一种注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层及其制备方法与流程

本发明属于油井管腐蚀与防护技术领域，具体涉及一种注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层涂料及其制备方法。

背景技术：

油田注水井管柱由于其气、水、油、固共存的多相耦合腐蚀介质，高温高压以及多变的腐蚀工作环境，管柱损坏问题日益严重，已成为腐蚀防护的难点。胜利油田、大庆油田和新疆油田等老油田开发已进入特高含水或高含水期，注水井管柱由于腐蚀引起管柱频繁更换，造成巨大经济损失。因此，注水井管柱的腐蚀防护已成为亟待解决的问题。

涂/镀层防护技术是油田最早使用的注水井管柱腐蚀控制措施，且取得了较好的经济效应。然而，传统的注水管涂/镀层防护技术存在如下局限性：有机涂层其本体难以避免的含针孔等本征缺陷，耐磨耐冲蚀性能较差，高温环境下涂层难以阻止cl^-、h2o和o2等小分子的渗透，且易老化；对于镀层而言，在保证耐蚀效果前提下，对镀层的厚度和致密性要求高，相应的需要添加较多的ni、w等贵金属元素，造成其成本增加，且镀层制备工艺控制还有待提高。目前，油田现场注水井在用环氧涂层油管推荐使用温度一般不超过80℃。然而，随着深井超深井的开发，注水井深度已超4000米，服役温度已超过102℃。中石油某油田2015年现场累计起出注水井防腐油管32井次普遍存在腐蚀现象。涂/镀层抗渗性和耐高温腐蚀性能差是引起管柱失效的主要原因。

因此，油气田企业对能够提高注水管服役寿命、性能稳定的经济型注水管涂/镀层防护技术具有强烈的生产需求。近年来，石墨烯改性环氧涂层因具有更优异的防腐性能受到广泛关注。然而，截止目前，石墨烯改性环氧涂层研究及应用主要集中在海洋防腐和风电防腐领域，大多涉及常温及低温的海洋环境或大气腐蚀环境；在井下高温高压服役环境中的性能研究还未见报道，更没有相关的应用示范工程。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层及其制备方法，该石墨烯改性环氧涂层油管能在120℃注水工况中长期服役，具有绝佳的防腐性能。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

一种注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层，按重量百分比计，包括，a组分和b组分；

a组分包括：

二酚基丙烷环氧树脂：30～37％

酚醛环氧树脂：10～15％

石墨烯：0.11～0.25％

颜填料：35～39％

助剂：0.2～0.6％

有机溶剂：5～7％

b组分：9～10％；b组分为固化剂。

本发明进一步的改进在于，石墨烯的比表面积190～260m²/g，石墨烯的层数7～10层。

本发明进一步的改进在于，颜填料为碳黑、滑石粉、硫酸钡、云母氧化铁、碳化硅、硫酸锌中的一种或几种。

本发明进一步的改进在于，助剂包括分散助剂、偶联剂、附着力助剂、消泡剂和流平剂。

本发明进一步的改进在于，固化剂为脂环改性胺。

本发明进一步的改进在于，有机溶剂为二甲苯、正丁醇、1,4-丁二醇二缩水甘油醚中的任意一种或几种。

一种注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按质量百分比计，将石墨烯加入到有机溶剂中，超声，得到石墨烯分散液；

步骤2：将二酚基丙烷环氧树脂总质量的4％加入至预制石墨烯分散液中，机械搅拌均匀后，超声时间为120min，超声频率为4khz，得到石墨烯环氧树脂混合液，分散后石墨烯的层数为1～4层。

步骤3：将步骤2中制备的石墨烯环氧树脂混合液加入到剩余的二酚基丙烷环氧树脂树脂中，混合均匀；然后加入助剂，混合均匀；再加入酚醛环氧树脂，混合均匀；最后加入颜填料，得到混合液；其中，助剂为分散助剂；

