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1、 高性能封隔器胶筒研制 摘摘要要 根据胶筒的使用环境及特点 针对 目前市场上 小直径特殊胶筒普遍存 在耐压差低 寿命短的缺点 开展了 小直径封隔器胶筒 的胶料配合和结构形状 研究 结果显示 与炭黑 NBR 体系相比 在过氧化物硫化体系下 甲基丙稀酸 镁可以有效补强丁腈橡胶 MMg NBR 硫化胶的邵 A 硬度 拉伸强度 扯断伸长 率和 100 定伸强度均较高 新设计的胶筒结构简单合理 易卸模 成品率高 并通过模拟试验发现 新的结构形状可以有效改善胶筒的抗破坏性能 耐压差性 能平均提高 5MPa 研制出的小直径特殊胶筒性能指标达到了耐温120 耐 压差 25MPa 能满足油田大部分套变井的要求
2、关关键键词词 封隔器胶筒 过氧化物 甲基丙稀酸镁 结构 模拟试验 目 录 前言 1 1 封隔器胶筒工况分析 2 1 1 简介 2 1 2 工况分析 2 1 3 胶筒性能的影响因素 2 2 研究方案设计 4 2 1 技术路线 4 2 2 技术方案 4 3 配方实验 5 3 1 实验准备 5 3 1 1 原材料选择 5 3 1 2 仪器设备 5 3 2 实验方案 5 3 2 1 补强性能采用正交设计法进行配方设计 5 3 2 2 防老化试验设计 5 3 3 实验过程 6 3 3 1 混炼 6 3 3 2 硫化 6 3 3 3 物化性能测试 6 3 4 结果分析 7 3 4 1 补强性能分析 7 3
3、 4 2 防老化性能分析 7 3 5 小结 7 4 结构形状优化 8 4 1 尺寸设计 8 4 2 端部形状设计 8 5 加工工艺研究 9 5 1 填料方式 9 5 2 胶筒壁厚对硫化时间及温度的影响 9 6 封隔器胶筒模拟试验 10 6 1 试验设备 10 6 2 试验记录 10 6 3 试验结果分析 10 6 3 1 结构形状对胶筒性能的影响 10 6 3 2 初始密封的座封力测定 11 6 3 3 座封载荷和密封压差的关系 11 结论 12 参考文献 13 致谢 14 前言 近年来 中原油田的开发已进入高含水阶段 井况恶化现象严重 各种 新的配套工艺措施不断出现 所需井下工具的结构类型也
4、越来越多 根据统 计 到 2003 年底中原油田有各类套管损坏井1121 口 约占总油水井数的 24 其中 存在套管缩径变形问题的有720 口 其变形段的内径仅有 108mm 或者更少 常规的 51 2 井下工具的外径一般在 113mm 115mm 不能配合这部分措施井施工 导致部分油水井停产 给油田带来了巨大损失 故急需研制小直径封隔器来满足现场施工需求 使 这部分油水井恢复生产 另外随着4 套管技术在部分变形井中的应用 也需要小直径封隔器来配合现场施工 两种封隔器都必须配有高性能的特殊 胶筒来保证其密封性能和措施有效期 以下内容略 1 封隔器胶筒工况分析 1 1 简介 封隔器胶筒一般由弹性
5、体复合材料制备而成 可分为强制型 自封型和 复合型等 强制型中的压缩式封隔器胶筒是用的最为普遍的一种 本课题研 究的就是此类 作为封隔器的关键的弹性体密封部件 其位于油管和套管之 间 座封时承受轴向载荷产生径向大变形 胶筒外壁与套管壁产生接触压力 封隔环空 实现分层注水 酸化 压裂等工艺措施 其质量的好坏直接影响 到井下工具性能的高低 影响到增产措施的成败 据保守估计 国内油田年 消耗量约在 10 万套以上 1 2 工况分析 封隔器胶筒的使用工况是非常复杂和苛刻的 高压 高温 处于油介质 中 同时还受到硫化氢 蒸汽 酸等的侵蚀 在这样的环境中 弹性体复合 材料将会发生油溶胀 老化 过度交联等现
