CN104356486A - 一种用于抽油杆接箍的耐磨耐高温材料的生产方法 - Google Patents

Abstract

一种用于抽油杆接箍的耐磨耐高温材料的生产方法，涉及油田生产技术领域，先将超高分子量聚乙烯、偶联的凹凸棒土、膨胀石墨、硬脂酸钙和抗氧剂于高速粉碎机中混合均匀后，再将混合料在液压机上压片，在平板硫化机上冷压成型，得到耐磨耐高温材料。本发明具有一定韧性，能够方便地外衬于抽油杆接箍外侧，在使用条件下能紧贴抽油杆接箍的外表面、不脱落，而且该材料在使用条件下应当具有耐温不小于120℃和良好的耐磨、耐溶胀、耐腐蚀、耐其他井下的物理化学环境的性能。

Description

一种用于抽油杆接箍的耐磨耐高温材料的生产方法

技术领域

本发明涉及油田生产技术领域，特别是有杆抽油用防偏磨接箍的耐磨耐高温材料的制备方法。

背景技术

现用于有杆抽油管杆防偏磨的手段主要包括扶正器、涂层、油管内衬和抽油杆接箍外衬。

扶正器是固定在抽油杆上的防磨块。由于扶正器减少了管杆的接触机会和其本身较好的耐磨性能，所以能够降低管杆偏磨，延长油井的检修周期。

涂层是涂于抽油杆及其接箍的外壁、油管及其接箍的内壁凃覆耐磨润滑材料，能有效降低杆管的摩擦和磨损。

油管内衬则是通过在油管管柱内壁衬上一层耐磨、耐腐蚀、耐井下温度的工程塑料，将抽油杆和油管之间的摩擦和磨损转变成抽油杆及其接箍和内衬的耐磨工程塑料之间的摩擦磨损，从而降低杆管磨损、延长了油井的检修周期。

抽油杆接箍外衬绝大多数是由于直径比抽油杆大的抽油杆接箍和油管之间的摩擦和磨损造成，因此，如果在抽油杆接箍外覆盖一层耐磨的工程塑料，在不明显增加流体流动阻力的情况下，能降低了杆管的磨损，延长了油井的检修周期。

能用于抽油杆接箍外衬的工程塑料要满足耐磨耐高温性能，常见的包括聚四氟乙烯(PTFE)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚苯酯(POB)，聚苯硫醚(PPS)，聚醚醚酮(PEEK)，聚酰亚胺(PI) 和本发明采用的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。

聚四氟乙烯（PTFE）是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具有优良的化学稳定性和耐腐蚀性，能耐王水和几乎所有化学溶剂的腐蚀和溶胀；聚四氟乙烯还具有良好的润滑能力和不粘性，摩擦系数小于0.05；聚四氟乙烯长期使用温度高达200-260℃，具有良好的耐高温能力，因此在耐摩擦磨损、耐腐蚀材料中具有广泛的应用。聚四氟乙烯价格的大幅度下降，也为其在工程领域的广泛使用创造了有利条件。然而，聚四氟乙烯塑料存在着硬度低、耐磨损性能差，分子间引力小、易剥落等缺点，其使用受到了很大的限制。

辽河油田开发了一种抽油杆防磨防脱接箍（《石油矿场机械》第25卷第6期）。该抽油杆接箍除具有防抽油杆脱扣的功能外，还在其外安装有一个由聚四氟乙烯挤压而成的防磨架，防磨架四周均布四个聚四氟乙烯防磨筋。鉴于聚四氟乙烯低的摩擦系数和良好的耐磨性能，从而延长了接箍的使用寿命。

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是由对苯二甲酸（TA）与乙二醇（EG）经脱水酯化、缩聚后得到的一种热塑性饱和聚酯。聚对苯二甲酸乙二醇酯具有良好的力学性能、耐油溶胀和耐酸碱腐蚀性能。纯的聚对苯二甲酸乙二醇酯具有优良的耐高温、耐低温性能，长期使用温度可以超过120℃。从经济上，聚对苯二甲酸乙二醇酯是的市场价格低，容易推广。

