双层结构油气井压裂用压裂球及其制备方法

摘要

本发明公开了一种双层结构油气井压裂用压裂球及其制备方法。该压裂球包括硬质高分子基体和包覆于所述基体上的高弹体材料层。优选的，所述基体主要由高强度耐高温热塑性塑料组成，所述高弹体材料层由各种适用于压裂液环境的高弹体组成。本发明的压裂球可选择比重范围大，加工精度要求低，密封时保压效果良好，且因具有高弹性外层+硬质内核的双层结构，可以提高密封效果，并降低压裂球因局部区域应力集中而损坏的可能性，从而大幅降低井下压裂球失效的情况，并有效提高了多层次压裂配套设备的可靠性，同时该压裂球制备工艺简单，易于控制，成本低廉。

权利要求

1.一种双层结构油气井压裂用压裂球，其特征在于包括硬质高分子基体和包覆于所述基体上的高弹体材料层；

其中，所述基体包含热塑性塑料60wt％～70wt％、增强纤维5wt％～30wt％及空心玻璃珠5wt％～25wt％；

所述热塑性塑料的抗压强度在70MPa以上；

所述增强纤维的直径为1～10μm，弹性模量大于10GPa；

所述空心玻璃珠的直径为1～100μm，密度为0.4～1.0g/cm3；

用于组成所述高弹体材料层的高弹体材料的邵氏A硬度值在70以上；

所述压裂球的密度为1.14g/cm3～1.46g/cm3，抗压强度在27MPa以上，压缩强度不低于

70MPa。

2.根据权利要求1所述的双层结构油气井压裂用压裂球，其特征在于：所述热塑性塑料选自聚酰胺，聚酯，聚醚醚酮，聚丙烯，聚乙烯醇，聚醚醚酮，聚醚砜树脂，聚苯乙烯，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯，聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，乙烯-四氟乙烯共聚物和乙烯-三氟氯乙烯共聚物中的任一种或两种以上的组合。

3.根据权利要求1所述的双层结构油气井压裂用压裂球，其特征在于：所述增强纤维选自碳纤维和/或玻璃纤维。

4.根据权利要求1所述的双层结构油气井压裂用压裂球，其特征在于：所述高弹体材料选自改性天然橡胶、改性丁腈橡胶，改性氢化丁腈橡胶，氟橡胶，改性聚氨酯中的任一种或两种以上的组合。

5.根据权利要求1所述的双层结构油气井压裂用压裂球，其特征在于：所述基体的直径为10mm～146.1mm。

6.根据权利要求1所述的双层结构油气井压裂用压裂球，其特征在于：所述高弹体材料层的厚度为0.1～140mm。

7.根据权利要求1所述的双层结构油气井压裂用压裂球，其特征在于：所述压裂球的抗压强度大于70MPa。

8.权利要求1-7中任一项所述双层结构油气井压裂用压裂球的制备方法，其特征在于包括：将热塑性塑料采用注塑成型工艺制成所述基体；

采用高弹体材料制成球壳型结构；

将所述基体自所述球壳型结构上预留的缝隙处压入所述球壳型结构内，之后对预留缝隙进行封口处理，从而形成所述压裂球。

说明书

双层结构油气井压裂用压裂球及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种密封压裂球，特别是一种双层结构油气井压裂用压裂球及其制备方法，其可应用于油气压裂开采等领域。

背景技术

[0002] 随着油气田开发的不断深入，水平井多层次压裂工艺已经得到广泛应用，压裂球因其在此过程中起到保压作用而成为压裂效果的关键。现有比重在1.3-1.7左右的压裂球多为均质塑料或复合材料质地，若产品圆度偏差大或接触受压不均匀，则在密封时容易产生保压效果差的问题，同时由于受力点附近接触面积小，压裂球的部分位置因应力集中而容易产生先于设计强度破坏的情况。

发明内容

[0003] 本发明的主要目的在于提供一种双层结构油气井压裂用压裂球及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

