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1、高性能封隔器膠筒研制摘摘要要：根據(jù)膠筒的使用環(huán)境及特點(diǎn)，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(diǎn) ，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(bǔ)強(qiáng)丁腈橡膠， MMg/NBR 硫化膠的邵 A 硬度、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率和 100%定伸強(qiáng)度均較高；新設(shè)計(jì)的膠筒結(jié)構(gòu)簡單合理、易卸模、成品率高，并通過模擬試驗(yàn)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(biāo)達(dá)到了耐溫120、耐壓差 25MPa，能滿足油田大部分套變井的要求。關(guān)關(guān)鍵鍵詞
2、詞：封隔器膠筒 ； 過氧化物 ； 甲基丙稀酸鎂 ； 結(jié)構(gòu)； 模擬試驗(yàn)?zāi)?錄前言 .11 封隔器膠筒工況分析 .21.1 簡介.21.2 工況分析.21.3 膠筒性能的影響因素.22 研究方案設(shè)計(jì) .42.1 技術(shù)路線.42.2 技術(shù)方案.43 配方實(shí)驗(yàn) .53.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備.53.1.1 原材料選擇.53.1.2 儀器設(shè)備.53.2 實(shí)驗(yàn)方案.53.2.1 補(bǔ)強(qiáng)性能采用正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行配方設(shè)計(jì).53.2.2 防老化試驗(yàn)設(shè)計(jì).53.3 實(shí)驗(yàn)過程.63.3.1 混煉.63.3.2 硫化.63.3.3 物化性能測試.63.4 結(jié)果分析.73.4.1 補(bǔ)強(qiáng)性能分析.73.4.2 防老化性能分析.73.5
3、 小結(jié).74 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化 .84.1 尺寸設(shè)計(jì).84.2 端部形狀設(shè)計(jì).85 加工工藝研究 .95.1 填料方式.95.2 膠筒壁厚對硫化時(shí)間及溫度的影響.96 封隔器膠筒模擬試驗(yàn) .106.1 試驗(yàn)設(shè)備.106.2 試驗(yàn)記錄.106.3 試驗(yàn)結(jié)果分析.106.3.1 結(jié)構(gòu)形狀對膠筒性能的影響.106.3.2 初始密封的座封力測定.116.3.3 座封載荷和密封壓差的關(guān)系.11結(jié)論 .12參考文獻(xiàn) .13致謝 .14前言近年來，中原油田的開發(fā)已進(jìn)入高含水階段，井況惡化現(xiàn)象嚴(yán)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(jì)，到 2003 年底中原油田有各類套管損壞井
4、1121 口，約占總油水井?dāng)?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108mm 或者更少。常規(guī)的 51/2井下工具的外徑一般在113mm115mm，不能配合這部分措施井施工，導(dǎo)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現(xiàn)場施工需求，使這部分油水井恢復(fù)生產(chǎn)。另外隨著4套管技術(shù)在部分變形井中的應(yīng)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。 1 封隔器膠筒工況分析1.1 簡介封隔器膠筒一般由彈性體復(fù)合材料制備而成，可分為強(qiáng)制型、自封型和復(fù)合型等，強(qiáng)制型中的壓縮式封隔器膠筒是用的最為普遍
5、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(shí)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(shí)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(jì)，國內(nèi)油田年消耗量約在 10 萬套以上。1.2 工況分析封隔器膠筒的使用工況是非常復(fù)雜和苛刻的：高壓、高溫、處于油介質(zhì)中、同時(shí)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(fù)合材料將會(huì)發(fā)生油溶脹、老化、過度交聯(lián)等現(xiàn)象，導(dǎo)致材料的硬度上升、強(qiáng)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(shí)就產(chǎn)生早期破壞，導(dǎo)
6、致密封失敗。同時(shí)，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(fù)使用情況下。 1.3 膠筒性能的影響因素在膠筒的使用工況下，各種橡膠的拉伸結(jié)晶特性事實(shí)上已經(jīng)消失（即已經(jīng)超過了橡膠的拉伸結(jié)晶熔點(diǎn)），常溫下表現(xiàn)的高強(qiáng)度特性完全不復(fù)存在，實(shí)驗(yàn)表明：室溫下炭黑填充補(bǔ)強(qiáng)的NBR 的常溫強(qiáng)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(qiáng)度也大概是常溫強(qiáng)度的25%以下（見表1.1）。如此低的強(qiáng)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(dǎo)致膠筒肩部出現(xiàn)裂紋、裂紋擴(kuò)展、最后破裂失效。表1
7、.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。圖 1.1 橡膠材料性能隨溫度變化示意圖表 1.1 溫度對橡膠材料性能的影響表 1.2 常規(guī)80 膠筒在不同溫度下耐壓差性能比較從表 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(qiáng)度和改善材料抵抗老化的能項(xiàng)目室溫150拉伸強(qiáng)度 /MPa253.2扯斷伸長率 /%20040硬度/度9070溫度/25120150工作壓差 /MPa703515252015105 MPa23 60 90 力是提高膠筒性能的關(guān)鍵。2 研究方案設(shè)計(jì)2.1 技術(shù)路線技術(shù)路線如圖 2.1 所示圖 2.1 技術(shù)路線2.
