基本信息
- 项目名称：
- NiTi记忆合金水泥基智能堵漏材料的制备方法研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本研究是在发明专利《水泥基智能堵漏材料及其制备方法》的基础上提出来的，具有坚实的理论基础和可行性；本研究提出以形状记忆合金为感知、驱动、执行元件，利用合金丝之间的相互搭接、缠绕，以水泥等胶凝材料控制外形而制备温控型智能堵漏材料，并首次将形状记忆合金引入到复合堵漏材料体系中，针对不同的漏失制备出了不同性能和粒径的智能堵漏材料。
- 详细介绍：
- 井漏是钻井过程中普遍存在的问题，而且可能造成井塌、卡钻、井喷等其它井下复杂情况和重大事故，对钻井工作危害极大，甚至导致井眼报废，造成巨大的经济损失。据统计，全世界井漏发生率占钻井总数的20%-25%，而井漏的处理是石油钻井中的难点，特别是复杂井漏问题尤为棘手。恶性井漏损失占井漏总损失的50%以上，且堵漏很难成功，因此急需加强恶性堵漏的防治研究。钻井用堵漏材料是钻井防漏过程中必不可少的一种材料，钻井防漏堵漏的成功率直接取决于堵漏材料性能的优劣。因此，对堵漏材料的研究具有非常重要的意义。 本研究是在发明专利《水泥基智能堵漏材料及其制备方法》的基础上提出来的，通过对国内外堵漏材料的研究分析，并对各类形状记忆合金特性的分析和比较，选择了丝状NiTi形状记忆合金作为研究对象，用NiTi形状记忆合金来制备本论文所研制的水泥基智能堵漏材料。根据丝状形状记忆合金的工作机理、变形规律、组合方式等设计了该种堵漏材料的结构模型，并确定其堵漏原理。 首先，通过对NiTi形状记忆合金进行不同的热处理工艺，研究不同的热处理过程对其形变性能的影响；对NiTi形状记忆合金丝进行高温直线定型，不同淬火介质淬火，并用角度仪测定了其形状回复率，研究淬火介质和训练次数对其形状记忆效应的影响。研究结果表明：形状记忆合金的回复率随着热处理温度的升高而增大，当热处理温度为500℃时，记忆合金的回复率最大； 其次，将丝状NiTi形状记忆合金制成弹簧状，确定弹簧的直径和螺距，采用滚动成球法制备不同粒径的智能堵漏材料。由智能堵漏材料的制备过程，找到控制其粒径和密度的方法。研究结果表明：随着弹簧的直径增大，弹簧的伸长率逐渐增大。小的形变量虽然不能使弹性大幅度上升，但是也可以使母相在一定程度上得到强化，只是强化的力度很小，只能使弹性小幅度的增加。因此确定弹簧的直径为1.4mm，螺距为2.5mm或者是直径1.6mm，螺距2.0mm。 最后，对制备的水泥基智能堵漏材料进行了相关的性能测试。通过测试智能堵漏材料的筒压强度，保证制备的智能堵漏材料在储存、运输、使用过程中不破裂；测定了水泥基智能堵漏材料对外界环境的响应速度。研究结果表明：随着碳酸钠含量的增加，智能堵漏材料的筒压强度逐渐增大。在相同温度下，随着智能堵漏材料粒径的减小，智能堵漏材料开始发生形变和完全形变的时间有减小的趋势，随着粒径的的减小，外层的厚度增大，水化产生的强度增加，因此粒径越小，开始发生形变和完全变形的时间越短。
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撰写目的和基本思路
- 研究新型温控智能堵漏材料来解决传统堵漏材料不能有效封堵恶性漏失问题，以提升钻井技术，实现优质、高产、低消耗和安全生产；对堵漏方法及工艺技术进行优化设计，使堵漏材料和堵漏技术走上仿生之路。基本思路是利用智能材料能感知周围环境变化并能对此做出适当反应的特点，提出以形状记忆合金为感知、驱动、执行元件，利用合金丝之间的相互搭接、缠绕，以水泥等胶凝材料控制外形而制备温控型智能堵漏材料。
科学性、先进性及独特之处
- 本研究是在发明专利《水泥基智能堵漏材料及其制备方法》的基础上提出来的，具有坚实的理论基础和可行性；本研究提出以形状记忆合金为感知、驱动、执行元件，利用合金丝之间的相互搭接、缠绕，以水泥等胶凝材料控制外形而制备温控型智能堵漏材料，首次将形状记忆合金引入到复合堵漏材料体系，并针对不同的漏失制备出了不同性能和粒径的智能堵漏材料。
应用价值和现实意义
