舒麗娟(中國(guó)石油遼河油田公司遼興油氣開(kāi)發(fā)公司， 124010)

提高采油工具密封性能的研究

舒麗娟(中國(guó)石油遼河油田公司遼興油氣開(kāi)發(fā)公司， 124010)

封隔器膠筒是采油井下工具中最重要的密封件之一。對(duì)其密封性能的研究有著非常重要的意義。本文研究了封隔器膠筒的密封性能，著重分析了氫化丁腈橡膠膠筒配方中、過(guò)氧化物交聯(lián)體系對(duì)氫化丁腈膠筒性能的影響，測(cè)試了氫化丁腈膠筒的拉伸強(qiáng)度、定伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、硬度等力學(xué)性能，以及老化性能和靜態(tài)壓縮永久變形率。結(jié)果表明使用雙－2，5過(guò)氧化物交聯(lián)體系膠筒的拉伸強(qiáng)度和硬度均高，耐熱、耐老化性能較好，扯斷伸長(zhǎng)率和壓縮永久變形皆低。

封隔器膠筒；氫化丁腈；交聯(lián)體系；耐高溫性；壓縮永久變形

0 引言

封隔器是油田采油工藝中重要井下工具之一，它被廣泛的應(yīng)用于各種情況下的作業(yè)中。封隔器作用位于油管和套管之間。當(dāng)封隔器膠筒承受軸向載荷時(shí)，封隔器膠筒將產(chǎn)生徑向大變形，使膠筒與套管之間產(chǎn)生接觸壓力，藉此封隔環(huán)空，隔絕產(chǎn)層，以控制產(chǎn)、注液，保護(hù)套管。因此，研究膠筒的密封性能是提高采油井下工具的重要途徑，而對(duì)膠筒配方的研究便可以提高膠筒的密封性能。

近年來(lái)，遼河油田依靠常規(guī)開(kāi)采方式一般難以獲得較高的產(chǎn)能，必須進(jìn)行各種熱采方式進(jìn)行開(kāi)采，如：蒸汽吞吐和SAGD技術(shù)。由于開(kāi)采的溫度越來(lái)越高，對(duì)封隔器膠筒高溫性能的要求也越來(lái)越高。本研究的目的在于開(kāi)發(fā)研究出一種以通用氫化丁腈橡膠為原料，不但原有優(yōu)異的耐油性和耐化學(xué)性能得以發(fā)揮，而且具有良好的高溫性能和較低壓縮永久變形，提高其綜合性能。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在相同的增強(qiáng)體系、防老體系和增塑體系下，對(duì)HNBR改變交聯(lián)劑類型、用量以確定最佳的交聯(lián)體系：過(guò)氧化物交聯(lián)體系、樹(shù)脂交聯(lián)體系。

大量文獻(xiàn)證明：隨著交聯(lián)劑雙－2，5的用量增加，最大轉(zhuǎn)距趨于一致，從交聯(lián)密度確定交聯(lián)劑的用量的增加已經(jīng)對(duì)交聯(lián)密度的提高起不了多大作用。因此，雙-2，5 的用量確定在4份到5份之間。

由低硫高促進(jìn)劑配合的硫磺硫化體系，其最大轉(zhuǎn)距低于過(guò)氧化物交聯(lián)體系。這說(shuō)明硫磺硫化體系的交聯(lián)密度較低，也與硫磺硫化體系的交聯(lián)檢類型有關(guān)。由于單硫鍵、雙硫鍵和多硫鍵的鍵能低于碳-碳鍵，因此在抵抗拉力作用方面硫磺硫化體系遠(yuǎn)低于過(guò)氧化物交聯(lián)體系。

表1 不同交聯(lián)體系HNBR膠筒的性能對(duì)比

本組實(shí)驗(yàn)對(duì)于HNBR此種高飽和橡膠采用了三種交聯(lián)體系進(jìn)行對(duì)比：有機(jī)過(guò)氧化物交聯(lián)體系、酚醛樹(shù)脂交聯(lián)體系和低硫高促進(jìn)劑硫磺交聯(lián)體系。

HNBR三種交聯(lián)體系性能差異影響十分明顯：使用雙－2，5過(guò)氧化物交聯(lián)體系膠筒的拉伸強(qiáng)度和硬度均高，耐熱、耐老化性能較好，扯斷伸長(zhǎng)率和壓縮永久變形皆低。 而低硫高促進(jìn)劑體系由于單硫鍵、雙硫鍵和多硫鍵體系的特點(diǎn)，膠筒的壓縮永久變形較大，扯斷伸長(zhǎng)率較高，耐熱、耐老化性能較一般。使用溴化酚醛樹(shù)脂交聯(lián)體系的各項(xiàng)性能介于過(guò)氧化物交聯(lián)體系和硫磺硫化體系之間。

交聯(lián)鍵的類型及交聯(lián)密度是影響拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、定伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、恒壓縮永久變形等性能的因素。拉伸強(qiáng)度隨交聯(lián)密度的提高而出現(xiàn)峰值，交聯(lián)鍵類型中多硫鍵的拉伸強(qiáng)度最高。原因是膠筒網(wǎng)絡(luò)中的交聯(lián)鍵分布是不規(guī)則不均勻的，交聯(lián)點(diǎn)間的鏈段有長(zhǎng)有短，當(dāng)受外力作用而變形時(shí)，應(yīng)力分布不均勻，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。其中強(qiáng)鍵將在較低伸長(zhǎng)下斷裂，導(dǎo)致分子流動(dòng)，使應(yīng)力不均勻程度增加，最后整個(gè)網(wǎng)構(gòu)破壞。而弱鍵在較大應(yīng)力集中情況下，很快脫開(kāi)解除所受負(fù)荷，將應(yīng)力分配給鄰近的鏈段，使得變形的網(wǎng)構(gòu)作為一個(gè)整體均勻承受較大的應(yīng)力。拉伸結(jié)晶型橡膠：弱鍵早期破壞有利于分子主鏈的定向結(jié)晶。用硫磺硫化的橡膠撕裂強(qiáng)度最高，但是交聯(lián)密度不宜過(guò)高。定伸強(qiáng)度越高。交聯(lián)密度越高，定伸強(qiáng)度與交聯(lián)鍵類型的關(guān)系為：—C—C—〉—C—S—C—〉—C—Sx—C—。

3 結(jié)果與討論

經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，說(shuō)明氫化丁腈封隔器膠筒的配方采用雙-2，5的過(guò)氧化物交聯(lián)體系用量在5份至6份時(shí)的力學(xué)性能、老化性能和高溫性能都比較優(yōu)異。在實(shí)際應(yīng)用中可以在150℃的高溫下、21MPa的高壓下長(zhǎng)期使用壽命可達(dá)2年。

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舒麗娟(1982- ),女，遼寧盤(pán)錦人。工程師，2010年7月畢業(yè)于東北石油大學(xué),現(xiàn)從事油田開(kāi)發(fā)及油井增產(chǎn)等研究工作。