超高应变回复形状记忆合金筛管材料及制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了超高应变回复形状记忆合金筛管材料及制备方法与应用。超高应变回复形状记忆合金筛管材料由预制体冷压成型获得，预制体由NiTi形状记忆合金丝绕制成螺旋线圈后通过缠绕、铺排或编织方式制得，预制体中NiTi形状记忆合金丝的螺旋线圈结构相互嵌合或互锁；所述的合金筛管材料在100～350℃温度下具备43～83％回复应变。本发明专利技术材料具有极好的高温耐受性，能够在高温条件下实现自发的膨胀变形，总体上具有超过43％的超高可回复应变，其孔隙特征为通孔结构且孔径尺寸可控，以保证过滤效果，制备成本相对较低。制备成本相对较低。制备成本相对较低。

【技术实现步骤摘要】
超高应变回复形状记忆合金筛管材料及制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及形状记忆合金，特别是涉及一种具有耐高温的超高应变回复形状记忆合金筛管材料及制备方法与应用，属于石油天然气钻探完井防砂


技术介绍

[0002]在石油天然气资源的井下开采中，一般会混合着大量的砂石和黏土，尤其是砂石存在导致的“出砂现象”，会严重影响到油气的开采效率和油气质量，延长开采周期，造成井下的不可逆损伤，极大的影响到一口油气井的资源开采总量。
[0003]油气开采包括钻井、工程建设、物探、测录井等过程。钻井指的是通过钻机钻开地层形成井眼，建立地面与地下油层联通的过程，具体包括钻井液配制、录井、测井、固井、完井等环节。完井作为“钻井工程”与“开采工程”的衔接，不仅仅可以实现采油管与油气储层的连接，同时可以起到一定的防砂功能。目前可以实现防砂的完井方式主要有砾石填充完井和机械膨胀筛管完井这两种。砾石填充完井是指在钻井完成后，将一定尺寸分布的砂石泵送到采油层的井壁与采油管之间，砂石之间紧密堆积形成过滤层，这一方式不仅能够对油砂混合物实现过滤，同时还可以对采油管实现一定的支撑效果，目前应用最为广泛，但是这一完井方式需要将大量的砂石泵送到采油层，施工周期长且工作量巨大，砾石填充不完全的井眼易发生坍塌，并且由于砂石的重力作用，很难实现对水平井中采油管的完全包裹，不适用于水平井和复杂井。机械膨胀筛管是指钻井完成后，将收缩状态下的膨胀筛管下入到产油层等指定位置，注入水泥固定整个膨胀系统后，通过特殊的膨胀工具，一般为膨胀锥对膨胀系统进行膨胀变形，最后二次下入钻头去除多余的水泥部分，这一方式可以实现对采油管的支撑并具备一定的过滤效果，但是这一完井方式并不能实现采油管对井壁的紧密贴合，空隙处井壁易受砂石冲击，此外挡砂效果有限，应用时技术要求极高。
[0004]对此，美国贝克休斯油田技术服务公司开发出了一种基于多孔形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer,SMP)的智能筛管材料(即GeoFORM筒组件)(Shape memory polyurethane foam for downhole sand control filtration devices,US patent 7926565B2,2011
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19；Variable Tg Shape memory Polyurethane for wellbore devices US patent,8365833B2.2013
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05),该组件主要由内层的多孔基管和外层的形状记忆聚合物构成，在下井前外层聚合物处于压缩状态(压缩50～80％)，在井下高温环境自发膨胀至原始形状，实现不同直径井眼的空间充填和井壁的完美贴合支撑，同时通过其多孔结构来阻挡砂石实现过滤，其孔径尺寸一般为60
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160μm，过滤精度可以达到43μm。这一材料实现自发膨胀的原理是源于聚合物内部状态的改变，聚合物在高弹态下变形并约束其形状，温度降至玻璃态形状得以保持，此时对应组件压缩状态，在下入高温的井下后，聚合物转变为高弹态，通过形状记忆效应自发发生形状回复实现采油管对井壁的完好贴合，结合多孔结构表现出对采油管支撑和挡砂过滤的双重作用。目前的油气井中70％属于高温环境，这一方式能够在高温井下实现自发的膨胀，此外操作简单能够降低时间成本，因此具有极大的应用前景；但是井下的高温条件复杂多变，并且往往会超过100℃甚至达到350℃，由
于聚合物的固有特性和形状回复机理：低的玻璃化转变温度(Tg，一般低于100℃)，使得其在高温(高于100℃)和高压下的性能不稳定，极易发生蠕变和大的应力松弛，甚至融化失效。此外，该技术的组件售价极为昂贵，单一油井花费可达上百万美元以上。

