非常规油气压裂球的研制及分析.pdf

第 4 2 卷第 2期 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF 0I L 8 乙GAS 1 6 5 非常规油气 压 裂球 的研 制及分析 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 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 C F 和 聚 醚芳 酮 P E AK 为原 料 ， 采 用挤 出造 粒 的方 法 制备 了高性 能 P E AK／ C F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 ，C F与 P E AK 结合 紧 密 ， 当 C F质 量分数 约 为 2 5 ％ 时 ， P E AK／ C F复合 材 料 的热 分解 温度 大 于 5 0 0。 C， 拉 伸 强度 、 剪 切 强度 及 弯 曲强度 的 力学性 能 良好 。 关键 词 非 常规 油 气 聚 醚 芳酮 热 性 能 力学性 能 中图分类 号 TE 3 5 7 ． 1 2 文献 标 志码 A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 1 5 Pr e p a r a t i o n a n d s t r u c t u r e a na l y s i s o f u nc o nv e nt i o na l o i l g a s f r a c t u r i ng b a l l Zha ng Le i ，Pe n g Zhi g a ng，Yu J i nl i ng，Xu Xi n，Li Gu o f e ng S h e n gl i Pe t r o l e u m Admi n i s t r a t i o n Dr i l l i n g Te c h n o l o gy Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Sh e n gl i Pe t r o l e um Adm i n i s t r a t i o n Co m pl e t i o n En gi ne e r i ng Ke y La b o r a t o r y， Do n gyi n g 2 5 7 01 7，Sha ndo n g， Chi n a Ab s t r a c t Fr a c t ur i ng t e c hn ol o gy i s t h e c o r e t e c hno l og y i n de v e l o pme nt o f un c o nv e n t i o na l r e s o ur c e s，a nd t he q u a l i t y of f r a c t ur i ng ba l l d e t e r mi ne s t he t e c h ni c a l s uc c e s s or f a i l ur e ． The hi g h p e r f o r ma n c e PEAK／ Ca r b o n f i b e r CFc o mp o s i t e wa s p r e p a r e d b y e x t r u s i o n p e l l e t i z a t i o n wi t h t h e r a w ma t e r i a l o f c a r b o n f i b e r C Fa n d p u r e PEAK，a n d t h e mi c r o mo r p h o l o g y，t h e r ma l p e r f o r m a nc e a nd me c h a ni c s p r op e r t y of t he c ompo s i t e we r e s t ud i e d ． The r e s ul t s i nd i c a t e d t ha t t h e c om b i na t i o n of CF a n d PEAK wa s t i g ht ． W he n t he ma s s f r a c t i o n of CF wa s a bo u t 25 ，t he t he r rea l d e c o mp o s i t i o n t e mp e r a t u r e o f P EAK／ CF c o mp o s i t e i s a b o v e 5 0 0 ℃ ，a n d t h e t e n s i l e s t r e n g t h， s he a r s t r e ng t h a nd f l e x ur a l s t r e n gt h o f t he c o m p o s i t e we r e v e r y g oo d． Ke y wo r d su nc o nv e nt i on a 1 o i l ga s，PEA K ，t he r mal pe r f or ma nc e，m e c ha ni c a l p r op e r t y 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 。 