一种热致膨胀器及制备方法与流程

本发明涉及石油钻井固井技术领域，进一步地说，是涉及一种热致膨胀器及制备方法。

背景技术：

井漏是钻井、固井过程中常见的井下复杂情况之一。井漏不仅会耗费钻井时间,漏失钻井液、水泥浆，而且还可能引起卡钻、井喷、井塌、固井质量差等问题，甚至导致井眼报废事故，造成重大经济损失。

解决油气井的漏失问题一直是各大油气田关注的课题。常规固井水泥浆不具备堵漏功能，但在加入惰性纤维材料后，由于纤维的堆积和架桥作用，容易在漏失通道中形成网状结构，而水泥浆的常规性能不会发生太大变化，因此可对钻井、固井过程中的漏失进行一定程度的封堵。并且，纤维的加入还能提高水泥石的韧性，确保后期射孔作业更好地进行。

纤维作为一种惰性材料，常用来配制纤维水泥浆用于固井作业。纤维水泥浆就是在水泥浆基础配方中混入一定比例和长度的纤维材料，混合后的水泥浆性能与原浆相比没有太大的变化，并且纤维容易在漏失通道中通过堆积、架桥形成网状结构。因此，纤维水泥浆也可用于井漏封堵作业。目前，主要是通过改变纤维的加量(<5‰，占水泥的量)和长度(1-6mm)，形成纤维堵漏水泥浆体系。这种体系，一般是靠操作人员在水泥车上加入纤维。这里需要说明的是，因为纤维具有聚团缠绕性，所以不能干混在水泥中。同时，人工在水泥车上撒入纤维速度较慢，且纤维加入过多会影响水泥浆的流变性质，所以一般加入量<5‰(占水泥的量)。另外纤维的长度不能过长，这限制了纤维堵漏浆的堵漏效果。

为此，需要开发出一种新型的堵剂。该堵漏材料，地面呈现小体积状态，便于向井下输送，且较传统纤维能够保证有效泵入量；井下大体积状态，产生体积位阻效应，可有效封堵岩石裂隙。

技术实现要素：

为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种热致膨胀器及制备方法。利用现有固井设备，不改变现有固井工艺，发明一种热致膨胀器，具有温控形状记忆功能的弹簧膨胀器件，在压缩态下掺混到固井水泥中，可方便地随水泥浆输运到井下适当位置。随着井下温度逐步升高，达到温控条件时，形状记忆功能触发，体积膨胀。可以增加表观体积。应用体积效应，阻挡水泥浆从岩石缝隙流失，实现岩石裂隙的高效封堵。满足高效固井工艺要求，同时增加水泥石韧性、强度和寿命。

本发明的目的之一是提供一种热致膨胀器。

所述热致膨胀器包括压缩弹簧和和其包覆的形状记忆树脂；

所述热致膨胀器中形状记忆树脂含量为5％～80％，优选为35％～50％；

所述形状记忆树脂为热致敏感树脂，其结晶相变温度为50℃～150℃；优选为60℃～120℃；更优选为70℃～110℃。

所述形状记忆树脂优选为聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚丙烯酸酯、eva中的一种或组合；更优选为聚氨酯、尼龙、和聚乙烯，特别优选聚氨酯和eva。

