CN104177739B - 垂直钻井工具用橡胶油囊及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直钻井工具用橡胶油囊及其制备方法，包括用于与液压源连接的金属嘴和与金属嘴密封连接的用于收缩膨胀变形的油囊端，所述油囊端的组分包括下述质量份的原料：氟橡胶100；耐高温蜡2.0；加工助剂1.0；炭黑5～30；金属氧化物1.0～5.0；吸酸剂2.0～20.0；3#硫化剂1.0～6.0。本发明的油囊安装在美孚ATF220或者SCH524的液压油环境当中，在压力140MPa，温度150℃的条件下，可以安全运行200小时，完全满足了垂直钻井工具对密封件的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油钻井工具所用密封件及其制造方法，具体是安装在垂直钻井工具上的橡胶油囊的制备方法，属于橡胶胶囊制造技术领域。
背景技术
垂直钻井工具可实现井下主动纠斜、保持井眼垂直、提高井身质量、有效防止套管磨损、减少井下复杂事故等多种作用。国外在垂直钻井技术方面有代表性的是斯伦贝谢公司的Power-V垂直钻井系统、贝克休斯公司Verti-Track垂直钻井系统和哈里伯顿公司的V-Pilot垂直钻井系统。国内研制出的适应于171/2″和16″井眼的BH-VDT5000垂直钻井系统，其核心密封件之一即橡胶油囊存在着耐高温、耐液压油性能差、使用寿命短等技术问题，严重影响着垂直钻井工具的有效使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种垂直钻井工具用橡胶油囊及其制备方法，本发明制造的垂直钻井工具用橡胶油囊耐高温(150℃)、耐高压(140MPa)、耐液压油(美孚ATF220或者SCH524)性能好、使用寿命长(大于300小时)，可以保证垂直钻井工具长期有效工作。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种垂直钻井工具用橡胶油囊，包括用于与液压源连接的金属嘴和与金属嘴密封连接的用于收缩膨胀变形的油囊端，所述油囊端的组分包括下述质量份的原料：氟橡胶100；耐高温蜡2.0；加工助剂1.0；炭黑5～30；金属氧化物1.0～5.0；吸酸剂2.0～20.0；3#硫化剂1.0～6.0。
所述氟橡胶为偏氟乙烯-六氟丙烯二元共聚氟橡胶。
所述炭黑为中粒子热裂炭黑。
所述金属氧化物为活性氧化镁。
所述吸酸剂为氢氧化钙。
所述加工助剂为德国Struktol公司生产的WS-280，成分为脂肪酸衍生物的混合物。
所述耐高温蜡为棕榈蜡。
上述的垂直钻井工具用橡胶油囊的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：油囊胶料制造
先将生料氟橡胶进行薄通压合，再加入少许炭黑和按质量分数加金属氧化物进行薄通压合，再加入剩余炭黑、耐高温蜡，加入3#硫化剂，进行翻炼，混炼均匀后下片，制成各种尺寸的胶片；
步骤2：金属嘴处理
金属嘴进行喷砂处理，油清理表面油脂，干燥后均匀涂刷硅烷类粘接剂；
步骤3：油囊橡胶端制造
取制造好的胶片加入注射U形腔内，进行硫化，压力：3.5-5MPa；温度：145-160℃；时间：20-40min，得到U形油囊橡胶端；
步骤4：油囊金属嘴端制造
将经过预处理的金属嘴安装在模具中，根据橡胶油囊上段的外形，取步骤1制造好的胶片缠绕在金属嘴外周，在模具中进行硫化，压力：3.5-5MPa；温度：145-165℃；时间：15-30min；
步骤5：油囊两端对接
将步骤3制备的油囊橡胶端和步骤4制备的油囊金属嘴端需要两端对接部位用风动砂轮打磨，打磨后的对接部位用汽油擦拭干净，涂刷胶黏剂，然后进行粘合；