聚芳 醚 酮 P E AK 是 ～类 亚 苯基 环 通 过 醚键 和 基金项 目 国家科技 重大专项“ 低 渗油气 田完井关键技术 ” 2 O 0 8 Z X O 5 O 2 2 0 0 6 。 作者 简介 张磊 1 9 7 4 一 ， 男 ， 博 士 ， 2 0 0 9 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 0 5 4 6 8 7 7 1 5 6 3 。地址 2 5 7 0 1 7 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- ma i l z h a n g l e i 1 6 8 8 8 8 8 8 1 6 3 ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张磊 等非 常规油气压裂球 的研制及分析 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 P E AK 灰 色粒 料 ， 英 国 I C I 公 司 ； C F 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 S J K l l 0型 ， 莱州龙泉化工塑料 机 械 厂 ； 扫 描 电子显微 镜 S E M S S - 5 5 0型 ， 日本 岛 津 公 司 ； 电子 万 能 试 验 机 C S S 一 4 4 2 0 0型 ， 长 春 试 验 机研究所 ； 差示扫描量热 DS C 分析及热失重 T G 分析联用仪 Q1 0 0 0 0 DS C L NC S F AC S Q6 0 0 S DT型 ， 美 国 T A 公 司 。 1 ． 3试样 制 备 P E AK／ c F复 合 材料 试 样 的制 备 将 干燥 的 P E AK与 C F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 3 3 5 2 1 9 9 4 人 造 石 英 晶 体 测试 ； 拉 伸性 能 按 GB ／ T 3 3 5 4 1 9 9 9 定 向纤 维 增 强 塑 料 拉 伸 性 能 试 验 方 法 i 贝 4 试 ； 弯 曲 性 能 按 GB ／ T 9 3 4 1 2 O O 8 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 C F质 量分 数对 P E AK／ C F复 合材 料 拉 伸强 度 的影 响 。从 图 1可 以发 现 ， 随 着 C F质 量 分 数 的增加 ， 复合材料的拉伸强度先增 加后减小。当 C F质量分数约 2 0 时 ， 复合材料 的拉伸强度达到 最大值 1 5 O MP a ， 对 实验点 的数据进行拟合。拟 合 的结果 表 明 ， 当 C F质量 分数 约为 2 5 时 ， 复合材 料的拉伸强度达到最大值 。 图 2为 C F质量 分数对 P E AK／ C F复合 材料 剪 切强 度 的影 响 。从 图 2可 以 看 出 ， 随 着 C F质 量 分 数的增加， 复合材料的剪切强度先逐渐增大。当 C F 质 量分 数为 2 0 时 ， 复合 材料 的 剪切 强 度 达 到最 大 值 1 2 0 MP a 。对实验点的数据进行拟合 。拟合的 结果表 明 ， 当 C F质 量分 数约 为 2 5 时 ， 复 合材 料 的 剪切强 度达 到最 大值 。 要 暇 誊 C F 质 量分数 ／ ％ 图1 c F 含量对P E A K ／ C F 复合材料拉伸强度的影响 Fig． 1 Eff ec t o f CF c on t en t on t en s i l e s t r en g t h o f PE AK ／ CF c o mp o s it e ma t e r ia ls 霎 {1 ； 1 钕 l CF 质 量分 数 ／ ％ 图2 O F 含量对P E A K ／ O F 复合材料剪切强度的影响 F i g． 2 Eff ec t o f CF c on t en t on s he ar s t r en g t h o f PE A K／ OF c o mp o s i t e ma t e r i a l s 图 3为 C F质量分数对 P E AK／ c F复合材料弯 曲强 度 的影 响 。从 图 3可 以发 现 ， 随 着 C F质 量 分 数 的增加 ， 复合 材 料 的 弯 曲强 度 先 增 大后 减 小 。当 C F质量分数为 2 O 9 ／ 5 时 ， 复合材料 的弯 曲强度达 到 最 大值 1 5 0 MP a 。对 实验 点 的数 据进 行拟 合 。拟 合 的结果 表 明 ， 当 C F质量 分数 约为 2 5 时 ， 复合 材 料 的弯 曲强度 达到 最大值 。 