纳米SiO2改性纤维树脂防砂体的力学性能及破坏机理研究

The fiber-resin sand control complex has better mechanical properties because of the harsh downhole conditions of sand control problem, the mechanics performance of fiber-complex is closely related to resin matrix and the bonding status between fiber and resin, etc. By adding nanometer material into the resin is a available method for exploring the modification, many unpaired atoms are in the nanometer material surface, so it has more possibilities of physical or chemical combination with resin, and the bonding interface by nano-particles and matrix resin was enhanced, and it was reinforced and toughened. Through the addition optimization of nano-SiO2 dispersed in the resin, reaction between nanometer SiO2 and resin matrix of microscopic mechanism was analyzed based on the modified fiber-resin-complex performance evaluation, and nanometer SiO2 particles agglomeration and distribution characteristics and resin craze zone of the growth and distribution was observed. Short fiber stress influence factors was analyzed, based on the application of fiber spacing theory and composite material theory, and considering the fluid shear degradation, so random short fiber reinforced sand strength prediction model was established. Combined with sand collapse (erosion) physical model experiments and the nanometer SiO2 modified engineering experience parameters, the prediction model of tube filled with random short fiber reinforced sand body for strength was fixed， and fiber composite anti fine powder sand technology laid the theoretical foundation in complex well status application.

苛刻井下条件的防砂要求纤维防砂体具有更好的力学性能，纤维砂体的力学性能与树脂基体的力学性能以及纤维与树脂的黏结状况等因素密切相关。在树脂中加入纳米材料是一种可供探索的改性方法，纳米材料的表面非配对原子多，与树脂发生物理或化学结合的可能性大，增强了纳米粒子与树脂基体的界面结合，具有增强增韧的可能。通过优选纳米SiO2在树脂中的加入分散方式，在纳米SiO2改性纤维树脂防砂体性能评价的基础上，分析纳米SiO2与树脂基体作用的微观机理，观察纳米SiO2颗粒的团聚状态与分布特征以及树脂银纹区的生长与分布状况。应用纤维间距理论与复合材料理论，考虑流体剪切冲刷的影响，分析短纤维受力的影响因素，建立随机取向短纤维增强砂体的强度预测模型。结合砂体坍塌（耐冲刷）物模实验结果，引入纳米SiO2改性工程经验参数，修正管外填充带随机取向短纤维增强砂体的强度预测模型，为纤维复合防砂技术在复杂井况中的应用奠定理论基础。

苛刻井下条件的防砂要求纤维防砂体具有更好的力学性能，纤维砂体的力学性能与树脂基体的力学性能以及纤维与树脂的黏结状况等因素密切相关。在树脂中加入纳米材料是一种可供探索的改性方法，纳米材料的表面非配对原子多，与树脂发生物理或化学结合的可能性大，增强了纳米粒子与树脂基体的界面结合，具有增强增韧的可能。通过优选纳米SiO2在树脂中的加入分散方式，在纳米SiO2改性纤维树脂防砂体性能评价的基础上，分析纳米SiO2与树脂基体作用的微观机理，研究纳米SiO2颗粒的团聚状态与分布特征以及树脂银纹区的生长与分布状况。通过扫描电镜实验发现，采用溶液共混法分散纳米SiO2，聚团的最大尺寸未超过0.4μm，效果优于简易共混法（聚团的最大尺寸甚至达到了1~2μm）。实验确定的纳米SiO2粒子改性树脂涂覆砂的最佳用量为3%（质量分数）。在质量比为3%时，既能保证纳米SiO2粒子的均匀分散，纳米SiO2粒子与树脂间的界面面积也足够大，再加上良好的界面黏结，能够取得最佳改性效果。当质量比小于3%时，虽然分散也很均匀，但纳米SiO2粒子与树脂间的界面面积不够大，效果稍差。在质量比大于3%时，纳米SiO2粒子分散不均易形成团聚体，严重影响了改性效果。纳米粒子改性对复合砂体的渗透率基本没有影响，但对树脂涂覆砂的强度影响较大。采用超声波溶液共混法加入纳米粒子可以提高树脂涂覆砂的强度在35%左右，向砂体中加入纤维，可提高强度在30%左右，而当用纳米粒子改性纤维复合体时强度提高了63%左右，由此可见，纳米粒子改性与纤维增强协同作用使树脂涂覆砂强度可以得到极大的改善。采用冲击试验机对纯树脂和纳米SiO2改性树脂固化样条进行了冲击实验，实验发现纳米SiO2的加入对树脂起到了增强增韧的作用，纳米SiO2改性树脂的冲击强度为3.402KJ/m2，比未改性树脂的冲击强度提高了39.08%。应用弹性常数上下界限法，分析填料的含量、填料与基体模量比对复合材料弹性模量的影响，建立纳米SiO2改性树脂弹性模量的预测模型，进而修正管外填充带随机取向短纤维增强砂体的强度预测模型。纤维随机取向纳米SiO2改性复合砂体的强度预测模型考虑了流体剪切冲刷的影响，可以找出纤维复合体极限强度与临界产量的关系，为合理控制开井后的生产制度提供理论指导。