1、<p>　　高性能封隔器膠筒研制</p><p>　　摘要：根據(jù)膠筒的使用環(huán)境及特點，針對目前市場上小直徑特殊膠筒普遍存在耐壓差低、壽命短的缺點，開展了小直徑封隔器膠筒的膠料配合和結(jié)構(gòu)形狀研究。結(jié)果顯示：與炭黑/NBR體系相比，在過氧化物硫化體系下，甲基丙稀酸鎂可以有效補強丁腈橡膠，MMg/NBR硫化膠的邵A硬度、拉伸強度、扯斷伸長率和100%定伸強度均較高；新設計的膠筒結(jié)構(gòu)簡單合理、易卸模、成品率高，

2、并通過模擬試驗發(fā)現(xiàn)，新的結(jié)構(gòu)形狀可以有效改善膠筒的抗破壞性能，耐壓差性能平均提高5MPa。研制出的小直徑特殊膠筒性能指標達到了耐溫120℃、耐壓差25MPa，能滿足油田大部分套變井的要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：封隔器膠筒； 過氧化物； 甲基丙稀酸鎂； 結(jié)構(gòu)； 模擬試驗</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><

3、;b>　　前言1</b></p><p>　　1 封隔器膠筒工況分析2</p><p><b>　　1.1 簡介2</b></p><p>　　1.2 工況分析2</p><p>　　1.3 膠筒性能的影響因素2</p><p>　　2 研究方案設計4</p&g

4、t;<p>　　2.1 技術(shù)路線4</p><p>　　2.2 技術(shù)方案4</p><p><b>　　3 配方實驗5</b></p><p>　　3.1 實驗準備5</p><p>　　3.1.1 原材料選擇5</p><p>　　3.1.2 儀器設備5</p&g

5、t;<p>　　3.2 實驗方案5</p><p>　　3.2.1 補強性能采用正交設計法進行配方設計5</p><p>　　3.2.2 防老化試驗設計5</p><p>　　3.3 實驗過程6</p><p>　　3.3.1 混煉6</p><p>　　3.3.2 硫化6</p>

6、<p>　　3.3.3 物化性能測試6</p><p>　　3.4 結(jié)果分析7</p><p>　　3.4.1 補強性能分析7</p><p>　　3.4.2 防老化性能分析7</p><p><b>　　3.5 小結(jié)7</b></p><p>　　4 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化8&l

7、t;/p><p>　　4.1 尺寸設計8</p><p>　　4.2 端部形狀設計8</p><p>　　5 加工工藝研究9</p><p>　　5.1 填料方式9</p><p>　　5.2 膠筒壁厚對硫化時間及溫度的影響9</p><p>　　6 封隔器膠筒模擬試驗10</p&

8、gt;<p>　　6.1 試驗設備10</p><p>　　6.2 試驗記錄10</p><p>　　6.3 試驗結(jié)果分析10</p><p>　　6.3.1 結(jié)構(gòu)形狀對膠筒性能的影響10</p><p>　　6.3.2 初始密封的座封力測定11</p><p>　　6.3.3 座封載荷和密封壓

9、差的關(guān)系11</p><p><b>　　結(jié)論12</b></p><p><b>　　參考文獻13</b></p><p><b>　　致謝14</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　近年來

10、，中原油田的開發(fā)已進入高含水階段，井況惡化現(xiàn)象嚴重，各種新的配套工藝措施不斷出現(xiàn)，所需井下工具的結(jié)構(gòu)類型也越來越多。根據(jù)統(tǒng)計，到2003年底中原油田有各類套管損壞井1121口，約占總油水井數(shù)的24%，其中，存在套管縮徑變形問題的有720口，其變形段的內(nèi)徑僅有Φ108mm或者更少。常規(guī)的51/2〞井下工具的外徑一般在Φ113mm～Φ115mm，不能配合這部分措施井施工，導致部分油水井停產(chǎn)，給油田帶來了巨大損失。故急需研制小直徑封隔器來滿足

11、現(xiàn)場施工需求，使這部分油水井恢復生產(chǎn)。另外隨著4〞套管技術(shù)在部分變形井中的應用，也需要小直徑封隔器來配合現(xiàn)場施工。兩種封隔器都必須配有高性能的特殊膠筒來保證其密封性能和措施有效期。</p><p><b>　?。ㄒ韵聝?nèi)容略）</b></p><p>　　1 封隔器膠筒工況分析</p><p><b>　　1.1 簡介</b>

