CN105330940B - 抽油杆扶正器、制备抽油杆扶正器的材料及其制作方法 - Google Patents

抽油杆扶正器、制备抽油杆扶正器的材料及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采油设备，目的是提供一种结构简单、耐磨性好、耐腐蚀性好的抽油杆扶正器、制备抽油杆扶正器的材料及其制作方法，抽油杆扶正器包括两个结构相同的本体，本体包括连接部，连接部上开设横截面为半圆形的通槽，连接部的一端设置卡槽，另一端设置与卡槽相匹配的凸榫，其中一个本体的凸榫和卡槽分别与另一个本体的卡槽、凸榫插接安装。制备抽油杆扶正器的材料按照质量百分比包括以下组分：30～40％的碳碳复合材料，10～25％的环氧树脂E12，其余为超高分子量聚乙烯，各组分通过高能球磨法进行混合制成。

Description

抽油杆扶正器、制备抽油杆扶正器的材料及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种采油设备，特别是涉及一种抽油杆扶正器。
背景技术
抽油机井一直以来都是国内外油田的主要采油方式，通过抽油杆向抽油泵传递动力来抽取原油，由于油井较深以及斜井等原因导致抽油杆会与油管内壁接触和摩擦，一段时间后会导致抽油杆偏磨和断脱的产生，从而导致油井不能正常运行。为了解决以上抽油杆偏磨问题，油田广泛采用扶正器的办法，即通过在两根相邻抽油杆之间或在抽油杆上加装扶正器来避免或减少抽油杆的偏磨。由于扶正器的外径比抽油杆和抽油杆接箍都要大，因此它会优先与油管内壁接触而避免了抽油杆与油管内壁的接触，从而对抽油杆形成保护。
但随着油井深度的加大，使用环境温度的提高，油井中腐蚀介质的增加，较大弯曲和倾斜井的出现，原有扶正器的局限越来越多，主要存在以下几种问题。
(1)结构复杂。
如CN200510044526专利所提出的双滚动轴承式抽油杆扶正器，通过滚动轴承的滚动摩擦方式取代一般扶正器与油管的滑动摩擦方式，降低摩擦阻力，但是扶正器本身结构复杂，零部件众多，在油井内的恶劣工作条件下，很容易损坏，造成零部件脱落，掉入井中，造成卡泵等事故。
另外，如CN201310377810专利所提出的自扶正式防磨空心抽油杆，理论上讲，已经不算扶正器，而是一种抽油杆短接了，它并不是直接安装在抽油杆上，而是像一根抽油杆一样，串接到抽油杆管柱中，这样，它的安装、拆卸比较麻烦，如果本体出问题断裂，就会导致抽油杆管柱断裂而发生事故。
再如CN201410216275专利所提出的耐磨扶正器结构，其设计结构本身就很复杂，同时也导致成本增加，不利于推广。
(2)耐磨性有限
目前，油田上使用的大部分普通扶正器，都是尼龙扶正器，这种扶正器价格便宜，加工简单。但是由于所用材料是普通尼龙材料，所以扶正器的耐磨性低，使用寿命短，在井下抽油杆偏磨段尼龙扶正器和油管内壁的金属材料相摩擦，很容易被磨损，造成扶正失效。
在这种情况下，有些专利技术采用耐磨金属材料代替尼龙材料，如CN200510044526专利提出的陶瓷材料，还有其他一些扶正器产品用的耐磨合金材料。但是，这些材料在与油管摩擦过程中，很容易将油管磨损，导致停产作业，更换油管，更换油管会造成更大的损失。
(3)耐腐蚀性有限。
目前，油井中的H2S、CO2、Cl-等腐蚀问题越来越严重。扶正器在起到抽油杆扶正，降低与油管摩擦磨损的情况下，如果能提高耐腐蚀性也是现在越来越重要的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、耐磨性好、耐腐蚀性好的抽油杆扶正器、制备抽油杆扶正器的材料及其制作方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种制备抽油杆扶正器的材料，按照质量百分比包括以下组分：
碳碳复合材料 30～40％，