所述压缩弹簧的材料为金属；优选为铁、钢、不锈钢、铝、铜或锌；更优选钢、不锈钢或铜，特别优选钢或不锈钢。

金属弹簧丝的直径为0.05～10mm；优选为0.2mm～0.6mm；更优选为0.3mm～0.5mm；

弹簧内径为0.1mm～50mm；优选为0.2mm～2.5mm；更优选为0.4mm～1.0mm；

弹簧外径为0.5mm～100mm；优选为0.5mm～4.0mm；更优选为0.5mm～1.0mm；

弹簧自由态长度为0.5mm～1000mm；优选为3mm～30mm；更优选为5mm～15mm；

弹簧压缩态长度为0.1mm～20mm；优选为0.5mm～10mm；更优选为0.8mm～1.5mm。

本发明的目的之二是提供一种热致膨胀器的制备方法。

包括：

将熔融的热致形状记忆树脂涂敷在用夹具压缩的金属弹簧上，然后冷却定型后制得所述热致膨胀器。

其中，

金属弹簧的压缩态长度为自由态长度的10～90％；优选为20～70％；更优选为40～70％；

形状记忆树脂的熔融温度为70℃～180℃；优选为90℃～150℃；更优选为90℃～130℃；

冷却温度为-70℃～80℃；优选为-15℃～30℃；更优选为0℃～20℃。

具体包括：

压缩弹簧清洗、用夹具压缩固定，形状记忆树脂加热融化滚涂于弹簧表面，产品冷却定型及产品修边检查。

本发明具体可采用以下技术方案：

一种智能热致膨胀器件，在温控条件下可以增加表观体积。本发明智能器件可改变固井水泥浆的组成，部分砂砾被替代。该智能热致膨胀器件由弹簧(1)和形状记忆树脂(2)包覆层二部分组成。具有温控形状记忆功能的弹簧膨胀器件，在压缩态下掺混到固井水泥中，可方便地随水泥浆输运到井下适当位置。随着井下温度逐步升高，达到温控条件时，形状记忆功能触发，体积膨胀。可以增加表观体积。应用体积效应，阻挡水泥浆从岩石缝隙流失，实现岩石裂隙的高效封堵。满足高效固井工艺要求，同时增加水泥石韧性、强度和寿命。

一种智能热致膨胀器件及制备工艺，其特征在于压缩弹簧(1)线材为金属材料，包括但不限于铁、钢、不锈钢、铝、铜、锌等材料。其中优选钢、不锈钢和铜，特别优选钢和不锈钢。

一种智能热致膨胀器件及制备工艺，其特征在于形状记忆高分子材料(2)为人工合成材料，包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚丙烯酸酯、eva(乙烯-醋酸乙烯共聚物)eva、优选聚氨酯、尼龙、和聚乙烯，特别优选聚氨酯和eva。

一种智能热致膨胀器件及制备工艺，其特征在于智能热致膨胀器件中smps(2)含量占器件的重量百份数为5％～10％、10％～15％、15％～20％、20％～25％、25％～30％、30％～35％、35％～40％、45％～50％、50％～55％、55％～60％、60％～65％、65％～70％、70％～75％、75％～80％，特别优选35％～40％、40％～45％、45％～50％。

一种智能热致膨胀器件及制备工艺，其特征在于金属弹簧丝(1)的金属线直径(d)为0.05mm～0.1mm、0.1mm～0.5mm、0.5mm～1.0mm、1.0mm～1.5mm、1.5mm～2.0mm、2.0mm～3.0mm、3.0mm～4.0mm、4.0mm～5.0mm、5.0mm～6.0mm、6.0mm～7.0mm、7.0mm～8.0mm、8.0mm～9.0mm、9.0mm～10.0mm，优选0.2mm～0.3mm、0.3mm～0.4mm、0.4mm～0.5mm、0.5mm～0.6mm，特别优选0.3mm～0.4mm、0.4mm～0.5mm。

一种智能热致膨胀器件及制备工艺，其特征在于弹簧内部圈尺寸(内径d1)为0.1mm～0.2mm、0.2mm～0.4mm、0.4mm～0.6mm、0.6mm～0.8mm、0.8mm～1.0mm、1.0mm～1.5mm、1.5mm～2.0mm、2.0mm～2.5mm、2.5mm～3.0mm、3.0mm～3.5mm、3.5mm～4.0mm、4.0mm～5.0mm、5.0mm～10mm、10mm～20mm、20mm～30mm、30mm～40mm、40mm～50mm,优选0.2mm～0.4mm、0.4mm～0.6mm、0.6mm～0.8mm、0.8mm～1.0mm、1.0mm～1.5mm、1.5mm～2.0mm、2.0mm～2.5mm，特别优选0.4mm～0.5mm、0.5mm～0.6mm、0.6mm～0.7mm、0.7mm～0.8mm、0.8mm～0.9mm、0.9mm～1.0mm。