步骤6：油囊充气一段硫化
将粘合好的油囊安装在充气硫化工装内，放入平板硫化机上，然后向油囊充气，硫化条件：平板压力3.5-5MPa；温度150-170℃；时间20-40min；油囊充气压力0.3-0.6MPa；
步骤7：油囊二段硫化
室温→150℃×1小时→180℃×16小时→200℃×3小时。
所述步骤5中，将油囊两端按照10mm对接尺寸粘接，粘接面为坡面对接。
本发明的有益效果是：本发明的油囊安装在美孚ATF220或者SCH524的液压油环境当中，在压力140MPa，温度150℃的条件下，可以安全运行200小时，完全满足了垂直钻井工具对密封件的要求。
附图说明
图1是本发明的垂直钻井工具用橡胶油囊的结构示意图；
图2是本发明的垂直钻井工具用橡胶油囊的油囊金属嘴结构图；
图3是本发明的垂直钻井工具用橡胶油囊的油囊金属嘴端结构图；
图4是本发明的垂直钻井工具用橡胶油囊的油囊金属嘴端制造模具图；
图5是本发明的垂直钻井工具用橡胶油囊的油囊橡胶端结构图
图6是本发明的垂直钻井工具用橡胶油囊的油囊橡胶端制造模具图；
图7是本发明的垂直钻井工具用橡胶油囊的油囊充气硫化模具图。
图中；1-金属嘴，2-油囊金属嘴端，3-油囊橡胶端，4-两端对接部位，5-油囊金属嘴端制造模具下模，6-油囊金属嘴端制造模具中模，7-油囊金属嘴端制造模具上模，8-油囊橡胶端制造模具下模，9-油囊橡胶端制造模具中下模，10-油囊橡胶端制造模具中上模，11-油囊橡胶端制造模具上模，12-油囊充气硫化模具注胶口，13-橡胶油囊充气硫化模具下模，14-油囊充气硫化模具中下模，15-油囊充气硫化模具中上模，16-油囊充气硫化模具上模，17-油囊充气硫化模具进气嘴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1-7所示，本发明的垂直钻井工具用橡胶油囊，包括用于与液压源连接的金属嘴和与金属嘴密封连接的用于收缩膨胀变形的油囊端，所述油囊端的组分包括下述质量份的原料：氟橡胶100；耐高温蜡2.0；加工助剂1.0；炭黑5～30；金属氧化物1.0～5.0；吸酸剂2.0～20.0；3#硫化剂1.0～6.0。
所述氟橡胶为偏氟乙烯-六氟丙烯二元共聚氟橡胶。
所述炭黑为中粒子热裂炭黑。
所述金属氧化物为活性氧化镁。
所述吸酸剂为氢氧化钙。
所述加工助剂为德国Struktol公司生产的WS-280，成分为脂肪酸衍生物的混合物。
所述耐高温蜡为棕榈蜡。
上述的垂直钻井工具用橡胶油囊的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：油囊胶料制造
先将生料氟橡胶进行薄通压合，再加入少许炭黑和按质量分数加金属氧化物进行薄通压合，再加入剩余炭黑、耐高温蜡，加入3#硫化剂，进行翻炼，混炼均匀后下片，制成各种尺寸的胶片；
步骤2：金属嘴处理
金属嘴进行喷砂处理，油清理表面油脂，干燥后均匀涂刷硅烷类粘接剂；
步骤3：油囊橡胶端制造
取制造好的胶片加入注射U形腔内，进行硫化，压力：3.5-5MPa；温度：145-160℃；时间：20-40min，得到U形油囊橡胶端；
步骤4：油囊金属嘴端制造
将经过预处理的金属嘴安装在模具中，根据橡胶油囊上段的外形，取步骤1制造好的胶片缠绕在金属嘴外周，在模具中进行硫化，压力：3.5-5MPa；温度：145-165℃；时间：15-30min；
步骤5：油囊两端对接
将步骤3制备的油囊橡胶端和步骤4制备的油囊金属嘴端需要两端对接部位用风动砂轮打磨，打磨后的对接部位用汽油擦拭干净，涂刷胶黏剂，然后进行粘合；
步骤6：油囊充气一段硫化