环氧树脂E12 10～25％，
其余为超高分子量聚乙烯，
其中，碳碳复合材料采用以下步骤制备：
(1)采用AR中间相沥青、萘为原料，在催化剂HF下反应，反应温度为230～250℃，得到中间产物，其中AR中间相沥青与萘的质量比为(4-6):1，催化剂HF的质量为原料的3-5％；
(2)在惰性气体保护下，采用熔融混合法将多壁碳纳米管与上述中间产物混合，多壁碳纳米管与中间产物的质量比为1:(40～50)，加热温度为200～220℃，得到混合物；
(3)将上述混合物加热至880～920℃，并保温50-70分钟，进行石墨化处理，制得碳碳复合材料。
本发明制备抽油杆扶正器的材料，进一步的，所述步骤(1)中，反应时间为30-40分钟。
本发明制备抽油杆扶正器的材料，进一步的，所述步骤(2)中，加热至200～220℃后恒温保持30-40分钟。
本发明制备抽油杆扶正器的材料，优选的，按照质量百分比包括以下组分：
碳碳复合材料 35～40％，
环氧树脂E12 20～25％，
其余为超高分子量聚乙烯。
本发明制备抽油杆扶正器的材料，优选的，所述步骤(3)中，保温时间为60-65分钟。
本发明还提供了上述材料的制备方法，将碳碳复合材料、环氧树脂E12、超高分子量聚乙烯通过高能球磨法进行混合制成。
本发明还提供了一种抽油杆扶正器，采用上述材料制成，包括两个结构相同的本体，本体包括连接部，连接部上开设横截面为半圆形的通槽，连接部的一端设置卡槽，另一端设置与卡槽相匹配的凸榫，其中一个本体的凸榫和卡槽分别与另一个本体的卡槽、凸榫插接安装。
本发明抽油杆扶正器，进一步的，所述连接部一端在卡槽内侧位置设置凸起，连接部另一端设置与凸起相配合的锁紧槽，两个本体上的凸起分别卡入对应锁紧槽内。
本发明抽油杆扶正器，进一步的，所述连接部的外侧中部位置设置纵向加强肋，纵向加强肋与连接部之间圆弧过渡，纵向加强肋的两端设置为斜面，与竖直方向的夹角为10-20°。
本发明抽油杆扶正器，进一步的，所述连接部设置卡槽的一端两侧壁设置为斜面，斜面与竖直方向的夹角为20-30°。
本发明抽油杆扶正器、制备抽油杆扶正器的材料及其制作方法具有以下有益效果：
1、采用针对油田情况进行改进的碳碳复合材料，与环氧树脂E12、超高分子量聚乙烯通过高能球磨法混合制成，热膨胀系数低、在井下高温条件下，没有明显尺寸变化；密度小，加工而成的扶正器质量轻，在井下管柱安装多个扶正器，管柱质量增加很少，抽油机的负载增加小，节能；摩擦性能好，比一般的尼龙材料等非金属材料的耐磨性能大大提高，使用寿命大大延长；与现有扶正器相比，耐腐蚀性能大大提高。
2、采用拼插式结构设计，结构简单，拆装方便，能有效解决复杂井况情况下的抽油杆扶正问题，且安全可靠，不易损坏，使用寿命长。
下面结合附图对本发明的抽油杆扶正器作进一步说明。
附图说明
图1为本发明抽油杆扶正器其中一个本体的主视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1中A-A剖视图；
图4为图1的左视图；
图5为本发明抽油杆扶正器的整体结构图。
具体实施方式
如图1-图5所示，本发明抽油杆扶正器包括两个结构相同的本体1，本体1包括连接部2，连接部2上开设横截面为半圆形的通槽3，连接部2的一端设置卡槽4，另一端设置与卡槽4相匹配的凸榫5。连接部2一端在卡槽4内侧位置设置凸起6，连接部另一端设置与凸起6相配合的锁紧槽7。连接部2设置卡槽4的一端两侧壁设置为斜面，斜面与竖直方向的夹角a为20-30°。连接部2的外侧中部位置设置纵向加强肋8，纵向加强肋8与连接部2之间圆弧过渡，纵向加强肋8的两端设置为斜面，与竖直方向的夹角b为10-20°。
其中一个本体1的凸榫和卡槽分别与另一个本体9的卡槽、凸榫插接安装，同时凸起卡入对应锁紧槽内锁紧。两个本体上的半圆形通槽构成圆形通槽，用于安装在抽油杆上。
