纳米材料及化学改性对油井盘根耐磨性的影响

2017-10-11天宇

石油矿场机械 2017年5期

关键词：盘根丁腈橡胶耐磨性

，天宇，，

(长庆油田分公司油气工艺研究院，西安 710018)

纳米材料及化学改性对油井盘根耐磨性的影响

刘涛，刘天宇，张岩，辛宏

(长庆油田分公司油气工艺研究院，西安 710018)

针对油田现场抽油机井在用盘根磨损情况严重、使用寿命短、更换频繁和员工劳动强度大的问题。应用纳米材料掺杂和化学改性技术对丁腈橡胶的材质和表面进行改性处理，提高盘根的耐磨性。室内试验证明：在不同载荷条件下，丁腈橡胶改性材料的摩擦因数较之前降低44%～67%，磨损量下降了59%，耐磨性提高显著。在现场5口井试验，盘根的平均使用寿命延长1.5倍。

油井；盘根盒；纳米材料；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

抽油机井口盘根存在严重的磨损问题，造成井口漏油，环保压力巨大。针对常用的丁腈橡胶盘根材料，应用纳米材料掺杂和化学改性技术分别对材质本身和表面的耐磨性进行了改性处理，并给出了材质的配方和改性药剂化学配方。室内试验和现场应用结果显示：纳米材料掺杂和化学改性的丁腈胶盘根能有效延长使用寿命[1]。

1 现有盘根的缺陷

丁腈橡胶由于具有的良好耐油性、耐磨性和低廉的价格，在石油工业中得到了广泛应用，是井口密封盘根的主要材料。但是，分析油井常规密封盘根的材质和使用情况，发现应用过程中存在以下问题：

1) 这种材质具有较好的弹性，压缩回弹率大，但耐热性较差，弹性补偿性能不好，易老化，密封效果相对较差。

2) 在用盘根更换较为频繁，平均更换周期为1个月，严重井1～2 d就需要更换，导致维护工作量和生产成本较大。

3) 材料表面缺陷是造成盘根磨损的重要因素。

盘根的耐磨性能是由材质和表面性质所决定。本文从增强盘根材质和表面耐磨性入手，通过纳米材料及化学改性技术，改变盘根材质和表面层局部区域的材料组成与结构，达到改善丁腈橡胶耐磨特性的目的[2-6]。

2 摩擦因数的测定方法

实验室应用UMT摩擦磨损试验机来测试橡胶与光杆试件的摩擦因数，对磨试验的摩擦副分别为现场取样后进行再加工的光杆试样和橡胶材料，相对运动方式为直线往复运动，往复频率为2 Hz，载荷分别选择2、5、7和10 N。

因受UMT摩擦磨损试验机测试条件的限制，需要设计加工光杆试样和橡胶材料的固定夹具，如图1；光杆试样加工成6 mm×10 mm左右的立方体，光杆试样如图2所示，光杆试样摩擦的接触面不进行任何处理。

图1 试样夹具

图2 光杆试样

3 纳米材料掺杂工艺及摩擦因数测试

纳米材料掺杂通常是指为了改善某种材料的性能，有目的在这种材料中掺入少量其他纳米级的元素或化合物。在掺杂浓度比较低的情况下，材料分子的晶体结构一般不会改变，掺杂前后晶格常数只有很细微的变化。本文通过在丁腈橡胶(NBR生胶)中掺入二硫化钼和石墨来改善丁腈橡胶的摩擦性能，最终使摩擦接触表面始终处于较为平整的状态，起到对于磨损表面的修复作用。纳米材料掺杂配方如表1所示。

表1 纳米材料掺杂配方

丁腈橡胶生产步骤：在开炼机上加入生胶塑炼，待生胶包辊后按顺序分别加入活性剂、炭黑、增塑剂和防老剂，混炼均匀后再加入石墨和二硫化钼，最后加入硫化剂和促进剂；再次混炼均匀后，薄通下片。使用橡胶硫化仪测试混炼胶的硫化曲线，测得正硫化时间后，用平板硫化仪进行硫化，硫化温度应在150～190 ℃。

