新材料在石油工程中的應用

李帥　李晨欣　劉太恒

摘 要：目前，全球經濟發展對能源的需求與依賴依舊較為嚴重，這不僅給石油工程帶來的挑戰，也創造了更多的機遇，從而促使石油工程技術朝向更好的發展，帶動石油工程變得更為智能化、實時化與自動化，并加大了對新材料的應用力度。本文主要對氣凝膠復合隔熱材料與自愈合聚合物材料這兩種新材料在石油工程中的應用做出分析。

關鍵詞：新材料；氣凝膠復合隔熱；自愈合聚合物

從目前來說，在石油工程中，新材料的發展主要呈現為智能化、自動化與實時化的趨勢，其中智能化特點更為明顯。比如，高性能機電液一體化技術的發展，使得石油鉆機的功能逐步得到完善，進而促使自動化工具儀器得到增長，另外，通過對智能信息技術的運用，也可使勞動力得到降低，從而促使勞動效率的提升。對于石油工程來說，其每次發展，都是新材料、方法與理論的有效結合，而這些材料、方法與理論的結合，又極大的帶動了石油工程的源源不斷發展。本文主要對氣凝膠負荷隔熱材料與自愈合聚合物材料在石油工程中的運用進行探討。

1 氣凝膠-相變微膠囊復合隔熱材料的運用

1.1 該材料的應用原理

對于二氧化硅氣凝膠來說，其是使用納米級的二氧化硅微粒進行連接的，一種具有三維網絡結構的納米多孔材料，而這些粒子與孔所對應的直徑，都是出于納米級別，因此熱導率很低，從而能夠起到很好的保溫隔熱效果。但這種較好的隔熱性能也會在長期使用后出現熱積累效應，從而致使內部器件溫度上升。對于相變微膠囊材料來說，其是借助微膠囊化技術，采用具有化學惰性的外殼材料，來將固-液箱變材料微球外面進行包裹，從而得到復合相變材料。這樣在相變微膠囊材料核殼化的作用下，便能夠使得泄漏、腐蝕等問題得到解決，進而使得材料特性得到改變。同時在相變時，會吸收與釋放出大量的熱，因此能夠在熱防護領域得到應用。將氣凝膠與相變微膠囊的結合，所產生的復合隔熱材料，可以使內部需要隔熱保護的器件得到充分保護，因此在很多精密設備中可得到應用。

1.2 該材料的特點

作為分散介質為主的氣體凝膠材料，氣凝膠材料主要是由高聚物與膠體粒子所構成的材料。對于氣凝膠材料來說，其中存在的孔隙尺寸往往都處于納米級別，同時孔隙率可以達到80%以上，甚至可以達到99.8%，而直徑一般都在1-100nm間，表面積都在200-1000m2/g間，密度可以在3kg/m3以下，在溫室下的導熱系數能夠達到0.012W/（m·K）。這種較低的導熱系數，使其能夠成為超級絕熱材料的一種。

而對于相變微膠囊來說，其一般都是使用正二十烷來當作芯材，在常溫狀態下，呈現出的為白色粉末狀，同時每個顆粒的粒徑處于0.5-20μm之間，一般來說，其裝載率可以達到70%以上。其中溫度可以根據相關需求來做出調節，具有較好的儲能與控溫效果。

1.3 該材料在石油工程中的應用

目前，在石油工程中，其實對隔熱材料的要求很高，尤其是在鉆井環節，所使用的各類隨鉆測量電子設備，都應當做到隔熱保護。然而，受到空間因素的影響，使得難以通過采取增加厚度的措施來實現隔熱。但是對于氣凝膠-相變微膠囊復合材料來說，其能夠集合二者特點，來使隔熱性能得到展現，同時其厚度較小，因此可以擺脫空間上的限制。通過對這種材料的運用，也不需要對原先工件的結構做出轉變，直接應用即可，并可制成各類形狀，來避免器件遭受高溫帶來的影響。

2 自愈合聚合物材料在石油工程中的應用

2.1 該材料的應用原理

對于聚合物材料來說，其在應用時，會受到外界因素的影響，從而對使用年限產生影響。為了能夠使其得到長期使用，需要對材料中的裂紋進行修復，從而使材料力學性能得到展現。原先所采取的措施難以對內部微裂紋做出修復，從而提出了自愈合聚合物的概念，也就是借助材料自我感知能力來完成對微裂紋的修復，從而使材料使用年限得到延長。對于聚合物材料的自愈合，通常是將愈合劑用某種方式埋植在聚合物基質中，當聚合物材料產生破裂時愈合劑流出，修復裂紋；或者利用聚合物與單體之間的可逆反應，或通過加熱、光、電磁等引發單體聚合生成聚合物以修復裂紋。按照不同的修復方法，現有自愈合聚合物主要分為微膠囊法、空芯纖維法、仿人體毛細血管叢法等。

2.2 該材料的特點

自愈合聚合物的特點在于其自我修復特性。該材料能夠修復材料內部出現的微裂紋。通常都需要借助外力條件，來完成化學反應。

2.3 該材料在石油工程中的應用

該材料在在石油工程領域當中，可以得到兩方面的應用與發展。首先，作為井下流體的化學添加劑，可用于自愈合固井水泥、自愈合封堵材料、自反應鉆井液等，根據井下條件的變化發生反應或者變形，從而實現凝固或者封堵作用。其次，作為封隔器等工件的構成材料，不但能通過自愈合反應增加自膨脹封隔器的強度和使用壽命，而且能夠根據不同井段環境膨脹或者收縮實現智能封堵。

3 總結

對于一種新材料，同時對該材料的原理與特征做出分析，進而在將其與應用環境作出對比與分析，進而再使其在石油工程中得到運用，目前已經成為該領域技術創新所采用的常規措施。現如今，有多種新技術在石油工程中得到運用，并取得較好的成效，因此在未來應實現進一步應用與發展。

參考文獻：

[1]張培軍.石油工程安全監督工作質量的提升對策[J].中國石油和化工標準與質量，2017（07）：65.

[2]吳曉東.石油工程發展展望[J].化工設計通訊，2016（05）：34.