目前，还没有将聚对苯二甲酸乙二醇酯用在油水井内衬、外衬防腐蚀、防偏磨的报道。可以预见的是，通过对纯聚对苯二甲酸乙二醇酯进行物理化学改性，可以将其软化温度提高到140℃，并可以提高其耐摩擦磨损的能力。

聚苯酯（POB）又称对羟基苯甲酸酯，它是对羟基苯甲酸的聚合产物。聚苯酯是良好的耐高温工程塑料，长期使用温度超过300℃。聚苯酯具有良好的耐磨和自润滑性能，滑动摩擦系数0.16-0.3。聚苯酯的耐腐蚀、耐溶胀性能优良，几乎在所有的有机溶剂中都不溶胀。

聚苯酯也没有被使用在油水井耐磨、耐腐蚀衬管的报道。通过对其物理化学改性，进一步降低其摩擦系数和磨耗，能够被用在油井抽油杆接箍外衬。

其它能用于抽油杆接箍外衬的工程塑料包括聚酰亚胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）和聚醚醚酮（PEEK）等。这些工程塑料都具有耐温200℃以上、优异的耐摩擦磨损、耐腐蚀、耐溶胀能力，基本上满足抽油杆接箍外衬材料的使用要求。但是，这些材料的市场价格较贵，直接全部使用可能会有成本问题。

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）一般指分子量大于150万的线型高密度聚乙烯。作为工程塑料，超高分子量聚乙烯具有耐腐蚀、耐冲击、耐磨损、吸水率低等优良性质。但是，超高分子量聚乙烯在熔融后呈粘弹性，融体流动速率为零，临界剪切速率极低，在工程上极难成型。另外，纯的超高分子量聚乙烯的软化温度较低，约为80℃，不能直接用于抽油杆接箍，特别是深度较大的抽油井。

江苏油田研发了一种柔性防磨抽油杆接箍（《钻采工艺》，2013年5月）。通过该柔性防磨接箍，抽油杆可以发生任意方向的偏转，变偏磨为全磨；变刚性连接为柔性连接，降低了抽油杆接箍对油管的正压力，从而减少了磨损。同时，该方法在抽油杆接箍外表面烧结一层耐磨的超高分子量聚乙烯，减缓杆管之间的磨损，延长了杆管的寿命。但是，接箍外表面的超高分子量聚乙烯的软化温度低，在井深较大、井下温度较高时，烧结在抽油杆接箍外表面的超高分子量聚乙烯塑料就很快被磨损、脱落。所以，通过对超高分子量聚乙烯进行改性，提高其软化温度和在使用条件下耐磨损性能，才能起到减缓抽油杆接箍和油管之间的摩擦磨损，延长使用寿命的目的。

凹凸棒土（或称为凹凸棒粘土）是含有凹凸棒石成分的粘土。天然的凹凸棒土中凹凸棒石的含量从50-85%不等。凹凸棒石又叫绿坡缕石、坡缕石（Palygorskite）、山软木土等。凹凸棒石为一种晶质水合镁铝硅酸盐矿物，具有独特的层链状结构特征，在其结构中存在晶格置换，棒晶体中含有不定量的Na+、Ca2+、Fe3+、Al3+，在电子显微镜下晶体呈针状，纤维状或纤维集合状。凹凸棒石具有独特的分散、耐高温、抗盐碱等良好的胶体性质和较高的吸附脱色能力。并具有良好的可塑性及粘结力，具有介于链状结构和层状结构之间的中间结构。这些特殊的性质是它在塑料填充中能够改善塑料的软化温度、耐摩擦磨损性能。

发明内容

本发明目的是提出一种具有一定韧性，能够方便地外衬于抽油杆接箍外侧，在使用条件下能紧贴抽油杆接箍的外表面、不脱落的耐磨耐高温材料的生产方法。

本发明的技术方案是：先将超高分子量聚乙烯、偶联的凹凸棒土、膨胀石墨、硬脂酸钙和抗氧剂于高速粉碎机中混合均匀后，再将混合料在液压机上压片，在平板硫化机上冷压成型，得到耐磨耐高温材料。