[0004] 为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

[0005] 一种双层结构油气井压裂用压裂球，其包括硬质高分子基体和包覆于所述基体上的高弹体材料层。

[0006] 较为优选的，所述基体主要由热塑性塑料组成，但不限于此。

[0007] 较为优选的，所述球形基体内分布有增强材料。

[0008] 较为优选的，所述高弹体材料层可以由各种适用于压裂液环境的高弹体组成。

[0009] 本发明的一些实施例之中还提供了一种制备所述双层结构油气井压裂用压裂球的方法，其包括：

[0010] 将热塑性塑料采用注塑成型工艺制成所述基体；

[0011] 采用高弹体材料制成球壳型结构；

[0012] 将球形基体自所述球壳型结构上预留的缝隙处压入所述球壳型结构内，之后对预留缝隙进行封口处理，从而形成所述压裂球。

[0013] 与现有技术相比，本发明的优点包括：提供的双层结构油气井压裂用压裂球比重较小，加工精度要求低，密封时保压效果良好，且因具有高弹性外层+硬质内核的双层结构，不会出现压裂球因局部区域应力集中而损坏的情况，因此可大幅降低井下压裂球失效的情况，并有效提高了多层次压裂配套设备的可靠性，同时，该压裂球制备工艺简单，易于控制，成本低廉。

附图说明

[0014] 图1是本发明一典型实施例中一种双层结构油气井压裂用压裂球的结构示意图；

[0015] 附图标记说明：球形基体1、高弹体材料包覆层2。

具体实施方式

[0016] 下文将对本发明的技术方案作更为详尽的解释说明。但是，应当理解，在本发明范围内，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述[0017] 本发明的一个方面提供了一种双层结构油气井压裂用压裂球，其外层为高弹体材料，能够改进密封及改善因应力集中情况带来的问题。

[0018] 在一些实施方案之中，所述双层结构油气井压裂用压裂球包括硬质高分子基体和包覆于所述基体上的高弹体材料层。

[0019] 请参阅图1，在一典型实施例之中，所述压裂球包括作为核心的硬质高分子球形基体1和作为壳层的高弹体材料包覆层2。

[0020] 优选的，用以组成所述基体的材料包括抗压强度在70MPa以上的热塑性塑料，例如聚丙烯，聚酯，聚酰胺，聚乙烯醇，聚醚醚酮，聚醚砜树脂，聚苯乙烯，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯，聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，乙烯-四氟乙烯共聚物和乙烯-三氟氯乙烯共聚物中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

[0021] 在一些较为优选的实施方案之中，所述基体内还分布有增强材料和/或密度调节材料。

[0022] 进一步的，所述增强材料包括增强纤维如玻璃纤维、碳纤维等或者颗粒状增强材料如空心玻璃珠等。

[0023] 进一步的，所述增强纤维包括碳纤维和/或玻璃纤维。

[0024] 较为优选的，所述基体包含10wt％～60wt％碳纤维和/或玻璃纤维。

[0025] 优选的，所述增强纤维的直径为0.01-50μm，尤其优选为1-10μm，进一步优选为5-8μm。

[0026] 优选的，所述增强纤维的弹性模量大于5GPa，尤其优选大于10GPa。

[0027] 进一步的，所述颗粒状增强材料可选用空心玻璃珠等。

[0028] 进一步的，所述密度调节材料包括空心小球，例如空心玻璃珠。

[0029] 在一些实施例之中，所述基体可以包含：热塑性塑料60wt％～70wt％、增强纤维5wt％～30wt％，空心玻璃珠5wt％～25wt％。

[0030] 优选的，所述空心玻璃珠的直径为0.1-200μm，尤其优选为1-100μm。

[0031] 优选的，所述空心玻璃珠的密度为0.2-1.5g/cm3，进一步优选小于1.4g/cm3，尤其优选为0.4-1.0g/cm3。

[0032] 较为优选的，所述高弹体材料的邵氏A硬度值在70以上，例如可选自通用橡胶或特种橡胶及其改性产物中的一种或两种及以上的组合，更具体的可选自改性天然橡胶，改性丁腈橡胶，改性氢化丁腈橡胶，氟橡胶，改性聚氨酯等，但不限于此。

