新型復(fù)合材料測井鉆桿的研制

劉俊寧

(山東醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校化學(xué)教研室，山東 濟(jì)南 250002)

0 引言

測井鉆桿是油井參數(shù)測試的專用設(shè)備，主要測試油層的溫度、壓力等，此前的測井鉆桿主要結(jié)構(gòu)見示意圖如圖1所示。鉆桿中心為45#鋼芯，外層為橡膠保護(hù)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(zhǔn)確，鋼芯與保護(hù)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(dāng)，當(dāng)水汽越過O型圈后，整個(gè)鋼芯變?yōu)閷?dǎo)體，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(shù)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(jié)構(gòu)示意圖

此前的測井鉆桿保護(hù)層用的是橡膠材料，橡膠保護(hù)層的作用是將油井環(huán)境與壓力/溫度傳感器隔離開來，達(dá)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(hù)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(zhì)容易造成橡膠老化現(xiàn)象，嚴(yán)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(fù)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(yīng)用，發(fā)現(xiàn)鉆桿在使用一段時(shí)間后，部分鉆桿仍有滲漏現(xiàn)象，隨著產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，對滲漏現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并以此對鉆桿進(jìn)行改進(jìn)勢在必行。筆者經(jīng)過多次研制和改進(jìn)，將測井鉆桿結(jié)構(gòu)調(diào)整如圖2所示。

圖2 新型鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要設(shè)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(dá)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(fù)合材料有限公司；

聚酯透氣氈：δ0.2 mm，北京依諾瓦復(fù)合材料有限公司；

撕離布：北京依諾瓦復(fù)合材料有限公司；

尼龍導(dǎo)流網(wǎng)：北京依諾瓦復(fù)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(shè)備與儀器

噴砂設(shè)備：1010型上海昆航機(jī)械科技有限公司；

熱壓罐：JN50型，宜興康成制藥環(huán)保設(shè)備廠；

真空設(shè)備：ZGP-70A，浙江真空設(shè)備有限公司；

材料試驗(yàn)機(jī)：WDS-01，濟(jì)南試金試驗(yàn)機(jī)廠；

烘箱：DHG905，吳江市宏光烘箱電爐制造廠；

樹脂釜：自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(shè)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(yù)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?jǐn)嚢瑁敝寥芤鹤兂傻S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(fù)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(yù)浸料，預(yù)浸料樹脂含量為48%～52%，自然晾干。(注：批量生產(chǎn)可以委托預(yù)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(yù)浸料，保證預(yù)浸料的高度高出O型圈4～5 mm左右，在預(yù)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(jìn)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(shè)備將復(fù)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(fù)合材料處是否有氣泡泄漏，保持時(shí)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(dǎo)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?jǐn)嚢杈鶆颍匀涣乐玫绞覝兀粯渲浞饺绫?所示。

表2 部件Ⅱ復(fù)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(dāng)樹脂注滿后，即可進(jìn)行固化；固化工藝為100 ℃/2 h+180 ℃/3 h，自然降到80 ℃以下，脫掉復(fù)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(qiáng)度按GB/T 1448—2005測試，測試速率5 mm/min；彎曲強(qiáng)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(zhuǎn)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(jié)果

(1)部件Ⅰ復(fù)合材料測試結(jié)果如表3所示。

表3 部件Ⅰ復(fù)合材料主要性能

(2)部件Ⅱ復(fù)合材料主要性能如表4所示。

表4 部件Ⅱ復(fù)合材料主要性能

2 結(jié)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(fù)合材料層、鋼芯完好無損，沒有滲漏現(xiàn)象，而兩者界面有細(xì)微的細(xì)縫，鋼芯表面有銹蝕現(xiàn)象，說明滲漏是界面破壞所致。進(jìn)一步分析，界面破壞的主要原因有三個(gè)：(1)界面的樹脂層對鋼材粘接強(qiáng)度偏低；(2)鋼芯/復(fù)合材料界面粘接面積偏低[3]；(3)復(fù)合材料與鋼材的膨脹系數(shù)差距較大，長期受熱造成應(yīng)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(jìn)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(qiáng)度更高、韌性更強(qiáng)的膠膜材料，保證由于膨脹時(shí)有足夠伸縮量；(3)由于復(fù)合材料與鋼材的膨脹系數(shù)差距較大，通過技術(shù)改進(jìn)，將二者的膨脹系數(shù)調(diào)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(jié)構(gòu)改造，使之為我所用，為此我們改進(jìn)測井鉆桿的結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，其原理為：通過調(diào)整復(fù)合材料的膨脹系數(shù)，使之大于鋼材，當(dāng)材料受熱后，復(fù)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(fù)合材料膨脹壓力，該處的復(fù)合材料樹脂基體和增強(qiáng)材料應(yīng)盡量選用膨脹系數(shù)大一點(diǎn)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(gè)方面：(1)膠膜與45＃鋼，粘接強(qiáng)度較大，不易脫膠；其主要粘接強(qiáng)度為35 MPa；(2)為了在井下作業(yè)時(shí)，能夠?qū)⒃撎幍腛型圈壓緊，該處復(fù)合材料的膨脹系數(shù)宜較大，使用芳綸纖維作為增強(qiáng)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(dǎo)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(fù)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(jìn)行改性，使之膨脹系數(shù)增加。通過實(shí)驗(yàn)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(guān)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(qiáng)材料對應(yīng)的復(fù)合材料膨脹系數(shù)對比

圖4 CTBN含量與膨脹系數(shù)關(guān)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(zhì)要求：(1)具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，Tg不小于200 ℃(即不低于實(shí)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(chǎn)；(4)價(jià)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(chǎn)品孔隙率很低[8]，非常適合測井鉆桿的工藝要求，其關(guān)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(gè)成型過程中黏度應(yīng)該在500～1000 mPa·S[9]；(3)鉆桿在實(shí)際成型過程，所需時(shí)間約4 h，這樣樹脂使用時(shí)間宜在6 h，即6 h內(nèi)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(tuán)、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(jìn)行改性和黏度調(diào)節(jié)，2-乙基-4-甲基咪唑?yàn)榇龠M(jìn)劑，通過對比F-51環(huán)氧樹脂含量與黏度的對應(yīng)關(guān)系(如圖5所示)，以及黏度與使用時(shí)間的關(guān)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(guān)系圖

圖6 樹脂時(shí)間-黏度曲線（35 ℃）

3 測井鉆桿實(shí)際應(yīng)用情況

應(yīng)用上述方式制造了6根測井鉆桿，首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(fù)5次，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，實(shí)驗(yàn)前后電阻沒有發(fā)生變化，均不小于250 MΩ，通過了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)要求。此后將這6根鉆桿在油井中進(jìn)行作業(yè)，周期為18個(gè)月，在此期間沒有發(fā)生鉆桿漏電現(xiàn)象，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室、油井實(shí)驗(yàn)，鉆桿完全滿足了技術(shù)要求。

4 結(jié)語

分析了老式測井鉆桿漏水原因主要是復(fù)合材料與鋼芯粘接強(qiáng)度偏低，以及復(fù)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(fù)合材料層分為部件Ⅰ和部件Ⅱ，其中部件Ⅰ的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)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(dá)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(shí)際應(yīng)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。