步骤4：将步骤3中的混合液研磨使涂料细度小于20微米；然后加入助剂，搅拌均匀，得到a组分；其中，助剂为偶联剂、附着力助剂、消泡剂和流平剂；

步骤5：将a组分与b组分混合，得到注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂料。

一种涂覆有注水井用tz110型耐高温石墨烯改性环氧涂料的油管。

一种涂覆有注水井用tz110型耐高温石墨烯改性环氧涂料的油管的制备方法，向注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂料中加入稀料，调节粘度为45～50cst，然后喷涂到预经预处理的油管上，中低温固化，待表干后室温固化，得到喷涂有注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层的油管。

本发明进一步的改进在于，低温固化温度为55～65℃，时间为2.5h；室温固化时间为5～7d；注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层厚度为159～198μm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明中制备的一种注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层油管，石墨烯与二酚基丙烷环氧树脂和酚醛环氧树脂复合后，得到的涂层致密性好。

(2)本发明的涂层耐温性能达到150℃，在低于120℃(含)的井下注水工况中具有绝佳的防腐性能。

(3)本发明的涂层油管制备时，一次喷涂成型，有效降低了现有涂层油管制备技术中的能耗。

(4)纳米尺度石墨烯分散在环氧涂料的体系中，能显著提高环氧涂层的抗渗性、耐高温性能和防腐性能。且石墨烯比表面积大、添加少量的石墨烯即可显著改善涂层的性能。氧化还原法制备的石墨烯价格低至3元/克；因此，相比高端的新型涂/镀层，石墨烯改性环氧涂层更为经济。

进一步的，喷涂时，只需低温(55～65℃)固化2.5h，然后常温固化时间5～7d，固化温度较低，易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例1～3中所使用的石墨烯的透射电镜图；

图2为本发明实施例1～3中所使用的石墨烯环氧树脂混合液固化后的透射电镜图；

图3为本发明实施例1中石墨烯油管中试样品宏观形貌；

图4为本发明实施例1中所述的在模拟油田介质中防腐性能测试试验结果；其中，(a)为某油田在用环氧涂层；(b)为耐高温石墨烯改性环氧涂层；

图5为本发明实施例2中所述在碱性介质中耐高温高压性能测试试验结果；其中，(a)为某油田在用环氧涂层；(b)为耐高温石墨烯改性环氧涂层。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明中的搅拌的转速均为120转/min。

本发明提供一种注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂料，按重量百分比计，包括，a组分和b组分，a组分包括：二酚基丙烷环氧树脂、酚醛环氧树脂、石墨烯、颜填料、有机溶剂以及助剂，b组分为固化剂。

a组分包括：

二酚基丙烷环氧树脂：30～37％

酚醛环氧树脂：10～15％

石墨烯：0.1～0.25％

颜填料：35～39％

助剂：0.2～0.6％

有机溶剂：5～7％

b组分：9～10％；b组分为固化剂。

其中，石墨烯的比表面积190～260m²/g，石墨烯的层数7～10层，参见图1。

颜填料为碳黑、滑石粉、硫酸钡、云母氧化铁、碳化硅、硫酸锌中的一种或几种。

助剂包括分散助剂、偶联剂、附着力助剂、消泡剂和流平剂中任意一种或几种。具体的，分散助剂为：byk-163，偶联剂为：h560，附着力助剂为：4509，消泡剂为：byk-066，流平剂为：byk-337。

固化剂为脂环改性胺。

有机溶剂为二甲苯、正丁醇、1,4-丁二醇二缩水甘油醚中的任意一种或几种。

上述注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按质量百分比计，将石墨烯加入到有机溶剂中，超声，得到石墨烯分散液，其中，超声时间为60min，超声频率为7khz。

步骤2：将二酚基丙烷环氧树脂总质量的4％加入至预制石墨烯分散液中，机械搅拌均匀后，超声，得到石墨烯环氧树脂混合液，分散后石墨烯的层数为1～4层，参见图2。其中，超声时间为120min，超声频率为4khz。

步骤3：将步骤2中制备的石墨烯环氧树脂混合液加入到剩余的二酚基丙烷环氧树脂树脂中，搅拌11～15min至均匀混合；然后加入分散助剂，高速搅拌11～15min至混合均匀；再加入酚醛环氧树脂，搅拌10～12min至混合均匀；最后加入颜填料，得到混合液；

