高效承压智能堵漏复合材料的制备与性能研究

摘要

钻井防漏堵漏的成功率直接取决于堵漏材料的性能。发生恶性井漏时,由于传统的堵漏材料堵漏强度低、在裂缝中的流动阻力小、易被流体冲走,很难起到良好的堵漏效果,而造成堵漏失败。研究温控型智能堵漏材料将是解决这一难题的重要途径之一。论文建立了以形状记忆合金为感知、驱动、执行元件,利用记忆合金丝的相互搭接、缠绕,以水泥等材料控制外形的智能堵漏材料模型,并对形状记忆合金进行热处理,确定了合适的热处理工艺;探讨不同的制备工艺,并制备了不同性能的智能堵漏材料;对制备的智能堵漏材料进行性能测试。
　　 对NiTi形状记忆合金进行不同的热处理,研究结果表明:冷水淬火介质下,形状记忆合金的回复率随着热处理温度的升高而增加,当热处理温度为500℃时,形状记忆合金的形状回复率最大,当热处理温度超过500℃时,形状记忆合金的形状回复率随着热处理温度的升高而减小;回复率随着保温时间的增加而逐渐减小,得出最合理的热处理工艺为:热处理温度为500℃,保温时间为10min,淬火介质为冷水。
　　 对弹簧的伸长率进行研究确定了直径与螺距。研究结果表明:当弹簧的直径为1.4mm,且弹簧螺距为2.5mm时,弹簧的伸长率为99.2％;当弹簧直径为1.6mm,且弹簧螺距为2.0mm时,弹簧的伸长率为100％。
　　 通过研究不同的制备工艺制备了不同性能的智能堵漏材料。研究结果表明:填充膨润土的智能堵漏材料制备方法是,将膨润土加水填充到弹簧中,喷洒粘结剂后在水泥基材料中滚动成球,且在膨润土中分别添加5％、10％、15％、20％的碳酸钠制备了最小粒径为2.8.3.1mm的智能堵漏材料;填充吸水树脂的智能堵漏材料的制备方法,把膨胀率为1％的吸水树脂填充到制备好的螺旋状的弹簧中,喷洒粘结剂后滚动成球,最后喷洒适量的2.5％碳酸钠溶液或11.76％硫酸铝溶液养护,成球率分别为95％、95％;或者把溶于四氯化碳的石蜡溶液喷洒到复合体上,待其四氯化碳挥发后滚动成球(成球率为93％);将膨胀率为1％的吸水树脂填充到制备好的螺旋状的弹簧中后放置30min,滚动成球,喷洒适量的2.5％碳酸钠溶液或11.76％硫酸铝溶液养护,成球率为97％;将吸水树脂制成0.2mm粒径的颗粒状,与膨润土混合后用聚乙二醇400拌合成具有塑性的混合物,填充到制备好的螺旋状的弹簧中滚动成球,喷洒2.5％碳酸钠溶液或11.76％硫酸铝溶液养护,成球率为94％。
　　 对制备的智能堵漏材料进行了性能测试,结果表明:制备的智能堵漏材料具有一定的强度,把制备的不同性能的智能堵漏材料放到60转/s的转速下搅拌,智能堵漏材料能够良好的分散且不破裂;封堵2mm和4mm裂缝时,含填充膨润土的智能堵漏材料8％的堵漏配方承压能力分别是不含智能堵漏材料的7.9倍、7.1倍,是常温含智能堵漏材料8％的堵漏配方的8.9倍、8.2倍;含智能堵漏材料12％的堵漏配方承压能力是不含智能堵漏材料的8.4倍、7.5倍,是常温含智能堵漏材料12％的堵漏配方的8.1倍、6.8倍,达30MPa以上。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 堵漏材料的发展

1.1.1 国内堵漏材料研究现状

1.1.2 国外堵漏材料研究现状

1.1.3 堵漏材料的发展趋势

1.2 智能材料的发展及其种类

1.2.1 智能材料的发展和种类

1.2.2 智能材料的选择

1.3 形状记忆合金的研究状况与应用

1.3.1 形状记忆合金的研究现状

1.3.2 形状记忆合金的种类及应用

1.4 本文的研究目的和研究内容

1.4.1 本文的研究背景

1.4.2 研究的目的与意义

1.4.3 研究的主要内容

第二章 水泥基智能堵漏材料的设计

2.1 水泥基智能堵漏材料模型的建立

2.2 可行性分析

2.2.1 形状记忆合金相变点的测定

2.2.2 形状记忆合金回复力的计算

2.3 智能堵漏材料堵漏的基本原理

第三章 形状记忆合金的热处理

3.1 实验药品及仪器

3.1.1 实验药品、原料

3.1.2 实验仪器

3.2 形状记忆合金的热处理

3.2.1 形状记忆合金的热处理工艺

3.2.2 形状记忆合金记忆效应的测定

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 热处理温度与回复率的关系

3.3.2 淬火介质与回复率的关系

3.3.3 保温时间对形状记忆合金形状回复率的影响

3.3.4 循环次数对形状记忆合金形状回复率的影响

3.4 形状记忆合金的微观机制

3.4.1 不同的热处理温度下记忆合金的微观机制

3.4.2 不同的淬火介质下形状记忆合金的微观机制

3.4.3 不同保温时间形状记忆合金的微观机制

3.5 本章小结

第四章 水泥基智能堵漏材料的制备

4.1 实验药品及仪器

4.1.1 实验药品及原料

4.1.2 实验仪器

4.2 弹簧的制作及其直径、螺距的确定

4.3 水泥基智能堵漏材料的制备工艺

4.3.1 填充膨润土的智能堵漏复合材料的制备

4.3.2 填充吸水树脂的智能堵漏复合材料的制备

4.4 本章小结

第五章 填充膨润土智能堵漏材料的性能

5.1 实验仪器

5.2 智能堵漏材料的性能

5.2.1 碳酸根离子的溶出量对堵漏浆液凝固时间的影响

5.2.2 填充膨润土的智能堵漏材料的筒压强度

5.2.3 智能堵漏材料对外界环境的响应速度

5.2.4 智能堵漏材料中形状记忆合金的伸长率

5.2.5 智能堵漏材料的堵漏性能

5.3 智能堵漏材料的堵漏机理

5.4 本章小结

第六章 填充吸水树脂的智能堵漏材料性能

6.1 实验仪器

6.2 智能堵漏材料性能

6.2.1 智能堵漏材料的筒压强度

6.2.2 智能堵漏材料对外界环境的响应速度

6.2.3 智能堵漏材料的室内模拟

6.3 智能堵漏材料的堵漏机理

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 今后需要解决的问题

7.3 展望

参考文献

致谢

附录

一、在校期间发表的学术论文

二、在校期间参加的项目

三、在校期间获奖情况