防噴器用聚氨酯彈性體磨損機(jī)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(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠作業(yè)大隊(duì))

油田修井作業(yè)中，傳統(tǒng)的方法是用比重高的壓井液循環(huán)壓井不讓井底油氣噴出，然后起下井內(nèi)的抽油桿及油管等裝置；或者直接進(jìn)行放噴作業(yè)，人工控制井底油氣噴出，從而降低井底壓強(qiáng)。而不壓井作業(yè)指的是在井底不放噴、不進(jìn)行壓井作業(yè)的情況下，通過帶壓作業(yè)井口防噴裝置進(jìn)行帶壓修井作業(yè)[1]。對(duì)于油氣井來說，不壓井作業(yè)可以保護(hù)和維持地層的原始產(chǎn)能，減少酸化及壓裂等增產(chǎn)措施的次數(shù)，為油氣田的長(zhǎng)期開發(fā)和穩(wěn)定生產(chǎn)提供良好的基礎(chǔ)；對(duì)水井而言，可以縮短施工周期，防止環(huán)境污染并極大地節(jié)省作業(yè)費(fèi)用。因此，全球各油田都在大力推廣帶壓修井作業(yè)[2]。

帶壓作業(yè)防噴器在油田修井作業(yè)中起關(guān)閉井口和防止井噴事故發(fā)生的作用，對(duì)保障油田的正常生產(chǎn)和人員安全具有重要意義。帶壓作業(yè)防噴器的核心部件是防噴器膠芯，其力學(xué)性質(zhì)和表面磨損性質(zhì)決定了防噴器密封性能和帶壓作業(yè)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(xué)性能遠(yuǎn)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(yīng)廣和耐水解、老化的優(yōu)點(diǎn)。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(duì)其在帶壓作業(yè)密封中的廣泛應(yīng)用具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。

1 防噴器用聚氨酯彈性體的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

張嗣偉針對(duì)橡膠類彈性體的特點(diǎn)，依據(jù)Burwell J T的磨損分類方法[4]，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)橡膠的各種磨損進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究[5]。研究表明，橡膠類彈性體的磨損在不同的工作環(huán)境下，遵循不同的磨損規(guī)律，呈現(xiàn)出不同的磨損特性。

帶壓作業(yè)防噴器密封膠芯工作在密閉高壓、有腐蝕性介質(zhì)、開關(guān)型可控密封的環(huán)境中，其密封工況遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)室工況復(fù)雜。一方面，膠芯要承受背部液控壓力對(duì)其施加的抱緊管柱的擠壓力和下部密封介質(zhì)的工作壓力；另一方面，要承受管柱對(duì)膠芯環(huán)形密封面的動(dòng)摩擦力。因此，膠芯的性能不僅取決于材料本身的強(qiáng)度、韌性及彈性恢復(fù)力等綜合機(jī)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(huán)境有關(guān)，因此，研究聚氨酯彈性體在帶壓作業(yè)下的磨損機(jī)理，對(duì)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(yīng)用于實(shí)際帶壓作業(yè)生產(chǎn)中，通過對(duì)其表面磨損情況的分析來研究其磨損機(jī)理。

以聚氨酯彈性體為基材設(shè)計(jì)新型閘板防噴器膠芯，為充分測(cè)試聚氨酯彈性體的表面磨損性質(zhì)，讓整個(gè)圓弧面和前端面為一個(gè)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(yè)對(duì)象，作業(yè)管柱直徑73mm，密封地層壓強(qiáng)35MPa，密封介質(zhì)為含油污水，作業(yè)井為高壓注水井，修井深度約980m。實(shí)驗(yàn)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(yè)井口安裝了油管扶正裝置和接箍探測(cè)裝置，用上下兩副閘板防噴器交替啟閉以通過接箍。當(dāng)向上提起油管時(shí)，下接箍探測(cè)器首先探測(cè)到接箍，上閘板防噴器關(guān)閉，下閘板防噴器開啟以通過接箍；上接箍探測(cè)器探測(cè)到接箍時(shí)，下閘板防噴器關(guān)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(shí)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(nèi)部的擠壓和磨損。實(shí)驗(yàn)以帶壓連續(xù)作業(yè)的一個(gè)周期為限。

2 聚氨酯膠芯密封副的磨損機(jī)理分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(chǎn)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(jié)構(gòu)緊湊，大砂礫等不易進(jìn)到密封副內(nèi)部，因此不會(huì)形成較大的磨粒傷害。同時(shí)，由于存在由原油及含油污水等構(gòu)成的潤(rùn)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(jìn)一步研究密封副表面形成縱向磨痕的原因，在實(shí)驗(yàn)室條件下，選用S-3000N/H掃描電子顯微鏡對(duì)膠芯試件進(jìn)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(xiàn)象，層內(nèi)以材料的斷裂進(jìn)而呈碎片脫落為主，層間以片狀脫落為主。結(jié)果表明，在細(xì)微的砂礫及油管表面金屬凸起等硬質(zhì)磨粒的多次作用下，聚氨酯密封表面產(chǎn)生周期性的表層撕裂和由應(yīng)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(duì)產(chǎn)物的影響是不同的。偶面堅(jiān)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(jìn)而形成層狀脫落為主；若磨粒為單個(gè)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(chǎn)物；碎屑產(chǎn)物則是由大量的微凸起磨粒造成的。上述現(xiàn)象與文獻(xiàn)[7]所觀察的結(jié)果一致。

圖4 聚氨酯磨損表面電鏡照片(×1000)

3 結(jié)束語

聚氨酯密封材料在帶壓作業(yè)下的表面磨損實(shí)驗(yàn)表明，其磨損機(jī)理主要以磨粒磨損為主，磨屑以層狀剝落和層內(nèi)撕裂的方式產(chǎn)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(yè)可控柔性密封研究[J].潤(rùn)滑與密封,2008,33(6):85～87.

[2] 任永良.油田水系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)反演方法研究[D].大慶:東北石油大學(xué),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(rùn)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(yè)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(jī)理的試驗(yàn)研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1990,14(1):31～35.