将粘合好的油囊安装在充气硫化工装内，放入平板硫化机上，然后向油囊充气，硫化条件：平板压力3.5-5MPa；温度150-170℃；时间20-40min；油囊充气压力0.3-0.6MPa；
步骤7：油囊二段硫化
室温→150℃×1小时→180℃×16小时→200℃×3小时。
所述步骤5中，将油囊两端按照10mm对接尺寸粘接，粘接面为坡面对接。
垂直钻井工具用橡胶油囊(以下简称油囊)，产品使用环境要求高温液压油中浸泡，受液压油的高温、晃动、拉伸、振动、冲击等多种应力共同作用，需要胶料具有较高的高温强力，较低的变形，胶料还必须要有相当好的工艺性能，如自粘性、互粘性(胶料与金属)、复杂型面的注压性能和硫化性能。根据环境使用要求，选择氟橡胶为主体橡胶，考虑其自粘性和与金属的粘合性选择26型氟橡胶，优选了适于用胺类硫化剂硫化的氟橡胶，这种橡胶具有良好的焦烧安全性，良好的物理机械性能，与金属粘接性能好，适应于油囊的使用环境；选择了补强剂炭黑，胶料粘度较低，具有良好的模内流动性能；加入了耐高温蜡，保证了制品的脱模性能。金属嘴端模具为半开放式模具，填胶容易，定位准确，容易排气，脱模便利。橡胶端模具为注压式模具，胶料通过注压孔预热后，流动性好，易于充满模具，产品尺寸易于控制。设计油囊充气硫化模具将金属嘴端和橡胶端对接，进行充气硫化粘接。
所述氟橡胶为偏氟乙烯-六氟丙烯二元共聚氟橡胶，日本大金公司的G-501NK，所述炭黑为中粒子热裂炭黑，所述金属氧化物为活性氧化镁，所述吸酸剂为氢氧化钙，所述加工助剂为德国Struktol公司生产的WS-280，成分为脂肪酸衍生物的混合物。
具体地说，其制备步骤如下：
步骤1：主体胶料制造
先将生胶进行薄通压合，再加入少许炭黑和金属氧化物按质量分数加入进行薄通压合，再加入剩余炭黑、耐高温蜡，加入3#硫化剂，进行翻炼，混炼均匀后下片，制成各种尺寸的胶片。
混炼工艺见表1。
表1、混炼工艺表
| 序号 | 工序 | 辊温 | 滚距mm | 时间min |
| 1 | 生胶压合 | 前滚：40℃ | 0.5～1 | 5 |
| 2 | 加活性剂，加工助剂 | 后滚：45℃ | 3～4 | 2 |
| 3 | 加炭黑、棕榈蜡 | 3～4 | 8 | |
| 4 | 3#硫化剂 | 5～6 | 3 | |
| 5 | 翻炼 | 5～6 | 2 | |
| 6 | 薄通三遍 | 0.5～1 | 5 | |
| 7 | 打八把刀 | 3～4 | 3 | |
| 8 | 下片 | 3～4 | 2 | |
| 总计 | 30±1 |
步骤2：金属件处理
金属件进行喷砂处理。
将喷砂好的金属件用120#溶剂汽油清理表面油脂，干燥后均匀涂刷两遍粘着剂。
步骤3：油囊橡胶端制造
取制造好的胶片加入注射腔内。
硫化条件：压力：4MPa；温度：155℃；时间：30min。
步骤4：油囊金属嘴端制造
将经过预处理的金属件安装在模具下模，用长度为10.5mm的6个钢针插入金属件的6个小孔中。
取上述制造好的圆形胶片2块加入下模；取长方形胶片1块缠绕在中模凸台上。
硫化。硫化条件：压力：4MPa；温度：155℃；时间：30min。
步骤5：油囊两端对接
将油囊两端10mm对接部位用风动砂轮打磨，打磨后的对接部位用汽油擦拭干净，待用。
在油囊两端10mm对接部位涂刷胶黏剂两遍，然后将油囊两端按照10mm对接尺寸进行粘合。
步骤6：油囊充气一段硫化
将粘合好的油囊安装在充气硫化工装内，放入400×400平板硫化机上，然后向油囊充气。
硫化条件：平板压力：4MPa；油囊压力：0.6MPa；温度：160℃；时间：40min。
步骤7：油囊二段硫化
室温→150℃×1小时→180℃×16小时→200℃×3小时。
