提高采油工具密封性能的研究

舒麗娟(中國石油遼河油田公司遼興油氣開發(fā)公司， 124010)

提高采油工具密封性能的研究

舒麗娟(中國石油遼河油田公司遼興油氣開發(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、過氧化物交聯(lián)體系對氫化丁腈膠筒性能的影響，測試了氫化丁腈膠筒的拉伸強度、定伸強度、斷裂伸長率、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過氧化物交聯(lián)體系膠筒的拉伸強度和硬度均高，耐熱、耐老化性能較好，扯斷伸長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，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，而對膠筒配方的研究便可以提高膠筒的密封性能。

近年來，遼河油田依靠常規(guī)開采方式一般難以獲得較高的產(chǎn)能，必須進行各種熱采方式進行開采，如：蒸汽吞吐和SAGD技術(shù)。由于開采的溫度越來越高，對封隔器膠筒高溫性能的要求也越來越高。本研究的目的在于開發(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 實驗數(shù)據(jù)分析

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

大量文獻證明：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。

由低硫高促進劑配合的硫磺硫化體系，其最大轉(zhuǎn)距低于過氧化物交聯(lián)體系。這說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)低于過氧化物交聯(lián)體系。

表1 不同交聯(lián)體系HNBR膠筒的性能對比

本組實驗對于HNBR此種高飽和橡膠采用了三種交聯(lián)體系進行對比：有機過氧化物交聯(lián)體系、酚醛樹脂交聯(lián)體系和低硫高促進劑硫磺交聯(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過氧化物交聯(lián)體系膠筒的拉伸強度和硬度均高，耐熱、耐老化性能較好，扯斷伸長率和壓縮永久變形皆低。 而低硫高促進劑體系由于單硫鍵、雙硫鍵和多硫鍵體系的特點，膠筒的壓縮永久變形較大，扯斷伸長率較高，耐熱、耐老化性能較一般。使用溴化酚醛樹脂交聯(lián)體系的各項性能介于過氧化物交聯(lián)體系和硫磺硫化體系之間。

交聯(lián)鍵的類型及交聯(lián)密度是影響拉伸強度、撕裂強度、定伸強度、斷裂伸長率、恒壓縮永久變形等性能的因素。拉伸強度隨交聯(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)點間的鏈段有長有短，當(dāng)受外力作用而變形時，應(yīng)力分布不均勻，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。其中強鍵將在較低伸長下斷裂，導(dǎo)致分子流動，使應(yīng)力不均勻程度增加，最后整個網(wǎng)構(gòu)破壞。而弱鍵在較大應(yīng)力集中情況下，很快脫開解除所受負(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度最高，但是交聯(lián)密度不宜過高。定伸強度越高。交聯(lián)密度越高，定伸強度與交聯(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)過上述實驗數(shù)據(jù)的分析，說明氫化丁腈封隔器膠筒的配方采用雙-2，5的過氧化物交聯(lián)體系用量在5份至6份時的力學(xué)性能、老化性能和高溫性能都比較優(yōu)異。在實際應(yīng)用中可以在150℃的高溫下、21MPa的高壓下長期使用壽命可達2年。

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