CN104098873A

CN104098873A - 用于封隔器卡瓦的复合材料板的制造方法和复合材料板

Info

Publication number: CN104098873A
Application number: CN201310129382.3A
Authority: CN
Inventors: 段友智; 何祖清; 张同义; 连经社; 彭汉修; 岳慧; 侯倩
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2014-10-15

Abstract

本发明涉及用于封隔器卡瓦的复合材料板及其制造方法。制造方法包括以下步骤，步骤一：使用丙酮溶解双酚A型环氧树脂、酸酐类固化剂制备预浸混合液；步骤二：使用所制备的预浸混合液浸渍玻璃纤维布，得到预浸料；步骤三：将多个所制备的预浸料以层叠方式进行铺设；步骤四：将步骤三中铺设的预浸料进行热压固化，得到用于所述封隔器的复合材料板。通过本发明的方法制造的复合材料板适合于机加工制造封隔器卡瓦，并且易于钻除，碎屑也易于返排出井口。

Description

用于封隔器卡瓦的复合材料板的制造方法和复合材料板

技术领域

本发明涉及一种用于封隔器卡瓦的复合材料板的制造方法。本发明还涉及一种复合材料板，特别是根据该方法制造的用于封隔器卡瓦的复合材料板。

背景技术

随着非常规油气藏及高温高压油气藏开采程度的加大，通常需要超深井和大型压裂井才能顺利开采。在油井中，卡瓦是封隔器在工作时的主要受力部件，因此对卡瓦的抗压强度和剪切强度的要求很高。而在超深井和大型压裂井中，井下压力和温度与常规油井下压力和温度有着显著地差异，因此对用于这种类型油井中的完井封隔器的耐高温高压性、易操作性、易钻铣性的要求也越来越高。为了达到这些要求，通常使用的材料是铸铁、黄铜等材料。虽然与其他金属材料相比，这些材料的承压能力和耐温性能较好，但是这些材料的强度和密度仍然较高，造成钻除时间仍然较长，且钻屑不易洗出，无法满足目前完井施工要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种用于封隔器卡瓦的复合材料板的制造方法。本发明还涉及使用这种方法制造的用于封隔器的复合材料板，这种复合材料板机械加工性能较好而适于制造封隔器卡瓦，而且易于钻和返排钻屑。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于封隔器卡瓦的复合材料板的制造方法，包括以下步骤，

步骤一：使用丙酮溶解双酚A型环氧树脂、酸酐类固化剂制备预浸混合液；

步骤二：使用所制备的预浸混合液浸渍玻璃纤维布，得到预浸料；

步骤三：将多个所制备的预浸料以层叠方式进行铺设；

步骤四：将步骤三中铺设的预浸料进行热压固化，得到用于封隔器卡瓦的复合材料板。

在本发明的方法中，能够制备使用玻璃纤维布增强的复合材料板。这种复合材料板具有适当的并且低于金属材料的强度，而且密度远小于金属材料，满足了现代油田开发的要求。

在一个实施例中，在步骤一中，酸酐类固化剂、双酚A型环氧树脂和丙酮的质量比为0.7～0.9∶1∶0.1～0.3。通过这种比例，可使得预浸混合液具有适当的粘度，从而保证在后续浸渍步骤中和热压固化步骤中可将预浸混合液和玻璃纤维布的重量比保持在理想的范围内，保证复合材料板的强度。在一个优选的实施例中，在热压固化前，预浸料中预浸混合液的重量含量在28%-35%之间，玻璃纤维布的重量含量在65%-75%之间。

在一个实施例中，酸酐类固化剂为甲基内次甲基四氢邻苯二甲酸酐。这种固化剂的使用温度为90℃～180℃，适合于在热压固化期间会与双酚A型环氧树脂发生化学反应，形成网状立体聚合物，把复合材料骨材包络在网状体之中，促成固化反应。

