基本信息
- 項目名稱：
- NiTi記憶合金水泥基智能堵漏材料的制備方法研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本研究是在發(fā)明專利《水泥基智能堵漏材料及其制備方法》的基礎上提出來的，具有堅實的理論基礎和可行性；本研究提出以形狀記憶合金為感知、驅動、執(zhí)行元件，利用合金絲之間的相互搭接、纏繞，以水泥等膠凝材料控制外形而制備溫控型智能堵漏材料，并首次將形狀記憶合金引入到復合堵漏材料體系中，針對不同的漏失制備出了不同性能和粒徑的智能堵漏材料。
- 詳細介紹：
- 井漏是鉆井過程中普遍存在的問題，而且可能造成井塌、卡鉆、井噴等其它井下復雜情況和重大事故，對鉆井工作危害極大，甚至導致井眼報廢，造成巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計，全世界井漏發(fā)生率占鉆井總數(shù)的20%-25%，而井漏的處理是石油鉆井中的難點，特別是復雜井漏問題尤為棘手。惡性井漏損失占井漏總損失的50%以上，且堵漏很難成功，因此急需加強惡性堵漏的防治研究。鉆井用堵漏材料是鉆井防漏過程中必不可少的一種材料，鉆井防漏堵漏的成功率直接取決于堵漏材料性能的優(yōu)劣。因此，對堵漏材料的研究具有非常重要的意義。 本研究是在發(fā)明專利《水泥基智能堵漏材料及其制備方法》的基礎上提出來的，通過對國內外堵漏材料的研究分析，并對各類形狀記憶合金特性的分析和比較，選擇了絲狀NiTi形狀記憶合金作為研究對象，用NiTi形狀記憶合金來制備本論文所研制的水泥基智能堵漏材料。根據(jù)絲狀形狀記憶合金的工作機理、變形規(guī)律、組合方式等設計了該種堵漏材料的結構模型，并確定其堵漏原理。 首先，通過對NiTi形狀記憶合金進行不同的熱處理工藝，研究不同的熱處理過程對其形變性能的影響；對NiTi形狀記憶合金絲進行高溫直線定型，不同淬火介質淬火，并用角度儀測定了其形狀回復率，研究淬火介質和訓練次數(shù)對其形狀記憶效應的影響。研究結果表明：形狀記憶合金的回復率隨著熱處理溫度的升高而增大，當熱處理溫度為500℃時，記憶合金的回復率最大； 其次，將絲狀NiTi形狀記憶合金制成彈簧狀，確定彈簧的直徑和螺距，采用滾動成球法制備不同粒徑的智能堵漏材料。由智能堵漏材料的制備過程，找到控制其粒徑和密度的方法。研究結果表明：隨著彈簧的直徑增大，彈簧的伸長率逐漸增大。小的形變量雖然不能使彈性大幅度上升，但是也可以使母相在一定程度上得到強化，只是強化的力度很小，只能使彈性小幅度的增加。因此確定彈簧的直徑為1.4mm，螺距為2.5mm或者是直徑1.6mm，螺距2.0mm。 最后，對制備的水泥基智能堵漏材料進行了相關的性能測試。通過測試智能堵漏材料的筒壓強度，保證制備的智能堵漏材料在儲存、運輸、使用過程中不破裂；測定了水泥基智能堵漏材料對外界環(huán)境的響應速度。研究結果表明：隨著碳酸鈉含量的增加，智能堵漏材料的筒壓強度逐漸增大。在相同溫度下，隨著智能堵漏材料粒徑的減小，智能堵漏材料開始發(fā)生形變和完全形變的時間有減小的趨勢，隨著粒徑的的減小，外層的厚度增大，水化產(chǎn)生的強度增加，因此粒徑越小，開始發(fā)生形變和完全變形的時間越短。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 研究新型溫控智能堵漏材料來解決傳統(tǒng)堵漏材料不能有效封堵惡性漏失問題，以提升鉆井技術，實現(xiàn)優(yōu)質、高產(chǎn)、低消耗和安全生產(chǎn)；對堵漏方法及工藝技術進行優(yōu)化設計，使堵漏材料和堵漏技術走上仿生之路?；舅悸肥抢弥悄懿牧夏芨兄車h(huán)境變化并能對此做出適當反應的特點，提出以形狀記憶合金為感知、驅動、執(zhí)行元件，利用合金絲之間的相互搭接、纏繞，以水泥等膠凝材料控制外形而制備溫控型智能堵漏材料。
科學性、先進性及獨特之處
- 本研究是在發(fā)明專利《水泥基智能堵漏材料及其制備方法》的基礎上提出來的，具有堅實的理論基礎和可行性；本研究提出以形狀記憶合金為感知、驅動、執(zhí)行元件，利用合金絲之間的相互搭接、纏繞，以水泥等膠凝材料控制外形而制備溫控型智能堵漏材料，首次將形狀記憶合金引入到復合堵漏材料體系，并針對不同的漏失制備出了不同性能和粒徑的智能堵漏材料。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 本研究制備的智能堵漏材料適用于不同溫度的漏失層，并通過調整該智能材料的粒徑分布，適用于不同尺寸的裂縫、孔隙等形狀的漏失；該堵漏材料通過自身的膨脹、擠壓變形堵塞孔隙，降低封堵滲透率，提高了堵漏效率和封堵強度，減少了堵漏材料的漏失，綜合成本降低，因此該種智能堵漏材料具有廣闊的應用前景，并且為研制開發(fā)新型的堵漏材料提供了堅強的理論基礎，對堵漏工藝技術的發(fā)展有著重大的理論指導意義。