12、;</p><p>　　封隔器膠筒一般由彈性體復合材料制備而成，可分為強制型、自封型和復合型等，強制型中的壓縮式封隔器膠筒是用的最為普遍的一種，本課題研究的就是此類。作為封隔器的關(guān)鍵的彈性體密封部件。其位于油管和套管之間，座封時承受軸向載荷產(chǎn)生徑向大變形，膠筒外壁與套管壁產(chǎn)生接觸壓力，封隔環(huán)空。實現(xiàn)分層注水、酸化、壓裂等工藝措施。其質(zhì)量的好壞直接影響到井下工具性能的高低，影響到增產(chǎn)措施的成敗。據(jù)保守估計，國內(nèi)油田

13、年消耗量約在10萬套以上。</p><p><b>　　1.2 工況分析</b></p><p>　　封隔器膠筒的使用工況是非常復雜和苛刻的：高壓、高溫、處于油介質(zhì)中、同時還受到硫化氫、蒸汽、酸等的侵蝕。在這樣的環(huán)境中，彈性體復合材料將會發(fā)生油溶脹、老化、過度交聯(lián)等現(xiàn)象，導致材料的硬度上升、強度下降、彈性下降、抗裂口增長能力也明顯降低。因此容易在單次使用時就產(chǎn)生早期破

14、壞，導致密封失敗。同時，封隔器膠筒的“爆炸式解壓破壞”模式是客觀存在的，它將容易發(fā)生在膠筒的重復使用情況下。</p><p><b>　?。ㄒ韵聝?nèi)容略）</b></p><p>　　1.3 膠筒性能的影響因素</p><p>　　在膠筒的使用工況下，各種橡膠的拉伸結(jié)晶特性事實上已經(jīng)消失（即已經(jīng)超過了橡膠的拉伸結(jié)晶熔點），常溫下表現(xiàn)的高強度特性完

15、全不復存在，實驗表明：室溫下炭黑填充補強的NBR的常溫強度25MPa以上，但在150℃下，卻不足4MPa（見圖1.1）。即使是抗熱氧老化特性非常好的氫化丁腈橡膠和氟橡膠，高溫下的強度也大概是常溫強度的25%以下（見表1.1）。如此低的強度無法滿足高壓密封需要，更不能抵制“爆炸式解壓破壞”模式。導致膠筒肩部出現(xiàn)裂紋、裂紋擴展、最后破裂失效。表1.2顯示了常規(guī)薄壁膠筒在不同溫度下耐壓差性能的變化。</p><p>　

16、　圖1.1 橡膠材料性能隨溫度變化示意圖</p><p>　　表1.1 溫度對橡膠材料性能的影響</p><p>　　表1.2 常規(guī)φ80膠筒在不同溫度下耐壓差性能比較</p><p>　　從表1.2可以看出，橡膠材料性能隨著溫度升高而大副下降是膠筒高溫破壞的主要原因，所以，有效提高橡膠材料的強度和改善材料抵抗老化的能力是提高膠筒性能的關(guān)鍵。</p>

17、<p><b>　　2 研究方案設計</b></p><p><b>　　2.1 技術(shù)路線</b></p><p>　　技術(shù)路線如圖2.1所示</p><p><b>　　圖2.1 技術(shù)路線</b></p><p><b>　　2.2 技術(shù)方案</b

18、></p><p>　　先通過大量的實驗室研究，包括：復合材料的力學性能、防老化性能試驗，獲得特種彈性體復合材料配合的基本規(guī)律，獲取最佳的配合和制備工藝參數(shù)。進而，對實驗室規(guī)模產(chǎn)生的復合材料（10公斤級別），制備封隔器膠筒樣品，研究最佳的加工工藝條件，對膠筒的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計等。然后，制備樣品進行模擬試驗，通過性能反饋來優(yōu)化復合材料的配合及制備工藝，優(yōu)化膠筒的結(jié)構(gòu)設計、模具設計、成型工藝等內(nèi)容。使膠筒性能達

19、到要求的指標。</p><p><b>　　3 配方實驗</b></p><p><b>　　3.1 實驗準備</b></p><p>　　3.1.1 原材料選擇</p><p><b>　　（此處內(nèi)容略）</b></p><p>　　3.1.2 儀器設

20、備</p><p>　　主要包括Φ230mm開煉機， 100t、50t平板硫化機，MDR-100E硫化測定儀，老化測定儀，沖片機1臺，DL-2.5電子拉力試驗機，油浸模擬試驗裝置。</p><p><b>　　3.2 實驗方案</b></p><p>　　進行補強和防老化兩個方面的性能試驗。</p><p>　　3.2.