在一个实施例中，在步骤一中，在预浸混合液中还添加了增韧剂。增韧剂能够进一步提高所制备的复合材料板的强度，从而提高复合材料板的使用范围。在一个实施例中，增韧剂选自聚醚醚酮粉体、聚碳酸酯粉体、聚苯硫醚粉体中的一种或多种。在一个优选的实施例中，增韧剂选择为聚醚醚酮粉体。在一个具体的实施例中，增韧剂与双酚A型环氧树脂的质量比为0.05～0.15。

在一个实施例中，在步骤三中，预浸料以彼此交叉的方式进行铺设。交叉铺设预浸料，使得最终复合材料板在各个方向上的强度大体上相同，不会存在弱点，从而从整体上提高了复合材料板的强度。在一个优选的实施例中，预浸料以彼此成90°角交叉的方式进行铺设。

在一个实施例中，在步骤四中，热压固化的温度在150-180℃之间，固化时间在1.5-2.5小时之间，固化压力在15kg/cm²-20kg/cm²之间。在这种热压固化条件下，预浸混合液中的各种成分能够充分反应，并且多层铺设的预浸料也不会发生不均匀固化的现象，所制备的复合材料均匀致密。

根据本发明的第二方面，提出一种使用上文所述的方法制备的用于封隔器卡瓦的复合材料板，其中复合材料板中双酚A型环氧树脂的重量含量为25%-34%，玻璃纤维布的重量含量为66%-75%。在25℃的条件下，这种复合材料板的抗压强度达到411MPa，剪切强度达到76.1MPa，完全满足井下封隔器卡瓦的使用要求。此外，这种复合材料板的密度在1.9g/cm³-2.1g/cm³之间，密度较小，使得卡瓦磨碎后其碎屑易于返洗出井口。

与现有技术相比，本发明的优点在于，通过本发明的方法制备了一种适用于封隔器卡瓦的复合材料板，这种复合材料板具有适当的并且低于金属材料的强度，而且密度远小于金属材料。在本发明的制备方法中，预浸混合液的成分可将预浸混合液和玻璃纤维布的重量比保持在理想的范围内，而热压固化条件能够使预浸混合液中的各种成分能够充分反应，并且多层铺设的预浸料也不会发生不均匀固化的现象，所制备的复合材料均匀致密。交叉铺设预浸料使得复合材料板在各个方向上的强度大体上相同，不会存在弱点，从而从整体上提高了复合材料板的强度。

具体实施方式

通过参考以下实施例，可进一步理解如何实现和使用本发明及其优点，但不应理解本发明仅限于以下内容。

实施例1：

将甲基内次甲基四氢邻苯二甲酸酐（即甲基纳迪克酸酐）、双酚A型环氧树脂和丙酮以质量比为0.9∶1∶0.1配置预浸混合液，并且向预浸混合液中加入增韧剂聚醚醚酮粉体，其中聚醚醚酮粉体与双酚A型环氧树脂的质量比为0.1。将玻璃纤维布在预浸混合液中浸渍，得到含有31.7%重量的预浸混合液和68.3%重量的玻璃纤维布的预浸料。接着，将100层预浸料以彼此成90°角交叉的方式层叠方式铺设在一起，然后在150℃的温度和15kg/cm²的压力下固化1.5小时，得到复合材料板试样1。然后对复合材料板试样1进行分析和测试，如表1。

实施例2：

将甲基内次甲基四氢邻苯二甲酸酐、双酚A型环氧树脂和丙酮以质量比为0.9∶1∶0.2配置预浸混合液，并且向预浸混合液中加入增韧剂聚碳酸酯粉体，其中聚碳酸酯粉体与双酚A型环氧树脂的质量比为0.1。将玻璃纤维布在预浸混合液中浸渍，得到含有29.1%重量的预浸混合液和70.9%重量的玻璃纤维布的预浸料。接着，将100层预浸料以彼此成80°角交叉的方式层叠方式铺设在一起，然后在165℃的温度和17.5kg/cm²的压力下固化2小时，得到复合材料板试样2。然后对复合材料板试样2进行分析和测试，如表1。

