提高油井盘根耐磨性技术研究与应用

摘要：在抽油机采油过程中，盘根密封性好坏直接影响井口是否漏油和油井生产时率。本文针对常规丁腈橡胶存在耐温性、耐磨性差问题，围绕纳米掺杂和化学改性工艺技术，对原始丁腈橡胶进行化学处理，提高其耐磨性。实验结果表明，掺有石墨或二氧化钼丁腈橡胶经过复合氧化改性后，抗磨性是原始丁腈橡胶3倍以上，现场应用8井次，平均盘根更换周期由4.5天延长至9.6天，提高5.1天，效果显著。

关键词：油井生产   井口盘根   耐磨性  技术研究

1.前言

盘根是装在油井井口胶皮阀门盘根盒内的密封橡胶，受光杆往复运动影响，现场生产中常存在盘根磨损严重问题，易导致井口漏油，污染井口环境，安全环保压力巨大。本文重点开展盘根耐磨性能技术研究，延长盘根使用寿命，减少员工劳动强度，提高油井生产时率，实现提质增效目的。

2.常用盘根存在问题

由于丁腈橡胶具有较好耐油性、耐磨性，且价格便宜，常作为井口密封盘根主要材料，广泛应用于各大油田生产中，但受本身材质限制，其存在三方面技术缺陷，一是耐温性能差，弹性补偿性能不好，易老化;二是表面摩擦系数高，易造成磨损;三是使用寿命短，平均更换周期30～45天，偏磨严重井1～2天更换，增加维护工作量及材料成本。针对上述在问题，围绕优化盘根材质和降低表面摩擦系数两方面开展技术研究，达到改善丁腈橡胶耐磨性目的。

3.技术对策研究

3.1摩擦系数测定

对于常规丁腈橡胶摩擦系数测定，主要应用摩擦磨损试验机，模拟现场抽油机工况，实施光杆与橡胶材料间往复运动，往复行程2.5mm，频率2.5HZ，测定不同载荷下的摩擦系数，确定丁腈橡胶摩擦系数为1.48。

3.2纳米掺杂工艺

（1）技术机理

纳米掺杂技术机理是在材料中加入某种纳米级元素，改变材料性能。针对丁腈橡胶摩擦系数高问题，将润滑性能优良的二硫化钼和石墨掺入至丁腈生胶中，改善其摩擦性能，降低磨损率。

（2）工艺流程

整个工艺流程主要有四步，一是将丁腈生胶加入至开炼机上塑炼;二是至生胶包辊后，先加入活性剂，再加入炭黑、增塑剂和防老剂;三是混炼均匀后，加入石墨;四是加入硫化剂和促进剂，再次混炼均匀;五是硫化处理，温度控制在150～200℃之间，使塑性橡胶逐渐转换成弹性橡胶，完成纳米掺杂工序。橡胶掺杂二氧化钼工艺与上述掺杂石墨流程一致。

（3）性能测试

采用摩擦磨损试验机，在频繁2Hz、载荷0.7kg和往复行程2.5mm工况下测定加入石墨和二氧化钼的丁腈橡胶摩擦系数，结果分别为1.16和1.15，相比原生丁腈橡胶，摩擦系数降低0.32～0.33，表明石墨和二氧化钼均能大幅度提升橡胶材料的耐磨性。

3.3化学改性技术

（1）技术机理

化学改性技术主要分为卤化改性和磺化改性，卤化改性是利用金属卤化物对橡胶进行处理，通过控制温度、浓度、时间等因素，在橡胶表面发生氧化和加成反应，形成一层表面改性结构层，在保持橡胶原有特性同时，增加其耐磨性能;而磺化改性是将橡胶浸入硫酸或亚硫酸溶液中，发生一系列化学反应后，使橡胶表面活化或极性化，提高其拉伸强度、撕裂强度及耐磨性等。

（2）工艺流程

对纳米掺杂后的橡胶进行化学改性，主要采用溴化、碘化和混合氧化处理，溴化和碘化属于卤化改性，混合氧化属于综合溴化、碘化和磺化特点的处理方式，具体工艺流程如下：首先是溴化改性，采用40%浓度溴溶液，浸泡5～7天，橡胶表面会形成一层致密的改造层;其次是碘化改性，利用碘化钾溶液浸泡橡胶5-7天，充分反应后橡胶表面形成不连续结构层;三是混合氧化，将橡胶浸入含有浓硫酸、溴、钾的溶液中，浸泡5-7天，橡胶表面会生成一层致密的氧化层。

（3）性能测试

对溴化改性、碘化改性和混合氧化改性的橡胶测定摩擦系数，工况参数为：载荷0.7kg，往复频率2Hz，往复行程2.5mm，测试结果表明，溴化改性橡胶摩擦系数1.22，碘化改性橡胶摩擦系数1.28，复合氧化改性橡胶摩擦系数1.05。

为进一步验证混合氧化改性橡胶耐磨性，再次进行干摩擦实验，实验试样为轴承钢球，实验工況：载荷4kg，往复频率4Hz，时间为1小时。

实验结果表明，原始丁腈橡胶磨损量为5.4mg，混合氧化改性橡胶磨损量为1.7mg，相当于原始丁腈橡胶31.5%，表明混合氧化改性橡胶耐磨性更强。

4.现场应用效果

以L油田为例，优选8口盘根更换频繁油井实施现场试验，对比原始丁腈橡胶，应用混合氧化改性橡胶后，平均盘根更换周期由4.5天延长至9.6天，提高5.1天，效果显著。

5.结论

（1）常规丁腈橡胶存在耐温性、耐磨性差问题，更换频繁，增加维护工作量及材料成本。

（2）围绕纳米掺杂和化学改性工艺技术，对原始丁腈橡胶进行化学处理，实验结果表明，掺有石墨或二氧化钼丁腈橡胶经过复合氧化改性后，抗磨性是原始丁腈橡胶3倍以上，且以L油田为例，现场应用8井次，平均盘根更换周期延长5.1天，效果显著。

（3）本文在提高盘根耐磨性方面取得成果及认识，可为同行提供借鉴经。

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作者简介：

刘海燕，女，1973年12月出生鞍山台安，汉族，助工，1998年毕业于辽宁财政高等专科学校，现于辽河油田兴隆台采油厂从事生产经营工作。