掺杂了石墨和二硫化钼的改性橡胶如图3。对其摩擦因数进行测试，结果如图4和表2，摩擦因数分别从1.48降至1.18和1.15，说明石墨和二硫化钼的添加效果基本相当，均能够降低橡胶材料的摩擦因数，提高其耐磨性。

图3 纳米材料改性丁腈橡胶

图4 橡胶的摩擦因数(干摩擦，载荷7 N)

基本工况润滑条件平均摩擦因数原始丁腈橡胶石墨添加剂二硫化钼添加剂频率2Hz，载荷7N干摩擦1．481．181．15

4 丁腈橡胶的几种化学改性方法

常见的表面化学改性方法有卤化和磺化改性等方法。卤化改性是利用金属卤化物、互卤化物对橡胶进行处理，通过控制浓度、时间、温度等因素，使橡胶表面发生氧化和加成反应，形成约几十微米厚的表面改性结构层，使橡胶本体仍基本保持原有的特性，耐磨性能大幅度提高。磺化改性是将橡胶浸渍在亚硫酸或硫酸溶液中，通过磺化处理把橡胶表面的C—C键打开，在其中的一个碳原子上接上-SO3H，同时伴随有环化反应，生成羰基、羟基和羧基等极性基团，材料表面变成有极性基团的表面，从而使橡胶表面活化或极性化，可改进其拉伸强度、撕裂强度、硬度和耐磨性。

4.1化学改性工艺及其表面形貌比较

本文对纳米掺杂后的盘根进行了溴化、碘化与混合氧化的表面改性处理。溴化与碘化是卤化改性方法，改性处理采用了40%KBr溶液，浸泡时间5～7 d；碘化改性是利用碘化钾溶液对橡胶进行浸泡，充分反应后橡胶表面生成不连续结构，实验时采用了59%饱和KI溶液，浸泡时间5～7 d；混合氧化是综合溴化、碘化与磺化的特点的处理方式，处理后橡胶表面会生成一层致密的氧化层，溶液配比为30%浓硫酸、32%KI与18%KBr，氧化浸泡时间为5～7 d。浸泡完成后，对3种表面改性橡胶进行电镜扫描表面形貌，如图5所示，可以发现3种改性方式都在橡胶表面形成了结构状态不同于丁腈橡胶基体的表面层结构，原始丁腈橡胶表面存在一些裂纹，改性橡胶表面无明显裂纹出现，溴化改性的表面层较为致密，碘化改性的表面层存在一定的断续性，表面氧化的表面层相对较厚。

图5 化学改性样品的表面形貌

4.2摩擦因数比较

为了测试不同表面改性方法对现有盘根耐磨性的影响，使用未打磨的光杆试样作为对磨件，进行了摩擦因数的测试。基本工况为：载荷7 N，往复行程2.2 mm，往复频率2 Hz。

图6、表3显示，溴化与碘化改性对摩擦因数的影响程度较为接近，碘化改性的起始段摩擦因数会稍大一些，摩擦因数从1.48分别降至1.23和1.27。混合氧化在测试时间内的前半段明显优于其他两种方法，但在后期效果有所下降，摩擦因数从1.48降至1.04，这是由于表面改性层在长时间磨损下破坏所导致的。混合氧化改性的减摩机理是在橡胶表面形成一层相对致密的表面层，其硬度、拉伸强度等特性会优于基底的橡胶材料，长时间的干摩擦导致了表面层性能下降或失效，从而使得摩擦因数增大。

图6 不同表面改性方法对摩擦因数的影响

原始丁腈橡胶溴化改性碘化改性混合氧化1．481．231．271．04

图7可以看出，摩擦因数随着载荷的增大呈现出线性降低关系，相比丁腈橡胶基材降低20%～60%。其中，混合氧化改性的摩擦因数降低幅度最大，其在丁腈橡胶表面形成了一层力学性能明显优于基底橡胶材料的保护层，硬度与耐磨性优良。