技术实现思路

[0005]为了解决现有完井作业使用的形状记忆聚合物智能筛管材料中存在的上述问题，本专利技术提供了一种具有超高应变回复形状记忆合金筛管材料及其制备方法，本专利技术筛管材料具有极好的高温耐受性，能够在高温条件下实现自发的膨胀变形，总体上具有超过43％的超高可回复应变，其孔隙特征为通孔结构且孔径尺寸可控，以保证过滤效果，制备成本相对较低。
[0006]形状记忆合金(主要包括NiTi基、Cu基和Fe基合金)具有高的熔点且能够稳定应用在100
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350℃之间。然而，相较于形状记忆聚合物，形状记忆合金由马氏体相变导致的最大可回复应变都不超过20％。通过将孔隙引入致密记忆合金中，并合理调控孔隙结构有可能提升多孔记忆合金的压缩可回复应变。但是，目前采用粉末冶金法、3d打印法、熔融渗入法等方法制备的多孔记忆合金只能展现出较高的回复应力，而其压缩可回复应变始终无法超过致密形状记忆合金的最大可回复应变，更无法满足智能筛管材料要求的30％以上的回复应变。
[0007]本专利技术采用合适丝径的NiTi形状记忆合金丝，通过绕制螺旋线圈、定距拉伸、制备预制体和冷压成型制备出了具有超高可回复应变的多孔NiTi记忆合金丝缠结材料(又名金属橡胶)。这一材料通过合金丝相互缠结制备而成，特殊的细观结构赋予了其极好的弹性，结合形状记忆合金变形后在高温下通过马氏体相变实现的形状记忆效应，总体上可以实现超高的可回复应变。
[0008]本专利技术可以通过以下技术方案实现：
[0009]一种超高应变回复形状记忆合金筛管材料，由预制体冷压成型获得，所述的预制体由NiTi形状记忆合金丝绕制成螺旋线圈后通过缠绕、铺排或编织方式制得，预制体中NiTi形状记忆合金丝的螺旋线圈结构相互嵌合或互锁；所述的合金筛管材料在100～350℃温度下具备43～83％回复应变。
[0010]为进一步实现本专利技术目的，优选地，以原子比计，所述的NiTi形状记忆合金丝的钛含量为49.6～56％。
[0011]优选地，所述的NiTi形状记忆合金丝在室温下为单一马氏体相或Ti2Ni与B19
’
马氏体复合相。
[0012]优选地，所述的NiTi形状记忆合金丝的直径为0.05～0.5mm。
[0013]优选地，所述的合金筛管材料的孔隙率为45～81％，平均孔径为51～500μm，可回复应变至少可达43％，回复应力在MPa级。
[0014]所述的超高应变回复形状记忆合金筛管材料的制备方法，包括以下步骤：
[0015]1)绕制螺旋线圈：将清洗后的NiTi形状记忆合金丝围绕芯轴进行螺旋线圈绕制，制成螺旋线圈；
[0016]2)制备预制体：将所得螺旋线圈以缠绕、铺排或编织方式制得预制体，预制体中NiTi形状记忆合金丝的螺旋线圈结构相互嵌合或互锁；
[0017]3)冷压成型：将预制体放入模具中进行冷压成型获得超高应变回复形状记忆合金筛管材料。
[0018]优选地，所述的将所得螺旋线圈以缠绕、铺排或编织方式制得预制体前还包括对螺旋线圈进行拉伸，使得拉伸后的螺旋线圈螺距与螺旋线圈中径的比值为0.95：1～1.05：1；预本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超高应变回复形状记忆合金筛管材料，其特征在于，由预制体冷压成型获得，所述的预制体由NiTi形状记忆合金丝绕制成螺旋线圈后通过缠绕、铺排或编织方式制得，预制体中NiTi形状记忆合金丝的螺旋线圈结构相互嵌合或互锁；所述的合金筛管材料在100～350℃温度下具备43～83％回复应变。2.根据权利要求1所述的超高应变回复形状记忆合金筛管材料，其特征在于，以原子比计，所述的NiTi形状记忆合金丝的钛含量为49.6～56％。3.根据权利要求1所述的超高应变回复形状记忆合金筛管材料，其特征在于，所述的NiTi形状记忆合金丝在室温下为单一马氏体相或Ti2Ni与B19
’
马氏体复合相。4.根据权利要求1所述的超高应变回复形状记忆合金筛管材料，其特征在于，所述的NiTi形状记忆合金丝的直径为0.05～0.5mm。5.根据权利要求1所述的超高应变回复形状记忆合金筛管材料，其特征在于，所述的合金筛管材料的孔隙率为45～81％，平均孔径为51～500μm，可回复应变至少可达43％，回复应力在MPa级。6.权利要求1所述的超高应变回复形状记忆合金筛管材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)绕制螺旋线圈：将清洗后的NiTi形状记忆合金丝围绕芯轴进行螺旋线圈绕制，制成螺旋线圈；2)制备预制体：将所得螺旋线...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁斌，向桂宁，李浩，杨超，高岩，朱敏，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：