8、2 技術(shù)方案先通過大量的實(shí)驗(yàn)室研究，包括：復(fù)合材料的力學(xué)性能、防老化性能試驗(yàn)，獲得特種彈性體復(fù)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(jìn)而，對實(shí)驗(yàn)室規(guī)模產(chǎn)生的復(fù)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等。然后，制備樣品進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過性能反饋來優(yōu)化復(fù)合材料的配合及制備工藝，優(yōu)化膠筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、成型工藝等內(nèi)容。使膠筒性能達(dá)到要求的指標(biāo)。加工工藝合理選擇原材料配方試驗(yàn)試制膠筒樣品膠筒的工作條件分析油浸模擬試驗(yàn)，產(chǎn)品性能達(dá)到規(guī)定要求結(jié)構(gòu)及模具設(shè)計(jì)3 配方實(shí)驗(yàn)3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備3.1.1 原材料選擇（此處內(nèi)容略）3.1.2 儀
9、器設(shè)備主要包括230mm 開煉機(jī)， 100t、50t 平板硫化機(jī)， MDR-100E 硫化測定儀，老化測定儀，沖片機(jī)1 臺，DL-2.5 電子拉力試驗(yàn)機(jī)，油浸模擬試驗(yàn)裝置。3.2 實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)和防老化兩個(gè)方面的性能試驗(yàn)。3.2.1 補(bǔ)強(qiáng)性能采用正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行配方設(shè)計(jì)考慮到多因素變量，選定相應(yīng)的變量及變量水平見表3.1。表 3.1 變量及水平表（表格略）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(gè)，因此,采用 L9（34）正交試驗(yàn)表 ,可以安排三個(gè)系列實(shí)驗(yàn)元素，對三個(gè)系列試驗(yàn)的具體安排如下表 3.2。表 3.2 丁腈橡膠 L9（34）（表格略）3.2.2 防老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮到油田井下
10、的實(shí)際工況，存在油、水、氧、硫化氫等介質(zhì)，選擇了幾種防老劑進(jìn)行并用，具體設(shè)計(jì)見表3.3。表 3.3 防護(hù)體系設(shè)計(jì)表（表格略）3.3 實(shí)驗(yàn)過程3.3.1 混煉針對丁腈膠的特點(diǎn)，選擇合理的混煉工藝：（以下內(nèi)容略）3.3.2 硫化正硫化點(diǎn)的確定利用硫化儀測定出各試驗(yàn)配方，計(jì)算正硫化時(shí)間（表3.4）。表 3.4 各配方正硫化時(shí)間表（表格略）3.3.3 物化性能測試按照國家標(biāo)準(zhǔn)，壓片測試，各配方的強(qiáng)度、伸長率、硬度、老化系數(shù)等主要性能指標(biāo)測試結(jié)果見表3.5。表 3.5 硫化膠性能表配方拉伸強(qiáng)度（MPa）扯斷伸長率(%)硬度(邵 A)老化系數(shù)N410112.5260720.80N410218.227080
11、0.85N410319.2280860.85N410419.5280870.85N410514.0270720.80N410618.3250810.85N410719.0260850.80N410820.6270900.90N410915.0260800.80各防護(hù)體系耐熱氧老化性能見表3.6。表 3.6 各防護(hù)體系耐熱氧老化性能對比（表格略）耐水井介質(zhì)性能對比見表 3.7。表 3.7 各防護(hù)體系耐水井介質(zhì)性能對比（表格略）3.4 結(jié)果分析3.4.1 補(bǔ)強(qiáng)性能分析按 L9（34）正交法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)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(yàn)的結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可以看出，
