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        新型復合材料測井鉆桿的研制

        2022-01-17 07:44:46劉俊寧
        化工管理 2022年1期
        關鍵詞:復合材料

        劉俊寧

        (山東醫(yī)學高等??茖W校化學教研室,山東 濟南 250002)

        0 引言

        測井鉆桿是油井參數(shù)測試的專用設備,主要測試油層的溫度、壓力等,此前的測井鉆桿主要結構見示意圖如圖1所示。鉆桿中心為45#鋼芯,外層為橡膠保護層,在鋼芯與橡膠層之間鋪置壓力/溫度傳感器,其中,為了測試準確,鋼芯與保護層之間的界面必須密封,不能發(fā)生滲漏現(xiàn)象,若密封不當,當水汽越過O型圈后,整個鋼芯變?yōu)閷w,測試將失效,檢測失效的方法是用歐姆表測試鋼芯兩端是否有漏電現(xiàn)象,通常要求兩端的電阻值不小于250 MΩ。測井鉆桿的主要技術要求為:(1)測井深度3000 m;(2)油井溫度170 ℃、水壓170 MPa情況下,保持4 h,界面完好,不發(fā)生滲漏現(xiàn)象。

        圖1 傳統(tǒng)測井鉆桿結構示意圖

        此前的測井鉆桿保護層用的是橡膠材料,橡膠保護層的作用是將油井環(huán)境與壓力/溫度傳感器隔離開來,達到測試的目的,油井的壓力可以將橡膠緊緊壓緊在鋼芯上,從而使水/水汽很難滲漏到保護層和鋼芯的界面中,但是油井中水、油、硫化氫等,以及地面的陽光、沙粒等物質容易造成橡膠老化現(xiàn)象,嚴重影響測井鉆桿的壽命。筆者在2010年,用改性雙馬樹脂/E玻璃纖維復合材料替代橡膠材料,取得較好的效果[1]。但是經(jīng)過多年的應用,發(fā)現(xiàn)鉆桿在使用一段時間后,部分鉆桿仍有滲漏現(xiàn)象,隨著產品質量要求的提高,對滲漏現(xiàn)象產生的原因進行分析,并以此對鉆桿進行改進勢在必行。筆者經(jīng)過多次研制和改進,將測井鉆桿結構調整如圖2所示。

        圖2 新型鉆桿結構示意圖

        1 實驗部分

        1.1 主要設備、材料與試劑

        1.1.1 主要原材料、試劑

        環(huán)氧膠膜:黑龍江石油化工研究院;

        F-51酚醛環(huán)氧樹脂(F-51EP):無錫樹脂廠;

        雙氰胺:上海昊化化工有限公司;

        2-乙基-4-甲基咪唑:湖北東康源醫(yī)藥科技有限公司;

        端羧基聚丁二烯丙烯氰(CTBN):深圳佳迪達化工有限公司;

        1,4-芳綸纖維布(面密度100 g):煙臺氨綸有限公司;

        TDE-85環(huán)氧樹脂:天津津東化工廠;

        F-51酚醛環(huán)氧樹脂(F-51EP):無錫樹脂廠;

        亞甲基橋納迪克酸酐(MNA酸酐):湖北珍正峰新材料有限公司;

        無堿玻璃布:EW200,泰安玻璃纖維廠;

        聚酰胺真空袋膜:δ0.1 mm,北京依諾瓦復合材料有限公司;

        聚酯透氣氈:δ0.2 mm,北京依諾瓦復合材料有限公司;

        撕離布:北京依諾瓦復合材料有限公司;

        尼龍導流網(wǎng):北京依諾瓦復合材料有限公司;

        95#汽油:市售;

        工業(yè)丙酮:市售;

        真空管:市售。

        1.1.2 設備與儀器

        噴砂設備:1010型上海昆航機械科技有限公司;

        熱壓罐:JN50型,宜興康成制藥環(huán)保設備廠;

        真空設備:ZGP-70A,浙江真空設備有限公司;

        材料試驗機:WDS-01,濟南試金試驗機廠;

        烘箱:DHG905,吳江市宏光烘箱電爐制造廠;

        樹脂釜:自制。

        1.2 實驗步驟

        1.2.1 部件Ⅰ制備

        (1)鋼芯處理。由于鋼芯在加工過程中會存在油污,所以首先用汽油將鋼芯表面擦拭干凈,去除表面的油污,用噴砂設備將鋼芯粘接面打毛,使其表面沒有金屬光澤,然后用丙酮擦洗干凈[2]。

        (2)預浸料制備。將F-51環(huán)氧樹脂在油浴中加熱到110 ℃,使其完全熔融,加入丙酮,攪拌均勻,然后分別加入CTBN、雙氰胺固化劑、2-乙基-4-甲基咪唑,充分攪拌,直至溶液變成淡黃色均勻溶液,降溫到40 ℃以下。其中,材料配方如表1所示。

