非常规油气压裂球的研制及分析
Outline:
张磊
,
彭志刚
,
余金陵
,
徐鑫
,
李国峰
胜利石油管理局钻井工艺研究院 胜利石油管理局完井重点实验室
收稿日期：2012-05-04
基金项目：国家科技重大专项“低渗油气田完井关键技术”(2008ZX05022-006)
作者简介：张磊(1974-)，男，博士，2009年毕业于中国石油大学石油化工专业，现从事石油工程、完井工艺及工具的研究工作。电话：0546-8771563。地址：(257017)山东省东营市胜利石油管理局钻井工艺研究院胜利石油管理局完井重点实验室。E-mail:
zhanglei16888888@163.com.
摘要：压裂技术是开发非常规油气资源的核心技术，而压裂球的质量又决定该技术的成败。以碳纤维(CF)和聚醚芳酮(PEAK)为原料，采用挤出造粒的方法制备了高性能PEAK/CF复合材料压裂球，并对其微观形貌、热性能及力学性能进行了研究。结果表明，CF与PEAK结合紧密，当CF质量分数约为25%时，PEAK/CF复合材料的热分解温度大于500 ℃，拉伸强度、剪切强度及弯曲强度的力学性能良好。
Preparation and structure analysis of unconventional oil-gas fracturing ball
Outline:
Zhang Lei
,
Peng Zhigang
,
Yu Jinling
,
Xu Xin
,
Li Guofeng
Shengli Petroleum Administration Drilling Technology Research Institute, Shengli Petroleum Administration Completion Engineering Key Laboratory, Dongying 257017, Shandong, China
Abstract: Fracturing technology is the core technology in development of unconventional resources, and the quality of fracturing ball determines the technical success or failure. The high performance PEAK/Carbon fiber (CF) composite was prepared by extrusion pelletization with the raw material of carbon fiber (CF) and pure PEAK, and the micro-morphology, thermal performance and mechanics property of the composite were studied. The results indicated that the combination of CF and PEAK was tight.When the mass fraction of CF was about 25%, the thermal decomposition temperature of PEAK/CF composite is above 500℃, and the tensile strength, shear strength and flexural strength of the composite were very good.
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，而压裂技术是开发非常规油气资源的核心技术。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，有必要对合成其材料进行研究，以保证非常规资源的合理开发及利用[1-5]。
聚芳醚酮(PEAK)是一类亚苯基环通过醚键和羰基连接而成的聚合物。聚芳醚酮分子结构中含有刚性的苯环，因此具有优良的高温性能、力学性能、电绝缘性、耐辐射和耐化学药品性等特点。聚芳醚酮分子结构中的醚键又使其具有柔性，因此可以用热塑性工程塑料的加工方法进行成型加工。因此，非常适合用做非常规油气开采的压裂球材质。
1 实验部分
1.1 主要原材料
PEAK：灰色粒料，英国ICI公司；CF：安徽鑫丰碳纤维研究设计院。
1.2 主要设备、仪器
双螺杆挤出机：SJK-110型，莱州龙泉化工塑料机械厂；扫描电子显微镜(SEM)：SS-550型，日本岛津公司；电子万能试验机：CSS-44200型，长春试验机研究所；差示扫描量热(DSC)分析及热失重(TG)分析联用仪：Q10000DSC + LNCS + FACSQ600SDT型，美国TA公司。
1.3 试样制备
PEAK/CF复合材料试样的制备：将干燥的PEAK与CF按照设定的工艺参数在清洗好的料筒中进行挤出、造粒，然后注塑成标准试样。
1.4 性能测试
剪切性能按GB/T 3352-1994《人造石英晶体》测试；拉伸性能按GB/T 3354-1999《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》测试；弯曲性能按GB/T 9341-2008《塑料弯曲性能的测定》测试。
2 结果与讨论
2.1 力学性能
图 1为CF质量分数对PEAK/CF复合材料拉伸强度的影响。从图 1可以发现，随着CF质量分数的增加，复合材料的拉伸强度先增加后减小。当CF质量分数约20%时，复合材料的拉伸强度达到最大值(150 MPa)，对实验点的数据进行拟合。拟合的结果表明，当CF质量分数约为25%时，复合材料的拉伸强度达到最大值。
图 2为CF质量分数对PEAK/CF复合材料剪切强度的影响。从图 2可以看出，随着CF质量分数的增加，复合材料的剪切强度先逐渐增大。当CF质量分数为20%时，复合材料的剪切强度达到最大值(120 MPa)。对实验点的数据进行拟合。拟合的结果表明，当CF质量分数约为25%时，复合材料的剪切强度达到最大值。
图 3为CF质量分数对PEAK/CF复合材料弯曲强度的影响。从图 3可以发现，随着CF质量分数的增加，复合材料的弯曲强度先增大后减小。当CF质量分数为20%时，复合材料的弯曲强度达到最大值(150 MPa)。对实验点的数据进行拟合。拟合的结果表明，当CF质量分数约为25%时，复合材料的弯曲强度达到最大值。
2.2 微观结构
图 4为扫描电镜对PEAK/CF复合材料试样断面的SEM照片(CF质量分数为25%)。由图 4可以看出，CF排列整齐，断裂规整，在断裂处出现很多皱褶，PEAK基体中未出现气孔。这说明CF与PEAK结合紧密，在外力作用下不容易断裂，因而较大幅度地提高了复合材料的力学性能。
2.3 热性能
图 5和图 6为PEAK/CF复合材料在不同介质条件下的TGA曲线(CF质量分数为25%)。
从图 5可以发现，在空气中热分解现象发生在582~590 ℃，从图 6可以发现，在氮气中热分解现象发生在569~600 ℃。无论在空气还是氮气中，热分解温度都在500 ℃以上，说明PEAK/CF复合材料热稳定性能是比较高的。
2.4 压裂球承压试验
将不同型号的压裂球进行承压性能试验，试验按1.4节所述标准进行，结果见表 1。
表 1
表 1 不同型号的压裂球承压试验
Table 1 Bearing test of different types of fracturing ball
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表 1 不同型号的压裂球承压试验
Table 1 Bearing test of different types of fracturing ball
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从表 1可看出，4号的承压性能优于其他型号。
4 结论
(1) 当CF质量分数为25%时，PEAK/CF复合材料的力学性能良好。
(2) 微观结构分析显示PEAK/CF复合材料中两相结合紧密。
(3) TGA分析显示PEAK/CF复合材料热性能稳定。
(4) 制得的PEAK/CF复合材料适合在高温高压的环境下使用。
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Francisco M, Gaitonde V N, Karnik S R. Influence of cutting condition on machinability aspects of PEEK, PEEK CF 30 and PEEKGF 30 composites using PCD tools[J]. J Mater Process Tech, 2009, 209(4): 1980-1987. DOI:10.1016/j.jmatprotec.2008.04.060 |
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2013, Vol. 42