- 本研究制备的智能堵漏材料适用于不同温度的漏失层，并通过调整该智能材料的粒径分布，适用于不同尺寸的裂缝、孔隙等形状的漏失；该堵漏材料通过自身的膨胀、挤压变形堵塞孔隙，降低封堵渗透率，提高了堵漏效率和封堵强度，减少了堵漏材料的漏失，综合成本降低，因此该种智能堵漏材料具有广阔的应用前景，并且为研制开发新型的堵漏材料提供了坚强的理论基础，对堵漏工艺技术的发展有着重大的理论指导意义。
学术论文摘要
- 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。论文建立了智能堵漏材料模型，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，且对制备的智能堵漏材料进行了性能测试。 对NiTi形状记忆合金进行不同的热处理，研究结果表明：形状记忆合金的回复率随着热处理温度的升高而增大，当热处理温度为500℃时，合金的回复率最大；随着弹簧的直径增大，弹簧的伸长率逐渐增大。确定弹簧的直径为1.4mm，螺距为2.5mm或者是直径1.6mm，螺距2.0mm。 对NiTi形状记忆合金进行筒压强度测试，研究结果表明：随着碳酸钠含量的增加，智能堵漏材料的筒压强度逐渐增大。 智能堵漏材料漏失量的测定表明：在较大的裂缝下，骨架材料结构作用更加突出，温控型智能堵漏材料与其他材料配伍良好。模拟裂缝的直径2mm时的堵漏性能发现：当堵漏材料配方中含有4%、8%的智能型堵漏材料时，该复合堵漏材料具有良好的堵漏性能，堵漏材料的漏失量显著降低，极大的提高了最终承压能力。
获奖情况
- 相关文章《Research on the cement-based smart lost-circulation control material with Ti-Ni SMA》已被Advanced Materials Research 收录，发表于Vols. 123-125(2010)pp 1015-1018
鉴定结果
- 无
参考文献
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同类课题研究水平概述
- 井漏是钻井过程中普遍存在的问题，而且可能造成井塌、卡钻、井喷等其它重大事故，造成巨大的经济损失。钻井防漏堵漏的成功率直接取决于堵漏材料性能的优劣。因此，对堵漏材料的研究具有非常重要的意义。 我国从60年代开始对堵漏材料进行了一些基础性研究。这时期由于对漏失层性质认识不足和堵漏材料的局限性，主要采用桥接堵漏材料和软硬塞堵漏材料。这类堵漏材料有核桃壳、锯末、亚麻纤维、云母片、柴油膨润土浆、剪切稠化液等。在不同的堵漏方法下，以上几类堵漏材料可以解决由孔隙和裂缝造成的部分漏失和失返漏失，但是一些复杂的漏失不能很好的解决。因此，各种化学堵剂、高失水堵剂等新型堵剂应运而生，提高了处理井漏的成功率。这类材料包括渗滤性材料、纤维状材料、树脂堵漏剂等，这几类堵漏材料应用到渗透性漏失和裂缝性漏失中能够起到很好的封堵作用。但是，这些常规的堵漏材料对溶洞性等恶性漏失不能起到很好的封堵作用。所以，90年代以后人们更加注重的是堵漏材料产品的系列化，由单一的堵漏材料研制复合型堵漏材料，提高了堵漏成功效率。这一阶段研制的复合型堵漏材料有酸溶性高失水暂堵剂、单向压力封闭剂等。 国外已经开发应用了各种常规的堵漏材料和新型堵漏材料。先后应用天然植物、天然矿物、化学堵漏剂对不同的漏失层堵漏。特别是前苏联开发了脲醛树脂、酚醛树脂等为基础的堵漏剂系列，丙烯类聚合物堵漏剂系列，低聚有机硅氧烷等与纤维填料组成的各具特殊性能的堵漏剂。近几年来国外又发展了各具特色的热溶橡胶堵漏剂、膨胀团粒堵漏剂、封包石灰堵漏剂、吸油固体材料堵漏剂、封包烯烃堵漏剂、吸水聚合物堵漏剂等堵漏材料，堵漏材料的发展呈现出功能化、智能化的趋势。2010年胜利油田高级专家到塔里木胜利钻井公司 “会诊”西部钻井技术难题提出了五大难题。其中西北局托普区块二叠系承压堵漏位列其中。解决这类漏失最重要的条件之一是选择合适的堵漏材料，目前，桥堵剂难以与漏失通道尺寸合理匹配、可变形性与地层胶结能力差；聚合物凝胶堵剂抗温能力与承压效果差，且一次不一定能堵住。因此温控型智能堵漏材料的研发对于提升钻井技术，实现优质、高产、低消耗和安全生产十分必要。本课题组应用形状记忆合金良好的记忆效应和超弹性，提出并建立了温控型智能堵漏材料的模型，现已取得发明专利《水泥基智能堵漏材料及其制备方法》，并且制备出填充膨润土的不同粒径不同性能的智能堵漏材料，并进行了室内堵漏模拟测试。
