一种基于共价有机框架材料的钻杆用高温隔热防腐涂层及其制备方法与流程

本发明涉及石油天然气钻井设备表面处理及特种涂层，具体涉及一种基于共价有机框架（covalent organic frameworks, 简称cofs）材料的钻杆用高温隔热、高附着力及耐酸碱防腐涂层及其制备方法。

背景技术：

1、随着全球油气勘探开发不断向深层、超深层以及非常规复杂油气藏迈进，深井及特深井的井底工况变得极其苛刻。井底温度常高达200℃以上（部分特深井甚至突破250℃），井下压力动辄上百兆帕，且钻井液和地层流体中富含极具破坏性的腐蚀介质（如高浓度的h2s、co2、高矿化度盐水以及作业过程中泵入的强酸强碱等）。这种高温、高压、强腐蚀的极端环境不仅会导致钻杆管材发生严重的电化学腐蚀、氢脆和应力腐蚀开裂，还会使管内的高温极大地缩短随钻测量仪器（mwd/lwd）及井下马达的电子元器件寿命，严重制约了深井钻探的安全与效率。

2、为了应对上述极端工况，现代深井钻杆对表面防护涂层提出了极高的综合性能要求，具体包括：(1) 高效的隔热屏蔽能力：必须具备极低的热导率，能够在中空钻杆内外壁之间建立有效的温度梯度，阻断外部地层高温向钻杆内部流体和精密仪器的传导。(2) 卓越的致密防腐与抗渗透性：涂层网络必须足够致密，能够有效阻挡高压小分子腐蚀性气体（如h2s、co2）及酸碱离子的渗透，切断电化学腐蚀回路。(3) 极佳的界面附着力与热膨胀匹配性：涂层需与金属基体形成强有力的化学或物理键合，且其热膨胀系数需与钢制管材相匹配，以抵抗井下剧烈的冷热交变冲击。(4)优异的机械柔韧性与耐磨性：涂层必须能够适应钻杆在复杂井眼轨迹中的剧烈弯曲形变和交变应力，且不发生脆断脱落。

3、然而，现有的钻杆涂层技术普遍存在难以克服的性能瓶颈。例如，传统纯有机树脂涂层（如普通环氧、改性酚醛、聚氨酯）在200℃以上高温环境下，高分子聚合物链段极易发生热降解或碳化。同时抗气体渗透能力有限，h2s、co2等腐蚀性气体极易穿透引发涂层大面积起泡和剥离，且几乎不具备隔热功能。一般的无机陶瓷类涂层（如氧化铝、氧化锆），本征脆性大，柔韧性极差，无法适应钻杆的连续弯曲和扭转应力，极易萌生微裂纹。此外，其与钢材的热膨胀系数差异巨大，在冷热流体交替循环时极易在界面产生热应力，导致涂层脆裂、层状剥落。而常规隔热涂层（如添加空心玻璃微珠或气凝胶）在深井超高压和强烈剪切力作用下，空心微珠极易破碎，气凝胶骨架极易坍塌，导致隔热性能急剧衰减甚至丧失，填料的团聚和破碎还会成为腐蚀介质侵入的通道。

4、综上所述，现有技术亟需开发一种全新的涂层材料体系，以一举解决在深井苛刻工况下的综合防护难题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于共价有机框架材料的钻杆用高温隔热防腐涂层及其制备方法。本发明利用cofs材料极高的孔隙率、优异的热稳定性和可定制的表面化学性质，实现了极其卓越的隔热、防腐及附着性能。

2、本发明的目的在于提供一种基于共价有机框架材料的钻杆用高温隔热防腐涂层及其制备方法。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于共价有机框架材料的钻杆用高温隔热防腐涂层，其特征在于，所述涂层由含硅烷偶联剂的耐温底漆层（3）和面漆层组成；所述面漆层中包含作为主体隔热填料的共价有机框架粉末（1）、耐高温改性树脂（2）以及界面偶联剂；并且，在所述面漆层中，所述共价有机框架粉末（1）的添加量占所述耐高温改性树脂（2）总质量的15%~25%。

4、所述的基于共价有机框架材料的钻杆用高温隔热防腐涂层，其特征在于，所述的共价有机框架（cofs）材料，具体包括二维平面六方拓扑结构、二维平面四方拓扑结构、三维立体拓扑结构中的至少一种或其组合。