一种智能热致膨胀器件及制备工艺，其特征在于弹簧外部圈尺寸(d2)为0.5mm～0.6mm、0.6mm～0.7mm、0.7mm～0.8mm、0.8mm～0.9mm、0.9mm～1.0mm、1.0mm～1.1mm、1.1mm～1.2mm、1.2mm～1.3mm、1.3mm～1.4mm、1.4mm～1.5mm、1.5mm～2.0mm、2.0mm～2.5mm、2.5mm～3.0mm、3.0mm～3.5mm、3.5mm～4.0mm、4.0mm～5.0mm、5.0mm～10mm、10mm～20mm、20mm～30mm、30mm～40mm、40mm～50mm、50mm～60mm、60mm～70mm、70mm～80mm、80mm～90mm、90mm～100mm，优选0.5mm～0.6mm、0.6mm～0.7mm、0.7mm～0.8mm、0.8mm～0.9mm、0.9mm～1.0mm、1.0mm～1.1mm、1.1mm～1.2mm、1.2mm～1.3mm、1.3mm～1.4mm、1.4mm～1.5mm、1.5mm～2.0mm，特别优选0.5mm～0.6mm、0.6mm～0.7mm、0.7mm～0.8mm、0.8mm～0.9mm、0.9mm～1.0mm。

一种智能热致膨胀器件及制备工艺，其特征在于弹簧自由高度(hf)为0.5mm～1mm、1mm～2mm、2mm～3mm、3mm～4mm、4mm～5mm、5mm～6mm、6mm～7mm、7mm～8mm、8mm～10mm、10mm～15mm、15mm～30mm、30mm～50mm、50mm～70mm、70mm～100mm、100mm～150mm、150mm～200mm、200mm～300mm、300mm～400mm、400mm～500mm，500mm～600mm、600mm～700mm、700mm～800mm、800mm～1000mm，优选3mm～4mm、4mm～5mm、5mm～6mm、6mm～7mm、7mm～8mm、8mm～10mm、10mm～15mm、15mm～30mm，特别优选5mm～6mm、6mm～7mm、7mm～8mm、8mm～10mm、10mm～15mm。

一种智能热致膨胀器件及制备工艺，其特征在于压缩态为金属弹簧各圈间通过形状记忆树脂连接为整体，金属弹簧依靠树脂粘结处于压缩状态，压缩态长度(hp)为0.1mm～0.1mm、0.5mm～1mm、1mm～2mm、2mm～3mm、3mm～4mm、4mm～5mm、5mm～6mm、6mm～7mm、7mm～8mm、8mm～10mm、10mm～12mm、12mm～14mm、14mm～16mm、16mm～18mm、18mm～20mm，优选0.5mm～1mm、1mm～2mm、2mm～3mm、3mm～4mm、4mm～5mm、5mm～6mm、6mm～7mm、7mm～8mm、8mm～10mm，特别优选0.8mm～1mm、1mm～1.2mm、1.2mm～1.3mm、1.3mm～1.4mm、1.4mm～1.5mm。

一种智能热致膨胀器件及制备工艺，其特征在于smp(2)为热致敏感树脂，材料结晶相变温度为50℃～60℃、60℃～70℃、70℃～80℃、80℃～90℃、90℃～100℃、100℃～110℃、110℃～120℃、120℃～130℃、130℃～140℃、140℃～150℃，优选60℃～70℃、70℃～80℃、80℃～90℃、90℃～100℃、100℃～110℃、110℃～120℃，特别优选70℃～80℃、80℃～90℃、90℃～100℃、100℃～110℃。

一种智能热致膨胀器件及制备工艺，其特征在于采用以下步骤制备智能热致膨胀器件。第一步采用夹具压缩金属弹簧(1)，第二步涂覆熔融的热致形状记忆树脂(2)(smp)。第三步冷却定型。

一种智能热致膨胀器件及制备工艺，其特征在于压缩弹簧(1)的压缩态长度为自由态长度的10％～20％、20％～30％、30％～40％、40％～50％、50％～60％、60％～70％、70％～80％、80％～90％，优选20％～30％、30％～40％、40％～50％、50％～60％、60％～70％，特别优选40％～50％、50％～60％、60％～70％。