实施例3：

将甲基内次甲基四氢邻苯二甲酸酐、双酚A型环氧树脂和丙酮以质量比为0.9∶1∶0.3配置预浸混合液，并且向预浸混合液中加入增韧剂聚苯硫醚粉体，其中聚苯硫醚粉体与双酚A型环氧树脂的质量比为0.1。将玻璃纤维布在预浸混合液中浸渍，得到含有28.3%重量的预浸混合液和74.7%重量的玻璃纤维布的预浸料。接着，将100层预浸料以彼此成90°角交叉的方式层叠方式铺设在一起，然后在180℃的温度和20kg/cm²的压力下固化2.5小时，得到复合材料板试样3。然后对复合材料板试样3进行分析和测试，如表1。

实施例4：

将甲基内次甲基四氢邻苯二甲酸酐、双酚A型环氧树脂和丙酮以质量比为0.8∶1∶0.1配置预浸混合液，并且向预浸混合液中加入增韧剂聚醚醚酮粉体，其中聚醚醚酮粉体与双酚A型环氧树脂的质量比为0.05。将玻璃纤维布在预浸混合液中浸渍，得到含有29.9%重量的预浸混合液和70.1%重量的玻璃纤维布的预浸料。接着，将100层预浸料以彼此成80°角交叉的方式层叠方式铺设在一起，然后在165℃的温度和17.5kg/cm²的压力下固化2小时，得到复合材料板试样4。然后对复合材料板试样4进行分析和测试，如表1。

实施例5：

将甲基内次甲基四氢邻苯二甲酸酐、双酚A型环氧树脂和丙酮以质量比为0.8∶1∶0.2配置预浸混合液，并且向预浸混合液中加入增韧剂聚醚醚酮粉体，其中聚醚醚酮粉体与双酚A型环氧树脂的质量比为0.1。将玻璃纤维布在预浸混合液中浸渍，得到含有28.6%重量的预浸混合液和71.4%重量的玻璃纤维布的预浸料。接着，将100层预浸料以彼此成70°角交叉的方式层叠方式铺设在一起，然后在180℃的温度和20.0kg/cm²的压力下固化2小时，得到复合材料板试样5。然后对复合材料板试样5进行分析和测试，如表1。

实施例6：

将甲基内次甲基四氢邻苯二甲酸酐、双酚A型环氧树脂和丙酮以质量比为0.8∶1∶0.1配置预浸混合液，并且向预浸混合液中加入增韧剂聚醚醚酮粉体，其中聚醚醚酮粉体与双酚A型环氧树脂的质量比为0.15。将玻璃纤维布在预浸混合液中浸渍，得到含有34.3%重量的预浸混合液和65.7%重量的玻璃纤维布的预浸料。接着，将100层预浸料以彼此成90°角交叉的方式层叠方式铺设在一起，然后在150℃的温度和15kg/cm²的压力下固化2小时，得到复合材料板试样6。然后对复合材料板试样6进行分析和测试，如表1。

实施例7：

将甲基内次甲基四氢邻苯二甲酸酐、双酚A型环氧树脂和丙酮以质量比为0.7∶1∶0.2配置预浸混合液，并且向预浸混合液中加入增韧剂聚醚醚酮粉体，其中聚醚醚酮粉体与双酚A型环氧树脂的质量比为0.05。将玻璃纤维布在预浸混合液中浸渍，得到含有32.1%重量的预浸混合液和67.9%重量的玻璃纤维布的预浸料。接着，将100层预浸料以彼此成90°角交叉的方式层叠方式铺设在一起，然后在180℃的温度和20kg/cm²的压力下固化2.5小时，得到复合材料板试样7。然后对复合材料板试样7进行分析和测试，如表1。