5、所述的基于共价有机框架材料的钻杆用高温隔热防腐涂层，其特征在于，所述共价有机框架（cofs）材料由多官能度氨基单体与多官能度醛基单体通过缩合反应制得；其中，所述氨基单体选自1,3,5-三(4-氨基苯基)苯（tapb）、5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉（tapp）和四(4-氨基苯基)甲烷（tapm）中的至少一种；所述醛基单体为对苯二甲醛（tpa）。

6、所述的基于共价有机框架材料的钻杆用高温隔热防腐涂层，其特征在于，所述二维平面六方拓扑结构cofs采用具有c3对称性的三官能度氨基单体与具有c2对称性的二官能度醛基单体通过亚胺键缩合，形成具有高度有序一维纳米孔道的二维蜂窝状晶格。

7、所述的基于共价有机框架材料的钻杆用高温隔热防腐涂层，其特征在于，所述二维平面四方拓扑结构cofs采用具有c4对称性的四官能度平面单体与二官能度单体缩合，形成具有大共轭平面的层间π-π堆积的二维平面四方网格结构。

8、所述的基于共价有机框架材料的钻杆用高温隔热防腐涂层，其特征在于，所述三维立体拓扑结构cofs采用具有td空间对称性的四面体型四官能度交联单体与二官能度单体在三维空间内延伸交联，构建出具有三维互通微孔网络的立体拓扑结构。

9、所述的基于共价有机框架材料的钻杆用高温隔热防腐涂层，其特征在于，所述共价有机框架（cofs）材料在合成时所采用的有机溶剂选自邻二氯苯、正丁醇、均三甲苯、1,4-二氧六环中的至少一种或其组合。

10、所述的基于共价有机框架材料的钻杆用高温隔热防腐涂层，其特征在于，所述共价有机框架（cofs）材料在合成与纯化过程中，采用浓度为3~6 mol/l的醋酸水溶液或冰醋酸水溶液作为酸催化剂；采用n,n-二甲基甲酰胺、无水四氢呋喃或超临界二氧化碳作为纯化洗涤或萃取活化试剂。

11、所述的基于共价有机框架材料的钻杆用高温隔热防腐涂层，其特征在于，所述耐高温改性树脂基料选自聚酰亚胺树脂、酚醛环氧树脂或双马来酰亚胺树脂中的至少一种；所述界面偶联剂选自硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂或锆酸酯类偶联剂中的至少一种。

12、所述基于共价有机框架材料的钻杆用高温隔热防腐涂层的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

13、s1: 表面前处理：对钻杆外表面进行喷砂除锈处理至sa2.5级；

14、s2: 底漆涂装：喷涂含界面偶联剂的耐温底漆，控制厚度为30~50微米，并进行表干处理；

15、s3: 面漆混合与分散：将所述共价有机框架（cofs）材料粉末分3-4次加入至流体状的耐高温改性树脂基料中，依次经过2000~3000转/分钟的高速剪切搅拌处理以及40khz、800w的超声波辅助剥离分散处理，使cofs粉末在树脂基体中实现去团聚并达到纳米级均匀分散，制得面漆浆料；

16、s4: 面漆涂装与交联固化：采用无气喷涂技术在底漆上将所述面漆浆料进行多道喷涂至总厚度为0.6~1.0 mm；将喷涂后的钻杆在80～200℃下高温烘烤完成涂层的交联与固化成膜。

17、与现有技术相比，本发明具有以下显著的有益效果：

18、1.极致的隔热性能：cofs材料内部丰富的纳米级孔道锁定了大量静态惰性气体，极大地降低了涂层的热导率。在井底环境温度高达250℃的工况下，0.5-1.0 mm厚度的涂层即可在钻杆外壁与内部钻井液之间形成大于100℃的有效隔热温差。

19、2.超高附着力：界面偶联体系构建了稳定的共价键网络。在历经高温高压交变应力循环后，拉开法附着力测试大于20 mpa，涂层无起泡、无开裂、无剥落。

20、3.卓越的耐酸碱及防腐性能：cofs材料的强共价键骨架结构结合致密的树脂成膜网络，在15% hcl强酸溶液及ph=12的强碱性钻井液中浸泡720小时后，涂层外观无变化，提供长效防腐屏障。