納米材料及化學改性對油井盤根耐磨性的影響

，天宇， ，

(長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安 710018)

納米材料及化學改性對油井盤根耐磨性的影響

劉濤，劉天宇，張巖，辛宏

(長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安 710018)

針對油田現場抽油機井在用盤根磨損情況嚴重、使用壽命短、更換頻繁和員工勞動強度大的問題。應用納米材料摻雜和化學改性技術對丁腈橡膠的材質和表面進行改性處理，提高盤根的耐磨性。室內試驗證明：在不同載荷條件下，丁腈橡膠改性材料的摩擦因數較之前降低44%～67%，磨損量下降了59%，耐磨性提高顯著。在現場5口井試驗，盤根的平均使用壽命延長1.5倍。

油井；盤根盒；納米材料；耐磨性

Abstract：In order to solve the problems of packing applied to oil well with serious abrasion、short service life，frequently renewal and strong labor intensity.Based on the comparison of the friction and wear test properties of various rubber materials，the fluorine rubber is the best packing material.Nano material and Chemical modification technology is applied to improve the wear resistance of fluorine rubber’s material and surface.The results of wear resistance reveal that，under different loading conditions，friction coefficient is reduced by 44%～67%，wear rate is reduced more than 59%，the abrasion resistance is significant improved.Field tests of five wells have been conducted，and the average of service life is extended more than 1.5 times.

Keywords：oil well；stuffing box；nano material；wear resistance

抽油機井口盤根存在嚴重的磨損問題，造成井口漏油，環保壓力巨大。針對常用的丁腈橡膠盤根材料，應用納米材料摻雜和化學改性技術分別對材質本身和表面的耐磨性進行了改性處理，并給出了材質的配方和改性藥劑化學配方。室內試驗和現場應用結果顯示：納米材料摻雜和化學改性的丁腈膠盤根能有效延長使用壽命[1]。

1 現有盤根的缺陷

丁腈橡膠由于具有的良好耐油性、耐磨性和低廉的價格，在石油工業中得到了廣泛應用，是井口密封盤根的主要材料。但是，分析油井常規密封盤根的材質和使用情況，發現應用過程中存在以下問題：

1) 這種材質具有較好的彈性，壓縮回彈率大，但耐熱性較差，彈性補償性能不好，易老化，密封效果相對較差。

2) 在用盤根更換較為頻繁，平均更換周期為1個月，嚴重井1～2 d就需要更換，導致維護工作量和生產成本較大。

3) 材料表面缺陷是造成盤根磨損的重要因素。

盤根的耐磨性能是由材質和表面性質所決定。本文從增強盤根材質和表面耐磨性入手，通過納米材料及化學改性技術，改變盤根材質和表面層局部區域的材料組成與結構，達到改善丁腈橡膠耐磨特性的目的[2-6]。

2 摩擦因數的測定方法

實驗室應用UMT摩擦磨損試驗機來測試橡膠與光桿試件的摩擦因數，對磨試驗的摩擦副分別為現場取樣后進行再加工的光桿試樣和橡膠材料，相對運動方式為直線往復運動，往復頻率為2 Hz，載荷分別選擇2、5、7和10 N。

因受UMT摩擦磨損試驗機測試條件的限制，需要設計加工光桿試樣和橡膠材料的固定夾具，如圖1；光桿試樣加工成6 mm×10 mm左右的立方體，光桿試樣如圖2所示，光桿試樣摩擦的接觸面不進行任何處理。

圖1 試樣夾具

圖2 光桿試樣

3 納米材料摻雜工藝及摩擦因數測試

納米材料摻雜通常是指為了改善某種材料的性能，有目的在這種材料中摻入少量其他納米級的元素或化合物。在摻雜濃度比較低的情況下，材料分子的晶體結構一般不會改變，摻雜前后晶格常數只有很細微的變化。本文通過在丁腈橡膠(NBR生膠)中摻入二硫化鉬和石墨來改善丁腈橡膠的摩擦性能，最終使摩擦接觸表面始終處于較為平整的狀態，起到對于磨損表面的修復作用。納米材料摻雜配方如表1所示。

表1 納米材料摻雜配方

丁腈橡膠生產步驟：在開煉機上加入生膠塑煉，待生膠包輥后按順序分別加入活性劑、炭黑、增塑劑和防老劑，混煉均勻后再加入石墨和二硫化鉬，最后加入硫化劑和促進劑；再次混煉均勻后，薄通下片。使用橡膠硫化儀測試混煉膠的硫化曲線，測得正硫化時間后，用平板硫化儀進行硫化，硫化溫度應在150～190 ℃。

摻雜了石墨和二硫化鉬的改性橡膠如圖3。對其摩擦因數進行測試，結果如圖4和表2，摩擦因數分別從1.48降至1.18和1.15，說明石墨和二硫化鉬的添加效果基本相當，均能夠降低橡膠材料的摩擦因數，提高其耐磨性。

圖3 納米材料改性丁腈橡膠

圖4 橡膠的摩擦因數(干摩擦，載荷7 N)

