高性能封隔器胶筒研制.doc

高性能封隔器胶筒研制摘要：根据胶筒的使用环境及特点，针对目前市场上小直径特殊胶筒普遍存在耐压差低、寿命短的缺点，开展了小直径封隔器胶筒的胶料配合和结构形状研究结果显示：与炭黑/NBR体系相比，在过氧化物硫化体系下，甲基丙稀酸镁可以有效补强丁腈橡胶，MMg/NBR硫化胶的邵A硬度、拉伸强度、扯断伸长率和100%定伸强度均较高；新设计的胶筒结构简单合理、易卸模、成品率高，并通过模拟试验发现，新的结构形状可以有效改善胶筒的抗破坏性能，耐压差性能平均提高5MPa研制出的小直径特殊胶筒性能指标达到了耐温120℃、耐压差25MPa，能满足油田大部分套变井的要求关键词：封隔器胶筒； 过氧化物； 甲基丙稀酸镁； 结构； 模拟试验目 录前言 11 封隔器胶筒工况分析 21.1 简介 21.2 工况分析 21.3 胶筒性能的影响因素 22 研究方案设计 42.1 技术路线 42.2 技术方案 43 配方实验 53.1 实验准备 53.1.1 原材料选择 53.1.2 仪器设备 53.2 实验方案 53.2.1 补强性能采用正交设计法进行配方设计 53.2.2 防老化试验设计 53.3 实验过程 63.3.1 混炼 63.3.2 硫化 63.3.3 物化性能测试 63.4 结果分析 73.4.1 补强性能分析 73.4.2 防老化性能分析 73.5 小结 74 结构形状优化 84.1 尺寸设计 84.2 端部形状设计 85 加工工艺研究 95.1 填料方式 95.2 胶筒壁厚对硫化时间及温度的影响 96 封隔器胶筒模拟试验 106.1 试验设备 106.2 试验记录 106.3 试验结果分析 106.3.1 结构形状对胶筒性能的影响 106.3.2 初始密封的座封力测定 116.3.3 座封载荷和密封压差的关系 11结论 12参考文献 13致谢 14前言近年来，中原油田的开发已进入高含水阶段，井况恶化现象严重，各种新的配套工艺措施不断出现，所需井下工具的结构类型也越来越多。

根据统计，到2003年底中原油田有各类套管损坏井1121口，约占总油水井数的24%，其中，存在套管缩径变形问题的有720口，其变形段的内径仅有Φ108mm或者更少常规的51/2〞井下工具的外径一般在Φ113mm～Φ115mm，不能配合这部分措施井施工，导致部分油水井停产，给油田带来了巨大损失故急需研制小直径封隔器来满足现场施工需求，使这部分油水井恢复生产另外随着4〞套管技术在部分变形井中的应用，也需要小直径封隔器来配合现场施工两种封隔器都必须配有高性能的特殊胶筒来保证其密封性能和措施有效期 1 封隔器胶筒工况分析1.1 简介封隔器胶筒一般由弹性体复合材料制备而成，可分为强制型、自封型和复合型等，强制型中的压缩式封隔器胶筒是用的最为普遍的一种，本课题研究的就是此类作为封隔器的关键的弹性体密封部件其位于油管和套管之间，座封时承受轴向载荷产生径向大变形，胶筒外壁与套管壁产生接触压力，封隔环空实现分层注水、酸化、压裂等工艺措施其质量的好坏直接影响到井下工具性能的高低，影响到增产措施的成败据保守估计，国内油田年消耗量约在10万套以上1.2 工况分析封隔器胶筒的使用工况是非常复杂和苛刻的：高压、高温、处于油介质中、同时还受到硫化氢、蒸汽、酸等的侵蚀。

在这样的环境中，弹性体复合材料将会发生油溶胀、老化、过度交联等现象，导致材料的硬度上升、强度下降、弹性下降、抗裂口增长能力也明显降低因此容易在单次使用时就产生早期破坏，导致密封失败同时，封隔器胶筒的“爆炸式解压破坏”模式是客观存在的，它将容易发生在胶筒的重复使用情况下以下内容略）1.3 胶筒性能的影响因素在胶筒的使用工况下，各种橡胶的拉伸结晶特性事实上已经消失（即已经超过了橡胶的拉伸结晶熔点），常温下表现的高强度特性完全不复存在，实验表明：室温下炭黑填充补强的NBR的常温强度25MPa以上，但在150℃下，却不足4MPa（见图1.1）即使是抗热氧老化特性非常好的氢化丁腈橡胶和氟橡胶，高温下的强度也大概是常温强度的25%以下（见表1.1）如此低的强度无法满足高压密封需要，更不能抵制“爆炸式解压破坏”模式导致胶筒肩部出现裂纹、裂纹扩展、最后破裂失效表1.2显示了常规薄壁胶筒在不同温度下耐压差性能的变化252015105 MPa23℃ 60℃ 90℃ 图1.1 橡胶材料性能随温度变化示意图表1.1 温度对橡胶材料性能的影响项目室温150℃拉伸强度/MPa253.2扯断伸长率/%20040硬度/度9070表1.2 常规φ80胶筒在不同温度下耐压差性能比较温度/℃25120150工作压差/MPa703515从表1.2可以看出，橡胶材料性能随着温度升高而大副下降是胶筒高温破坏的主要原因，所以，有效提高橡胶材料的强度和改善材料抵抗老化的能力是提高胶筒性能的关键。

