基于纳米流控系统的封隔器胶筒肩部防护装置及其弹性层应用特性

针对封隔器胶筒因肩部应力集中导致的密封失效问题,提出了一种基于纳米流控系统的封隔器胶筒肩部防护装置。该肩部防护装置由楔形金属环和环形弹性层组成,弹性层具有独特的压力-体积变化特性和压力传递性能,可消除封隔器胶筒肩部应力集中现象。以ZSM-5型沸石与甘油所构成的纳米流控系统填充弹性层,通过压力-位移特性测试实验,研究了弹性层的可重复使用性及不同加载速率下系统的压力阈值及最大压力下的有效形变量。结果表明ZSM-5型沸石-甘油配方具有良好的可重复使用性,可以作为肩部防护装置环形弹性层的填料。加载速率在0.01~0.1 mm/s范围内变化时,弹性层压力阈值可稳定在17±2 MPa范围内;不同加载速率下,最大压力下的有效形变量均大于58 mm^3/g,加载速率越大,变形量越大,符合弹性层的性能需求。通过调整纳米多孔介质与功能流体的配方,环形弹性层的性能在很大范围内可调,适用于多种复杂工况。

基于纳米流控系统的封隔器胶筒材料及其温变压变特性

基于纳米流控系统特殊的压力-体积变化特性,提出了一种封隔器胶筒材料。该材料由仿生蜂窝骨架包覆纳米流控系统构成,具有优良的抗剪切性能与压力传递性能,同时具备纳米流控系统的自适应形状调节能力。以MFI型沸石-甘油所组成的纳米流控系统为例,实验分析了所述封隔器胶筒材料的可重复使用性、压力阈值及有效形变量随温度及压力的变化规律。结果表明:所测试系统在经历3次加载/卸载循环后即达吞吐平衡,具有良好的可重复使用性。环境温度增高,系统的压力阈值线性减小,有效形变量线性增大。不同于传统材料的热胀冷缩效应,该材料具有类似"热缩冷涨"的温变特性,可减小封隔器密封失效风险。通过调节纳米流控系统配方,可获得具有良好抗温变、抗压变能力的封隔器胶筒材料。

基于ZSM-5型沸石-水系统的封隔器胶筒材料密封性能研究

为解决高温高压井中封隔器胶筒的失效问题,提高封隔器胶筒密封性能,提出一种基于纳米流控系统的封隔器胶筒材料。以蜂窝状结构为支撑骨架,在蜂窝内包覆憎水性纳米多孔介质与非浸润性功能流体的混合物,制备一种封隔器胶筒材料,该封隔器胶筒材料可随着外压的增大/减小,通过体系内液体流入/流出多孔材料孔道来调节自身体积变化,平衡外界压变。以ZSM-5型沸石-水系统为填充介质,实验获得不同环境温度下ZSM-5型沸石-水基封隔器胶筒材料的压力-体积变化关系。结果表明,当环境温度在30～75℃范围内变化时,随着温度的提升,该封隔器胶筒材料的上压力阈值减小、下压力阈值增大,服役时的压力将稳定在更小区间范围内;其有效变形能力也将随着温度的升高而增大,体现出良好的密封性能,可减小油套环空密封失效风险。

基于纳米流控系统的超弹套管保护套结构原理与性能试验

针对套管承受非均匀载荷及压力温度变化引起的气窜问题,利用纳米流控能量吸收/转换系统所具有的独特的温变压变特性,提出了在套管外包覆超弹套管保护套的方法,介绍了超弹套管保护套的结构和原理,并通过压力-体积试验和温变试验测试了MFI型沸石-水流控系统的性能。压力-体积试验发现,MFI型沸石-水流控系统中的功能流体(水)随外界压力与温度的变化自发流入或流出纳米多孔介质的孔道,通过体积变化平衡外压或温度的变化,降低套管失效概率与气窜风险。温变试验发现,当温度在30～75℃之间变化时,该套管保护套的压力阈值随温度升高而降低,其形变能力随温度升高而增强,具有优异的温变工作特性。研究表明,套管外包覆合适超弹套管保护套,利用其温度和压力变化下良好的变形协调能力,可有效解决复杂工况下套管外气窜的问题。