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、硬度等力學性能，以及老化性能和靜態壓縮永久變形率。結果表明使用雙－2，5過氧化物交聯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，它被廣泛的應用于各種情況下的作業中。封隔器作用位于油管和套管之間。當封隔器膠筒承受軸向載荷時，封隔器膠筒將產生徑向大變形，使膠筒與套管之間產生接觸壓力，藉此封隔環空，隔絕產層，以控制產、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，遼河油田依靠常規開采方式一般難以獲得較高的產能，必須進行各種熱采方式進行開采，如：蒸汽吞吐和SAGD技術。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研究出一種以通用氫化丁腈橡膠為原料，不但原有優異的耐油性和耐化學性能得以發揮，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 實驗數據分析

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

大量文獻證明：隨著交聯劑雙－2，5的用量增加，最大轉距趨于一致，從交聯密度確定交聯劑的用量的增加已經對交聯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，其最大轉距低于過氧化物交聯體系。這說明硫磺硫化體系的交聯密度較低，也與硫磺硫化體系的交聯檢類型有關。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低于過氧化物交聯體系。

表1 不同交聯體系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體系進行對比：有機過氧化物交聯體系、酚醛樹脂交聯體系和低硫高促進劑硫磺交聯體系。

HNBR三種交聯體系性能差異影響十分明顯：使用雙－2，5過氧化物交聯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體系的各項性能介于過氧化物交聯體系和硫磺硫化體系之間。

交聯鍵的類型及交聯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。拉伸強度隨交聯密度的提高而出現峰值，交聯鍵類型中多硫鍵的拉伸強度最高。原因是膠筒網絡中的交聯鍵分布是不規則不均勻的，交聯點間的鏈段有長有短，當受外力作用而變形時，應力分布不均勻，易產生應力集中。其中強鍵將在較低伸長下斷裂，導致分子流動，使應力不均勻程度增加，最后整個網構破壞。而弱鍵在較大應力集中情況下，很快脫開解除所受負荷，將應力分配給鄰近的鏈段，使得變形的網構作為一個整體均勻承受較大的應力。拉伸結晶型橡膠：弱鍵早期破壞有利于分子主鏈的定向結晶。用硫磺硫化的橡膠撕裂強度最高，但是交聯密度不宜過高。定伸強度越高。交聯密度越高，定伸強度與交聯鍵類型的關系為：—C—C—〉—C—S—C—〉—C—Sx—C—。

3 結果與討論

經過上述實驗數據的分析，說明氫化丁腈封隔器膠筒的配方采用雙-2，5的過氧化物交聯體系用量在5份至6份時的力學性能、老化性能和高溫性能都比較優異。在實際應用中可以在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月畢業于東北石油大學,現從事油田開發及油井增產等研究工作。