CN108570218A - 一种提高可钻复合材料钻磨速度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高可钻复合材料钻磨速度的方法是：在制备可钻复合材料的过程中，引入膨胀剂，该膨胀剂均匀地分散在复合材料的基体材料中；所述膨胀剂满足以下条件：在一定条件下，膨胀剂能够分解并产生大量气体；所述一定条件是指：一定温度、pH值、湿度、压力、紫外线或核源。本发明还提供了一种含膨胀剂的可钻复合材料。本发明的提高可钻复合材料钻磨速度的方法，无需通过更换增强纤维材料、牺牲复合材料的整体力学性能来提高复合材料的钻磨速度。具体应用时，可根据不同的井况调节引入的膨胀剂的种类和比例，具有更好的可调控性和适应性，可在通过优化钻磨工艺的基础上进一步提高复合材料的钻磨速率。

Description

一种提高可钻复合材料钻磨速度的方法
技术领域
本发明涉及一种提高可钻复合材料钻磨速度的方法
背景技术
目前油田用井下工具主体部分多为金属材料，由于金属材料自身具有易腐蚀、硬度高、耐磨、密度大等特点，因此在进行分层作业、注水作业以及海上作业时，存在诸如易遇卡、钻磨困难、腐蚀严重等问题，严重制约了工艺的进步，增加了开发成本。
可钻复合材料具有密度低、耐腐蚀、易钻等特点，近几年，国内外开始将可钻复合材料应用于油田井下工具中，如可钻复合桥塞工具、可钻复合材料封隔器等，这类工具后期移除的方式主要是采用钻磨的方式。提高复合材料的钻磨速度能够提高作业效率，缩短作业时间，节省作业成本。目前提高可钻复合材料钻磨速度的方式主要有以下几种：选用易钻磨的增强纤维材料，但由于易钻磨的增强纤维材料往往强度比较低，因此会大大降低可钻复合材料的整体力学性能。另一种方式是优化钻磨工艺，主要是针对施工工艺参数、磨鞋类型等进行优化和优选。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种提高可钻复合材料钻磨速度的方法。本发明还提供了一种钻磨速度快的含膨胀剂的可钻复合材料及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种提高可钻复合材料钻磨速度的方法是：在制备可钻复合材料的过程中，引入膨胀剂，该膨胀剂均匀地分散在复合材料的基体材料中(复合材料是由基体材料和纤维织物的增强材料组成，基体材料作为粘结剂，膨胀剂均匀地分散在基体材料中，膨胀剂可能与基体材料发生反应，也可能不发生反应)；所述膨胀剂满足以下条件：在一定条件下，膨胀剂能够分解并产生大量气体；所述一定条件是指：一定温度、pH值、湿度、压力、紫外线或核源。
进一步地，所述引入膨胀剂的方式为：直接将膨胀剂加入基体材料中，或将膨胀剂包裹在脲醛微囊、囊泡或SiO2气溶胶中(有利于膨胀剂分散在基体材料中)(为常规方法)，再加入基体材料中。
所述膨胀剂选自无机膨胀剂或/和有机膨胀剂；所述无机膨胀剂选自碳酸氢钠，碳酸氢钾，碳酸氢镁，过氧化钠，硫酸铝与碳酸氢盐(碳酸氢钠、碳酸氢钾或碳酸氢镁)的混合物中的一种或任意几种；所述有机膨胀剂选自有偶氮化合物或/和磺酰肼化合物；所述偶氮化合物选自二偶氮氨基苯(DAB)、偶氮二甲酰胺(发泡剂ADC)或/和偶氮二异丁腈(AIBN)；所述磺酰肼化合物选自N,N’-二亚硝基五亚甲基四胺(DPT)。
所述膨胀剂的添加比例为复合材料重量的0.5％～10％。
一种含膨胀剂的可钻复合材料，包括复合材料的基体材料和膨胀剂，膨胀剂均匀地分散在复合材料的基体材料中。
进一步地，所述含膨胀剂的可钻复合材料的结构为：在含膨胀剂的复合材料的基体材料外部包裹一层可钻复合材料。