[0033] 较为优选的，所述基体的直径为10mm～146.1mm。

[0034] 较为优选的，所述高弹体材料层的厚度为0.1mm～140mm。

[0035] 较为优选的，所述压裂球的密度为1.14g/cm3～1.46g/cm3。

[0036] 较为优选的，所述压裂球的抗压强度在27MPa以上，进一步优选大于70MPa。

[0037] 较为优选的，所述压裂球的压缩强度不低于70MPa。

[0038] 本发明的另一个方面提供了一种制备所述双层结构油气井压裂用压裂球的方法，其包括：

[0039] 将热塑性塑料采用注塑成型工艺制成所述基体；

[0040] 采用高弹体材料制成球壳型结构；

[0041] 将球形基体自所述球壳型结构上预留的缝隙处压入所述球壳型结构内，之后对预留缝隙进行封口处理，从而形成所述压裂球。

[0042] 较为优选的，所述制备方法包括：

[0043] 将作为基材的尼龙6/6、聚醚醚酮(PEEK)等材料与碳纤维、玻璃纤维等充分混匀后，采用注塑成型，特别是高压注塑成型的方法制成球形基体；

[0044] 采用改性氢化丁腈橡胶、氟橡胶等高弹体材料制成球壳；

[0045] 将球形基体自所述球壳上预留的缝隙处压入球壳内，之后对预留缝隙进行封口处理，从而形成所述压裂球。

[0046] 以下结合若干实施例对本发明的技术方案作更为具体的解释说明。

[0047] 实施例1：

[0048] 本实施例的压裂球包括圆球形尼龙6/6基体，所述圆球形尼龙6/6基体内分布有碳纤维(直径1-10μm，强度5-10GPa)，且所述圆球形尼龙6/6基体上包裹有拉伸弹性模量在30MPa左右的改性氢化丁腈橡胶层。所述圆球形尼龙6/6基体的直径约44.45mm，所述改性氢化丁腈橡胶层的厚度约3mm。

[0049] 进一步的，所述圆球形尼龙6/6基体包含(以wt％计)：尼龙90％，碳纤维10％。

[0050] 进一步的，所述圆球形尼龙6/6基体的成型收缩率约为0.05％-0.2％。

[0051] 本实施例的压裂球的比重约1.14，抗压强度约230MPa。

[0052] 本实施例的圆球形尼龙6/6基体可通过注塑工艺制备，注塑工艺参数为：注塑加工温度280℃～310℃，压力120MPa～140MPa，模温70℃～120℃。

[0053] 而改性氢化丁腈橡胶层可通过常规工艺制成球壳，且在该球壳上可预留缝隙。

[0054] 之后，可以将圆球形尼龙6/6基体自该缝隙压入该球壳中，之后对该缝隙进行封口处理，形成所述压裂球。

[0055] 当应用本实施例的压裂球进行压裂测试时，可以发现，该压裂球可用于温度不高于135℃除强酸碱外的大多数化学环境，适用的压裂液密度范围为不高于1.14g/cm3，可达成至少90MPa的井下保压。

[0056] 实施例2：

[0057] 本实施例的压裂球包括圆球形聚醚醚酮基体，所述圆球形聚醚醚酮基体内分布有长度约11mm、直径约7-13μm的长玻璃纤维。且所述圆球形聚醚醚酮基体上包裹有氟橡胶层。所述圆球形聚醚醚酮基体的直径约44.45mm，所述氟橡胶层的厚度约3mm。

[0058] 进一步的，所述聚醚醚酮基体包含(以wt％计)：聚醚醚酮60％，长玻璃纤维40％。

[0059] 本实施例的压裂球的比重约1.40，抗压强度约270MPa。

[0060] 本实施例压裂球可参考实施例1的工艺制备。

[0061] 实施例3：

[0062] 本实施例与实施例1的不同之处在于，基体内还包含有16wt％的空心玻璃珠(直径约12-48μm，密度约0.6g/cm3)，高弹体材料层采用天然橡胶构成。

[0063] 本实施例的压裂球的比重约1.14，抗压强度约230MPa。

[0064] 本实施例压裂球可参考实施例1的工艺制备。

[0065] 实施例4：

[0066] 本实施例与实施例2的不同之处在于，基体主要采用PDVF成，其中还包含有23wt％的空心玻璃珠(直径约8-24μm，密度约0.6g/cm3)，高弹体材料层采用硬度约80HA的聚氨酯构成。

[0067] 本实施例的压裂球的比重约1.18，抗压强度约100MPa。

[0068] 本实施例压裂球可参考实施例1的工艺制备。

[0069] 此外，本案发明人还利用前文所列出的其它原料以及其它工艺条件等替代实施例1-4中的相应原料及工艺条件进行了类似试验，所获压裂球的抗压强度均在100MPa以上，密度均在1.0g/cm3左右，这些压裂球基本都能够耐受温度在120℃以上除强酸碱等外的大部分化学环境。

[0070] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。