王敏生，光新軍，孔令軍

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

形狀記憶是指具有初始形狀的材料經(jīng)形變固定后，在加熱等外部刺激條件下，又可使其恢復(fù)初始形狀的現(xiàn)象。形狀記憶材料是具有形狀記憶效應(yīng)的一類智能材料，包括形狀記憶陶瓷(SMC)、形狀記憶合金(SMA)和形狀記憶聚合物(SMP)。形狀記憶陶瓷變形能力差，極大地限制了其在石油工程中的應(yīng)用；形狀記憶合金是一種較為普遍的形狀記憶材料，是基于晶體結(jié)構(gòu)的馬氏體和奧氏體相互轉(zhuǎn)變來實(shí)現(xiàn)記憶功能，我國于20世紀(jì)90年代開始探索其在石油工程中的應(yīng)用，目前已經(jīng)應(yīng)用在非螺紋管接頭、金屬封隔器和井下控制閥等方面[1]；與形狀記憶陶瓷和形狀記憶合金相比，形狀記憶聚合物具有密度小、可生物降解、形變量大等特點(diǎn)，一直是智能材料領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)，并已應(yīng)用于航空航天、醫(yī)藥、土木和自動(dòng)化等領(lǐng)域[2_3]。近年來，國外開始將形狀記憶聚合物應(yīng)用于石油工程，取得了諸多進(jìn)展，并有部分技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。A.K.Mansour等人[4_5]開展了形狀記憶聚合物在鉆井液堵漏劑中的應(yīng)用研究，評價(jià)了不同壓力、溫度條件下智能堵漏鉆井液的堵漏效果。A.D.Taleghani等人[6]研究了形狀記憶聚合物在膨脹水泥漿中的應(yīng)用，評價(jià)了不同形狀記憶聚合物加量下水泥石的膨脹率和力學(xué)特性。L.Santos等人[7_8]研究了形狀記憶聚合物在膨脹支撐劑和壓裂轉(zhuǎn)向劑中的應(yīng)用，評價(jià)了膨脹支撐劑的導(dǎo)流能力和壓裂轉(zhuǎn)向劑的暫堵性能。G.Osunjaye等人[9_10]研究了形狀記憶聚合物在裸眼防砂篩管中的應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場應(yīng)用。童征等人[11]探索將形狀記憶聚合物應(yīng)用于井下工具，提出了基于形狀記憶聚合物的封隔器初步設(shè)計(jì)方案。為了拓展形狀記憶聚合物材料在石油工程領(lǐng)域應(yīng)用，促進(jìn)我國石油工程技術(shù)跨界融合創(chuàng)新發(fā)展，筆者分析了形狀記憶聚合物記憶效應(yīng)機(jī)理、在石油工程中的應(yīng)用優(yōu)勢和應(yīng)用進(jìn)展，指出了其在石油工程中應(yīng)用的關(guān)鍵，為我國石油工程應(yīng)用形狀記憶聚合物提供了借鑒和研發(fā)思路。

1 形狀記憶聚合物記憶效應(yīng)機(jī)理及優(yōu)勢

1.1 記憶效應(yīng)機(jī)理

聚合物本身并不具有形狀記憶效應(yīng)，通過特定的加工可以使聚合物具有形狀記憶效果，即聚合物的功能化。形狀記憶聚合物通過傳統(tǒng)擠出或注入成型處理后，形成初始狀態(tài)(形狀B);在外部環(huán)境刺激下，聚合物變形，變成臨時(shí)狀態(tài)(形狀A(yù))；工業(yè)應(yīng)用時(shí)，在外部環(huán)境刺激下，聚合物恢復(fù)到原始狀態(tài)(形狀B)，這種處理和恢復(fù)過程可以重復(fù)多次，圖1為熱刺激形狀記憶聚合物記憶效應(yīng)機(jī)理[12]。