6、象 导致材料的硬度上升 强度 下降 弹性下降 抗裂口增长能力也明显降低 因此容易在单次使用时就产 生早期破坏 导致密封失败 同时 封隔器胶筒的 爆炸式解压破坏 模 式是客观存在的 它将容易发生在胶筒的重复使用情况下 以下内容略 1 3 胶筒性能的影响因素 在胶筒的使用工况下 各种橡胶的拉伸结晶特性事实上已经消失 即已 经超过了橡胶的拉伸结晶熔点 常温下表现的高强度特性完全不复存在 实验表明 室温下炭黑填充补强的NBR 的常温强度 25MPa 以上 但在 150 下 却不足 4MPa 见图 1 1 即使是抗热氧老化特性非常好的氢化 丁腈橡胶和氟橡胶 高温下的强度也大概是常温强度的25 以下 见表
7、 1 1 如此低的强度无法满足高压密封需要 更不能抵制 爆炸式解压 破坏 模式 导致胶筒肩部出现裂纹 裂纹扩展 最后破裂失效 表1 2 显示了常规薄壁胶筒在不同温度下耐压差性能的变化 图 1 1 橡胶材料性能随温度变化示意图 表 1 1 温度对橡胶材料性能的影响 表 1 2 常规 80 胶筒在不同温度下耐压差性能比较 从表 1 2 可以看出 橡胶材料性能随着温度升高而大副下降是胶筒高温 破坏的主要原因 所以 有效提高橡胶材料的强度和改善材料抵抗老化的能 项目室温150 拉伸强度 MPa253 2 扯断伸长率 20040 硬度 度9070 温度 25120150 工作压差 MPa703515 2
8、5 20 15 10 5 MPa 23 60 90 力是提高胶筒性能的关键 2 研究方案设计 2 1 技术路线 技术路线如图 2 1 所示 图 2 1 技术路线 2 2 技术方案 先通过大量的实验室研究 包括 复合材料的力学性能 防老化性能试 验 获得特种弹性体复合材料配合的基本规律 获取最佳的配合和制备工艺 参数 进而 对实验室规模产生的复合材料 10 公斤级别 制备封隔器 胶筒样品 研究最佳的加工工艺条件 对胶筒的结构进行优化设计等 然后 制备样品进行模拟试验 通过性能反馈来优化复合材料的配合及制备工艺 优化胶筒的结构设计 模具设计 成型工艺等内容 使胶筒性能达到要求的 指标 加工工艺 合
9、理选择原材料 配方试验 试制胶筒样品 胶筒的工作条件分析 油浸模拟试验 产品性能达到规 定要求 结构及模具设计 3 配方实验 3 1 实验准备 3 1 1 原材料选择 此处内容略 3 1 2 仪器设备 主要包括 230mm 开炼机 100t 50t 平板硫化机 MDR 100E 硫化 测定仪 老化测定仪 冲片机1 台 DL 2 5 电子拉力试验机 油浸模拟试 验装置 3 2 实验方案 进行补强和防老化两个方面的性能试验 3 2 1 补强性能采用正交设计法进行配方设计 考虑到多因素变量 选定相应的变量及变量水平见表3 1 表 3 1 变量及水平表 表格略 不考虑因素之间的相互作用 并且因素的变化
10、水平都是三个 因此 采用 L9 34 正交试验表 可以安排三个系列实验元素 对三个系列试验的 具体安排如下表 3 2 表 3 2 丁腈橡胶 L9 34 表格略 3 2 2 防老化试验设计 考虑到油田井下的实际工况 存在油 水 氧 硫化氢等介质 选择了 几种防老剂进行并用 具体设计见表3 3 表 3 3 防护体系设计表 表格略 3 3 实验过程 3 3 1 混炼 针对丁腈胶的特点 选择合理的混炼工艺 以下内容略 3 3 2 硫化 正硫化点的确定利用硫化仪测定出各试验配方 计算正硫化时间 表 3 4 表 3 4 各配方正硫化时间表 表格略 3 3 3 物化性能测试 按照国家标准 压片测试 各配方的
11、强度 伸长率 硬度 老化系数等 主要性能指标测试结果见表3 5 表 3 5 硫化胶性能表 配方 拉伸强度 MPa 扯断伸长率 硬度 邵 A 老化系数 N410112 5260720 80 N410218 2270800 85 N410319 2280860 85 N410419 5280870 85 N410514 0270720 80 N410618 3250810 85 N410719 0260850 80 N410820 6270900 90 N410915 0260800 80 各防护体系耐热氧老化性能见表3 6 表 3 6 各防护体系耐热氧老化性能对比 表格略 耐水井介质性能对比见表
