形状记忆聚合物高温高压力学行为研究及其在井筒完整性中的应用

Seal elements based on shape memory polymers (SMPs) provide an effective and smart control for the well integrity, which is crucial to the exploitation of unconventional, deep or deep-water oil and gas. However, the exploration of unconventional resources often encounters extreme conditions such as high temperature and high pressure. The mechanical behavior and failure mechanism of SMPs under these hash conditions have not yet been understood thoroughly, that limits its application to well integrity. In this project, the mechanical behavior of SMPs under high temperature and high pressure, its constitutive relationship, failure mechanism as well as in-situ experimental methods on failure modes will be studied. The concrete contents include the establishment of the constitutive model and failure analysis of SMPs under high temperature and high pressure, the effects of temperature, differential pressure, boundary conditions and sealed space size on the sealing pressure and critical failure temperature and pressure, and the in-situ experimental technique to detect the failure process of SMPs under high temperature and high pressure. The current research is aimed at revealing the mechanical behavior, failure mode and its mechanism under high temperature and high pressure. The results will benefit the application of SMPs to the well integrity control and management.

井筒完整性控制与管理是高效开发非常规、深层、深水油气资源的关键技术之一，形状记忆聚合物作为密封原件能够对井筒完整性实现安全智能控制。然而，非常规等油气资源开发常遇到高温高压环境，形状记忆聚合物在此环境下的力学行为和失效机理却缺少深入的认识与研究，严重制约了其应用。本项目以形状记忆聚合物高温高压下的力学行为为研究对象，对聚合物高温本构关系、高温高压失效机理及其在线测试方法进行研究。具体内容包括：建立聚合物高温本构方程与失效模型，研究不同温度、压差、边界约束条件与密封空间尺寸对聚合物密封压力与失效模式的影响规律；探索聚合物高温高压失效行为在线测试方法，建立聚合物密封压力与失效临界压力与温度的实验测试技术。本项目旨在揭示形状记忆聚合物高温高压力学响应机制及其失效模式与机理，为其在高温高压井筒完整性中的应用奠定理论依据与实验技术基础。

形状记忆聚合物（Shape memory polymers，SMP）因其优异的力学性能、形状回复效应和易加工性，在航空航天、医疗设备和石油工程等领域具有广阔的应用前景。本项目以形状记忆聚合物为研究对象，研究其在高温高压下的力学行为、作为封隔器胶筒的力学响应及断裂失效机制，为其在井筒完整性管理中的应用奠定基础。. 项目取得的重要结果如下：. 1. 通过应力松弛试验测量了形状记忆聚合物在不同温度下的松弛模量曲线，基于时温等效原理和WLF方程绘制了SMP在参考温度下的松弛模量主曲线，根据主曲线计算得到粘弹性模型Prony级数的各项系数。通过力学性能试验测量了SMP试样拉断时的载荷-位移曲线，计算得到材料的断裂能。. 2. 根据测量的材料性能参数，建立了SMP封隔器胶筒-套管有限元模型，有效模拟了SMP封隔器坐封的全过程，包括高温压缩、降温固形、低温卸载、升温回复、稳态坐封和工作加压。结果显示，接触应力数值在6.9 ~ 8.5 MPa之间，且接触应力分布较均匀，能够满足工程应用需求。. 3. 有限元模拟计算结果表明，SMP封隔器与套管界面处的接触应力和剪切应力，对井筒压力最为敏感。胶筒长度的增加会使SMP封隔器获得更低的接触应力，不利于封隔器密封；预压缩量和坐封温度对SMP封隔器的密封性能没有显著影响。. 4. 含裂纹SMP封隔器胶筒有限元模型计算结果表明：压差越大，裂纹J积分值越大，SMP封隔器越容易发生断裂失效。裂纹长度为1.3 mm时，能量释放率达到材料自身的断裂能，并且J积分随裂纹长度的增加而增大。处于胶筒顶端附近区域的裂纹更容易发生扩展，应在胶筒顶端增加保护结构，提高起裂点的断裂韧性。. 本项目研究结果揭示了形状记忆聚合物在高温高压下的力学响应机制，探索了形状记忆聚合物胶筒在坐封过程中的力学行为，阐明其发生断裂失效的力学机理，为该新型智能材料在石油工程中的应用推广奠定了理论和实验基础。