其中，颜填料为碳黑、滑石粉、硫酸钡、云母氧化铁、碳化硅、硫酸锌中的一种或几种。当颜填料为碳黑、滑石粉、硫酸钡、云母氧化铁、碳化硅、硫酸锌中两种或两种时，将颜填料逐一加入，具体为：每加入一种颜填料后搅拌3～5min；然后再加入另外一种颜填料。即不是将两种或两种以上的颜填料同时加入，而是逐一加入。

步骤4：将步骤3中的混合液研磨45min，使涂料细度小于20微米；然后加入偶联剂、附着力助剂、消泡剂和流平剂，高速搅拌3～5min，得到a组分；

步骤5：将a组分与b组分混合，得到注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂料。

一种涂覆有上述注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层油管的制备方法，包括以下步骤：将油管待喷涂表面按照国家标准gb/t8923.1进行预处理；向注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂料中加入稀料，调节粘度为45～50cst，然后喷涂到经预处理后的油管上，中低温固化，待表干后室温固化，得到喷涂有注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层的油管，并且涂层厚度为159～198μm。其中，低温固化温度为55～65℃，时间为2.5h。室温固化时间为5～7d。本发明一次喷涂即可成型。

实施例1

涂料的组分及其重量百分比如下：

二酚基丙烷环氧树脂：32％

酚醛环氧树脂：15％

石墨烯：0.2％

颜填料：37％

助剂：0.5％

固化剂：9％

有机溶剂：6.3％

参见图1，所述的石墨烯的比表面积190～260m²/g，石墨烯的层数7～10层。

步骤1：称取0.2％的石墨烯，与6.3％有机溶剂混合，超声分散1.5h后，得到石墨烯分散液。其中，有机溶剂为二甲苯；

步骤2：将36％的二酚基丙烷环氧树脂分为两份，第一份为总质量的4％，剩余为第二份，将第一份加入至预制石墨烯分散液中，机械搅拌均匀后，超声，得到石墨烯环氧树脂混合液，分散后石墨烯的层数为1～4层，参见图2。其中，超声时间为120min，超声频率为4khz。

步骤3：将步骤2中制备的石墨烯环氧树脂混合液加入到剩余的二酚基丙烷环氧树脂中，搅拌13min至均匀混合；然后加入分散助剂，高速搅拌13min至均匀混合；再将15％的酚醛环氧树脂加入上述混合料中，最后将37％的颜填料(颜填料为碳黑、滑石粉以及硫酸钡)加入，每加入一种填料，高速搅拌3min；得到混合液。

步骤4：将步骤3中的混合液研磨45min，加入附着力助剂，高速搅拌3min，得到混合液。其中，分散助剂与偶联剂、附着力助剂、消泡剂和流平剂的总的重量百分比为0.5％；

步骤5：将9％的固化剂加入步骤3的混合液中，均匀混合，得到注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂料。

一种涂覆有上述注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂料的油管的制备方法：

将上述涂料涂覆在按照国家标准gb/t8923.1处理过的油管表面，在60℃温度下固化2.5h，然后常温固化6d，得到注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层油管。

对实施例1中的涂层表面粗糙度和厚度进行测试，测量10次，涂层最低厚度159μm；平均厚度185μm。样品宏观形貌如图3所示。

对实施例1中的注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层油管上切取试样，并进行防腐性能测试，以某油田常用的环氧涂层作为对照组，在120℃，压力为10mpa某井注入水质中浸泡60d。试验结果如图4所示，环氧涂层出现了鼓泡现象，tz120型石墨烯改性环氧涂层试验前后无明显变化。

