一种井下油管用高强度气凝胶保温复合涂料及其应用方法
阅读说明：本技术 一种井下油管用高强度气凝胶保温复合涂料及其应用方法 (High-strength aerogel thermal insulation composite coating for underground oil pipe and application method thereof ) 是由 周杨帆 吕亿明 王百 苏祖波 李大建 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种井下油管用高强度气凝胶保温复合涂料及其应用方法,所述井下油管用高强度气凝胶保温复合涂料包括底漆、中间层气凝胶涂料和面漆,所述涂料底漆、面漆均由环氧树脂制成,所述中间层气凝胶涂料成分按重量份数计,包括：二氧化硅气凝胶粉10-30份、聚氨酯40-50份、环氧树脂30-50份、碳酸钙10-15份、磷酸铝5-10份、刚玉粉8-15份、纳米钛白粉10-15份、空心微珠3-5份、羟甲基纤维素1-3份、聚羧酸钠盐0.5-2份、成膜助剂1-3份、消泡剂0.5-1份、增稠剂1-3份。涂料均匀性高、成模性好,能涂覆于油管外,附着力强,能长期适应井下油水环境、保温性能出众,能明显降低油管结蜡现象。(The invention discloses a high-strength aerogel heat-preservation composite coating for an underground oil pipe and an application method thereof, wherein the high-strength aerogel heat-preservation composite coating for the underground oil pipe comprises a primer, an intermediate layer aerogel coating and a finish coating, the primer and the finish coating are both made of epoxy resin, and the intermediate layer aerogel coating comprises the following components in parts by weight: 10-30 parts of silicon dioxide aerogel powder, 40-50 parts of polyurethane, 30-50 parts of epoxy resin, 10-15 parts of calcium carbonate, 5-10 parts of aluminum phosphate, 8-15 parts of corundum powder, 10-15 parts of nano titanium dioxide, 3-5 parts of cenospheres, 1-3 parts of hydroxymethyl cellulose, 0.5-2 parts of sodium polycarboxylate, 1-3 parts of film-forming auxiliary agent, 0.5-1 part of defoaming agent and 1-3 parts of thickening agent. The coating has high uniformity and good moldability, can be coated outside an oil pipe, has strong adhesive force, can adapt to the underground oil-water environment for a long time, has outstanding heat preservation performance, and can obviously reduce the wax deposition phenomenon of the oil pipe.)
技术领域
本发明属于复合涂料技术领域，具体涉及一种井下油管用高强度气凝胶保温复合涂料及其应用方法。
背景技术
油井普遍存在结蜡现象，结蜡会堵塞出油通道、增加井口回压、降低油井产量，同时也会增大油井负荷。为保持油井正常生产，目前清防蜡主要采用投加清蜡剂、热洗等方式，此类方法成本高、人工成本大。