形狀記憶聚合物是由固定相和高分子鏈段組成的彈性聚合物網(wǎng)絡(luò)，固定相決定了聚合物網(wǎng)絡(luò)的永久形狀，通過化學(xué)或物理作用交聯(lián)，固定相為化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的SMP稱為熱固性形狀記憶聚合物，固定相通過物理交聯(lián)的SMP稱為熱塑性形狀記憶聚合物。高分子鏈段是一種可逆相，在轉(zhuǎn)變溫度的作用下可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)或熔融態(tài)，轉(zhuǎn)變溫度相當(dāng)于形狀記憶聚合物的控制開關(guān)，當(dāng)聚合物環(huán)境溫度低于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，分子鏈段處于凍結(jié)狀態(tài)，材料形狀固定不變(形狀A(yù))，當(dāng)聚合物環(huán)境溫度高于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，分子鏈段處于高彈狀態(tài)，可在外力作用下發(fā)生伸展(形狀B)，從而使材料發(fā)生宏觀形變。在此過程中分子內(nèi)能不變，只是聚合物網(wǎng)絡(luò)的高分子鏈段特征結(jié)構(gòu)屬性及熵彈性行為。

圖1 熱刺激形狀記憶聚合物記憶效應(yīng)機(jī)理Fig.1 Memory effect mechanism of the thermally induced shape memory polymer

形狀記憶聚合物的刺激方式包括熱刺激、化學(xué)刺激、電刺激、磁刺激和光刺激。熱刺激是目前最普遍且最直接的刺激方式，熱量由外部環(huán)境直接傳遞給SMP,激發(fā)其發(fā)生形狀記憶效應(yīng)?；瘜W(xué)刺激是通過周圍介質(zhì)來刺激聚合物發(fā)生形變，包括pH值、水相、油相和氧化還原反應(yīng)等。電刺激和磁刺激都是間接的熱刺激方式，在聚合物中添加導(dǎo)電材料或磁性顆粒，在電場或磁場的作用下將電能或磁場能轉(zhuǎn)換成熱能，使聚合物發(fā)生形變。光刺激是利用聚合物分子鏈上的光致變色基團(tuán)來實(shí)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)，對聚合物結(jié)構(gòu)特征要求較高。

1.2 在石油工程中應(yīng)用優(yōu)勢

形狀記憶聚合物作為高分子聚合物材料，除具備高分子材料的基本特征(如蠕變、應(yīng)力松弛)外，還具有形狀記憶效應(yīng)，在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)變形大，形狀記憶聚合物具有較高的應(yīng)變恢復(fù)能力，最高可達(dá)800%；2)強(qiáng)度大，能夠通過調(diào)節(jié)性能提高強(qiáng)度，滿足井下高溫高壓環(huán)境的需要；3)密度低，一般為1.0～1.3 g/cm3，與鉆井液和完井液的密度相當(dāng)，配伍性較好；4)刺激方式多，可通過地層溫度、井下流體pH值和油水介質(zhì)等進(jìn)行激活；5)激活溫度可調(diào)，可以根據(jù)井下實(shí)際溫度調(diào)整聚合物的響應(yīng)溫度，易于實(shí)施，可控性好；6)激活時(shí)間短，可在較短的時(shí)間內(nèi)完成處理和形狀恢復(fù)。

2 石油工程應(yīng)用分析

2.1 智能堵漏鉆井液

鉆進(jìn)低壓地層和裂縫性地層過程中鉆井液會(huì)發(fā)生漏失，增加鉆井液用量和鉆機(jī)非作業(yè)時(shí)間，降低鉆井效率，增加鉆井成本。當(dāng)發(fā)生惡性漏失時(shí)，甚至?xí)鹁畤姷劝踩鹿?。雖然鉆井液堵漏材料研究近年來取得了較大進(jìn)展，但堵漏材料還存在大尺寸堵漏顆粒堵塞堵漏工具、堵漏材料傷害儲(chǔ)層、封堵失效和強(qiáng)化井筒能力有限等缺陷。

形狀記憶聚合物作為一種鉆井液添加劑，可以用于鉆井堵漏作業(yè)，并具有較好的配伍性?；谛螤钣洃浘酆衔锏闹悄芏侣┿@井液泵送至井下后，聚合物堵漏材料在地層溫度作用下激活，膨脹后有效封堵地層裂縫，達(dá)到強(qiáng)化井筒的目的，同時(shí)釋放的應(yīng)力不會(huì)破壞地層，也不會(huì)堵塞井下工具。路易斯安那州立大學(xué)A.K.Mansour等人開展了基于形狀記憶聚合物的智能堵漏鉆井液研究，數(shù)值模擬表明，形狀記憶聚合物堵漏材料在井下條件下膨脹的釋放應(yīng)力達(dá)10 MPa，提高了井筒周向應(yīng)力，封堵壓力達(dá)35 MPa，能夠有效封堵裂縫，對強(qiáng)化井筒起重要作用。物理模擬結(jié)果表明，形狀記憶聚合物堵漏材料的膨脹率受井下壓力的影響較大，壓力越大，膨脹率越小，堵漏效果越差。形狀記憶聚合物與纖維復(fù)合堵漏材料混合后，堵漏效果較單一的形狀記憶聚合物堵漏效果更好。試驗(yàn)結(jié)果表明：100 ℃下，加入1.2%的形狀記憶聚合物堵漏劑堵漏效果明顯，50 ℃下，形狀記憶聚合物沒有被完全激活，堵漏效果不明顯；由1.2%形狀記憶聚合物與1.2%纖維組成的復(fù)合堵漏劑在100和50 ℃溫度下的堵漏效果都比較明顯(見圖2)[4_5]。