2 研究方案设计2.1 技术路线技术路线如图2.1所示加工工艺合理选择原材料配方试验试制胶筒样品胶筒的工作条件分析油浸模拟试验，产品性能达到规定要求结构及模具设计图2.1 技术路线2.2 技术方案先通过大量的实验室研究，包括：复合材料的力学性能、防老化性能试验，获得特种弹性体复合材料配合的基本规律，获取最佳的配合和制备工艺参数进而，对实验室规模产生的复合材料（10公斤级别），制备封隔器胶筒样品，研究最佳的加工工艺条件，对胶筒的结构进行优化设计等然后，制备样品进行模拟试验，通过性能反馈来优化复合材料的配合及制备工艺，优化胶筒的结构设计、模具设计、成型工艺等内容使胶筒性能达到要求的指标3 配方实验3.1 实验准备3.1.1 原材料选择（此处内容略）3.1.2 仪器设备主要包括Φ230mm开炼机， 100t、50t平板硫化机，MDR-100E硫化测定仪，老化测定仪，冲片机1台，DL-2.5电子拉力试验机，油浸模拟试验装置3.2 实验方案进行补强和防老化两个方面的性能试验3.2.1 补强性能采用正交设计法进行配方设计考虑到多因素变量，选定相应的变量及变量水平见表3.1表3.1 变量及水平表（表格略）不考虑因素之间的相互作用，并且因素的变化水平都是三个，因此,采用L9（34）正交试验表,可以安排三个系列实验元素，对三个系列试验的具体安排如下表3.2。

表3.2 丁腈橡胶 L9（34）（表格略）3.2.2 防老化试验设计考虑到油田井下的实际工况，存在油、水、氧、硫化氢等介质，选择了几种防老剂进行并用，具体设计见表3.3表3.3 防护体系设计表（表格略）3.3 实验过程3.3.1 混炼针对丁腈胶的特点，选择合理的混炼工艺：（以下内容略）3.3.2 硫化正硫化点的确定利用硫化仪测定出各试验配方，计算正硫化时间（表3.4）表3.4 各配方正硫化时间表（表格略）3.3.3 物化性能测试按照国家标准，压片测试，各配方的强度、伸长率、硬度、老化系数等主要性能指标测试结果见表3.5表 3.5 硫化胶性能表配方拉伸强度（MPa）扯断伸长率(%)硬度(邵A)老化系数N410112.5260720.80N410218.2270800.85N410319.2280860.85N410419.5280870.85N410514.0270720.80N410618.3250810.85N410719.0260850.80N410820.6270900.90N410915.0260800.80各防护体系耐热氧老化性能见表3.6表3.6 各防护体系耐热氧老化性能对比（表格略）耐水井介质性能对比见表3.7。

表3.7 各防护体系耐水井介质性能对比（表格略）3.4 结果分析3.4.1 补强性能分析按L9（34）正交法对数据进行分析，计算各因素的水平数据和，并求出最大偏差R，表3.8列出了试验的结果由表中数据可以看出，对拉伸强度的影响因素D﹥A﹥B﹥C，最佳组合为A3B2C2D3；对扯断伸长率的影响D=C﹥A﹥B，最佳组合为A1B2C2D3；对老化因素的影响D﹥B=C﹥A，最佳组合为A1B2C2D3以下内容略）表3.8 丁腈橡胶试验结果（表格略）3.4.2 防老化性能分析从表3.6、3.7中可以看出，防护体系的加入可以大大提高橡胶材料的耐老化和耐水井介质性能，平均提高一倍以上在三种防护体系的对比中，MB/BLE/硬脂酸防护体系（2.0/1.0/1.0）的橡胶材料性能最优3.5 小结（1）适的配合体系可以使胶料的综合性能达到最佳，拉伸强度提高5～7MPa；伸长率高出50%；老化系数提高10%～15%2）特殊补强剂甲基丙稀酸镁（MMg）的应用可以有效提高胶料的物理机械性能，同等条件下，10份甲基丙稀酸镁可以提高拉伸强度5在MPa以上，提高伸长率30%～50%这一点,对大变形量的小直径胶筒是很重要的。

经过以上的配方试验，确定了最佳配方见表3.9表3.9 优化配方及性能表（表格略）4 结构形状优化4.1 尺寸设计（1）51/2〞胶筒内、外径分别确定为Φ60mm和Φ104mm（与封隔器钢体配套），根据资料介绍，胶筒高度可以用下式近似计算：h ＝⊿P（Rt2－R12）2R1[I]＋2 RtfP0μ/(1－μ) （4.1）Rt—套管内半径，mm；R1—胶筒外半径，mm；⊿P—工作压差，MPa；[I]—胶筒许用剪切应力，MPa；f—胶筒与套管壁的摩擦系数，一般取0.3；P0—预压载荷，MPa；μ—波松系数，一般取0.475以下内容略）（2）4〞胶筒内外径设计为60mm和80mm，高度采用式4.1计算以下内容略）4.2 端部形状设计根据资料介绍和实际试验得到，胶筒在长时间的大压缩负荷和介质的物理化学作用下，胶筒肩部应力集中，产生很大的残余变形将导致胶筒破坏桶形胶筒的变形与应力关系见图4.1：（图略）图 4.1 桶形胶筒的变形与应力关系根据这个原理，设计了新型胶筒端部形状如下图，并通过模拟试验发现，新的结构形状可以有效改善胶筒的抗破坏性能，耐压差性能平均提高5Mpa（详见图4.2）。

(a) 改变前形状 (b) 改变后形状图4.2 胶筒形状对比图5 加工工艺研究5.1 填料方式采用手工填料和注压移模两种方式并改变硫化的压力进行试验，检验胶筒的外观、断面性质、硫化胶密度表5.1中列出了对比的结果：表5.1 填料方式对性能的影响（表格略）从表中可以看出，注压移模明显优于手工填料，而且随着硫化压力的增加，胶料的流动性增加，外观及致密度有明显改。