CN118085192A - 一种形状记忆聚芳醚腈筛管材料、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种形状记忆聚芳醚腈筛管材料、制备方法及其应用，属于油气开采防砂材料技术领域。采用本发明所提供的技术方案，将具有优良耐热、耐压、耐化学等性能的聚芳醚腈和兼具有共价键键能高和稳定性好的硼氧动态共价键引入形状记忆聚合物筛管材料的分子结构设计中，解决难以兼顾筛管材料的高耐温耐压性能、热稳定性和不规则膨胀充填，更好地满足深层、超深层等苛刻开采环境复杂结构井油气藏开发中防砂完井工艺的需求。
Description
技术领域
本发明属于油气开采防砂材料技术领域，具体涉及一种形状记忆聚芳醚腈筛管材料、制备方法及其应用。
背景技术
随着我国经济、社会的快速发展，能源需求不断攀升，国内油气勘探开发逐步向深层、超深层等复杂结构油气藏领域延伸。在开发过程中，由于原油粘度高、储藏条件复杂等问题，普遍存在油井出砂问题，严重影响油气藏的高效开发，甚至还可能诱发油井套管变形致使油井报废。因此，油井的有效防砂技术成为延长油井寿命、提高油气藏开发产能亟需解决的重要前提。
在众多防砂完井技术中，砾石充填完井技术被认为是非常高效的油井防砂完井方式。然而，砾石充填工艺发展至今仍存在工艺复杂、作业难度大、耗费时间长、作业中易产生充填缺陷而导致作业失败等无法解决的缺陷问题。随后出现的膨胀筛管防砂完井技术，与传统技术相比，能够适当降低防砂完井工程成本实现有效增产，然而，受到传统膨胀筛管金属材料的制约，难以满足深井、超深井等复杂结构井的苛刻作业环境，防砂效果难以保证。最近，形状记忆聚合物作为一种新型智能材料，凭借其密度小、质量轻、形变量大、易成型、耐腐蚀等优点，逐渐被应用于石油工程领域。其中，温度响应形状记忆聚合物具有初始形状经形变固定后，在温度刺激作用下又可恢复其初始形状的特殊性能。因此，采用温度响应形状记忆聚合物制成的筛管材料已被开始研究并尝试应用于油气藏开发防砂领域。但是，现有技术制备出的形状记忆聚合物筛管材料存在耐高温高压性能不足等问题，对筛管材料在实际油气开发防砂完井技术的使用有较大影响，尤其对于在苛刻地层环境下的复杂结构井防砂完井技术的应用有较大影响。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种形状记忆聚芳醚腈筛管材料、制备方法及其应用，以解决传统筛管材料的耐高温高压性能不足、充填长度受限以及不规则井壁膨胀贴合不够紧密的技术问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，提供一种形状记忆聚芳醚腈筛管材料的新用途，该新用途为将形状记忆聚芳醚腈筛管材料用于制备油气开发中的防砂筛管。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，用于制备油气开发中的防砂筛管的形状记忆聚芳醚腈筛管材料的结构式如式(I)所示，
，
其中，n为80~200之间的整数；R1为氢或异丙基；R2的结构式如式(II)所示，
，
x、y、z分别为大于等于1的整数；R4为氢或甲基，R5为或/>；R3的结构式如式(III)所示，
，
m为20~35之间的整数；R6为氢或十八烷基。
本发明还公开了上述形状记忆聚芳醚腈筛管材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将双酚底物、二卤苯甲腈、2,2'-二烯丙基双酚A和催化剂加入反应容器中，再加入第一溶剂和带水剂，充分混合均匀后，升温至带水剂沸腾沸，回流反应2~3h；然后将反应体系升温至160~180℃，保温反应1~2h，得包含聚芳醚腈的反应混合液；用酸对将反应混合液中的聚芳醚腈进行沉淀，再纯化、干燥，得双酚A型聚芳醚腈；
(2)将双酚A型聚芳醚腈溶解于第二溶剂中，然后向所得溶液中加入带有双键的长链共聚单体、硼氧化合物和引发剂，充分搅拌溶解，再将反应体系升温至60~80℃，保温反应12h，得混合溶液；随后于室温下固化，即得；带有双键的长链共聚单体为聚乙二醇丙烯酸甲酯、聚乙二醇甲基丙烯酸乙酯、十八烷氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯或烯丙醇聚氧乙烯醚；硼氧化合物为4-乙烯基苯硼酸或3-（丙烯酰胺基）苯硼酸。