2.2 可膨脹水泥

油氣井固井時(shí)，水泥在凝結(jié)過程中產(chǎn)生收縮是導(dǎo)致水泥環(huán)失效的重要因素之一，國內(nèi)外針對該問題開發(fā)了一系列可膨脹水泥漿體系，但現(xiàn)有可膨脹水泥添加劑都是通過與水泥的化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)膨脹，一定程度影響了水泥石的力學(xué)性能。

圖2 不同堵漏漿堵漏時(shí)鉆井液累計(jì)漏失量Fig.2 Comparison of cumulative losses with different plugging muds

形狀記憶聚合物作為可膨脹水泥添加劑，可在50～120 ℃內(nèi)膨脹，不與水泥漿中的水和化學(xué)組分發(fā)生反應(yīng)，對水泥石的力學(xué)性能影響較小，能防止水泥石微孔隙與微裂隙的生成，從而提升水泥環(huán)的整體完整性，是一種具有較好應(yīng)用前景的可膨脹水泥添加劑。形狀記憶可膨脹水泥添加劑主要成分是離子交聯(lián)型半晶質(zhì)聚合物_沙林樹脂，采用熱力_機(jī)械循環(huán)加載工藝制備完成后，SMP可在常溫狀態(tài)下保持形態(tài)固定并可長期存放，溫度升高至臨界溫度后可快速恢復(fù)到初始形態(tài)，促使水泥石膨脹。

路易斯安那州立大學(xué)A.D.Taleghani等人[6]開展了形狀記憶可膨脹水泥漿體系的室內(nèi)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥石膨脹率與SMP加量呈線性關(guān)系(見圖3)。SMP加量為5%時(shí)，水泥石膨脹率約為0.47%；推算可知SMP加量提高至9%時(shí)，水泥石膨脹率約為1.00%。

圖3 90 ℃，21 MPa條件下水泥石膨脹率與SMP加量的關(guān)系Fig.3 Expansion rate of cement paste with the dosage of SMP under 21MPa at 90 ℃

此外，SMP為惰性物質(zhì)，不會(huì)與水泥漿組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在90℃、21 MPa條件下，測試了SMP不同加量下的水泥石抗壓強(qiáng)度與彈性模量(見表1)。測試結(jié)果表明，SMP不會(huì)影響水泥漿的流變性能與稠化時(shí)間，但會(huì)一定程度降低水泥石的抗壓強(qiáng)度與彈性模量。SMP加量從0增至5%時(shí)，水泥石抗壓強(qiáng)度下降約39%，彈性模量下降約33%。上述現(xiàn)象說明，添加SMP后水泥石抗壓強(qiáng)度雖然有所降低，但即使添加5%SMP，水泥石的抗壓強(qiáng)度還能滿足現(xiàn)場作業(yè)要求，水泥石脆性降低，延展性增強(qiáng)。

表1不同SMP加量下的水泥石抗壓強(qiáng)度與彈性模量

Table1CompressivestrengthandelasticmodulusofcementpasteundervariousSMPdosages

SMP加量,%抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPa029.651 111.37225.86913.69323.96840.75518.10741.40

2.3 智能膨脹支撐劑

水力壓裂是實(shí)現(xiàn)低滲透油氣藏經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的主要技術(shù)措施，水力壓裂深層或偏軟儲(chǔ)層時(shí)，支撐劑破碎或嵌入地層會(huì)影響裂縫導(dǎo)流能力，繼而影響單井試氣和穩(wěn)產(chǎn)。

