超高分子聚乙烯管材研制及在抽油管中的應用

于友坤 張宗波

摘 要：本文論述了一種超高分子聚乙烯管材的試制過程以及在石油開采抽油系統中的應用。管材試制從生產設備、加工工藝參數、關鍵工具三個方面的影響來研究，并對研制樣品進行力學性能參數測試。該管材二次加工穿入普通油管中，形成耐腐蝕耐磨損的復合油管，通過在現場油井中試驗使用，其優異的耐磨防腐蝕性能緩解了有桿泵井中管桿磨損程度，成為油田治理管桿偏磨最為有效的工藝之一，大大提高了抽油管柱的使用壽命。

關鍵詞：超高分子聚乙烯管材；力學性能；二次加工；抽油管應用

與其他材料相比，塑料具有質量輕、耐腐蝕、比強度高、電性能優異等特點。聚乙烯是世界塑料品種中產量最大、應用面最廣的品種，而其中的超高分子聚乙烯具有突出的高模量、高韌性、高耐磨、自潤滑性優良、密度低、制造成本低廉等特征，它的耐磨性在已知塑料中名列第一，比聚四氟乙烯高6倍，比聚氨酯也高6倍。鑒于超高分子聚乙烯防腐蝕、高耐磨的優點，決定開發一種適合在抽油管中使用的聚乙烯管材，以解決長期以來一直存在于抽油桿與油管之間的磨損問題。

1 超高分子聚乙烯管材的研制

1.1 設備的選擇

在選擇擠出管材設備時，主要考慮了以下因素：

①喂料系統增加自動攪拌功能，提高進料推力。

由于超高分子聚乙烯融化后粘度較高，必須增大喂料段輸送能力。

②改進擠出機螺桿螺距和長徑比，增加螺桿對原料的推力。

由于超高分子聚乙烯流動性較差，生產普通塑料的擠出機螺桿不能達到使用要求，因此改進螺桿的設計參數，避免原料輸送不暢、熔融效果差造成的產品性能達不到要求。

根據上述原則，研制出獨具特色的超高分子聚乙烯單螺桿擠出裝置。

1.2 管材擠出

在設備調試完成后，通過大量的參數優化試驗，確定了機筒擠出溫度（見表1）和牽引速度。

根據管材直徑的大小，調整牽引速度，直徑越小，牽引速度越大；管材直徑越大，牽引速度越小。速度過慢，影響生產效率，達不到產能要求；速度過快，不符合管材表面光潔度和幾何尺寸要求，影響產品質量。經過一段時間的試驗與調整，上述兩種規格的管材牽引速度最佳值確定在0.30-0.45mm/min。

1.3 模具表面處理形式確定

模具是擠出機生產線關鍵部件之一，它的性能直接影響著管材的表面質量，使用壽命的長短影響著生產的正常運行。在生產線試運行初期采用的模具表面是鍍鉻處理，一般使用5天左右管材表面變得粗糙，管材壁厚尺寸不穩定，拆卸模具發現其表面粘一層白色降解物（如圖1所示），這意味著模具表面首先變得粗糙，因此擠出的管材表面粗糙度也就達不到要求了。經過研究，了解到特氟龍涂料具有耐高溫、不粘、耐磨損的特性，把模具表面處理形式由原來的鍍鉻改為噴涂特氟龍（如圖2所示）。特氟龍涂料是以聚四氟乙稀為基體樹脂、獨一無二的高性能氟涂料，結合了耐熱性、化學惰性和優異的絕緣穩定性及低摩擦性，具有獨特的綜合優勢。特氟龍分為PTFE、FEP、PFA、ETFE幾種基本類型：

①特氟龍PTFE：PTFE（聚四氟乙烯）不粘涂料可以在260℃連續使用，最高使用溫度290—300℃；

②特氟龍FEP：FEP（氟化乙烯丙稀共聚物）最高使用溫度為200℃。

③特氟龍PFA：PFA（過氟烷基化物）不粘涂料的優點是具有更高的連續使用溫度260℃，更強的剛韌度，特別適合使用在高溫條件下防粘和耐化學性使用領域。

④特氟龍ETFE：ETFE是一種乙烯和四氟乙烯的共聚物，該樹脂可在150℃下連續工作。 其中，特氟龍PTFE涂料適合超高分子聚乙烯管材擠出的工況，因此我們選用了該種涂料，涂層膜厚為30±5μm。經過使用驗證，不但使用壽命大大延長，由原來用5天拆卸一次模具延長到現在的30天，擠出管材粗糙度完全滿足要求，擠出速度和穩定性都大有提高，大大減少了生產輔助時間。

1.4 管材測試

超高分子量聚乙烯管材擠出后，首先觀察表面粗糙度是否符合要求，然后對管材外徑、壁厚尺寸檢測，均合格后送到國家化學建筑材料測試中心進行實驗室檢測，各項性能指標如表2所示。

經過與《塑料-原料與助劑》[1]中數據進行對比，完全符合要求。

1.5 二次加工工藝性

聚乙烯管材二次加工工藝流程如下：管材擠出以后，通過減徑機減徑穿入鋼制油管中，一段時間后恢復原直徑，使之漲貼在鋼制管壁上，形成管中管結構；為了使塑管與鋼管固定，使用時不發生相對運動，保護鋼管表面不與腐蝕性介質接觸，塑管在鋼管端部進行翻邊固定，不易脫落，至此復合油管制造完成，投入現場試驗。

2 超高分子聚乙烯復合油管應用情況

該復合油管先后在勝利油田、江蘇油田等地使用，效果較好，尤其是華東分公司采油廠2013年以來在一些管桿偏磨嚴重的井使用該復合油管，與抽油桿防偏磨接箍工藝配套，取得了明顯成效。如興1井、 QK-118、 QK-121、 QK-122、草15、QK-36等井，經過3年的試用跟蹤（見表3），內襯油管產品在油井防偏磨上效果十分顯著，有效地控制了因偏磨而造成的免修期短的問題。

從表3中可以看出從2013年開始，通過在蘇北5口油井使用該復合油管和防偏磨接箍。跟蹤分析至2015年10月，有4口井修井周期超過400天，有效地延長了整套管柱的使用壽命。不僅大幅度減少作業費用，也大大降低了材料成本，同時還提高了采油時效。

目前，超高分子聚乙烯復合油管已在勝利油田大面積推廣使用，并且逐漸拓展到新疆、中原、吉林、遼河等國內各油田，部分產品出口到國外，使用前景非常樂觀。

3 結論

①超高分子聚乙烯管材經權威檢測機構國家化學建筑材料測試中心檢測，各項性能指標完全符合該種材料要求；

②經過試驗，該種管材二次加工工藝性達到預期要求，成型美觀，達到使用要求；

③現場使用證明，該管材在抽油管中防腐蝕和耐磨性能好，大大延長修井周期。

參考文獻：

[1]宋卓頤，史勤芳，等.塑料原料與助劑[M].北京：科學技術文獻出版社，2006.11.