21、1 補強性能采用正交設計法進行配方設計</p><p>　　考慮到多因素變量，選定相應的變量及變量水平見表3.1。</p><p>　　表3.1 變量及水平表</p><p><b>　?。ū砀衤裕?lt;/b></p><p>　　不考慮因素之間的相互作用，并且因素的變化水平都是三個，因此,采用L9（34）正交試驗表,可以安

22、排三個系列實驗元素，對三個系列試驗的具體安排如下表3.2。</p><p>　　表3.2 丁腈橡膠 L9（34）</p><p><b>　?。ū砀衤裕?lt;/b></p><p>　　3.2.2 防老化試驗設計</p><p>　　考慮到油田井下的實際工況，存在油、水、氧、硫化氫等介質(zhì)，選擇了幾種防老劑進行并用，具體設計見

23、表3.3。</p><p>　　表3.3 防護體系設計表</p><p><b>　　（表格略）</b></p><p><b>　　3.3 實驗過程</b></p><p><b>　　3.3.1 混煉</b></p><p>　　針對丁腈膠的特點，選

24、擇合理的混煉工藝：</p><p><b>　?。ㄒ韵聝?nèi)容略）</b></p><p><b>　　3.3.2 硫化</b></p><p>　　正硫化點的確定利用硫化儀測定出各試驗配方，計算正硫化時間（表3.4）。</p><p>　　表3.4 各配方正硫化時間表</p><p

25、><b>　　（表格略）</b></p><p>　　3.3.3 物化性能測試</p><p>　　按照國家標準，壓片測試，各配方的強度、伸長率、硬度、老化系數(shù)等主要性能指標測試結(jié)果見表3.5。</p><p>　　表 3.5 硫化膠性能表</p><p>　　各防護體系耐熱氧老化性能見表3.6。</p>

26、;<p>　　表3.6 各防護體系耐熱氧老化性能對比</p><p><b>　?。ū砀衤裕?lt;/b></p><p>　　耐水井介質(zhì)性能對比見表3.7。</p><p>　　表3.7 各防護體系耐水井介質(zhì)性能對比</p><p><b>　?。ū砀衤裕?lt;/b></p>&

27、lt;p><b>　　3.4 結(jié)果分析</b></p><p>　　3.4.1 補強性能分析</p><p>　　按L9（34）正交法對數(shù)據(jù)進行分析，計算各因素的水平數(shù)據(jù)和，并求出最大偏差R，表3.8列出了試驗的結(jié)果。</p><p>　　由表中數(shù)據(jù)可以看出，對拉伸強度的影響因素D﹥A﹥B﹥C，最佳組合為A3B2C2D3；對扯斷伸長率的影

28、響D=C﹥A﹥B，最佳組合為A1B2C2D3；對老化因素的影響D﹥B=C﹥A，最佳組合為A1B2C2D3。</p><p><b>　?。ㄒ韵聝?nèi)容略）</b></p><p>　　表3.8 丁腈橡膠試驗結(jié)果</p><p><b>　?。ū砀衤裕?lt;/b></p><p>　　3.4.2 防老化性能分

29、析</p><p>　　從表3.6、3.7中可以看出，防護體系的加入可以大大提高橡膠材料的耐老化和耐水井介質(zhì)性能，平均提高一倍以上。在三種防護體系的對比中，MB/BLE/硬脂酸防護體系（2.0/1.0/1.0）的橡膠材料性能最優(yōu)。</p><p><b>　　3.5 小結(jié)</b></p><p>　?。?）適的配合體系可以使膠料的綜合性能達到最

30、佳，拉伸強度提高5～7MPa；伸長率高出50%；老化系數(shù)提高10%～15%。</p><p>　　（2）特殊補強劑甲基丙稀酸鎂（MMg）的應用可以有效提高膠料的物理機械性能，同等條件下，10份甲基丙稀酸鎂可以提高拉伸強度5在MPa以上，提高伸長率30%～50%。這一點,對大變形量的小直徑膠筒是很重要的。</p><p>　　經(jīng)過以上的配方試驗，確定了最佳配方見表3.9。</p>