进一步，双酚底物、二卤苯甲腈、2,2'-二烯丙基双酚A和催化剂的摩尔比为4~6:7~8:2~4:8~10。
进一步，双酚底物为双酚A或2,2-双(4-羟基苯基)丙烷；二卤苯甲腈为2,6-二氯苯甲腈或2,6-二氟苯甲腈；催化剂为无水碳酸钾。
进一步，带水剂为甲苯；第一溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
进一步，甲苯与N-甲基吡咯烷酮的体积比为3~4:10。
进一步，双酚A型聚芳醚、带有双键的长链共聚单体和硼氧化合物的质量之比为10:1~3:0.8~1.2。
进一步，第二溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；引发剂为偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰或偶氮二异庚腈；引发剂的添加量为双酚A型聚芳醚质量的2~3%。
本发明还公开了一种形状记忆聚芳醚腈筛管材料，该形状记忆聚芳醚腈筛管材料采用上述制备方法制备得到。
本发明所制得的形状记忆聚芳醚腈筛管材料，首先通过亲核芳香取代缩聚反应制备双酚A型聚芳醚腈，再将其与含双键的长链共聚单体和硼氧化合物进行自由基聚合，制备得到具有高耐温耐压性能和热稳定性的形状记忆聚芳醚腈筛管材料。采用本发明所提供的技术方案，将具有优良耐热、耐压、耐化学等性能的聚芳醚腈和兼具有共价键键能高和稳定性好的硼氧动态共价键引入形状记忆聚合物筛管材料的分子结构设计中，解决难以兼顾筛管材料的高耐温耐压性能、热稳定性和不规则膨胀充填，更好地满足深层、超深层等苛刻开采环境复杂结构井油气藏开发中防砂完井工艺的需求。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过引入具有优良耐热、耐压、耐化学等性能的聚芳醚腈和兼具高共价键键能和良好稳定性的硼氧动态共价键，制备出一种具有高耐热耐压性能、热稳定性能和优异形状记忆性能的温度响应热固性形状记忆聚芳醚腈筛管材料，可用于油气藏高效开发复杂结构井有效防砂技术。
2、本发明制备的油气井用形状记忆聚芳醚腈筛管材料，能够以临时小体积压缩状态下入井下作业层，在井底较高环境温度刺激下发生膨胀，与不规则井壁完全紧密贴合，实现膨胀筛管对井壁的支撑和高效过流防砂功能。
3、本发明制备的油气井用形状记忆聚芳醚腈筛管材料，原料来源广泛、制备路线简单、分子可设计性强、软硬段动态可控，且本发明所述的聚芳醚腈形状记忆聚合物具有良好热稳定性和优异力学性能的同时，能够实现良好溶液加工性和形状记忆性能。
附图说明
图1为形状记忆聚芳醚腈筛管材料的制备流程图；
图2为实施例1所得形状记忆聚芳醚腈筛管材料的结构式；
图3为实施例2所得形状记忆聚芳醚腈筛管材料的结构式；
图4为实施例3所得形状记忆聚芳醚腈筛管材料的结构式；
图5为实施例1所得形状记忆聚芳醚腈筛管材料的热性能测试结果图；
图6为实施例1所得形状记忆聚芳醚腈筛管材料的应力-应变曲线图；
图7为实施例1所得形状记忆聚芳醚腈筛管材料的的宏观形状记忆性能测试图；
图8为实施例1所得形状记忆聚芳醚腈筛管材料的耐溶剂性能图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例1
一种形状记忆聚芳醚腈筛管材料，其制备流程如图1所示；制备方法具体包括以下步骤：
(1)双酚A型聚芳醚腈的制备：
将12.3g双酚A（0.05mol）、13.2g 2,6-二氯苯腈（0.077mol）、7.2g 2,2'-二烯丙基双酚A（0.023mol）和12.7g无水碳酸钾（0.092mol）加入到500mL三颈烧瓶中，再加入100mLN-甲基吡咯烷酮和35mL甲苯，充分混合均匀后，升温至150℃使甲苯与水共沸回流，反应2h；然后放出甲苯，再以每半个小时升高5℃的速率升温至180℃，反应2h，得到包含聚芳醚腈的反应混合液；向反应混合液中滴加浓度为1mol/L的稀盐酸，至沉淀不再增加，然后过滤、干燥，得聚芳醚腈初品；将聚芳醚腈初品溶于N-甲基吡咯烷酮中，然后向溶液中加入无水乙醇，至沉淀量不再增加，再过滤，过滤物用1mol/L的稀盐酸和无水乙醇反复洗涤，随后干燥，得到粉末状的双酚A型聚芳醚腈；
(2)形状记忆聚芳醚腈筛管材料的制备：