姥 { 姐 协 C F 质量分数／ ％ 图3 c F 含量对P E A K ／ 0 F 复合材料弯曲强度的影响 Fig． 3 Eff ec t o f CF c on t en t o n b en din g s t r en g t h o f P E AK ／ CF c o mp o s it e ma t e r i a l s 2 ． 2微观 结构 图 4为 扫描 电镜对 P E AK／ C F复合材 料试 样断 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 2卷第 2期 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L 8 乙GAS 1 6 7 面 的 S E M 照片 C F质 量分 数 为 2 5 。 由图 4可 以看 出， C F排列整齐， 断裂规整 ， 在断裂处 出现很多 皱褶 ， P E AK 基 体 中未 出 现气 孔。这说 明 C F与 P E AK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。 图4 P E A K ／ C F 复合材 料试样断面的S E M 照片 Fi g．4 SEM p h ot o s o f PEAK／ CF c omp os it e s amp l e se c t i on 2 ． 3热 性能 图 5和图 6为 P E AK／ C F复合材料在不 同介质 条件 下 的 TGA 曲线 C F质量 分 数为 2 5 。 1 0 0 8 0 芝 6 0 黼 4 0 2 0 0 5 8 2 ．0 4 32 5 9 0 ． 7 9℃ ＼3 2 ． 6 4 ％ 。 ＼ 1 2 3 ra g I 9 7 ． 4 4 ％ ＼ 1 5 ． 3 0 m g ． 温度／ ℃ 图5 样品在空气下的T G A Fi g． 5 TGA i n ai r 温度 ／ ℃ 图6 样品在氮气下的T G A Fi g ． 6 TGA i n n i t r o ge n 从 图 5可以发 现， 在空气 中热分解 现象发生在 5 8 2 ～5 9 0 ℃ ， 从 图 6可 以发 现 ， 在 氮 气 中热 分 解 现 象发生在 5 6 9 ～6 O O℃。无论在空气还是氮气 中， 热 分解温度都在 5 0 0℃以上 ， 说 明 P E AK／ C F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 不 同型 号的压裂球承压试验 Ta bl e 1 Be ar i n g t es t of di ff er en t t y pes o f f r a c t u r i n g b a 从 表 1可看 出 ， 4 号 的承压性 能 优 于其他 型号 。 4 结 论 1 当 C F质量分数为 2 5 时， P E AK／ C F复合 材料 的力 学 性能 良好 。 2 微观结构分析显示 P E AK／ C F复合材料中 两相结合紧密。 3 TG A 分 析 显 示 P E AK／ C F复 合 材 料 热 性 能稳 定 。 4 制得的 P E AK／ C F复合材料适合在高温高 压 的环境 下使 用 。 参 考 文 献 [ 1 ]F r a n c i s c o M，Ga i t o n d e V N， Ka r n i k S R．I n f l u e n c e o f c u t t i n g c o n d i t i o n o n ma c h i na b i l i t y a s p e c t s o f PEEK ，PEEK CF 3 0 a nd P EE KGF 3 0 c o mp o s i t e s u s i n g P C D t o o l s [ J ] ．J Ma t e r P r o c e s s Te c h， 2 0 09 ，2 0 9 4 1 9 8 0 1 9 87 ． E z ]钟 明强 ，益小苏．短碳纤 维增强注塑 聚醚醚酮 复合材 料微观结 构与力学性能研究[ J ] ． 复合材料学报 ，2 0 0 2 ，1 9 1 1 2 1 6 ． [ 3 ]刘畅 ，宁志刚 ， 徐昆 ， 等．羧 甲基纤维素钠及丙烯酰 胺二元共 聚 物的制备及性能 [ J ] ．石 油 与天 然气 化工 ， 2 0 1 0 ，3 9 3 2 3 0 2 3 3 ． [ 4 ]谭佳 ，江朝天 ， 孙勇 ，等．压裂用 有机硼交 联剂 GC Y- 1的研究 l- J ] ．石油与天然气化工 ， 2 0 1 0 ， 3 9 6 2 1 8 2 2 1 ． [ 5 ]彭刚．耐 高温 两性 离 子黏 土稳 定 剂 T TA 的制 备 及性 能 评价 [ J ] ．石油与天然气化工 ， 2 0 1 0 ， 3 9 3 2 3 8 2 4 1 ． 收稿 日 期 2 0 1 2 0 5 0 4 ； 编辑 冯学 军 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m