所述含膨胀剂的可钻复合材料的制备方法为：在制备可钻复合材料的过程中，引入膨胀剂，将该膨胀剂均匀地分散到复合材料的基体材料中，然后常规方法制备可钻复合材料。
进一步地，所述引入膨胀剂的方式为：直接将膨胀剂加入基体材料中，或将膨胀剂包裹在脲醛微囊、囊泡或SiO2气溶胶中(有利于膨胀剂分散在基体材料中)，再加入基体材料中。
本发明的提高可钻复合材料钻磨速度的方法，其原理为：引入的膨胀剂在一定条件(一定温度、pH值、湿度、压力、紫外线或核源)下分解，并产生大量气体，这些气体使得复合材料的基体材料产生大量微裂纹，从而使增强纤维之间的粘结受到破坏，从而使复合材料丧失力学性能，迅速被破坏。
本发明的提高可钻复合材料钻磨速度的方法，无需通过更换增强纤维材料、牺牲复合材料的整体力学性能来提高复合材料的钻磨速度。具体应用时，可根据不同的井况调节引入的膨胀剂的种类和比例，具有更好的可调控性和适应性，可在通过优化钻磨工艺的基础上进一步提高复合材料的钻磨速率。
附图说明
图1：包裹有发泡剂ADC膨胀剂的微囊示意图。
图2：膨胀剂均匀分散于复合材料基体中的结构示意图。
图3：膨胀剂分解后复合材料内部结构示意图。
图4：添加碳酸氢镁的可钻复合材料高温处理前后的对照图片。
图5：膨胀剂的含量对2PET+2CF纤维组成的复合材料样品力学性能的影响示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
实施例1
在可钻复合材料基体配方制备的过程中，先制备聚脲甲醛，将膨胀剂偶氮二甲酰胺(发泡剂ADC)分散到水溶液中，通过高速搅拌包裹在脲醛微囊(其结构如图1所示)中，再将包裹有偶氮二甲酰胺的脲醛微囊均匀地分散到复合材料的基体材料中，如图2所示，膨胀剂偶氮二甲酰胺的用量为复合材料重量的3％。膨胀剂偶氮二甲酰胺在高于复合材料工作温度的某个温度下能够分解，复合材料在钻磨过程中，磨鞋与复合材料接触表面会产生大量的热，温度升高，达到该膨胀剂分解温度200℃时，膨胀剂分解产生大量的气体，这些气体在复合材料的基体材料中产生大量微裂纹，如图3所示，使增强纤维之间的粘结受到破坏，从而使复合材料丧失力学性能，迅速被破坏。膨胀剂的分解机制如下所示：
H2N-CO-N＝N-CO-NH2→N2+CO+H2N-CO-NH2
H2N-CO-NH2→NH3+HNCO
2H2N-CO-N＝N-CO-NH2→H2N-CO-HN-NH-CO-NH2+N2+2HNCO
实施例2
在可钻复合材料基体配方制备的过程中，使用常压工艺流程制备包裹有碳酸氢镁的SiO2气溶胶微粒。其作为添加剂均匀地分散到复合材料的基体材料中，该膨胀剂的分解机制如下所示：
该膨胀剂在高于复合材料工作温度的某个温度下能够分解，达到膨胀剂分解温度200℃时，膨胀剂分解产生大量的气体，这些气体在复合材料的基体材料中产生大量微裂纹，从而使复合材料丧失力学性能，迅速被破坏，其外观变化如图4所示，所用复合材料为聚酯纤维材料与聚酯纤维/碳纤维混杂复合材料，图中，共显示5组复合材料(复合材料中含有不同浓度的膨胀剂，分别为0.5％、0.1％、2％、3％、5％)(这里的添加量，是指碳酸氢镁的添加量)，每一组中，左侧的复合材料为加热前，右侧的复合材料为在200℃高温加热10分钟后。由图中可以看出，随着膨胀剂含量的增加，高温处理后膨胀剂对材料的破坏作用越大，综合看来添加2％的膨胀剂综合效果最佳。
实施例3
在可钻复合材料基体配方制备的过程中，使用常压工艺流程制备包裹硫酸铝与碳酸氢钠(硫酸铝与碳酸氢钠的摩尔比为1:6)的SiO2气溶胶。其作为添加剂均匀地分散到复合材料的基体材料中。当材料在外力破坏作用下，膨胀剂混合发生分解，分解机制如下所示：