12、對拉伸強(qiáng)度的影響因素DABC，最佳組合為 A3B2C2D3；對扯斷伸長率的影響 D=CAB，最佳組合為 A1B2C2D3；對老化因素的影響 DB=CA，最佳組合為 A1B2C2D3。 表 3.8 丁腈橡膠試驗(yàn)結(jié)果（表格略）3.4.2 防老化性能分析從表 3.6、3.7 中可以看出，防護(hù)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(hù)體系的對比中，MB/BLE/硬脂酸防護(hù)體系（ 2.0/1.0/1.0）的橡膠材料性能最優(yōu)。3.5 小結(jié)（1）適的配合體系可以使膠料的綜合性能達(dá)到最佳，拉伸強(qiáng)度提高57MPa；伸長率高出 50%；老化系數(shù)提高 10%15%。（2）特
13、殊補(bǔ)強(qiáng)劑甲基丙稀酸鎂（ MMg）的應(yīng)用可以有效提高膠料的物理機(jī)械性能，同等條件下， 10 份甲基丙稀酸鎂可以提高拉伸強(qiáng)度5 在MPa 以上，提高伸長率 30%50%。這一點(diǎn) ,對大變形量的小直徑膠筒是很重要的。經(jīng)過以上的配方試驗(yàn)，確定了最佳配方見表3.9。表 3.9 優(yōu)化配方及性能表（表格略）4 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化4.1 尺寸設(shè)計(jì)（1）51/2膠筒內(nèi)、外徑分別確定為60mm 和104mm（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(jì)算：P（Rt2R12）2R1I2 RtfP0/(1) （4.1）Rt套管內(nèi)半徑， mm；R1膠筒外半徑， mm；P工作壓差， MPa；I膠筒許用剪切應(yīng)力，
14、MPa；f膠筒與套管壁的摩擦系數(shù)，一般取0.3；P0預(yù)壓載荷， MPa；波松系數(shù)，一般取 0.475。（以下內(nèi)容略）（2）4膠筒內(nèi)外徑設(shè)計(jì)為 60mm 和 80mm，高度采用式 4.1 計(jì)算。（以下內(nèi)容略）4.2 端部形狀設(shè)計(jì)根據(jù)資料介紹和實(shí)際試驗(yàn)得到，膠筒在長時(shí)間的大壓縮負(fù)荷和介質(zhì)的物理化學(xué)作用下，膠筒肩部應(yīng)力集中，產(chǎn)生很大的殘余變形將導(dǎo)致膠筒破壞。桶形膠筒的變形與應(yīng)力關(guān)系見圖4.1：（圖略）圖 4.1 桶形膠筒的變形與應(yīng)力關(guān)系根據(jù)這個(gè)原理，設(shè)計(jì)了新型膠筒端部形狀如下圖，并通過模擬試驗(yàn)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）。 h (a)
15、改變前形狀 (b) 改變后形狀圖 4.2 膠筒形狀對比圖5 加工工藝研究5.1 填料方式采用手工填料和注壓移模兩種方式并改變硫化的壓力進(jìn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)?zāi)z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：表 5.1 填料方式對性能的影響（表格略）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(dòng)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(jìn)行填料，硫化壓力定為15 MPa20MPa。5.2 膠筒壁厚對硫化時(shí)間及溫度的影響橡膠的硫化溫度和硫化時(shí)間是相互制約的，它們之間的關(guān)系可以用下式表示：t1/t2 = K(T2-T1)/10 （5.1
16、）t1-溫度為 T1 時(shí)所需的硫化時(shí)間；t2-溫度為 T2 時(shí)所需的硫化時(shí)間；K-硫化溫度系數(shù)，一般取 K=2。從式 5.1 說明，硫化溫度提高 10，硫化時(shí)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(dǎo)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(dá)到規(guī)定的硫化溫度需要一定的時(shí)間，硫化溫度過高，就會(huì)導(dǎo)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。 6 封隔器膠筒模擬試驗(yàn)6.1 試驗(yàn)設(shè)備（1）模擬試驗(yàn)裝置：模擬試驗(yàn)裝置是膠筒室內(nèi)試驗(yàn)的主要設(shè)備，由試壓泵、套加熱裝置和控溫儀等組成。技術(shù)指標(biāo)為：試驗(yàn)溫度：室溫 180 試驗(yàn)壓差： 01