熱固性形狀記憶聚合物材料可以制成智能膨脹支撐劑，在壓裂過程隨壓裂液泵入地層，在地層溫度刺激作用下，智能支撐劑的膨脹性充分釋放，膨脹后的支撐劑可以起到保持或進(jìn)一步增加縫寬的作用，進(jìn)而提高裂縫導(dǎo)流能力。此外，在低滲透油氣藏加砂壓裂時(shí)，返排壓裂液殘液的過程中裂縫內(nèi)支撐劑會(huì)發(fā)生回流，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生井筒出砂或砂埋管柱等復(fù)雜情況。在裂縫內(nèi)激活智能膨脹支撐劑產(chǎn)生人工屏障，可防止支撐劑回流井筒。智能膨脹支撐劑在儲(chǔ)層溫度條件下激活膨脹釋放的應(yīng)力達(dá)10～30 MPa，足以開啟儲(chǔ)層中的一些微小裂縫，而不至于壓碎巖石。施工注入過程比較簡單，無需單獨(dú)壓裂泵注設(shè)備，可隨常規(guī)支撐劑一起按照壓裂設(shè)計(jì)分批注入。圖4為壓裂裂縫內(nèi)智能支撐劑激活前后裂縫的形態(tài)。

為了驗(yàn)證智能膨脹支撐劑的導(dǎo)流特性，路易斯安那州立大學(xué)L.Santos等人開展了導(dǎo)流能力試驗(yàn)，并進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算[7]。結(jié)果表明：智能膨脹支撐劑的彈性模量及激活膨脹后釋放的應(yīng)力對裂縫導(dǎo)流能力的影響最為顯著(見圖5和圖6)。

圖4 SMP智能膨脹支撐劑激活前后的裂縫形態(tài)Fig.4 Fracture morphologies before and after the activation of SMP intelligent expandable proppant

圖5 不同粒徑智能支撐劑充填后不同膨脹狀態(tài)下的孔隙度Fig.5 Porosities of various particle sizes of intelligent proppant under different expansion states

圖6 不同粒徑智能支撐劑充填后不同膨脹狀態(tài)下的滲透率Fig.6 Permeability of various particle sizes of intelligent proppant under different expansion states

從圖5和圖6可以看出，密度0.95 g/cm3、彈性模量520 MPa的智能膨脹支撐劑，在90 ℃、不同圍壓下受溫度激活后的粒徑膨脹率分別為10%和20%時(shí)，對應(yīng)的充填支撐劑堆積孔隙度可提高10%以上，滲透率可提高25%～100%。智能支撐劑粒徑膨脹10%和20%對滲透率和孔隙度的影響并不大。支撐劑顆粒越大，與裂縫面接觸面積越小，支撐劑產(chǎn)生的形變越大，效果越差。與常規(guī)支撐劑相比，智能支撐劑支撐效果不顯著，主要是由于在高閉合應(yīng)力條件下支撐劑彈性模量太小，導(dǎo)致產(chǎn)生的形變過大，影響了支撐效果，需要研發(fā)彈性模量更大的智能膨脹支撐劑。

2.4 重復(fù)壓裂轉(zhuǎn)向劑

與鉆新井相比，重復(fù)壓裂技術(shù)可以在最小投入的情況下提高油氣產(chǎn)能，據(jù)統(tǒng)計(jì)，重復(fù)壓裂成本是新鉆井鉆完井成本的20%～35%，壓裂后能恢復(fù)至初始產(chǎn)量的31%～76%，Bakken頁巖氣田的重復(fù)壓裂井初始產(chǎn)能甚至高于新井初始產(chǎn)能。同時(shí)，重復(fù)壓裂井的產(chǎn)量遞減率要比新鉆井低[13]。由于機(jī)械轉(zhuǎn)向的施工工序復(fù)雜，頁巖油氣重復(fù)壓裂越來越多地采用化學(xué)轉(zhuǎn)向取代機(jī)械轉(zhuǎn)向。化學(xué)轉(zhuǎn)向劑通過臨時(shí)封堵之前的裂縫，使壓裂流體發(fā)生轉(zhuǎn)向產(chǎn)生新的裂縫，形成更加復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

