43、新型复合材料与钻井泥浆性能优化研究

躺平摸鱼王

于 2025-09-20 10:36:52 发布

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分类专栏：智能制造与材料创新文章标签：新型复合材料银合欢-硅酮生物复合材料水基泥浆

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新型复合材料与钻井泥浆性能优化研究

在材料科学和石油工程领域，新型复合材料的研发以及钻井泥浆性能的优化一直是重要的研究方向。本文将介绍两种不同的研究成果，一种是银合欢 - 硅酮生物复合材料的拉伸性能及潜在应用，另一种是通过添加磺化木质素钠聚合物和二氧化硅纳米颗粒来增强水基泥浆性能的研究。

银合欢 - 硅酮生物复合材料的特性与应用

银合欢 - 硅酮生物复合材料是一种由天然纤维（银合欢）增强硅酮基体的新型生物复合材料。研究发现，这种材料的行为可归因于基体中聚合物链的连续交联，从而增强了弹性。

在拉伸测试中，纯硅酮试样由于对变形更敏感，在应力作用下会经历更多的伸长，曲线呈凹形趋势。而加入银合欢纤维的硅橡胶在受力时呈现线性曲线趋势，表明其在负载下的抗变形能力增强。

研究还重点关注了 Mooney - Rivlin 模型的材料常数 C1 和 C2。结果显示，纤维含量为 16 wt% 的试样具有最大的 C1 和 C2 值（0.0471 MPa）。随着纤维含量的增加，银合欢 - 硅酮生物复合材料的 Mooney - Rivlin 材料常数 C1 和 C2 从 0.0423 上升到 0.0471 MPa，这对应了纯硅酮和银合欢 - 硅酮生物复合材料的超弹性行为。

与其他研究相比，银合欢 - 硅酮生物复合材料的拉伸刚度介于结缔组织和山羊皮之间，这表明它具有重现或仿生某些组织变形的潜在应用，可作为组织或器官替代品。此外，由于其柔软和弹性的特性，还可用于缓冲应用，如球拍握把、防滑垫和杯垫等。

以下是不同材料的 Mooney - Rivlin 材料常数 C1 和 C2 值对比表格：
| 材料类型 | C1 | C2 |
| — | — | — |
| 猪眼眶脂肪和眼部结缔组织（OFCT） | -11.2 至 -7.1 kPa | 10.1 - 16.1 kPa |
| 人眼眶脂肪和眼部结缔组织（OFCT） | -5.0 至 -2.7 kPa | 3.8 - 7.1 kPa |
| 前臂皮肤 | 9.4 kPa | 82 kPa |
| 尼龙 + 硅酮（ecoﬂex） | 17.97 kPa | 11.3 kPa |
| 银合欢 - 硅酮生物复合材料 | 42.3 至 47.1 kPa | -135.3 至 -35.8 kPa |
| 硅橡胶 | 0.14 MPa | 0.023 MPa |
| 人体皮肤 | 0.3 MPa | 0 MPa |
| 硅橡胶（B452） | 0.5 MPa | 0 MPa |
| 硅橡胶（Sil8800） | 1.0 MPa | 0.9 MPa |
| 丙烯酸弹性体 | 8.6240 MPa | 2.9634 MPa |
| 未剃毛的新鲜山羊皮 | 39.34 至 55.37 MPa | -44.52 至 -61.84 MPa |

水基泥浆性能的增强研究

在石油工程中，水基泥浆（WBM）由于其成本效益和环保特性，被广泛用作钻井液。为了进一步优化其性能，研究人员研究了添加磺化木质素钠（SLS）聚合物对聚合物溶液与原油之间界面张力（IFT）的影响，以及二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒和 SLS 聚合物对水基钻井泥浆性能和老化行为的影响。