31、<p>　　表3.9 優(yōu)化配方及性能表</p><p><b>　　（表格略）</b></p><p><b>　　4 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化</b></p><p><b>　　4.1 尺寸設計</b></p><p>　?。?）51/2〞膠筒內(nèi)、外徑分別確定為Φ60mm

32、和Φ104mm（與封隔器鋼體配套），根據(jù)資料介紹，膠筒高度可以用下式近似計算：</p><p>　　⊿P（Rt2－R12）</p><p>　　2R1[I]＋2 RtfP0μ/(1－μ) （4.1）</p><p>　　Rt—套管內(nèi)半徑，mm；R1—膠筒外半徑，mm；</p><p>　　⊿P—工作壓差，

33、MPa；[I]—膠筒許用剪切應力，MPa；</p><p>　　f—膠筒與套管壁的摩擦系數(shù)，一般取0.3；</p><p>　　P0—預壓載荷，MPa；μ—波松系數(shù)，一般取0.475。</p><p><b>　?。ㄒ韵聝?nèi)容略）</b></p><p>　?。?）4〞膠筒內(nèi)外徑設計為60mm和80mm，高度采用式4.1計

34、算。</p><p><b>　　（以下內(nèi)容略）</b></p><p>　　4.2 端部形狀設計</p><p>　　根據(jù)資料介紹和實際試驗得到，膠筒在長時間的大壓縮負荷和介質(zhì)的物理化學作用下，膠筒肩部應力集中，產(chǎn)生很大的殘余變形將導致膠筒破壞。桶形膠筒的變形與應力關(guān)系見圖4.1：</p><p><b>　

35、　（圖略）</b></p><p>　　圖 4.1 桶形膠筒的變形與應力關(guān)系</p><p>　　根據(jù)這個原理，設計了新型膠筒端部形狀如下圖，并通過模擬試驗發(fā)現(xiàn)，新的結(jié)構(gòu)形狀可以有效改善膠筒的抗破壞性能，耐壓差性能平均提高5Mpa（詳見圖4.2）。 </p><p>　　(a) 改變前形狀 (b) 改變后形狀</p><p

36、>　　圖4.2 膠筒形狀對比圖</p><p><b>　　5 加工工藝研究</b></p><p><b>　　5.1 填料方式</b></p><p>　　采用手工填料和注壓移模兩種方式并改變硫化的壓力進行試驗，檢驗膠筒的外觀、斷面性質(zhì)、硫化膠密度。表5.1中列出了對比的結(jié)果：</p><p&

37、gt;　　表5.1 填料方式對性能的影響</p><p><b>　?。ū砀衤裕?lt;/b></p><p>　　從表中可以看出，注壓移模明顯優(yōu)于手工填料，而且隨著硫化壓力的增加，膠料的流動性增加，外觀及致密度有明顯改善，產(chǎn)品性能提高。綜合考慮選用注壓移模方式進行填料，硫化壓力定為15 MPa—20MPa。</p><p>　　5.2 膠筒壁厚對硫

38、化時間及溫度的影響</p><p>　　橡膠的硫化溫度和硫化時間是相互制約的，它們之間的關(guān)系可以用下式表示：</p><p>　　t1/t2 = K(T2-T1)/10 （5.1）</p><p>　　t1---溫度為T1時所需的硫化時間；</p><p>　　t2---溫度為T2時

39、所需的硫化時間；</p><p>　　K---硫化溫度系數(shù)，一般取K=2。</p><p>　　從式5.1說明，硫化溫度提高10℃，硫化時間可縮短一倍，溫度的提高可以有效的提高生產(chǎn)效率。但橡膠的傳導系數(shù)很低，傳熱速度很慢，對于象膠筒的厚壁制品，內(nèi)層的溫度達到規(guī)定的硫化溫度需要一定的時間，硫化溫度過高，就會導致內(nèi)外層硫化不均，要么外層正硫化內(nèi)層欠硫化，要么內(nèi)層正硫化外層過硫化，影響膠筒的性能

40、。</p><p><b>　?。ㄒ韵聝?nèi)容略）</b></p><p>　　6 封隔器膠筒模擬試驗</p><p><b>　　6.1 試驗設備</b></p><p>　?。?）模擬試驗裝置：</p><p>　　模擬試驗裝置是膠筒室內(nèi)試驗的主要設備，由試壓泵、套加熱裝置和

41、控溫儀等組成。</p><p>　　技術(shù)指標為：試驗溫度：室溫～180℃</p><p>　　試驗壓差：0～120MPa</p><p>　　套管內(nèi)徑：86 mm 、125mm</p><p><b>　?。?）試驗工具：</b></p><p>　　膠筒試驗工具主要由活塞、液缸、蘿卜頭、中心管和