12、 3 7 表 3 7 各防护体系耐水井介质性能对比 表格略 3 4 结果分析 3 4 1 补强性能分析 按 L9 34 正交法对数据进行分析 计算各因素的水平数据和 并求出 最大偏差 R 表 3 8 列出了试验的结果 由表中数据可以看出 对拉伸强度的影响因素D A B C 最佳组合 为 A3B2C2D3 对扯断伸长率的影响 D C A B 最佳组合为 A1B2C2D3 对老化因素的影响 D B C A 最佳组合为 A1B2C2D3 以下内容略 表 3 8 丁腈橡胶试验结果 表格略 3 4 2 防老化性能分析 从表 3 6 3 7 中可以看出 防护体系的加入可以大大提高橡胶材料的 耐老化和耐水井
13、介质性能 平均提高一倍以上 在三种防护体系的对比中 MB BLE 硬脂酸防护体系 2 0 1 0 1 0 的橡胶材料性能最优 3 5 小结 1 适的配合体系可以使胶料的综合性能达到最佳 拉伸强度提高 5 7MPa 伸长率高出 50 老化系数提高 10 15 2 特殊补强剂甲基丙稀酸镁 MMg 的应用可以有效提高胶料的物 理机械性能 同等条件下 10 份甲基丙稀酸镁可以提高拉伸强度5 在 MPa 以上 提高伸长率 30 50 这一点 对大变形量的小直径胶筒是很重 要的 经过以上的配方试验 确定了最佳配方见表3 9 表 3 9 优化配方及性能表 表格略 4 结构形状优化 4 1 尺寸设计 1 51
14、 2 胶筒内 外径分别确定为 60mm 和 104mm 与封隔器钢 体配套 根据资料介绍 胶筒高度可以用下式近似计算 P Rt2 R12 2R1 I 2 RtfP0 1 4 1 Rt 套管内半径 mm R1 胶筒外半径 mm P 工作压差 MPa I 胶筒许用剪切应力 MPa f 胶筒与套管壁的摩擦系数 一般取0 3 P0 预压载荷 MPa 波松系数 一般取 0 475 以下内容略 2 4 胶筒内外径设计为 60mm 和 80mm 高度采用式 4 1 计算 以下内容略 4 2 端部形状设计 根据资料介绍和实际试验得到 胶筒在长时间的大压缩负荷和介质的物 理化学作用下 胶筒肩部应力集中 产生很大
15、的残余变形将导致胶筒破坏 桶形胶筒的变形与应力关系见图4 1 图略 图 4 1 桶形胶筒的变形与应力关系 根据这个原理 设计了新型胶筒端部形状如下图 并通过模拟试验发现 新的结构形状可以有效改善胶筒的抗破坏性能 耐压差性能平均提高 5Mpa 详见图 4 2 a 改变前形状 b 改变后形状 图 4 2 胶筒形状对比图 h 5 加工工艺研究 5 1 填料方式 采用手工填料和注压移模两种方式并改变硫化的压力进行试验 检验胶 筒的外观 断面性质 硫化胶密度 表5 1 中列出了对比的结果 表 5 1 填料方式对性能的影响 表格略 从表中可以看出 注压移模明显优于手工填料 而且随着硫化压力的增 加 胶料的
16、流动性增加 外观及致密度有明显改善 产品性能提高 综合考 虑选用注压移模方式进行填料 硫化压力定为15 MPa 20MPa 5 2 胶筒壁厚对硫化时间及温度的影响 橡胶的硫化温度和硫化时间是相互制约的 它们之间的关系可以用下式 表示 t1 t2 K T2 T1 10 5 1 t1 温度为 T1 时所需的硫化时间 t2 温度为 T2 时所需的硫化时间 K 硫化温度系数 一般取 K 2 从式 5 1 说明 硫化温度提高 10 硫化时间可缩短一倍 温度的提 高可以有效的提高生产效率 但橡胶的传导系数很低 传热速度很慢 对于 象胶筒的厚壁制品 内层的温度达到规定的硫化温度需要一定的时间 硫化 温度过高 就会导致内外层硫化不均 要么外层正硫化内层欠硫化 要么内 层正硫化外层过硫化 影响胶筒的性能 以下内容略 6 封隔器胶筒模拟试验 6 1 试验设备 1 模拟试验装置 模拟试验装置是胶筒室内试验的主要设备 由试压泵 套加热装置和控 温仪等组成 技术指标为 试验温度 室温 180 试验压差 0 120MPa 套管内径 86 mm 125mm 2 试验工具 胶筒试验工具主要由活塞 液缸 萝卜头 中心管