目前，化學(xué)轉(zhuǎn)向劑主要是將生物聚合物微顆粒與輕質(zhì)壓裂細(xì)砂組合在一起形成暫堵體系，壓裂結(jié)束后化學(xué)轉(zhuǎn)向劑中的生物聚合物微顆粒會(huì)在設(shè)定的井筒溫度、壓力或一定pH值下發(fā)生自然降解(化學(xué)解堵)，隨返排壓裂液排出，不影響生產(chǎn)，而留下的壓裂細(xì)砂則繼續(xù)支撐裂縫，保持生產(chǎn)通道暢通?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)向劑受成本、井下溫度和壓力的影響，仍處在研發(fā)階段。添加有形狀記憶聚合物的重復(fù)壓裂轉(zhuǎn)向劑泵入井下后，在地層溫度的刺激下膨脹，對初始裂縫進(jìn)行臨時(shí)封堵，使壓裂液壓開新的裂縫，壓裂結(jié)束后，轉(zhuǎn)向劑可以通過生物或化學(xué)降解，使隔離的裂縫與井筒保持連通。

路易斯安那州立大學(xué)L.Santos等人[8]對形狀記憶聚合物壓裂轉(zhuǎn)向劑的橋接能力進(jìn)行了室內(nèi)評價(jià)，為了驗(yàn)證該轉(zhuǎn)向劑的性能，采用數(shù)值模擬分析了轉(zhuǎn)向劑顆粒粒徑對封堵能力的影響。物理模擬表明：在80 ℃下形狀記憶聚合物轉(zhuǎn)向劑完全膨脹，5 min后完全封堵裂縫，承壓能力達(dá)35 MPa。數(shù)值模擬表明：形狀記憶聚合物轉(zhuǎn)向劑粒徑越大，封堵裂縫的時(shí)間越短；形狀記憶聚合物轉(zhuǎn)向劑粒徑越小，封堵裂縫的時(shí)間越長。這是由于暫堵發(fā)生在近井筒處，小粒徑聚合物會(huì)深入裂縫深處，需要更長的時(shí)間封堵裂縫?，F(xiàn)場施工時(shí)需要根據(jù)施工參數(shù)和地層參數(shù)來確定轉(zhuǎn)向劑的粒徑。

2.5 形狀記憶防砂篩管

裸眼完井能夠提高油氣產(chǎn)能，傳統(tǒng)的裸眼防砂完井技術(shù)包括獨(dú)立篩管完井、可膨脹篩管和裸眼礫石充填完井，裸眼礫石充填完井技術(shù)被認(rèn)為是高效的防砂完井技術(shù)，并能夠減少堵塞和沖蝕。然而，并不是所有油氣藏都適用裸眼礫石充填完井技術(shù)，其缺陷包括與環(huán)空封隔工具不匹配、頁巖層段和長水平段礫石充填難度大等，貝克休斯G.Osunjaye等人[10]采用形狀記憶聚合物研發(fā)了形狀記憶防砂篩管，其力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、濾失性、抗腐蝕能力和可膨脹特性均滿足現(xiàn)場要求，能夠替代常規(guī)礫石充填完井。

形狀記憶防砂篩管是將聚合物置于多孔鋼管的外側(cè)，原始固定形態(tài)外徑稍大于井筒直徑，在加工過程中，SMP受熱壓縮后防砂篩管直徑變小，附著在中心管的外側(cè)，可以順利下入井底；下放到井下指定位置后，SMP在井底溫度、洗井液和驅(qū)替液中活性物質(zhì)的激活下，恢復(fù)到原始形狀，與井壁緊密貼合，并將殘余應(yīng)力作用于井壁。SMP材料具有良好的濾失性，其復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)能夠擋住不同粒徑的砂粒，從而保持高滲透率(約40 D)，與裸眼礫石充填完井的滲透率相當(dāng);殘余應(yīng)力避免了其他防砂技術(shù)中經(jīng)常發(fā)生的砂堵等情況[9_10]。

2013年3月，日本進(jìn)行了第一次海洋天然氣水合物試采，采用礫石充填防砂完井工具，試采第6天出砂導(dǎo)致篩管堵塞，出砂量大大高于預(yù)期，使試采作業(yè)停止。2017年5月，日本進(jìn)行了第二次海洋天然氣水合物試采，共試采2口井，為了防止儲(chǔ)層出砂，采用了形狀記憶聚合物防砂裝置GeoFORM，第一口井的防砂工具在地面膨脹后下入井下，第二口井的完井防砂工具在井下與化學(xué)品接觸后膨脹并與井壁緊密貼合。試采時(shí)，大粒徑砂粒不能通過聚合物孔隙，不會(huì)造成堵塞的粉砂和黏土可以通過，從而保證氣體流入井筒的壓力損失最小，2口井分別試采12和24 d，累計(jì)產(chǎn)氣量分別為3.5×104m3和20.0×104m3，較第一次試采周期明顯提高，達(dá)到了預(yù)期的試采效果[14_15]。