Al2(SO4)2+6NaHCO3→2Al(OH)3+6CO2↑+3Na2SO4
使增强纤维之间的粘结受到破坏，从而使复合材料丧失力学性能，迅速被破坏，其力学变化数据与添加剂含量的关系如图5所示，所用复合材料为2PET+2CF纤维组成的复合材料，由图5中可以看出，添加剂为2％时效果最佳。
上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种提高可钻复合材料钻磨速度的方法，其特征在于：在制备可钻复合材料的过程中，引入膨胀剂，该膨胀剂均匀地分散在复合材料的基体材料中。
2.根据权利要求1所述的提高可钻复合材料钻磨速度的方法，其特征在于：所述膨胀剂满足以下条件：在一定条件下，膨胀剂能够分解并产生大量气体；所述一定条件是指：一定温度、pH值、湿度、压力、紫外线或核源。
3.根据权利要求1或2所述的提高可钻复合材料钻磨速度的方法，其特征在于：所述引入膨胀剂的方式为：直接将膨胀剂加入基体材料中，或将膨胀剂包裹在尿醛微囊、囊泡或SiO2气溶胶中，再加入基体材料中。
4.根据权利要求1或2所述的提高可钻复合材料钻磨速度的方法，其特征在于：所述膨胀剂选自无机膨胀剂或/和有机膨胀剂；所述无机膨胀剂选自碳酸氢钠，碳酸氢钾，碳酸氢镁，过氧化钠，硫酸铝与碳酸氢盐的混合物中的一种或任意几种，所述碳酸氢盐选自碳酸氢钠、碳酸氢钾或碳酸氢镁；所述有机膨胀剂选自有偶氮化合物或/和磺酰肼化合物；所述偶氮化合物选自二偶氮氨基苯、偶氮二甲酰胺或/和偶氮二异丁腈；所述磺酰肼化合物选自N,N’-二亚硝基五亚甲基四胺。
5.根据权利要求1或2所述的提高可钻复合材料钻磨速度的方法，其特征在于：所述膨胀剂的添加比例为复合材料重量的0.5％～10％。
6.一种含膨胀剂的可钻复合材料，其特征在于：包括复合材料的基体材料和膨胀剂，膨胀剂均匀地分散在复合材料的基体材料中；所述膨胀剂满足以下条件：在一定条件下，膨胀剂能够分解并产生大量气体；所述一定条件是指：一定温度、pH值、湿度、压力、紫外线或核源；所述引入膨胀剂的方式为：直接将膨胀剂加入基体材料中，或将膨胀剂包裹在尿醛微囊、囊泡或SiO2气溶胶中，再加入基体材料中。
7.根据权利要求6所述的含膨胀剂的可钻复合材料，其特征在于：所述膨胀剂选自无机膨胀剂或/和有机膨胀剂；所述无机膨胀剂选自碳酸氢钠，碳酸氢钾，碳酸氢镁，过氧化钠，硫酸铝与碳酸氢盐的混合物中的一种或任意几种，所述碳酸氢盐选自碳酸氢钠、碳酸氢钾或碳酸氢镁；所述有机膨胀剂选自有偶氮化合物或/和磺酰肼化合物；所述偶氮化合物选自二偶氮氨基苯、偶氮二甲酰胺或/和偶氮二异丁腈；所述磺酰肼化合物选自N,N’-二亚硝基五亚甲基四胺。
8.根据权利要求6或7所述的含膨胀剂的可钻复合材料，其特征在于：所述膨胀剂的添加比例为复合材料重量的0.5％～10％。
9.根据权利要求6或7所述的含膨胀剂的可钻复合材料，其特征在于：所述含膨胀剂的可钻复合材料的结构为：在含膨胀剂的复合材料的基体材料外部包裹一层可钻复合材料。
10.权利要求6～9中任一项所述的含膨胀剂的可钻复合材料的制备方法，其特征在于：在制备可钻复合材料的过程中，引入膨胀剂，将该膨胀剂均匀地分散到复合材料的基体材料中，然后常规方法制备可钻复合材料；所述引入膨胀剂的方式为：直接将膨胀剂加入基体材料中，或将膨胀剂包裹在脲醛微囊、囊泡或SiO2气溶胶中，再加入基体材料中。
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