二氧化硅气凝胶具有纳米孔隙，是一种多孔性固态材料，具有低密度，高孔隙率的结构特点，具有超级绝热性能。利用二氧化硅气凝胶、空心玻璃微珠与涂料用成膜材料组合，形成具有超级保温性能的涂料。现有技术中的气凝胶涂料多存在易吸潮、遇水开裂的问题，而井下油管长期与油水接触，该类产品不适用，现有技术中的气凝胶涂料保温特性不强，不能满足油井采出液高效保温要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种井下油管用高强度气凝胶保温复合涂料及其应用方法，以解决现有技术中的二氧化硅气凝胶保温性能不强，存在易吸潮、遇水开裂的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种井下油管用高强度气凝胶保温复合涂料，包括底漆、中间层气凝胶涂料和面漆；
所述中间层气凝胶涂料按重量份数计，包括：二氧化硅气凝胶粉10-30份、聚氨酯40-50份、环氧树脂30-50份、碳酸钙10-15份、磷酸铝5-10份、刚玉粉8-15份、纳米钛白粉10-15份、空心玻璃微珠3-5份、羟甲基纤维素1-3份、聚羧酸钠盐0.5-2份、表面改性剂5～10份、成膜助剂1-3份、消泡剂0.5-1份增稠剂1-3份。
具体的，所述底漆、面漆均由环氧树脂制成。
具体的，所述表面改性剂的制备方法包括以下步骤：
1)向聚丙烯酰胺水溶液中加入表面活性单体和磷酸钠，得到混合溶液A；其中，所述聚丙烯酰胺水溶液浓度为55％，混合溶液A中表面活性单体、聚丙烯酰胺和磷酸钠的质量比为1：20：0.2；
2)调节混合溶液A的pH值至8～10，然后进行除氧；
3)将除氧后的混合溶液A送入反应釜，并于30min内，升温至40℃后加入氧化环己酮在50℃下进行反应3h；其中，所述混合溶液A与氧化环己酮质量比为1：0.05；
4)待步骤3)反应完成，加入甲基环氧氯丙烷，随后升温至50℃，保温4h进行反应，待反应完成，即得表面改性剂；其中，所述甲基环氧氯丙烷与聚丙烯酰胺水溶液的质量比为1：0.01。
具体的，所述二氧化硅气凝胶粉的粒径为1～20μm，孔径为10～15nm。
具体的，所述空心玻璃微珠的内部真空，粒径为100～150μm，内部真空的内径为80～130μm。
具体的，所述消泡剂为聚醚改性硅消泡剂。
具体的，所述成膜助剂为苯甲醇、丙二醇、乙二醇丁醚、丙二醇苯醚和十二碳醇酯中的一种或几种。
本发明的另一个技术方案是：
一种所述的井下油管用高强度气凝胶保温复合涂料的应用方法，包括：先将底漆涂覆于油管外壁，底漆涂覆厚度为0.5-1mm，一次涂覆半固化；再将中间层气凝胶涂料涂覆于底漆表面，涂覆的总厚度为2-4mm，分2-4次涂覆，每一次涂覆后固化7-12小时；最后再涂覆一层面漆，面漆的涂覆厚度为0.5-1mm，一次涂覆后完全固化。
本发明的有益效果如下：
本发明的气凝胶复合涂料，采用气凝胶粉与空心玻璃微珠复配，利用空心玻璃微珠球形中空较好的保温性能和抗冲击力、抗弯曲应力作用，能很好地提高气凝胶复合涂膜的韧性，且通过复配，进一步增大涂料的保温性能；气凝胶复合涂料均匀性高、成模性好，能涂覆于油管外，附着力强，能长期适应井下油水环境，且保温性能出众，能明显降低油管结蜡现象。
本发明气凝胶复合涂料，二氧化硅气凝胶粉的粒径为1～20μm，孔径为10～15nm，此时导热系数为0.015W/m·k，疏水性的二氧化硅凝胶粉末，在水溶性涂料中具有更高的保温性能。
本发明气凝胶复合涂料，使用的空心玻璃微珠的粒径为100～150μm，内径为80～130μm，围绕空心玻璃微珠粒径优选方面，按照颗粒堆积理论～小粒径的气凝胶粉末聚集充填到大粒径的空心玻璃微珠缝隙之间，更能形成一种紧密堆积的结构，进而提升涂层保温性，并根据洛勃模型，计算出针对本发明中优选的粒径为20μm的二氧化硅气凝胶粉末，选用粒径为100～150μm的空心微球粒径能够达到完全密排效果，从而获得最高的导热系数。
本发明气凝胶复合涂料，使用的成膜助剂能促进高分子化合物塑性流动和弹性变形，改善聚结性能，能在较广泛施工温度范围内成膜；添加消泡剂能够把空气界面上的大泡直接破坏及避免被大部分空气截留。
本发明气凝胶复合涂料，使用的磷酸铝、羟甲基纤维素可显著提高涂料粘结强度，且具有易和性好、不开裂的特点。刚玉粉、纳米级钛白粉与树脂之间形成强大的界面结合力，可以提高涂层的强度、硬度、耐磨性和耐刮伤性等。碳酸钙的填入可以增强底漆对涂料的沉积性和渗透性。消泡剂优选为聚醚改性硅消泡剂，具有消泡速度更快，抑泡时间更长，适用介质范围更广的优点。
本发明的气凝胶复合涂料在井下油管的应用方法，具备很强的防水抗潮性能，涂覆于油管外，附着力强，能长期适应井下油水环境、保温性能出众，能明显降低油管结蜡现象，且无挥发物，无毒无害；导热系数小，保温效果好。
具体实施方式
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面对本发明进行进一步描述，任何对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明保护范围。
实施例1