本发明在分析杆管偏磨的原因和对策、高温耐磨材料研究进展的基础上，研发出能用于抽油杆接箍的外衬材料。该材料能够通过模压或烧结成型，具有一定韧性，能够方便地外衬于抽油杆接箍外侧，在使用条件下能紧贴抽油杆接箍的外表面、不脱落，而且该材料在使用条件下应当具有耐温不小于120℃和良好的耐磨、耐溶胀、耐腐蚀、耐其他井下的物理化学环境的性能。

本发明得到的超高分子量聚乙烯复合材料具有以下优点：（1）耐温可达120℃；（2）良好的耐摩擦磨损性能；（3）良好的耐腐蚀溶胀能了；（4）较好的力学性能：（5）良好的加工成型能力。

另外，混合时，所述超高分子量聚乙烯、偶联的凹凸棒土、膨胀石墨、硬脂酸钙和抗氧剂的混合质量比为100：10～40：1～3：0.5～2：0.3～1。

超高分子量聚乙烯为基体材料；偶联处理的凹凸棒土能够很好的分散在基体材料中，起到对基体材料填充增强、提高抗磨减摩能力和软化温度的作用。试验结果表明，太少的偶联凹凸棒粘土对基体材料的抗磨减摩性能、软化温度及其力学性能的改善有限，而太多的无机填料则会阻断基体材料之间的连接，各项指标明显下降，所以采用上述混合比的偶联的凹凸棒土最佳。膨胀石墨为润滑剂、脱模剂，试验表明，其含量在上述混合比的条件下效果最佳。硬脂酸钙为分散剂，主要起促进各组分均匀分散和提高熔体流动能力的作用，实验结果表明在上述混合比的条件下其表现最佳。抗氧化剂是提高制成品抗氧化和老化能力的添加剂，其含量在上述混合比的条件下更为优化。

采用的超高分子量聚乙烯的分子量为6,000,000～10,000,000。基体材料超高分最亮聚乙烯本身的耐磨能力和其粘均分子量大小有关。一般而言，分子量越大，其耐摩擦磨损性能越高，但是分子量也不是越大越好。实验结果表明，分子量上述超高分子量聚乙烯材料本身的耐磨摩擦磨损性能在试验条件下是最好的。

上述偶联的凹凸棒土的制法是：将凹凸棒土颗粒于玻璃研钵中研碎，将硅烷偶联剂KH-560溶于丙酮溶液中，再将研碎的凹凸棒土置于丙酮溶液中，高速搅拌机搅拌1小时，待丙酮液体大部分挥发，将混料80℃烘干5小时，即得到偶联的凹凸棒土。

经过偶联处理的凹凸棒土的表面极性会从亲水向亲油转变，而基体材料（超高分子量聚乙烯）的表面以非极性（亲油）为主，所以，经过偶联处理后的凹凸棒土能够更均匀地分散在基体材料中。

上述抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168中的一种或几种。抗氧剂1010属于酚类抗氧剂，用作主抗氧剂，对于聚乙烯类塑料具有卓越的抗氧化能力；抗氧剂168则属于亚磷酸酯类抗氧剂，作副抗氧剂，和抗氧剂1010之间具有良好的协同效应。

上述液压机的温度为170～240℃。在该条件下具有更高的耐摩擦磨损性能和力学性能。

上述平板硫化机的温度为40～60℃。冷压过程是为了让样品在一定的温度程序下冷却到室温，可以控制样品具有合适的结晶度。烧结后的样品在40～60℃冷却时所得样品的结晶度更适中，在保持了较高的硬度的同时还具有良好的韧性，这对材料的耐摩擦磨损性能有帮助。