42、外鎖緊機構(gòu)組成。利用試驗工具模擬封隔器膠筒的工作狀態(tài)，可以進行膠筒的座封性能、密封性能的測試。</p><p><b>　　6.2 試驗記錄</b></p><p>　　表6.1、6.2列出了部分試驗原始記錄。</p><p>　　6.3 試驗結(jié)果分析</p><p>　　6.3.1 結(jié)構(gòu)形狀對膠筒性能的影響</p

43、><p>　　在膠筒內(nèi)外徑一定的條件下，膠筒高度對性能有較大的影響，表6.3列出了相同條件下不同高度膠筒所達到耐壓指標：</p><p>　　表6.1 51/2〞套管膠筒模擬試驗記錄</p><p><b>　?。ū砀衤裕?lt;/b></p><p>　　表6.2 4〞套管膠筒模擬試驗記錄</p><p>

44、;<b>　?。ū砀衤裕?lt;/b></p><p>　　表6.3 膠筒高度與工作壓差關(guān)系</p><p><b>　　（表格略）</b></p><p>　　可見膠筒太長和太短都不能取得最好的性能，分析其原因，膠筒太短，座封時肩部變形量大，易剪切破壞，座封后與套管壁的有效接觸面積小，也不利于長久密封；膠筒太長，座封過程容易出

45、現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，降低與套管壁的接觸應力，也就降低了所能密封的工作壓差。所以，合理的膠筒高度可以有效提高耐壓指標。</p><p>　　通過試驗得出：51/2〞小直徑膠筒的合理高度為100mm，4〞膠筒的合理高度為50mm，與理論計算值基本相同。但內(nèi)外徑的改變也會引起合理高度的改變。</p><p>　　6.3.2 初始密封的座封力測定</p><p>　　在地面上用4〞

46、套管膠筒加壓，泵壓為1.5Mpa時，膠筒開始貼緊套管壁，經(jīng)計算此時座封力為12kN，達到性能指標要求。</p><p>　　6.3.3 座封載荷和密封壓差的關(guān)系 </p><p>　　根據(jù)資料介紹，座封載荷F和密封壓差⊿P具有下面的關(guān)系：</p><p>　　π⊿P（Rt2－R02）（R12－R02）</p><p>　　4f R0h（1－ε

47、z）</p><p>　　2Rt(Rt－R12)</p><p>　?。≧t2－R02） （6.1）</p><p>　　Rt—套管內(nèi)半徑，mm；</p><p>　　R1—膠筒外半徑，mm； </p><p>　　R0—中心管外半徑，mm； </p>&

48、lt;p>　　h—膠筒高度，mm；</p><p>　　f—膠筒與套管壁的摩擦系數(shù)，一般取0.3；</p><p>　　由以上公式計算和實際測試的結(jié)果見表6.4：</p><p>　　表6.4 座封載荷與密封壓差的關(guān)系</p><p><b>　?。ū砀衤裕?lt;/b></p><p>　　從表

49、中可以看出，實際試驗的座封載荷高于理論計算值，這在實際應用中是必要的。</p><p><b>　?。ㄒ韵聝?nèi)容略） </b></p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　?。?）在過氧化物硫化體系條件下，甲基丙稀酸鎂（MMg）的應用可以有效提高膠料的物理機械性能。尤其適應大變形量的小直徑膠筒。</p&

50、gt;<p>　?。?）膠筒結(jié)構(gòu)的合理設計，可以有效提高膠筒的耐壓差性能和密封耐久性能。</p><p>　?。?）研制出的小直徑特殊膠筒具有結(jié)構(gòu)合理、性能高、用途廣等特點，能滿足油田大部分套變井的要求 ，推廣應用前景廣闊。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 袁新恒，張穩(wěn)西，張勇，等.甲基丙

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52、p><p>　　[4] 陳朝暉，王迪珍.甲基丙烯酸鋅在NBR中的應用 [J] .合成橡膠工業(yè).2001，24（5）：294-297</p><p>　　[5] 陳朝暉，王迪珍，羅東山，等.高性能NBR/Zn（MMg）2合金的研究[J] .合成橡膠工業(yè).1999，22（6）：365-367</p><p>　　[6] 封隔器理論基礎及應用.江漢石油管理局采油工藝研究所[J

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