述核体晶体和壳体晶体的比例为1:1，以使得壳体晶体能够得到充分包覆，使憋压球在井下的溶解发生缓慢开始，以提高可控性能。

优选的，所述β相金属粉末为fe和/或cu。fe和cu的β相结构易于获得。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种页岩气井分段压裂使用的可溶憋压球制作方法，通过使用晶粒直径60~100μm的金属mg粉作为核体晶体，使用直径为10μm的al或/和al2o3粉末作为壳体晶体，并在其中添加β相金属元素至混合均匀，压制成形，并在真空加热炉内加热至400~600℃，待冷却至室温后切削打磨为球形，即可得到能够在井下逐渐溶解的憋压球，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。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一个具体实施例的流程示意框图；

图2为本发明一个具体实施例的金相模型微观示意图。

其中：1-核体晶体，2-壳体晶体，3-β相金属元素。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示的一种页岩气井分段压裂使用的可溶憋压球制作方法，该方法包括以下工序：（a）将晶粒直径在60~100μm之间的金属镁粉作为核体晶体（1），将晶粒直径为10μm的al或/和al2o3粉末作为壳体晶体（2），进行核壳包覆，得到复合粉末；（b）添加β相金属粉末（3）至复合粉末中，混合均匀；（c）加入合金成形剂混合至均匀，将粉末置于模具中并压制成形；（d）将已经压制成形的坯体在真空加热炉内加热至400~600℃，再冷却至室温，得到制作完成的坯体材料；（e）将制作完成的坯体材料制作为球形。本实施例中，对使用上述方法制成直径38.1mm的憋压球进行有限元数模分析，其中所选取的纯镁粉弹性模量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，将使用上述方法制成的憋压球置于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，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溶解的目的。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。