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1-5胶料配方表
| 胶料配方 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 氟橡胶 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 活性氧化镁 | 1.0 | 5.0 | 3.5 | 2.5 | 2.0 |
| 氢氧化钙 | 10.0 | 5.0 | 2.0 | 20.0 | 15.0 |
| 中粒子热裂炭黑 | 15.0 | 30.0 | 20.0 | 5.0 | 10.0 |
| 3#硫化剂 | 1.0 | 6.0 | 3.5 | 4.5 | 2.0 |
| 加工助剂 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 棕榈蜡 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
注：1.氟橡胶为日本大金公司G-501NK；2.加工助剂为德国Struktol公司生产的WS-280，成分为脂肪酸衍生物的混合物
实施例1：
步骤1：主体胶料制造
按实施例1配方，先将生胶薄通，再加入少许炭黑和金属氧化物薄通压合，再加入剩余炭黑、棕榈蜡，加入3#硫化剂，进行翻炼，混炼均匀下片，制成各种尺寸的胶片。
步骤2：金属件1处理
将金属件1进行喷砂处理，将喷砂好的金属件1用120#溶剂汽油清理表面油脂，干燥后均匀涂刷两遍粘接剂(FA-1(太原市拓普科贸有限公司))，涂刷厚度为底涂1～10μ。
步骤3：油囊橡胶端3制造
取上述制造好的胶片3块，加入注射腔内，见图6，合上油囊橡胶端制造模具下模8、油囊橡胶端制造模具中下模9和油囊橡胶端制造模具中上模10，通过橡胶油囊后段制造模具上模11将胶料通过橡胶油囊充气硫化模具注胶口12挤压入型模具腔内进行硫化。
硫化条件：压力：4MPa；温度：155℃；时间：30min
步骤4：油囊金属嘴端制造
将经过预处理的金属件1安装在橡胶油囊金属嘴端制造模具下模5中，用长度为10.5mm的6个钢针插入金属件的6个小孔中。
取上述制造好的圆形胶片2块加入下模5；取长方形胶片1块缠绕在中模6凸台上，盖上油囊金属嘴端制造模具上模7，硫化。
硫化条件；压力：4MPa；温度：155℃；时间：30min。
步骤5：油囊两端对接
将前后段橡胶油囊10mm对接部位4用风动砂轮打磨，打磨后的对接部位用汽油擦拭干净，待用。
在油囊两端10mm对接部位4涂刷粘接剂两遍，然后将油囊两端按照10mm对接尺寸进行粘合。
步骤6：油囊充气一段硫化
将粘合好的橡胶油囊安装在充气硫化模具内，合上橡胶油囊充气硫化模具下模13、油囊充气硫化模具中下模14、油囊充气硫化模具中上模15、油囊充气硫化模具上模16，见图7，放入400×400平板硫化机上，然后通过进气嘴17向橡胶油囊充气。
硫化条件：平板压力：4MPa；橡胶油囊压力：0.6MPa；温度：160℃；时间：40min。
步骤7：橡胶油囊二段硫化
室温→150℃×1小时→180℃×16小时→200℃×3小时。
实施例2：
步骤1：主体胶料制造
按实施例2配方，先将生胶薄通，再加入少许炭黑和金属氧化物薄通压合，再加入剩余炭黑、棕榈蜡，加入3#硫化剂，进行翻炼，混炼均匀下片，制成各种尺寸的胶片。
重复步骤2——步骤7。
实施例3：
步骤1：主体胶料制造
按实施例3配方，先将生胶薄通，再加入少许炭黑和金属氧化物薄通压合，再加入剩余炭黑、棕榈蜡，加入3#硫化剂，进行翻炼，混炼均匀下片，制成各种尺寸的胶片。
重复步骤2——步骤7。
实施例4：
步骤1：主体胶料制造