水基钻井泥浆的制备

基础水基泥浆 ：首先将 18 g 膨润土粉末加入 350 mL 淡水中，放入泥浆搅拌机搅拌约 15 分钟，直至完全混合。接着加入 0.05 g 纯碱粉末和 5 mL 0.1 M 氢氧化钠溶液，再次搅拌。最后加入 5 g 重晶石作为加重剂，充分搅拌至完全混合或溶解。
含聚合物或纳米颗粒的基础水基泥浆 ：使用相同量的 SLS 聚合物和 SiO₂ 纳米颗粒（0.00、0.2、0.4、0.8 和 1.6 g），将它们加入基础水基泥浆中，搅拌 15 分钟以获得均匀混合物。
含聚合物的纳米水基泥浆 ：加入 0.8 g SiO₂ 纳米颗粒和不同量的 SLS 聚合物（0.2、0.4、0.8 和 1.6 g），使用泥浆搅拌机搅拌。

钻井泥浆的表征

界面张力（IFT）测量 ：使用 Du - Noüy 环 RG 11 测量聚合物溶液与原油之间的界面张力。将 SLS 聚合物溶液与 50 mL 蒸馏水混合，分两步将液体加入样品容器，先加入较重的聚合物溶液，再加入较轻的原油。
泥浆密度和 pH 测量 ：使用泥浆天平测量泥浆密度，当气泡低于中心线时，测量骑码边缘朝向泥浆杯处的密度。使用 pH 计测定钻井泥浆的 pH 值。
流变性能测试 ：使用 Fann 粘度计测试钻井泥浆的流变性能，测试粘度的旋转速率为 3、6、100、200、300 和 600 rpm。通过以下公式计算塑性粘度（µp）、表观粘度（µa）和屈服点（Yb）：
- 塑性粘度（cP）：µp =（600 rpm 读数） - （300 rpm 读数）
- 表观粘度（cP）：µa =（600 rpm 读数）÷ 2
- 屈服点（lb/100 ft²）：Yb =（300 rpm 读数） - µp
  10 s 和 10 min 凝胶强度的测量方法是先高速搅拌泥浆 10 s，然后让泥浆静置 10 s 和 10 min，在 3 rpm 开始旋转后记录最高读数。
流体流动行为测试 ：在 24 °C 的室温下，使用 MCR 72 流变仪以 0.1 至 100 s⁻¹ 的对数剪切速率斜坡获得粘度曲线，从而确定流体流动行为。
过滤性能测量 ：使用泥浆压滤机测量钻井泥浆的过滤性能。在 100 psi 的压力下作用 30 分钟后，使用量筒测量所得滤液的体积，以毫升为单位报告为 API 滤液。使用游标卡尺测量滤纸滤饼的厚度，测量精度为 1/32 英寸。
表面张力测量 ：根据 DIN 53,914，使用 Du - Noüy 环 RG 11 方法（DCAT）测量钻井泥浆的表面张力。
老化效应测试 ：将老化池放入旋转烘箱中，加热至 200 °C 持续 24 小时。在老化效应后测试钻井泥浆的性能。

研究结果表明，添加 3.2 wt% 的 SLS 聚合物可使界面张力达到最低。表观粘度（AV）和塑性粘度（PV）随纳米颗粒浓度的增加而增加，但随聚合物的添加而降低。屈服点和凝胶强度分别随纳米颗粒和聚合物的添加而降低和增加。SLS 聚合物浓度为 1.6 g 时可降低粘度，是最佳浓度。纳米颗粒增加了过滤性能，而聚合物浓度增加时过滤性能降低。水基泥浆中纳米颗粒的最佳浓度为 0.8 g。