學術論文摘要
- 鉆井防漏堵漏的成功率直接取決于堵漏材料的性能。發(fā)生惡性井漏時，由于傳統(tǒng)的堵漏材料堵漏強度低、在裂縫中的流動阻力小、易被流體沖走，很難起到良好的堵漏效果。論文建立了智能堵漏材料模型，并對形狀記憶合金進行熱處理，確定了合適的熱處理工藝；探討不同的制備工藝，并制備了不同性能的智能堵漏材料，且對制備的智能堵漏材料進行了性能測試。 對NiTi形狀記憶合金進行不同的熱處理，研究結果表明：形狀記憶合金的回復率隨著熱處理溫度的升高而增大，當熱處理溫度為500℃時，合金的回復率最大；隨著彈簧的直徑增大，彈簧的伸長率逐漸增大。確定彈簧的直徑為1.4mm，螺距為2.5mm或者是直徑1.6mm，螺距2.0mm。 對NiTi形狀記憶合金進行筒壓強度測試，研究結果表明：隨著碳酸鈉含量的增加，智能堵漏材料的筒壓強度逐漸增大。 智能堵漏材料漏失量的測定表明：在較大的裂縫下，骨架材料結構作用更加突出，溫控型智能堵漏材料與其他材料配伍良好。模擬裂縫的直徑2mm時的堵漏性能發(fā)現(xiàn)：當堵漏材料配方中含有4%、8%的智能型堵漏材料時，該復合堵漏材料具有良好的堵漏性能，堵漏材料的漏失量顯著降低，極大的提高了最終承壓能力。
獲獎情況
- 相關文章《Research on the cement-based smart lost-circulation control material with Ti-Ni SMA》已被Advanced Materials Research 收錄，發(fā)表于Vols. 123-125(2010)pp 1015-1018
鑒定結果
- 無
參考文獻
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同類課題研究水平概述
- 井漏是鉆井過程中普遍存在的問題，而且可能造成井塌、卡鉆、井噴等其它重大事故，造成巨大的經(jīng)濟損失。鉆井防漏堵漏的成功率直接取決于堵漏材料性能的優(yōu)劣。因此，對堵漏材料的研究具有非常重要的意義。 我國從60年代開始對堵漏材料進行了一些基礎性研究。這時期由于對漏失層性質認識不足和堵漏材料的局限性，主要采用橋接堵漏材料和軟硬塞堵漏材料。這類堵漏材料有核桃殼、鋸末、亞麻纖維、云母片、柴油膨潤土漿、剪切稠化液等。在不同的堵漏方法下，以上幾類堵漏材料可以解決由孔隙和裂縫造成的部分漏失和失返漏失，但是一些復雜的漏失不能很好的解決。因此，各種化學堵劑、高失水堵劑等新型堵劑應運而生，提高了處理井漏的成功率。這類材料包括滲濾性材料、纖維狀材料、樹脂堵漏劑等，這幾類堵漏材料應用到滲透性漏失和裂縫性漏失中能夠起到很好的封堵作用。但是，這些常規(guī)的堵漏材料對溶洞性等惡性漏失不能起到很好的封堵作用。所以，90年代以后人們更加注重的是堵漏材料產(chǎn)品的系列化，由單一的堵漏材料研制復合型堵漏材料，提高了堵漏成功效率。這一階段研制的復合型堵漏材料有酸溶性高失水暫堵劑、單向壓力封閉劑等。 國外已經(jīng)開發(fā)應用了各種常規(guī)的堵漏材料和新型堵漏材料。先后應用天然植物、天然礦物、化學堵漏劑對不同的漏失層堵漏。特別是前蘇聯(lián)開發(fā)了脲醛樹脂、酚醛樹脂等為基礎的堵漏劑系列，丙烯類聚合物堵漏劑系列，低聚有機硅氧烷等與纖維填料組成的各具特殊性能的堵漏劑。近幾年來國外又發(fā)展了各具特色的熱溶橡膠堵漏劑、膨脹團粒堵漏劑、封包石灰堵漏劑、吸油固體材料堵漏劑、封包烯烴堵漏劑、吸水聚合物堵漏劑等堵漏材料，堵漏材料的發(fā)展呈現(xiàn)出功能化、智能化的趨勢。2010年勝利油田高級專家到塔里木勝利鉆井公司 “會診”西部鉆井技術難題提出了五大難題。其中西北局托普區(qū)塊二疊系承壓堵漏位列其中。解決這類漏失最重要的條件之一是選擇合適的堵漏材料，目前，橋堵劑難以與漏失通道尺寸合理匹配、可變形性與地層膠結能力差；聚合物凝膠堵劑抗溫能力與承壓效果差，且一次不一定能堵住。因此溫控型智能堵漏材料的研發(fā)對于提升鉆井技術，實現(xiàn)優(yōu)質、高產(chǎn)、低消耗和安全生產(chǎn)十分必要。本課題組應用形狀記憶合金良好的記憶效應和超彈性，提出并建立了溫控型智能堵漏材料的模型，現(xiàn)已取得發(fā)明專利《水泥基智能堵漏材料及其制備方法》，并且制備出填充膨潤土的不同粒徑不同性能的智能堵漏材料，并進行了室內堵漏模擬測試。