按实施例4配方，先将生胶薄通，再加入少许炭黑和金属氧化物薄通压合，再加入剩余炭黑、棕榈蜡，加入3#硫化剂，进行翻炼，混炼均匀下片，制成各种尺寸的胶片。
重复步骤2——步骤7。
实施例5：
按实施例5配方，先将生胶薄通，再加入少许炭黑和金属氧化物薄通压合，再加入剩余炭黑、棕榈蜡，加入3#硫化剂，进行翻炼，混炼均匀下片，制成各种尺寸的胶片。
重复步骤2——步骤7。
经试验实施例1-5油囊胶料物理机械性能下表。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，相同领域内的有识之士可以在本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。
Claims (8)
1.一种垂直钻井工具用橡胶油囊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：油囊胶料制造
先将生料氟橡胶进行薄通压合，再加入少许炭黑和按质量分数加金属氧化物进行薄通压合，再加入剩余炭黑、耐高温蜡，加入3#硫化剂，进行翻炼，混炼均匀后下片，制成各种尺寸的胶片；在胶片制备过程中还加入加工助剂；所述油囊胶料包括下述质量份的原料：氟橡胶 100；耐高温蜡 2.0；加工助剂 1.0；炭黑 5～30；金属氧化物 1.0～5.0；吸酸剂 2.0～20.0；3#硫化剂 1.0～6.0；
步骤2：金属嘴处理
金属嘴进行喷砂处理，油清理表面油脂，干燥后均匀涂刷硅烷类粘接剂；
步骤3：油囊橡胶端制造
取制造好的胶片加入注射U形腔内，进行硫化，压力：3.5-5MPa；温度：145-160℃；时间：20-40min，得到U形油囊橡胶端；
步骤4：油囊金属嘴端制造
将经过预处理的金属嘴安装在模具中，根据橡胶油囊上段的外形，取步骤1制造好的胶片缠绕在金属嘴外周，在模具中进行硫化，压力：3.5-5MPa；温度：145-165℃；时间：15-30min；
步骤5：油囊两端对接
将步骤3制备的油囊橡胶端和步骤4制备的油囊金属嘴端需要两端对接部位用风动砂轮打磨，打磨后的对接部位用汽油擦拭干净，涂刷胶黏剂，然后进行粘合；
步骤6：油囊充气一段硫化
将粘合好的油囊安装在充气硫化模具内，放入平板硫化机上，然后向油囊充气，硫化条件：平板压力3.5-5MPa；温度150-170℃；时间20-40min；油囊充气压力0.3-0.6MPa；
步骤7：油囊二段硫化
室温→150℃×1小时→180℃×16小时→200℃×3小时。
2.根据权利要求1所述的垂直钻井工具用橡胶油囊的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，将油囊两端按照10mm对接尺寸粘接，粘接面为坡面对接。
3.根据权利要求1所述的垂直钻井工具用橡胶油囊的制备方法，其特征在于，所述氟橡胶为偏氟乙烯-六氟丙烯二元共聚氟橡胶。
4.根据权利要求1所述的垂直钻井工具用橡胶油囊的制备方法，其特征在于，所述炭黑为中粒子热裂炭黑。
5.根据权利要求1所述的垂直钻井工具用橡胶油囊的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物为活性氧化镁。
6.根据权利要求1所述的垂直钻井工具用橡胶油囊的制备方法，其特征在于，所述吸酸剂为氢氧化钙。
7.根据权利要求1所述的垂直钻井工具用橡胶油囊的制备方法，其特征在于，所述加工助剂为德国Struktol公司生产的WS-280，成分为脂肪酸衍生物的混合物。
8.根据权利要求1所述的垂直钻井工具用橡胶油囊的制备方法，其特征在于，所述耐高温蜡为棕榈蜡。
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