上述所述硅烷偶联剂KH-560与偶联的凹凸棒土的投料质量比为0.5～2.0：100。采用该比例，既保持了偶联剂在无机的凹凸棒土表面的有完整的、均匀的分散，还避免了过多的偶联剂使用的浪费。

具体实施方式

实施例1

取100g凹凸棒土颗粒于玻璃研钵中研碎，取0.6ml硅烷偶联剂KH-560溶于200ml丙酮溶液中，搅匀，再将上述研碎的凹凸棒土置于丙酮溶液中，高速搅拌机搅拌1小时，待丙酮液体大部分挥发，将混合料在80℃烘干5小时，即得到偶联的凹凸棒土。

取上述偶联凹凸棒土15g，超高分子量聚乙烯（分子量为6,000,000～10,000,000）100g，石墨2g，硬脂酸钙1g，抗氧剂1010  0.3g和抗氧剂168  0.2g，在高速混合机中混合5min，得到混合料。取该混合料在液压机上压片，设定压片时液压机的工作温度190℃，预热15min，10MPa压力下压10min，再在工作温度为25℃的平板硫化机上室温冷压5min，得到片状材料。该材料的性能见表1。

实施例2

取上述偶联凹凸棒土30g，超高分子量聚乙烯（分子量为6,000,000～10,000,000）100g，石墨2g，硬脂酸钙1g，抗氧剂1010  0.3g和抗氧剂168  0.2g，在高速混合机中混合5min，得到混合料。取该混合料在液压机上压片，设定压片时液压机的工作温度240℃，预热15min，10MPa压力下压10min，再在工作温度为60℃的平板硫化机上室温冷压5min，得到片状材料。该材料的性能见表1。

对比例1

取纯的超高分子量聚乙烯（分子量为6,000,000～10,000,000）100g，在液压机的工作温度190℃条件下压片，设定压片温度190℃，预热15min，10MPa压力下压10min，再在工作温度为25℃的平板硫化机上室温冷压5min，得到片状材料。纯的超高分子量聚乙烯的性能见表1。

表1 材料的基本性能

由上表可见，经过偶联凹凸棒土和其他材料对优选的超高分子量聚乙烯改性后，得到的改性超高分子量聚乙烯复合材料的力学性能增强、软化温度提高、摩擦系数减小、磨耗下降。改性样品还具有良好的耐腐蚀、耐溶胀能力，满足有杆抽油系统中抽油杆接箍外衬材料耐磨耐高温的要求。

Claims (8)

1.一种用于抽油杆接箍的耐磨耐高温材料的生产方法，其特征在于先将超高分子量聚乙烯、偶联的凹凸棒土、膨胀石墨、硬脂酸钙和抗氧剂于高速粉碎机中混合均匀后，再将混合料在液压机上压片，在平板硫化机上冷压成型，得到耐磨耐高温材料。

2.根据权利要求1所述生产方法，其特征在于所述超高分子量聚乙烯、偶联的凹凸棒土、膨胀石墨、硬脂酸钙和抗氧剂的混合质量比为100：10～40：1～3：0.5～2：0.3～1。

3.根据权利要求1或2所述生产方法，其特征在于所述超高分子量聚乙烯的分子量为6,000,000～10,000,000。

4.根据权利要求1或2所述生产方法，其特征在于将硅烷偶联剂KH-560溶于丙酮溶液中，再将研碎的凹凸棒土置于硅烷偶联剂KH-560的丙酮溶液中，经搅拌使丙酮液体挥发后，再于80℃条件下，即得偶联的凹凸棒土。

5.根据权利要求1或2所述生产方法，其特征在于所述抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168中的至少于任意一种。

6.根据权利要求1或2所述生产方法，其特征在于在压片时，所述液压机的工作温度为170～240℃。

7.根据权利要求1或2所述生产方法，其特征在于在冷压成型时，所述平板硫化机的工作温度为40～60℃。

8.根据权利要求4所述生产方法，其特征在于所述硅烷偶联剂KH-560与偶联的凹凸棒土的投料质量比为0.5～2.0：100。