将5g制得的双酚A型聚芳醚腈溶解于50mL N,N-二甲基甲酰胺中，然后向溶液中加入1g聚乙二醇丙烯酸甲酯、0.5g 4-乙烯基苯硼酸和0.13g引发剂偶氮二异丁腈，充分搅拌溶解，缓慢升高温度至70℃，保温反应12h，得到混合溶液；将混合溶液导入模具中，室温下固化，然后脱模，即可制得形状记忆聚芳醚腈筛管材料；所得形状记忆聚芳醚腈筛管材料的结构式如图2所示，其中，n为80~200之间的整数，x、y、z分别为大于等于1的整数，m为20~35之间的整数。
实施例2
一种形状记忆聚芳醚腈筛管材料，其经过以下步骤制得：
(1)双酚A型聚芳醚腈的制备：
将13.7g 2,2-双(4-羟基苯基)丙烷（0.06mol）、9.7g 2,6-二氟苯腈（0.07mol）、6.2g 2,2'-二烯丙基双酚A（0.02mol）和11.1g无水碳酸钾（0.08mol）加入到500mL三颈烧瓶中，再加入100mL N-甲基吡咯烷酮和30mL甲苯，充分混合均匀后，升温至150℃使甲苯与水共沸回流，反应2h；然后放出甲苯，再以每半个小时升高5℃的速率升温至160℃，反应1h，得到包含聚芳醚腈的反应混合液；向反应混合液中滴加浓度为1mol/L的稀盐酸，至沉淀不再增加，然后过滤、干燥，得聚芳醚腈初品；将聚芳醚腈初品溶于N-甲基吡咯烷酮中，然后向溶液中加入无水乙醇，至沉淀量不再增加，再过滤，过滤物用1mol/L的稀盐酸和无水乙醇反复洗涤，随后干燥，得到粉末状的双酚A型聚芳醚腈；
(2)形状记忆聚芳醚腈筛管材料的制备：
将5g制得的双酚A型聚芳醚腈溶解于50mL N,N-二甲基甲酰胺中，然后向溶液中加入0.5g聚乙二醇甲基丙烯酸乙酯、0.5g 4-乙烯基苯硼酸和0.12g引发剂偶氮二异丁腈，充分搅拌溶解，缓慢升高温度至60℃，保温反应12h，得到混合溶液；将混合溶液导入模具中，室温下固化，然后脱模，即可制得形状记忆聚芳醚腈筛管材料；所得形状记忆聚芳醚腈筛管材料的结构式如图3所示，其中，n为80~200之间的整数，x、y、z分别为大于等于1的整数，m为20~35之间的整数。
实施例3
一种形状记忆聚芳醚腈筛管材料，其经过以下步骤制得：
(1)双酚A型聚芳醚腈的制备：
将9.1g双酚A（0.04mol）、13.8g 2,6-二氯苯腈（0.08mol）、12.3g 2,2'-二烯丙基双酚A（0.04mol）和13.8g无水碳酸钾（0.1mol）加入到500mL三颈烧瓶中，再加入100mL N-甲基吡咯烷酮和40mL甲苯，充分混合均匀后，升温至150℃使甲苯与水共沸回流，反应3h；然后放出甲苯，再以每半个小时升高5℃的速率升温至160℃，反应2h，得到包含聚芳醚腈的反应混合液；向反应混合液中滴加浓度为1mol/L的稀盐酸，至沉淀不再增加，然后过滤、干燥，得聚芳醚腈初品；将聚芳醚腈初品溶于N-甲基吡咯烷酮中，然后向溶液中加入无水乙醇，至沉淀量不再增加，再过滤，过滤物用1mol/L的稀盐酸和无水乙醇反复洗涤，随后干燥，得到粉末状的双酚A型聚芳醚腈；
(2)形状记忆聚芳醚腈筛管材料的制备：
将5g制得的双酚A型聚芳醚腈溶解于50mL N,N-二甲基甲酰胺中，然后向溶液中加入2g十八烷氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、0.6g 3-（丙烯酰胺基）苯硼酸和0.23g引发剂偶氮二异丁腈，充分搅拌溶解，缓慢升高温度至80℃，保温反应12h，得到混合溶液；将混合溶液导入模具中，室温下固化，然后脱模，即可制得形状记忆聚芳醚腈筛管材料；所得形状记忆聚芳醚腈筛管材料的结构式如图4所示，其中，n为80~200之间的整数，x、y、z分别为大于等于1的整数，m为20~35之间的整数。
实验例
上述三个实施例所制得的形状记忆聚芳醚腈筛管材料性能类似，以实施例1中的形状记忆聚芳醚腈筛管材料为例，对所得材料的性能进行测试说明。
对实施例1中的形状记忆聚芳醚腈筛管材料热性能进行测试，结果如图5所示。从图中可以看出聚芳醚腈材料表现出强大的热稳定性，质量损失率为5%时温度高达404.5℃。
对实施例1中的形状记忆聚芳醚腈筛管材料的力学性能进行测试，结果如图6应力-应变曲线所示，从图中可以看出拉伸强度为66MPa，断裂伸长率达到33%。