基本工況潤滑條件平均摩擦因數原始丁腈橡膠石墨添加劑二硫化鉬添加劑頻率2Hz，載荷7N干摩擦1．481．181．15

4 丁腈橡膠的幾種化學改性方法

常見的表面化學改性方法有鹵化和磺化改性等方法。鹵化改性是利用金屬鹵化物、互鹵化物對橡膠進行處理，通過控制濃度、時間、溫度等因素，使橡膠表面發生氧化和加成反應，形成約幾十微米厚的表面改性結構層，使橡膠本體仍基本保持原有的特性，耐磨性能大幅度提高。磺化改性是將橡膠浸漬在亞硫酸或硫酸溶液中，通過磺化處理把橡膠表面的C—C鍵打開，在其中的一個碳原子上接上-SO3H，同時伴隨有環化反應，生成羰基、羥基和羧基等極性基團，材料表面變成有極性基團的表面，從而使橡膠表面活化或極性化，可改進其拉伸強度、撕裂強度、硬度和耐磨性。

4.1化學改性工藝及其表面形貌比較

本文對納米摻雜后的盤根進行了溴化、碘化與混合氧化的表面改性處理。溴化與碘化是鹵化改性方法，改性處理采用了40%KBr溶液，浸泡時間5～7 d；碘化改性是利用碘化鉀溶液對橡膠進行浸泡，充分反應后橡膠表面生成不連續結構，實驗時采用了59%飽和KI溶液，浸泡時間5～7 d；混合氧化是綜合溴化、碘化與磺化的特點的處理方式，處理后橡膠表面會生成一層致密的氧化層，溶液配比為30%濃硫酸、32%KI與18%KBr，氧化浸泡時間為5～7 d。浸泡完成后，對3種表面改性橡膠進行電鏡掃描表面形貌，如圖5所示，可以發現3種改性方式都在橡膠表面形成了結構狀態不同于丁腈橡膠基體的表面層結構，原始丁腈橡膠表面存在一些裂紋，改性橡膠表面無明顯裂紋出現，溴化改性的表面層較為致密，碘化改性的表面層存在一定的斷續性，表面氧化的表面層相對較厚。

圖5 化學改性樣品的表面形貌

4.2摩擦因數比較

為了測試不同表面改性方法對現有盤根耐磨性的影響，使用未打磨的光桿試樣作為對磨件，進行了摩擦因數的測試。基本工況為：載荷7 N，往復行程2.2 mm，往復頻率2 Hz。

圖6、表3顯示，溴化與碘化改性對摩擦因數的影響程度較為接近，碘化改性的起始段摩擦因數會稍大一些，摩擦因數從1.48分別降至1.23和1.27。混合氧化在測試時間內的前半段明顯優于其他兩種方法，但在后期效果有所下降，摩擦因數從1.48降至1.04，這是由于表面改性層在長時間磨損下破壞所導致的。混合氧化改性的減摩機理是在橡膠表面形成一層相對致密的表面層，其硬度、拉伸強度等特性會優于基底的橡膠材料，長時間的干摩擦導致了表面層性能下降或失效，從而使得摩擦因數增大。

圖6 不同表面改性方法對摩擦因數的影響

原始丁腈橡膠溴化改性碘化改性混合氧化1．481．231．271．04

圖7可以看出，摩擦因數隨著載荷的增大呈現出線性降低關系，相比丁腈橡膠基材降低20%～60%。其中，混合氧化改性的摩擦因數降低幅度最大，其在丁腈橡膠表面形成了一層力學性能明顯優于基底橡膠材料的保護層，硬度與耐磨性優良。

圖7 表面改性橡膠摩擦因數隨載荷變化規律

由圖8知，隨著載荷的增加，改性橡膠的摩擦因數雖然呈現下降趨勢，但摩擦力是增加的，若是從降低磨損的角度出發，由于橡膠的磨損在很大程度上可以認為是橡膠交聯被機械應力破壞的結果，因此摩擦阻力的大小在某種程度上更能表征表面材料的磨損情況。其中溴化、碘化橡膠的摩擦阻力趨于某一穩定值，混合氧化的在低載荷下摩擦力明顯低于其他3種情況，在高載荷下摩擦力與摩擦因數與碘化改性橡膠相接近，優于普通丁腈橡膠與溴化改性結果。綜合對比下，混合氧化改性橡膠的耐磨性最佳。

圖8 表面改性橡膠摩擦力隨載荷變化規律

4.3磨損量比較

為了驗證混合氧化橡膠的耐磨性，檢測其磨損量，進行干摩擦試驗，試樣選為軸承鋼球(增大接觸壓力)，試驗載荷30 N，往復頻率4 Hz，時間為3 600 s。

試驗結果如圖9～10所示，混合氧化的丁腈橡膠的磨損質量和體積發生了明顯下降，磨損量和磨損體積僅為原始丁腈橡膠的34%。因此，混合氧化改性的丁腈橡膠的實驗室抗磨損性能與壽命達到了原始丁腈橡膠材料的2倍以上[7-8]]。