一种智能热致膨胀器件及制备工艺，其特征在于smp(2)熔融温度为70℃～80℃、80℃～90℃、90℃～100℃、100℃～110℃、110℃～120℃、120℃～130℃、130℃～140℃、140℃～150℃、150℃～160℃、160℃～170℃、170℃～180℃，优选90℃～100℃、100℃～110℃、110℃～120℃、120℃～130℃、130℃～140℃、140℃～150℃，特别优选90℃～100℃、100℃～110℃、110℃～120℃、120℃～130℃。

一种智能热致膨胀器件及制备工艺，其特征在于冷却温度为-70℃～80℃，优选-15℃～0℃、0℃～10℃、10℃～20℃、20℃～30℃，特别优选、0℃～5℃、5℃～10℃、10℃～15℃、15℃～20℃。

本发明的热致膨胀器件处于地面压缩状态时，体积可以控制在1mm³，井下温度出发后，体积可以增大10倍以上，产生体积位阻效应，具有良好的封堵效果。金属弹簧丝固化在水泥石中，可有效提高韧性和强度。经过前期科研验证，证明原理可行，具有良好的封堵效果。

附图说明

图1本发明的热致膨胀器受热膨胀后的剖面示意图；

图2本发明的热致膨胀器剖面示意图；

附图标记说明：

1-压缩弹簧金属丝；2-形状记忆树脂。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

表1

实施例1

金属弹簧1的金属丝直径0.05mm；弹簧内径0.1mm；弹簧外径0.5mm；弹簧自由态长度0.5mm；压缩态长度0.1mm。形状记忆树脂1的重量为总重量的5％；形状记忆树脂的结晶相变温度(热致温度)为50℃。

第一步采用夹具压缩金属弹簧1，第二步涂覆70℃熔融的热致形状记忆树脂1(smp)。第三步冷却-70℃定型。得到热致膨胀器t1(见表1)。

实施例2

金属弹簧2的金属丝直径0.2mm；弹簧内径3mm；弹簧外径4mm；弹簧自由态长度15mm；压缩态长度3mm。形状记忆树脂2的重量为总重量的30％；形状记忆树脂的结晶相变温度(热致温度)为70℃。

第一步采用夹具压缩金属弹簧2，第二步涂覆130℃熔融的热致形状记忆树脂2(smp)。第三步冷却0℃定型。得到热致膨胀器t2(见表1)。

实施例3

金属弹簧3的金属丝直径0.2mm；弹簧内径10mm；弹簧外径100mm；弹簧自由态长度1000mm；压缩态长度20mm。形状记忆树脂3的重量为总重量的80％；形状记忆树脂的结晶相变温度(热致温度)为75℃。

第一步采用夹具压缩金属弹簧3，第二步涂覆130℃熔融的热致形状记忆树脂3(smp)。第三步冷却0℃定型。得到热致膨胀器t3(见表1)。

实施例4

金属弹簧4的金属丝直径1mm；弹簧内径1.5mm；弹簧外径2mm；弹簧自由态长度20mm；压缩态长度5mm。形状记忆树脂4的重量为总重量的30％；形状记忆树脂的结晶相变温度(热致温度)为90℃。

第一步采用夹具压缩金属弹簧4，第二步涂覆130℃熔融的热致形状记忆树脂4(smp)。第三步冷却5℃定型。得到热致膨胀器t4(见表1)。

实施例5

金属弹簧5的金属丝直径0.2mm；弹簧内径1mm；弹簧外径1.4mm；弹簧自由态长度30mm；压缩态长度6mm。形状记忆树脂5的重量为总重量的25％；形状记忆树脂的结晶相变温度(热致温度)为120℃。

第一步采用夹具压缩金属弹簧5，第二步涂覆130℃熔融的热致形状记忆树脂5(smp)。第三步冷却10℃定型。得到热致膨胀器t5(见表1)。

实施例6

金属弹簧6的金属丝直径10mm；弹簧内径1.5mm；弹簧外径2mm；弹簧自由态长度50mm；压缩态长度10mm。形状记忆树脂6的重量为总重量的25％；形状记忆树脂的结晶相变温度(热致温度)为150℃。

第一步采用夹具压缩金属弹簧6，第二步涂覆180℃熔融的热致形状记忆树脂6(smp)。第三步冷却80℃定型。得到热致膨胀器t6(见表1)。