17、20MPa 套管內(nèi)徑： 86 mm 、125mm（2）試驗(yàn)工具：膠筒試驗(yàn)工具主要由活塞、液缸、蘿卜頭、中心管和外鎖緊機(jī)構(gòu)組成。利用試驗(yàn)工具模擬封隔器膠筒的工作狀態(tài)，可以進(jìn)行膠筒的座封性能、密封性能的測試。6.2 試驗(yàn)記錄表 6.1、6.2 列出了部分試驗(yàn)原始記錄。6.3 試驗(yàn)結(jié)果分析6.3.1 結(jié)構(gòu)形狀對膠筒性能的影響在膠筒內(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(dá)到耐壓指標(biāo)：表 6.1 51/2套管膠筒模擬試驗(yàn)記錄（表格略）表 6.2 4套管膠筒模擬試驗(yàn)記錄（表格略）表 6.3 膠筒高度與工作壓差關(guān)系（表格略）可見膠筒太長和太短都不能取得最好的性
18、能，分析其原因，膠筒太短，座封時(shí)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，座封過程容易出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，降低與套管壁的接觸應(yīng)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(biāo)。通過試驗(yàn)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(jì)算值基本相同。但內(nèi)外徑的改變也會(huì)引起合理高度的改變。6.3.2 初始密封的座封力測定在地面上用 4套管膠筒加壓，泵壓為 1.5Mpa 時(shí)，膠筒開始貼緊套管壁，經(jīng)計(jì)算此時(shí)座封力為 12kN，達(dá)到性能指標(biāo)要求。6.3.3 座封載荷和密封壓差的關(guān)系 根據(jù)資料介紹，座封
19、載荷 F 和密封壓差 P 具有下面的關(guān)系：P（Rt2R02）（R12R02）4f R0h（1z）2Rt(RtR12)（Rt2R02） （6.1）Rt套管內(nèi)半徑， mm；R1膠筒外半徑， mm； R0中心管外半徑， mm； h膠筒高度， mm；f膠筒與套管壁的摩擦系數(shù)，一般取0.3；由以上公式計(jì)算和實(shí)際測試的結(jié)果見表6.4：表 6.4 座封載荷與密封壓差的關(guān)系（表格略）從表中可以看出 ，實(shí)際試驗(yàn)的座封載荷高于理論計(jì)算值，這在實(shí)際應(yīng)用中是必要的。 Fz 結(jié)論（1）在過氧化物硫化體系條件下，甲基丙稀酸鎂（MMg）的應(yīng)用可以有效提高膠料的物理機(jī)械性能。尤其適應(yīng)大變形量的小直徑膠筒。（2）膠筒結(jié)構(gòu)的合理
20、設(shè)計(jì)，可以有效提高膠筒的耐壓差性能和密封耐久性能。（3）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(diǎn)，能滿足油田大部分套變井的要求 ，推廣應(yīng)用前景廣闊。 參考文獻(xiàn)1 袁新恒，張穩(wěn)西，張勇， 等.甲基丙烯酸鎂對 NBR 的補(bǔ)強(qiáng)作用 J.橡膠工業(yè),1999,46（5）:281-282 李航，吳文濤，羅東山 .甲基丙烯酸鋅在 NBR/木質(zhì)素中的應(yīng)用 J.合成橡膠工業(yè) .1995,18（6）:357-3593 趙陽，盧詠來，劉力 ，等.甲基丙烯酸鋅 /丁腈橡膠納米 -微米混雜復(fù)合材料J .合成橡膠工業(yè) .2001,24（6）:350-3534 陳朝暉，王迪珍 .甲基丙烯酸鋅在 NBR 中的應(yīng)用 J .合成橡膠工業(yè) .2001，24（5）：294-2975 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）：365-3676 封隔器理論基礎(chǔ)及應(yīng)用 .江漢石油管理局采油工藝研究所 J .江漢石油學(xué)院采油教研室 . 19837 謝遂志.生膠及骨架材料 ,橡膠工業(yè)手冊第一分冊 .機(jī)械工業(yè)出版社，19898 梁星宇.配方與基本工藝 ,橡膠工業(yè)手冊第三分冊 . 機(jī)械工業(yè)出版社，19899 劉植榕.試驗(yàn)方法 ,橡膠工業(yè)手冊第八分冊 . 機(jī)械工業(yè)出版社， 1989
高性能封隔器膠筒研制石油大學(xué)畢業(yè)論文