3 石油工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

形狀記憶聚合物在石油工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但大部分還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，現(xiàn)場應(yīng)用還需要提高相變可靠性、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)耐久性等。因此，需要開展形狀記憶物理機(jī)理、特定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、井下力學(xué)演變規(guī)律及預(yù)測和體系參數(shù)優(yōu)化等方面的研究，提高形狀記憶性能和綜合性能，滿足油氣井筒作業(yè)需要。

3.1 形狀記憶物理機(jī)理研究

以形狀記憶聚合物分子結(jié)構(gòu)相變?yōu)榛A(chǔ)的微觀力學(xué)方法和以黏彈理論為基礎(chǔ)的松弛效應(yīng)方法對形狀記憶聚合物的研究和發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用，但力學(xué)研究體系還未建立，SMP形狀記憶效應(yīng)機(jī)理還有待深入研究，這對于SMP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、井下力學(xué)演變規(guī)律及預(yù)測和性能參數(shù)優(yōu)化等具有重要的指導(dǎo)作用。

3.2 特定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SMP雖然具有優(yōu)異的形狀記憶功能，但在石油工程中應(yīng)用時(shí)還需要根據(jù)井下特定環(huán)境、利用分子設(shè)計(jì)和材料改性技術(shù)進(jìn)行特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具備與井下環(huán)境相適應(yīng)的特性，如用于鉆完井流體或工具時(shí)與井下溫度或油氣水介質(zhì)相適應(yīng)的形變特性、用于智能堵漏鉆井液與重復(fù)壓裂轉(zhuǎn)向劑時(shí)的生物可降解特性等。

3.3 井下力學(xué)演變規(guī)律及預(yù)測

形狀記憶聚合物的形狀記憶效應(yīng)不僅僅是由材料本身的分子結(jié)構(gòu)特征決定，還與外力載荷、外場作用、應(yīng)變能存儲(chǔ)與釋放等因素有關(guān)。除了開展形狀記憶聚合物的分子結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)外，還需要耦合井下溫度、壓力和油氣水介質(zhì)等因素進(jìn)行形狀記憶聚合物力學(xué)行為的演變規(guī)律及預(yù)測研究。

3.4 形狀記憶聚合物性能參數(shù)優(yōu)化

目前應(yīng)用于石油工程的SMP綜合性能還不夠理想，還有待利用物理模擬和數(shù)值模擬手段進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，滿足井下溫度和壓力要求，如用于可膨脹水泥時(shí)SMP的加量和密度優(yōu)化，用于智能支撐劑時(shí)SMP的粒徑、密度、彈性模量、泊松比和膨脹應(yīng)力的優(yōu)化，用于防砂篩管時(shí)防砂網(wǎng)孔眼直徑、膨脹率等的優(yōu)化。

4 結(jié)論與建議

1) 形狀記憶聚合物具有變形大、強(qiáng)度大和激活時(shí)間短的特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于智能堵漏鉆井液添加劑、可膨脹水泥添加劑、智能膨脹支撐劑和重復(fù)壓裂轉(zhuǎn)向劑等。

2) 形狀記憶聚合物在井下的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、抗腐蝕能力和可膨脹特性均較好，能夠應(yīng)用于裸眼防砂篩管、井下膨脹封隔器等井下工具。

3) 形狀記憶聚合物在石油工程中的應(yīng)用大部分還處于室內(nèi)研究階段，還需要開展形狀記憶物理機(jī)理研究、特定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、井下力學(xué)行為演變規(guī)律及預(yù)測、性能參數(shù)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的研究，以提高作業(yè)流體或工具的應(yīng)用效果和可靠性。

4) 國內(nèi)石油企業(yè)應(yīng)積極與相關(guān)高校或科研機(jī)構(gòu)跨界合作，針對形狀記憶聚合物在石油工程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)開展基礎(chǔ)理論和工藝技術(shù)前瞻研究，盡快實(shí)現(xiàn)形狀記憶聚合物在石油工程中的現(xiàn)場應(yīng)用。

致謝：論文撰寫過程中，中國石化石油工程技術(shù)研究院王海濤博士、陸沛青博士幫助完成了資料收集工作，在此表示感謝！