防噴器用聚氨酯彈性體磨損機理的研究*

任永良 張紹林 賈光政 張建菲 張懷鈺

(1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.大慶油田有限責任公司第一采油廠作業大隊)

油田修井作業中，傳統的方法是用比重高的壓井液循環壓井不讓井底油氣噴出，然后起下井內的抽油桿及油管等裝置；或者直接進行放噴作業，人工控制井底油氣噴出，從而降低井底壓強。而不壓井作業指的是在井底不放噴、不進行壓井作業的情況下，通過帶壓作業井口防噴裝置進行帶壓修井作業[1]。對于油氣井來說，不壓井作業可以保護和維持地層的原始產能，減少酸化及壓裂等增產措施的次數，為油氣田的長期開發和穩定生產提供良好的基礎；對水井而言，可以縮短施工周期，防止環境污染并極大地節省作業費用。因此，全球各油田都在大力推廣帶壓修井作業[2]。

帶壓作業防噴器在油田修井作業中起關閉井口和防止井噴事故發生的作用，對保障油田的正常生產和人員安全具有重要意義。帶壓作業防噴器的核心部件是防噴器膠芯，其力學性質和表面磨損性質決定了防噴器密封性能和帶壓作業成功與否[3]。研究表明，在高壓下(一般大于35MPa)，聚氨酯彈性體的力學性能遠高于常用的膠芯材料丁腈橡膠(Nitrile Butadiene Rubber,NBR)和氫化丁腈橡膠(HNBR)[2]，且具有溫度適應廣和耐水解、老化的優點。因此，在高壓下可用聚氨酯彈性體來代替NBR和HNBR作為防噴器的膠芯材料。因此，研究聚氨酯彈性體在高壓下的表面磨損性能對其在帶壓作業密封中的廣泛應用具有重要的理論意義和實際價值。

1 防噴器用聚氨酯彈性體的現場應用實驗

張嗣偉針對橡膠類彈性體的特點，依據Burwell J T的磨損分類方法[4]，在實驗室條件下對橡膠的各種磨損進行了較為詳細的研究[5]。研究表明，橡膠類彈性體的磨損在不同的工作環境下，遵循不同的磨損規律，呈現出不同的磨損特性。

帶壓作業防噴器密封膠芯工作在密閉高壓、有腐蝕性介質、開關型可控密封的環境中，其密封工況遠比實驗室工況復雜。一方面，膠芯要承受背部液控壓力對其施加的抱緊管柱的擠壓力和下部密封介質的工作壓力；另一方面，要承受管柱對膠芯環形密封面的動摩擦力。因此，膠芯的性能不僅取決于材料本身的強度、韌性及彈性恢復力等綜合機械性能，還取決于密封接觸表面的抗磨損性能，而表面磨損還與工作環境有關，因此，研究聚氨酯彈性體在帶壓作業下的磨損機理，對研究聚氨酯彈性體膠芯的密封失效分析具有重要意義。為此，需要將聚氨酯彈性體膠芯應用于實際帶壓作業生產中，通過對其表面磨損情況的分析來研究其磨損機理。

以聚氨酯彈性體為基材設計新型閘板防噴器膠芯，為充分測試聚氨酯彈性體的表面磨損性質，讓整個圓弧面和前端面為一個整體，圓弧面與管柱接觸部分不另加支撐材料，上部墊鐵與聚氨酯彈性體硫化成為一體，圖1所示為裝配前聚氨酯彈性體膠芯。

圖1 聚氨酯彈性體膠芯

以大慶葡萄花油田一注水管柱為作業對象，作業管柱直徑73mm，密封地層壓強35MPa，密封介質為含油污水，作業井為高壓注水井，修井深度約980m。實驗以研究膠芯密封面處的磨損為目的，為了讓油管接箍順利通過閘板防噴器并避免碰撞膠芯，在帶壓作業井口安裝了油管扶正裝置和接箍探測裝置，用上下兩副閘板防噴器交替啟閉以通過接箍。當向上提起油管時，下接箍探測器首先探測到接箍，上閘板防噴器關閉，下閘板防噴器開啟以通過接箍；上接箍探測器探測到接箍時，下閘板防噴器關閉，上閘板防噴器開啟，從而使油管接箍順利通過閘板膠芯，以避免損傷膠芯密封面。為便于在高壓下閘板防噴器的順利啟閉，還配置了壓力平衡裝置，以保證啟閉時閘板防噴器的上下面壓力近似相等，防止閘板和膠芯受到閘板殼體內部的擠壓和磨損。實驗以帶壓連續作業的一個周期為限。