        表1 部件Ⅰ復合材料用樹脂配方

        將樹脂溶液均勻涂刷在芳綸布上,制成預浸料,預浸料樹脂含量為48%~52%,自然晾干。(注:批量生產可以委托預浸料專業(yè)廠家)。

        (3)部件Ⅰ成型。首先在鋼芯部件Ⅰ部位鋪置3層膠膜,然后再鋪置數(shù)層芳綸纖維預浸料,保證預浸料的高度高出O型圈4~5 mm左右,在預浸料上面分別鋪置撕離布、透氣氈、真空袋等。

        將鋼芯置于熱壓罐中,接上真空系統(tǒng),進行固化處理。固化工藝為:真空度-0.096 MPa,空氣壓為0.6 MPa以上,固化溫度為90 ℃/2 h+150 ℃/3 h,自然降到80 ℃以下,即可將真空袋、撕離布、透氣氈等去掉。

        用噴砂設備將復合材料表面噴砂處理。將鋼芯兩端用堵頭堵住,通上空壓氣體,保持空氣壓為0.8 MPa,將鋼芯置于水中,檢查復合材料處是否有氣泡泄漏,保持時間1 h。

        1.2.2 部件Ⅱ制備

        (1)玻璃纖維鋪層。將玻璃纖維布鋪置在已經(jīng)成型部件Ⅰ的鋼芯上,鋪層厚度5 mm左右為宜,要求鋪層松緊適中,避免注膠后出現(xiàn)皺褶現(xiàn)象;在玻璃纖維布外面分別鋪置撕離布、導流網(wǎng)、真空袋膜。

        (2)樹脂制備。先將F-51環(huán)氧樹脂加入到TDE-85環(huán)氧樹脂中,加熱到80 ℃左右,再分別加入MNA酸酐、2-乙基-4-甲基咪唑,充分攪拌均勻,自然晾置到室溫;樹脂配方如表2所示。

        表2 部件Ⅱ復合材料用樹脂配方

        (3)部件Ⅱ成型。將樹脂倒入樹脂釜中,接上真空,排除樹脂中的空氣;然后將樹脂管接到樹脂釜和真空袋膜上,部件Ⅱ成型示意圖如圖3所示。真空袋接上真空,樹脂自動流入真空袋中,由于樹脂流動過程中有阻力,可以給樹脂釜增加一定的空氣壓,空氣壓壓力不宜大于0.05 MPa,當樹脂注滿后,即可進行固化;固化工藝為100 ℃/2 h+180 ℃/3 h,自然降到80 ℃以下,脫掉復合材料外面的輔助材料。

        圖3 部件Ⅱ成型示意圖

        1.3 性能測試

        1.3.1 測試方法

        壓縮強度按GB/T 1448—2005測試,測試速率5 mm/min;彎曲強度按GB/T 14209—2005測試,測試速率10 mm/min;膨脹系數(shù)按GB 10562—89測試;玻璃化轉變溫度DMA法,升溫速率2 ℃/min;樹脂含量按GG/T 2577—2016測試;孔隙率按GB 3365—2008測試。

        1.3.2 測試結果

        (1)部件Ⅰ復合材料測試結果如表3所示。

        表3 部件Ⅰ復合材料主要性能

        (2)部件Ⅱ復合材料主要性能如表4所示。

        表4 部件Ⅱ復合材料主要性能

        2 結果與討論

        2.1 原測井鉆桿存在的缺陷

        將已經(jīng)漏電的測井鉆桿鋸開,發(fā)現(xiàn)復合材料層、鋼芯完好無損,沒有滲漏現(xiàn)象,而兩者界面有細微的細縫,鋼芯表面有銹蝕現(xiàn)象,說明滲漏是界面破壞所致。進一步分析,界面破壞的主要原因有三個:(1)界面的樹脂層對鋼材粘接強度偏低;(2)鋼芯/復合材料界面粘接面積偏低[3];(3)復合材料與鋼材的膨脹系數(shù)差距較大,長期受熱造成應力疲勞破壞[4]。

        2.2 解決措施

        針對2.1所述原因的分析,其解決方案如下:

        (1)鋼芯表面進行噴砂處理,增加粘接表面積[5];(2)界面的粘接材料改為粘接強度更高、韌性更強的膠膜材料,保證由于膨脹時有足夠伸縮量;(3)由于復合材料與鋼材的膨脹系數(shù)差距較大,通過技術改進,將二者的膨脹系數(shù)調整到接近,存在很大難度。如果將較大的膨脹系數(shù)差距通過結構改造,使之為我所用,為此我們改進測井鉆桿的結構(如圖2所示),其原理為:通過調整復合材料的膨脹系數(shù),使之大于鋼材,當材料受熱后,復合材料膨脹尺度更大,這樣可以將O型圈壓得更緊,徹底杜絕滲漏。為了保證復合材料膨脹壓力,該處的復合材料樹脂基體和增強材料應盡量選用膨脹系數(shù)大一點的樹脂。