图7 表面改性橡胶摩擦因数随载荷变化规律

由图8知，随着载荷的增加，改性橡胶的摩擦因数虽然呈现下降趋势，但摩擦力是增加的，若是从降低磨损的角度出发，由于橡胶的磨损在很大程度上可以认为是橡胶交联被机械应力破坏的结果，因此摩擦阻力的大小在某种程度上更能表征表面材料的磨损情况。其中溴化、碘化橡胶的摩擦阻力趋于某一稳定值，混合氧化的在低载荷下摩擦力明显低于其他3种情况，在高载荷下摩擦力与摩擦因数与碘化改性橡胶相接近，优于普通丁腈橡胶与溴化改性结果。综合对比下，混合氧化改性橡胶的耐磨性最佳。

图8 表面改性橡胶摩擦力随载荷变化规律

4.3磨损量比较

为了验证混合氧化橡胶的耐磨性，检测其磨损量，进行干摩擦试验，试样选为轴承钢球(增大接触压力)，试验载荷30 N，往复频率4 Hz，时间为3 600 s。

试验结果如图9～10所示，混合氧化的丁腈橡胶的磨损质量和体积发生了明显下降，磨损量和磨损体积仅为原始丁腈橡胶的34%。因此，混合氧化改性的丁腈橡胶的实验室抗磨损性能与寿命达到了原始丁腈橡胶材料的2倍以上[7-8]]。

图9 磨损质量比较

图10 相对磨损体积

5 现场试验

在马岭油田选取了3口盘根更换比较频繁的油井，对其在用的丁腈橡胶盘根进行化学改性。对比试验后发现，3口井盘根更换周期都有不同程度的延长，平均更换周期从4.3 d延长到8.3 d，效果显著。

表4 表面改性盘根更换周期

6 结论

6.1研究结果

1) 在丁腈橡胶中掺杂纳米级石墨或二硫化钼，可改善其耐磨性能。测试改性橡胶的摩擦因数，添加了纳米级石墨的丁腈橡胶的摩擦因数为1.18，添加了二硫化钼的丁腈橡胶的摩擦因数为1.15。原始丁腈橡胶的摩擦因数为1.48，说明石墨和二硫化钼的添加效果基本相当，均能够提高橡胶材料的耐磨性能。

2) 提出了采用化学改性手段来强化丁腈橡胶表面耐磨性能的方案。分别使用溴化改性、碘化改性与混合氧化改性的方法对丁腈橡胶进行了表面处理，其中混合氧化方法的效果最好，实验室条件下摩擦因数相比丁腈橡胶降低20%～60%，磨损质量和体积仅为原始丁腈橡胶的34%。因此，其磨损寿命能达到原始丁腈橡胶的2倍以上。现场盘根平均更换周期从4.3 d延长到8.3 d。

6.2存在问题与今后的研究方向

1) 对橡胶进行纳米材料改性时，应对石墨、二硫化钼两种减摩添加剂的含量进行优化调整，进一步提升丁腈橡胶耐磨性能。

2) 室内对橡胶进行混合氧化时，容易产生氧化过度问题，因此浸泡溶液的配方和浸泡时间应做进一步的优化调整。

6.3应用前景

纳米材料和化学改性方法能够提升油井井口橡胶盘根的耐磨性能，延长盘根的使用寿命1倍左右。该技术在油井上推广应用，可以大幅降低盘根更换次数和盘根更换成本，降低现场劳动强度和盘根更换对油井时率的影响，推广应用的前景非常广阔。

[1] 刘宝.抽油井光杆密封器现场应用效果评价[J].化学工程与装备，2016(11)：98-99.

[2] 王仕江，曹开斌，耿艳春.石墨填充改性PTFE 纤维编织盘根的研制[J].液压气动与密封，2012 (10 )：82-83.

[3] 韩珩.丁腈橡胶表面化学改性及其摩擦学和耐油性能研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2014.

[4] 曲敬贤，陈海峰.丁腈橡胶的并用改性及应用进展[J].合成树脂及塑料，2015(32)：82-84.

[5] 王忠超.丁腈橡胶性能影响因素研究[D].兰州：西北师范大学，2012.

[6] 江晓红，Y armo lenkoМА，Rogachev A V，等.聚合物复合薄膜改性橡胶表面结构及其摩擦性能研究[J].摩擦学学报，2007，27(2)：106-111.

[7] 田斌，丛川波，孟晓宇，等.裂纹形态对丁腈橡胶力学性能和耐疲劳性能的影响[J].合成材料老化与应用，2014，43(5)：1-4.