对实施例1中的形状记忆聚芳醚腈筛管材料进行宏观形状记忆性能测试，结果如图7所示，从图中可以看出形状记忆聚芳醚腈具有出色的宏观形状记忆性能，显示出其在受外部加热作用下能够在40s内恢复到原始形状，展现出优异的形状记忆效应，其形状恢复率高达98%。
对实施例1中的形状记忆聚芳醚腈筛管材料的耐溶剂性能进行测试，结果如图8所示，图中的UP水指代的是超纯水；从图中可以看出形状记忆聚芳醚腈在各种溶剂中浸泡一个月后，材料的质量变化仅为4%左右，表明其出色的耐溶剂性能。
与其他用于油气开采防砂的材料相比，本发明中的形状记忆聚芳醚腈筛管材料在热性能、力学性能和耐溶剂性能方面均有显著提升，表现更为优越。特别地，其形状记忆性能有望解决充填长度受限和不规则井壁膨胀不足的问题。性能测试结果表明，本发明所制得的形状记忆聚合物筛管材料具有做为油气高效开发有效防砂筛管材料的前景。
虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (9)
1.一种形状记忆聚芳醚腈筛管材料的应用，其特征在于：所述形状记忆聚芳醚腈筛管材料用于制备油气开发中的防砂筛管；所述形状记忆聚芳醚腈筛管材料的结构式如式(I)所示，
，
其中，n为80~200之间的整数；R1为氢或异丙基；R2的结构式如式(II)所示，
，
x、y、z分别为大于等于1的整数；R4为氢或甲基，R5为或/>；R3的结构式如式(III)所示，
，
m为20~35之间的整数；R6为氢或十八烷基。
2.权利要求1所述形状记忆聚芳醚腈筛管材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将双酚底物、二卤苯甲腈、2,2'-二烯丙基双酚A和催化剂加入反应容器中，再加入第一溶剂和带水剂，充分混合均匀后，升温至带水剂沸腾沸，回流反应2~3h；然后将反应体系升温至160~180℃，保温反应1~2h，得包含聚芳醚腈的反应混合液；用酸对反应混合液中的聚芳醚腈进行沉淀，再纯化、干燥，得双酚A型聚芳醚腈；
(2)将双酚A型聚芳醚腈溶解于第二溶剂中，然后向所得溶液中加入带有双键的长链共聚单体、硼氧化合物和引发剂，充分搅拌溶解，再将反应体系升温至60~80℃，保温反应12h，得混合溶液；随后于室温下固化，即得；所述带有双键的长链共聚单体为聚乙二醇丙烯酸甲酯、聚乙二醇甲基丙烯酸乙酯、十八烷氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯或烯丙醇聚氧乙烯醚；所述硼氧化合物为4-乙烯基苯硼酸或3-（丙烯酰胺基）苯硼酸。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述双酚底物、二卤苯甲腈、2,2'-二烯丙基双酚A和催化剂的摩尔比为4~6:7~8:2~4:8~10。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：所述双酚底物为双酚A或2,2-双(4-羟基苯基)丙烷；所述二卤苯甲腈为2,6-二氯苯甲腈或2,6-二氟苯甲腈；所述催化剂为无水碳酸钾。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述带水剂为甲苯；所述第一溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述甲苯与N-甲基吡咯烷酮的体积比为3~4:10。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述双酚A型聚芳醚腈、带有双键的长链共聚单体和硼氧化合物的质量之比为10:1~3:0.8~1.2。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述第二溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；所述引发剂为偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰或偶氮二异庚腈；所述引发剂的添加量为双酚A型聚芳醚腈质量的2~3%。
9.一种形状记忆聚芳醚腈筛管材料，其特征在于：采用权利要求2~8任一项所述的制备方法制备得到。
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