圖9 磨損質量比較

圖10 相對磨損體積

5 現場試驗

在馬嶺油田選取了3口盤根更換比較頻繁的油井，對其在用的丁腈橡膠盤根進行化學改性。對比試驗后發現，3口井盤根更換周期都有不同程度的延長，平均更換周期從4.3 d延長到8.3 d，效果顯著。

表4 表面改性盤根更換周期

6 結論

6.1研究結果

1) 在丁腈橡膠中摻雜納米級石墨或二硫化鉬，可改善其耐磨性能。測試改性橡膠的摩擦因數，添加了納米級石墨的丁腈橡膠的摩擦因數為1.18，添加了二硫化鉬的丁腈橡膠的摩擦因數為1.15。原始丁腈橡膠的摩擦因數為1.48，說明石墨和二硫化鉬的添加效果基本相當，均能夠提高橡膠材料的耐磨性能。

2) 提出了采用化學改性手段來強化丁腈橡膠表面耐磨性能的方案。分別使用溴化改性、碘化改性與混合氧化改性的方法對丁腈橡膠進行了表面處理，其中混合氧化方法的效果最好，實驗室條件下摩擦因數相比丁腈橡膠降低20%～60%，磨損質量和體積僅為原始丁腈橡膠的34%。因此，其磨損壽命能達到原始丁腈橡膠的2倍以上。現場盤根平均更換周期從4.3 d延長到8.3 d。

6.2存在問題與今后的研究方向

1) 對橡膠進行納米材料改性時，應對石墨、二硫化鉬兩種減摩添加劑的含量進行優化調整，進一步提升丁腈橡膠耐磨性能。

2) 室內對橡膠進行混合氧化時，容易產生氧化過度問題，因此浸泡溶液的配方和浸泡時間應做進一步的優化調整。

6.3應用前景

納米材料和化學改性方法能夠提升油井井口橡膠盤根的耐磨性能，延長盤根的使用壽命1倍左右。該技術在油井上推廣應用，可以大幅降低盤根更換次數和盤根更換成本，降低現場勞動強度和盤根更換對油井時率的影響，推廣應用的前景非常廣闊。

[1] 劉寶.抽油井光桿密封器現場應用效果評價[J].化學工程與裝備，2016(11)：98-99.

[2] 王仕江，曹開斌，耿艷春.石墨填充改性PTFE 纖維編織盤根的研制[J].液壓氣動與密封，2012 (10 )：82-83.

[3] 韓珩.丁腈橡膠表面化學改性及其摩擦學和耐油性能研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2014.

[4] 曲敬賢，陳海峰.丁腈橡膠的并用改性及應用進展[J].合成樹脂及塑料，2015(32)：82-84.

[5] 王忠超.丁腈橡膠性能影響因素研究[D].蘭州：西北師范大學，2012.

[6] 江曉紅，Y armo lenkoМА，Rogachev A V，等.聚合物復合薄膜改性橡膠表面結構及其摩擦性能研究[J].摩擦學學報，2007，27(2)：106-111.

[7] 田斌，叢川波，孟曉宇，等.裂紋形態對丁腈橡膠力學性能和耐疲勞性能的影響[J].合成材料老化與應用，2014，43(5)：1-4.

[8] 劉新福，綦耀光，劉春花.新型光桿密封裝置的盤根設計與計算方法[J].潤滑與密封，2008，33(5)：91-94.

下期部分目次預告

白 松等 基于ISO13679熱循環試驗要求的套管特殊螺紋強度分析

范永濤等 內嵌式固井附件密封單元研制

韓 飛等 衡扭矩鉆井工具研制

菅志軍等 Welleader及Drilog系統在渤海油田的應用

李德文等 新型自平衡游梁式抽油機智能控制系統設計與開發

李文金等 Weatherford頂驅下套管技術及應用

邵志香等 液壓壓脹式尾管頂部封隔器研制與試驗

王志偉等 多次激活旁通閥技術及應用

魏可可等 深水鉆井船高壓管匯設計關鍵因素分析

任福深等 ROV發展現狀與其在海洋石油行業的應用前景

張富強等 國外連續管鉆井系統發展與應用

張士超等 水下防噴器疲勞壽命分析及判廢研究

周永杰等 深水鋪管張緊器橡膠材料靜摩擦行為研究

肖文生等 配筋方式對自升式平臺懸臂梁屈曲性能的影響研究

田 宇等 水下管匯阻力系數和附加質量系數的CFD計算

ResearchImpactsofNanoMaterialandChemicalModificationTechnologyforAbrasionResistanceofPacking

LIU Tao，LIU Tianyu，ZHANG Yan，XIN Hong

(Oil&GasTechnologyResearchInstitute，ChangqingOilfieldCompany，Xi’an710018，China)

TE931.107

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.010

1001-3482(2017)05-0047-06

2017-03-27

劉 濤(1984-)，男，陜西蒲城人，工程師，碩士，2010年畢業于中國石油大學(北京)油氣田開發工程專業，現從事采油工藝研究，E-mail:Liut-cq@163.com。