        2.3 部件Ⅰ

        選擇部件Ⅰ材料體系主要考慮以下二個方面:(1)膠膜與45#鋼,粘接強度較大,不易脫膠;其主要粘接強度為35 MPa;(2)為了在井下作業(yè)時,能夠將該處的O型圈壓緊,該處復合材料的膨脹系數(shù)宜較大,使用芳綸纖維作為增強材料較之于玻璃纖維、玄武巖纖維等膨脹系數(shù)更大(注:由于碳纖維是導體,該處不能使用碳纖維),三者之間的膨脹系數(shù)對比如表5所示。盡管芳綸纖維復合材料的膨脹系數(shù)較大,但是與鉆桿用鋼材相比,仍有一定差距,起不到壓緊作用,所以必須對樹脂進行改性,使之膨脹系數(shù)增加。通過實驗發(fā)現(xiàn)在樹脂中加入CTBN可以增加材料的膨脹系數(shù),其膨脹系數(shù)與CTBN含量存在一定關系,詳見圖4所示。 綜合考慮,將CTBN含量確定為10%左右,芳綸纖維含量為50%左右;按照1.2的工藝方法制造測試試樣。

        表5 三種增強材料對應的復合材料膨脹系數(shù)對比

        圖4 CTBN含量與膨脹系數(shù)關系圖

        2.4 部件Ⅱ

        部件Ⅱ與油井直接接觸,由于使用環(huán)境較為惡劣,部件Ⅱ的材質要求:(1)具有較高的玻璃化轉變溫度,Tg不小于200 ℃(即不低于實際溫度30 ℃);(2)較低的孔隙率,不大于0.5%;(3)工藝簡單,適合小批量生產;(4)價格較低;由于這些要求,綜合考慮,決定采用真空輔助RTM工藝(vacuum assisted resin transfer mouding)[7],VARTM工藝效率較高,產品孔隙率很低[8],非常適合測井鉆桿的工藝要求,其關鍵是選用合適的樹脂體系,該樹脂體系既要滿足鉆桿的具體使用環(huán)境要求,也要滿足工藝成型要求,具體要求如下:(1)滿足耐熱性要求,使用溫度不小于200 ℃;(2)樹脂黏度滿足VARTM工藝要求,即在整個成型過程中黏度應該在500~1000 mPa·S[9];(3)鉆桿在實際成型過程,所需時間約4 h,這樣樹脂使用時間宜在6 h,即6 h內樹脂黏度不大于1000 mPa·S[6];綜合這些要求,我們選擇多官能團、低黏度的TDE-85環(huán)氧樹脂,固化劑選擇了低黏度MNA酸酐,用F-51環(huán)氧樹脂進行改性和黏度調節(jié),2-乙基-4-甲基咪唑為促進劑,通過對比F-51環(huán)氧樹脂含量與黏度的對應關系(如圖5所示),以及黏度與使用時間的關系(如圖6所示),最終選擇表2配方[10]。

        圖5 F-51含量與黏度關系圖

        圖6 樹脂時間-黏度曲線(35 ℃)

        3 測井鉆桿實際應用情況

        應用上述方式制造了6根測井鉆桿,首先在實驗室進行綜合測試,測試方式為水溫170 ℃、水壓170 MPa,保持4 h,然后測試鉆桿兩端的電阻變化,將以上測試方式反復5次,從實驗結果來看,實驗前后電阻沒有發(fā)生變化,均不小于250 MΩ,通過了實驗室實驗要求。此后將這6根鉆桿在油井中進行作業(yè),周期為18個月,在此期間沒有發(fā)生鉆桿漏電現(xiàn)象,經(jīng)過實驗室、油井實驗,鉆桿完全滿足了技術要求。

        4 結語

        分析了老式測井鉆桿漏水原因主要是復合材料與鋼芯粘接強度偏低,以及復合材料與鋼材的膨脹系數(shù)差距較大而引起的疲勞破壞所致,將鉆桿的復合材料層分為部件Ⅰ和部件Ⅱ,其中部件Ⅰ的結構形式設計為圖2所示形式,其材料選擇膨脹系數(shù)較大的材料體系,利用材料膨脹原理,將O型圈壓緊,從而達到密封的目的。部件Ⅱ使用TDE-85環(huán)氧、F-51環(huán)氧樹脂、MNA酸酐材料體系,采用RTM工藝成型。通過上述材料和工藝方法制得的測井鉆桿,經(jīng)過數(shù)年的實際應用,沒有發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象,徹底解決了測井鉆桿漏水問題,很好滿足了測井的要求。

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