2 聚氨酯膠芯密封副的磨損機理分析

現場實驗結束后，取上下閘板防噴器膠芯，其密封表面如圖2所示。可以看出，膠芯表面產生了很多條縱向磨損條紋，宏觀上看屬于較為典型的磨粒磨損。在正常帶壓工作的情況下，由于閘板防噴器結構緊湊，大砂礫等不易進到密封副內部，因此不會形成較大的磨粒傷害。同時，由于存在由原油及含油污水等構成的潤滑膜，密封副之間也不可能存在粘著磨損和摩擦磨損[5,6]。為進一步研究密封副表面形成縱向磨痕的原因，在實驗室條件下，選用S-3000N/H掃描電子顯微鏡對膠芯試件進行了電鏡分析。

圖2 閘板防噴器膠芯密封表面

圖3所示是聚氨酯密封磨損面在放大500倍下的電鏡照片，可以看出，聚氨酯表面的磨損以磨粒磨損為主，沿著密封副相對運動方向有典型的磨粒磨損痕跡。但其磨損面有較為明顯的層狀脫落現象，層內以材料的斷裂進而呈碎片脫落為主，層間以片狀脫落為主。結果表明，在細微的砂礫及油管表面金屬凸起等硬質磨粒的多次作用下，聚氨酯密封表面產生周期性的表層撕裂和由應力拉伸而形成的舌狀物，從而使其表面材料以分層成碎片剝落的方式被磨損。

圖3 聚氨酯磨損表面電鏡照片(×500)

圖4所示是聚氨酯磨損表面放大1 000倍的情況，可以看出，聚氨酯材料的磨屑主要以脆性斷裂而形成的片狀、卷曲條狀和碎末狀為主，表明磨粒的大小、形狀和切削方式對產物的影響是不同的。偶面堅硬凸起如果沿著油管呈軸向連線分布，則磨損更容易以表層撕裂進而形成層狀脫落為主；若磨粒為單個凸起，則聚氨酯表面主要為犁溝形式，磨屑開始為舌狀并在密封接觸面間呈卷曲條狀產物；碎屑產物則是由大量的微凸起磨粒造成的。上述現象與文獻[7]所觀察的結果一致。

圖4 聚氨酯磨損表面電鏡照片(×1000)

3 結束語

聚氨酯密封材料在帶壓作業下的表面磨損實驗表明，其磨損機理主要以磨粒磨損為主，磨屑以層狀剝落和層內撕裂的方式產生，磨屑形狀以片狀、卷曲條狀和微小碎屑為主。其磨損表面與天然橡膠材料的磨損差別較大，更接近橡膠-塑料共混增塑材料的磨損表面。

[1] 賈光政,王金友,付海龍,等.帶壓作業可控柔性密封研究[J].潤滑與密封,2008,33(6):85～87.

[2] 任永良.油田水系統模型結構參數反演方法研究[D].大慶:東北石油大學,2003.

[3] 任永良,賈光政,邊城,等.閘板防噴器可控柔性密封性能分析[J].潤滑與密封,2012,37(6):82～86.

[4] Burwell J T.Survey of Possible Wear Mechanisms[J]. Wear,1957,1(2):119～141.

[5] 張嗣偉.橡膠磨損原理[M].北京:石油工業出版社, 1998.

[6] Arvanitaki A,Briscoe B J,Adams M J,et al.The Friction and Lubrication of Elastomers[J].Tribology Series,1995,30:503～511.

[7] 路永明.聚氨酯橡膠的固定磨粒濕磨損機理的試驗研究[J].石油大學學報(自然科學版),1990,14(1):31～35.