实施例2

涂料的组分及其重量比如下：

二酚基丙烷环氧树脂：33％

酚醛环氧树脂：14％

石墨烯：0.25％

颜填料：36.15％

助剂：0.6％

固化剂：9％

有机溶剂：7％

所述的石墨烯的比表面积190～260m²/g，石墨烯的层数7～10层。

步骤1：称取0.25％的石墨烯，与约7.1％有机溶剂混合，超声，得到石墨烯分散液，其中，超声时间为60min，超声频率为7khz；有机溶剂为正丁醇；

步骤2：将38％的二酚基丙烷环氧树脂分为两份，第一份为二酚基丙烷环氧树脂总质量的4％，剩余为第二份，将第一份加入到石墨烯分散液中，机械搅拌均匀后，超声，得到石墨烯环氧树脂混合液，分散后石墨烯的层数为1～4层。其中，超声时间为120min，超声频率为4khz。

步骤3：将步骤2中制备的石墨烯环氧树脂混合液加入到剩余的二酚基丙烷环氧树脂树脂中，搅拌14min至均匀混合；然后加适量分散助剂，高速搅拌14min至均匀混合；再将14％酚醛环氧树脂加入上述混合料中，最后将36％填料(云母氧化铁)加入，高速搅拌3min；得到混合液。

步骤4：将步骤3中的混合液研磨45min，加入适量偶联剂、附着力助剂、消泡剂和流平剂，高速搅拌3min，得到混合液。其中，分散助剂与偶联剂、附着力助剂、消泡剂和流平剂的总的重量百分比为0.5％；

步骤5：将9％的固化剂加入步骤4的混合液中，均匀混合得到一种注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂料。

一种涂覆有上述注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂料的油管的制备方法：在65℃温度下固化2.5h，然后常温固化5d，得到一种注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层油管。

对实施例1中的涂层表面粗糙度和厚度进行测试，测量10次，涂层最低厚度176μm；平均厚度198μm。

对实施例2中的涂层进行漏点检测，平均厚度198微米的涂层，击穿电压为2千伏。

对实施例2中的涂层进行耐高温性能测试，并以某油田在用的环氧涂层作为对照组，试验温度150℃，压力35mpa，ph值为13的naoh溶液。试验结果如图5所示，环氧涂层发生了起泡、开裂和剥落现象，而石墨烯改性环氧涂层无明显变化。

实施例3

按重量百分比计，包括，a组分和b组分；

a组分包括：

二酚基丙烷环氧树脂：30％

酚醛环氧树脂：14.69％

石墨烯：0.11％

颜填料：39％

助剂：0.2％

有机溶剂：6％

b组分：10％；b组分为固化剂。

其中，石墨烯的比表面积190～260m²/g，石墨烯的层数7～10层。

颜填料为碳化硅与硫酸锌的混合物。

助剂包括分散助剂、偶联剂、附着力助剂、消泡剂和流平剂。

固化剂为脂环改性胺。

有机溶剂为二甲苯与1,4-丁二醇二缩水甘油醚的混合物。

上述注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按上述质量百分比计，将石墨烯加入到有机溶剂中，超声使石墨烯均匀分散，得到石墨烯分散液；

步骤2：将二酚基丙烷环氧树脂分为两份，第一份为二酚基丙烷环氧树脂总质量的4％，剩余为第二份，将第一份加入至预制石墨烯分散液中，机械搅拌均匀后，超声，得到石墨烯环氧树脂混合液，分散后石墨烯的层数为1～4层。其中，超声时间为120min，超声频率为4khz。

步骤3：将步骤2中制备的石墨烯环氧树脂混合液加入到剩余的二酚基丙烷环氧树脂树脂中，混合均匀；然后加入助剂，混合均匀；再加入酚醛环氧树脂，混合均匀；最后加入颜填料，得到混合液；其中，助剂为分散助剂；

步骤4：将步骤3中的混合液研磨使涂料细度小于20微米；然后加入助剂，搅拌均匀，得到a组分；其中，助剂为偶联剂、附着力助剂、消泡剂和流平剂；

步骤5：将a组分与b组分混合，得到注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂料。

一种涂覆有上述注水井用tz110型耐高温石墨烯改性环氧涂料的油管的制备方法，向注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂料中加入稀料，调节粘度为45～50cst，然后喷涂到预经预处理的油管上，55℃下低温固化2.5h，待表干后室温固化7d，注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层厚度为159～198μm，得到喷涂有注水井用耐120摄氏度高温石墨烯改性环氧涂层的油管。