实施例8：

将甲基内次甲基四氢邻苯二甲酸酐、双酚A型环氧树脂和丙酮以质量比为0.9∶1∶0.3配置预浸混合液，并且向预浸混合液中加入增韧剂聚醚醚酮粉体，其中聚醚醚酮粉体与双酚A型环氧树脂的质量比为0.1。将玻璃纤维布在预浸混合液中浸渍，得到含有28.9%重量的预浸混合液和71.1%重量的玻璃纤维布的预浸料。接着，将100层预浸料以彼此成90°角交叉的方式层叠方式铺设在一起，然后在165℃的温度和17.5kg/cm²的压力下固化2.5小时，得到复合材料板试样8。然后对复合材料板试样8进行分析和测试，如表1。

表1

试样	1	2	3	4	5	6	7	8
									玻璃纤维布的重量含量(%)	70.7	72.8	74.8	72.7	73.9	66.5	70.4	73.7
固化树脂的重量含量(%)	29.3	27.2	25.2	27.3	26.1	33.5	29.6	26.3
									密度(g/cm³)	2.02	2.02	2.02	2.02	2.01	2.01	2.07	2.05
抗压强度MPa(25℃)	437	396	394	382	446	402	413	423
									剪切强度MPa(25℃)	83.6	84.7	94.9	93.4	115.6	116.7	118.2	116.2
冲击韧性(J/cm²)	17.4	18.2	23.7	20.3	22.1	20.6	18.9	22.2

在表1中，用语“固化树脂”是指双酚A型环氧树脂。由实施例1到8和表1得知，通过本发明的方法制备的复合材料板的具有较高的抗压强度和较高的剪切强度。例如在25℃下，抗压强度的最低值为382MPa，剪切强度的最低值为83.6MPa，而井下封隔器卡瓦所需要承受的座封力通常小于290MPa，水平剪切力通常小于45MPa，这说明根据本发明制造的复合材料板足以用于制造封隔器卡瓦。根据本发明的复合材料板的致密度较高、均匀性较好（无不均匀固化），冲击韧性在17-24J/cm²，综合考虑复合材料板的抗压强度、剪切强度和冲击韧性并经实验验证，得知本发明的复合材料板的机械加工性能也较好，适于机加工制造卡瓦。此外，本发明的复合材料板比金属材料更易于钻除，并且由于复合材料板的密度较小例如小于2.1g/cm³，这远远小于所使用的金属材料的密度如黄铜的密度8.5g/cm³，而有利于卡瓦磨碎后其碎屑易于返洗出井口。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims

1.一种用于封隔器卡瓦的复合材料板的制造方法，包括以下步骤，

步骤三：将多个所制备的预浸料以层叠方式进行铺设；

步骤四：将步骤三中铺设的预浸料进行热压固化，得到用于所述封隔器卡瓦的复合材料板。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，酸酐类固化剂、双酚A型环氧树脂和丙酮的质量比为0.7～0.9∶1∶0.1～0.3。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，在所述预浸混合液中还添加了增韧剂。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述增韧剂选自聚醚醚酮粉体、聚碳酸酯粉体、聚苯硫醚粉体中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述增韧剂选择为聚醚醚酮粉体。

6.根据权利要求3到5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述增韧剂与所述双酚A型环氧树脂的质量比为0.05～0.15。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述酸酐类固化剂为甲基内次甲基四氢邻苯二甲酸酐。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述预浸料以彼此交叉的方式进行铺设。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在热压固化前，所述预浸料中预浸混合液的重量含量在28-35%之间，玻璃纤维布的重量含量在65-75%之间。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤四中，热压固化的温度在150-180℃之间，固化时间在1.5-2.5小时之间，固化压力在15kg/cm²-20kg/cm²之间。

11.一种使用根据上述权利要求中任一项所述的方法制备的用于封隔器卡瓦的复合材料板，其特征在于，所述复合材料板中双酚A型环氧树脂的重量含量为25%-34%，玻璃纤维布的重量含量为66%-75%。