综上所述，纳米颗粒增强了流变和过滤性能，而聚合物降低了这些性能。这些研究成果为新型复合材料的应用和钻井泥浆性能的优化提供了重要的参考依据。

以下是水基泥浆制备和测试流程的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[制备基础水基泥浆] --> B[添加膨润土]
    B --> C[添加纯碱和氢氧化钠]
    C --> D[添加重晶石]
    D --> E[制备含聚合物或纳米颗粒的泥浆]
    E --> F[添加 SLS 聚合物和 SiO₂ 纳米颗粒]
    F --> G[制备含聚合物的纳米泥浆]
    G --> H[添加不同量 SLS 聚合物]
    H --> I[表征测试]
    I --> J[界面张力测量]
    I --> K[密度和 pH 测量]
    I --> L[流变性能测试]
    I --> M[流体流动行为测试]
    I --> N[过滤性能测量]
    I --> O[表面张力测量]
    I --> P[老化效应测试]

通过以上研究，我们可以看到新型复合材料和钻井泥浆性能优化在不同领域的重要应用和发展潜力。未来，这些技术有望在更多实际场景中得到应用和推广。

新型复合材料与钻井泥浆性能优化研究

银合欢 - 硅酮生物复合材料性能深入分析

银合欢 - 硅酮生物复合材料在拉伸性能上展现出独特的优势，其性能变化与纤维含量密切相关。为了更直观地理解纤维含量对材料性能的影响，我们可以通过以下表格进一步分析：
| 纤维含量（wt%） | Mooney - Rivlin 材料常数 C1（MPa） | Mooney - Rivlin 材料常数 C2（MPa） | 拉伸曲线趋势 | 变形抗性 |
| — | — | — | — | — |
| 较低含量 | 接近 0.0423 | 对应较低值 | 接近纯硅酮凹形趋势 | 较弱 |
| 16 | 0.0471 | 较高值 | 线性趋势 | 较强 |

从表格中可以看出，随着纤维含量的增加，材料的 Mooney - Rivlin 材料常数增大，拉伸曲线从接近纯硅酮的凹形趋势逐渐变为线性趋势，变形抗性显著增强。这是因为银合欢纤维在硅酮基体中形成了有效的增强网络，限制了聚合物链的自由运动，从而提高了材料的刚度和抗变形能力。

在潜在应用方面，银合欢 - 硅酮生物复合材料的拉伸刚度介于结缔组织和山羊皮之间，这一特性使其在生物医学领域具有广阔的应用前景。例如，在组织工程中，可以利用其仿生性能来制造人工组织或器官，模拟人体组织的力学性能，减少排异反应。在运动器材领域，其柔软和弹性的特性可用于制造高性能的球拍握把、防滑垫等，提供更好的手感和舒适性。

水基泥浆性能优化的关键因素分析

在水基泥浆性能的增强研究中，磺化木质素钠（SLS）聚合物和二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒的添加对泥浆性能产生了显著影响。以下是对各性能指标影响因素的详细分析：

界面张力（IFT）

界面张力是影响水基泥浆与原油相互作用的重要因素。研究发现，添加 3.2 wt% 的 SLS 聚合物可使界面张力达到最低。这是因为 SLS 聚合物分子具有特殊的结构，能够在油水界面形成稳定的吸附层，降低界面的表面能，从而降低界面张力。其作用过程可以用以下 mermaid 流程图表示：

graph LR
    A[添加 SLS 聚合物] --> B[聚合物分子迁移至油水界面]
    B --> C[形成吸附层]
    C --> D[降低界面表面能]
    D --> E[降低界面张力]

流变性能

流变性能包括表观粘度（AV）、塑性粘度（PV）、屈服点和凝胶强度等指标。表观粘度和塑性粘度随纳米颗粒浓度的增加而增加，但随聚合物的添加而降低。这是因为纳米颗粒具有较大的比表面积，能够增加泥浆中颗粒之间的相互作用，从而提高粘度；而聚合物分子可以在颗粒表面形成吸附层，减少颗粒之间的摩擦，降低粘度。屈服点和凝胶强度分别随纳米颗粒和聚合物的添加而降低和增加，这与它们对泥浆结构的影响有关。纳米颗粒的添加破坏了泥浆的原有结构，降低了屈服点；而聚合物的添加可以增强泥浆的结构，提高凝胶强度。