一种井下油管用高强度气凝胶保温复合涂料，包括底漆、中间层气凝胶涂料和面漆。所述涂料底漆、面漆均由环氧树脂制成。所述中间层气凝胶涂料，包括以下重量份数的原料：二氧化硅气凝胶粉10份、聚氨酯40份、环氧树脂30份、碳酸钙10份、磷酸铝10份、刚玉粉8份、纳米钛白粉10份、空心玻璃微珠5份、羟甲基纤维素3份、聚羧酸钠盐2份、表面改性剂10份、成膜助剂3份、消泡剂1份、增稠剂1份，将上述组分混合均匀即得到本发明复合材料。所述成膜助剂为苯甲醇、丙二醇、乙二醇丁醚、丙二醇苯醚、十二碳醇酯中的一种或几种。
表面改性剂均由以下制备方法制备，具体包括：
1)向聚丙烯酰胺水溶液中加入表面活性单体和磷酸钠，得到混合溶液A；其中，所述聚丙烯酰胺水溶液浓度为55％，混合溶液A中表面活性单体、聚丙烯酰胺和磷酸钠的质量比为1：20：0.2；
2)调节混合溶液A的pH值至8～10，进行除氧；
3)将除氧后的混合溶液A送入反应釜，并于30min内，升温至40℃，随后加入氧化环己酮，与50℃下反应3h；其中，所述混合溶液A与氧化环己酮质量比为1：0.05；
4)待步骤3)反应完成，加入甲基环氧氯丙烷，随后升温至50℃，保温4h进行反应，待反应完成，即得表面改性剂；所述甲基环氧氯丙烷与聚丙烯酰胺水溶液的质量比为1：0.01。
本发明的气凝胶复合涂料，在配方上处理上，涂料的保温性能由涂料中的多孔填料的类型和含量高低决定，多孔填料(如气凝胶粉、空心玻璃微珠、玻璃纤维等)含量越高，涂料的保温性越好，然而，当气凝胶粉含量增大到一定程度时，涂料的韧性下降，易裂，不适合涂覆于井下油管这种持续伸缩的结构表面，为了进一步增大涂料的韧性和保温性能，本发明采用气凝胶粉与空心玻璃微珠复配，利用空心玻璃微珠球形中空较好的保温性能和抗冲击力、抗弯曲应力作用，能很好地提高气凝胶复合涂膜的韧性，且通过复配，进一步增大涂料的保温性能；气凝胶复合涂料均匀性高、成模性好，能涂覆于油管外，附着力强，能长期适应井下油水环境，且保温性能出众，能明显降低油管结蜡现象；
二氧化硅凝胶粉是以SiO2胶质粒子为骨架而构成的一种高比表面积、高孔隙率、低密度(仅为空气的3倍)、极低热导率、阻燃防水的纳米多孔材料；空心玻璃微珠内部接近真空，导热系数在0.05～0.09W/m.k，微粒球形的结构使其对冲击力和弯曲应力有很好的分散作用，能很好地提高涂膜的韧性，且质轻、坚硬、抗压强度大；表面改性剂能够有效改善二氧化硅气凝胶的表面张力、耐温耐盐性以及成膜性，且具备极强的疏水性，能够有效改善硅气凝胶的吸潮、开裂问题，同时制备过程简单，且无污染物产出，安全环保；成膜助剂能促进高分子化合物塑性流动和弹性变形，改善聚结性能，能在较广泛施工温度范围内成膜；添加消泡剂能够把空气界面上的大泡直接破坏及避免被大部分空气截留。
进一步的，磷酸铝、羟甲基纤维素可显著提高涂料粘结强度，且具有易和性好、不开裂的特点。刚玉粉、纳米钛白粉与环氧树脂之间形成强大的界面结合力，可以提高涂层的强度、硬度、耐磨性和耐刮伤性等。碳酸钙的填入可以增强底漆对涂料的沉积性和渗透性。
进一步的，消泡剂优选为聚醚改性硅消泡剂，具有消泡速度更快，抑泡时间更长，适用介质范围更广的优点。
本发明的气凝胶复合涂料在井下油管的应用，具备很强的防水抗潮性能，涂覆于油管外，附着力强，能长期适应井下油水环境、保温性能出众，能明显降低油管结蜡现象，且无挥发物，无毒无害；导热系数小，保温效果好。
如下表所示：
表1高强度气凝胶复合涂料的性能参数
表明高强度气凝胶保温复合涂料导热系数小，保温效果好；强度大，耐候性能好，不易老化。且涂料均匀性高、成模性好，能涂覆于油管外，附着力强，能长期适应井下油水环境、保温性能出众，能明显降低油管结蜡现象，且无挥发物，无毒无害。
实施例2
与实施例1的区别在于，所述中间层气凝胶涂料重量份数不同，本实施例中所述中间层气凝胶涂料包括以下重量份数的原料：二氧化硅气凝胶粉30份、聚氨酯50份、环氧树脂50份、碳酸钙15份、磷酸铝5份、刚玉粉15份、纳米钛白粉15份、空心玻璃微珠3份、羟甲基纤维素1份、聚羧酸钠盐0.5份、表面改性剂5份、成膜助剂1份、消泡剂0.5份、增稠剂3份。
实施例3
与实施例1的区别在于，所述中间层气凝胶涂料重量份数不同。本实施例中所述中间层气凝胶涂料，包括以下重量份数的原料：二氧化硅气凝胶粉20份、聚氨酯45份、环氧树脂40份、碳酸钙13份、磷酸铝7份、刚玉粉11份、纳米钛白粉13份、空心玻璃微珠5份、羟甲基纤维素1份、聚羧酸钠盐1.2份、表面改性剂8份、成膜助剂1份、消泡剂0.5份、增稠剂3份。
本发明的另一个技术方案是：
一种井下油管用高强度气凝胶保温复合涂料的应用方法，如下：
将环氧树脂底漆先涂覆于油管外壁，涂覆厚度为0.5-1mm，一次涂覆半固化，再将中间层气凝胶涂料涂覆于底漆表面，涂覆的厚度为2-4mm，分2-4次涂覆，每一次涂覆后固化；每一次涂覆后固化7-12小时。最后再涂覆一层环氧树脂面漆，涂覆厚度为0.5-1mm，一次涂覆后完全固化。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。