制备抽油杆扶正器的材料，按照质量百分比包括以下组分：
碳碳复合材料 30～40％，
环氧树脂E12 10～25％，
其余为超高分子量聚乙烯，
其中，碳碳复合材料采用以下步骤制备：
(1)采用AR中间相沥青、萘为原料，在催化剂HF下反应30-40分钟，反应温度为230～250℃，得到中间产物，其中AR中间相沥青与萘的质量比为(4-6):1，催化剂HF的质量为原料的3-5％；AR中间相沥青可从济宁市鲁煤化工有限公司、常州黑玛新型碳材料工程技术研究中心有限公司或山西民诚碳素有限公司等采购。
(2)在惰性气体保护下，采用熔融混合法将多壁碳纳米管与上述中间产物混合，多壁碳纳米管与中间产物的质量比为1:(40～50)，加热温度为200～220℃，并恒温保持30-40分钟，得到混合物；
(3)将上述混合物加热至880～920℃，并保温50-70分钟，进行石墨化处理，制得碳碳复合材料。
本发明抽油杆扶正器材料的制备方法，将碳碳复合材料、环氧树脂E12、超高分子量聚乙烯通过高能球磨法进行混合制成。
本发明抽油杆扶正器采用注塑机注塑冲压制成。
实施例1
1、制备碳碳复合材料：
(1)采用AR中间相沥青、萘为原料，在催化剂HF下反应30分钟，反应温度为248℃左右，得到中间产物，其中AR中间相沥青与萘的质量比为4:1，催化剂HF的质量为原料的3％；
(2)在N2保护下，采用熔融混合法将多壁碳纳米管与上述中间产物混合，多壁碳纳米管与中间产物的质量比为1:40，加热温度为210℃左右，得到混合物；
(3)将上述混合物加热至882℃左右，并保温70分钟，进行石墨化处理，制得碳碳复合材料。
2、将制得的30份碳碳复合材料、20份环氧树脂E12、50份超高分子量聚乙烯通过高能球磨法进行混合，制得最终的材料。
3、将制得的材料采用注塑机注入模具，冲压制成两个结构相同的本体，制得本发明抽油杆扶正器。
实施例2
1、制备碳碳复合材料：
(1)采用AR中间相沥青、萘为原料，在催化剂HF下反应，反应温度为240℃左右，得到中间产物，其中AR中间相沥青与萘的质量比为5:1，催化剂HF的质量为原料的4％；
(2)在氩气保护下，采用熔融混合法将多壁碳纳米管与上述中间产物混合，多壁碳纳米管与中间产物的质量比为1:50，加热温度为218℃左右，并恒温保持30分钟，得到混合物；
(3)将上述混合物加热至900℃左右，并保温60分钟，进行石墨化处理，制得碳碳复合材料。
2、将制得的35份碳碳复合材料、25份环氧树脂E12、40份超高分子量聚乙烯通过高能球磨法进行混合，制得最终的材料。
3、将制得的材料采用注塑机注入模具，冲压制成两个结构相同的本体，制得本发明抽油杆扶正器。
实施例3
1、制备碳碳复合材料：
(1)采用AR中间相沥青、萘为原料，在催化剂HF下反应40分钟，反应温度为232℃左右，得到中间产物，其中AR中间相沥青与萘的质量比为6:1，催化剂HF的质量为原料的5％；
(2)在氦气保护下，采用熔融混合法将多壁碳纳米管与上述中间产物混合，多壁碳纳米管与中间产物的质量比为1:46，加热温度为202℃左右，并恒温保持40分钟，得到混合物；
(3)将上述混合物加热至918℃左右，并保温50分钟，进行石墨化处理，制得碳碳复合材料。
2、将制得的40份碳碳复合材料、10份环氧树脂E12、50份超高分子量聚乙烯通过高能球磨法进行混合，制得最终的材料。
3、将制得的材料采用注塑机注入模具，冲压制成两个结构相同的本体，制得本发明抽油杆扶正器。
对比例1 耐磨性实验
将本发明实施例1-3制得的抽油杆扶正器、普通尼龙扶正器、耐磨合金表面扶正器在胜利油田某偏磨严重的斜井进行了现场实验，在偏磨段的200米井段，共安装了35个扶正器，每种7个，采用间隔方式安装，作业3个月后，取出各扶正器进行检测，结果见表1。
表1
实验结果表明，本发明扶正器的耐磨性能仅次于耐磨合金表面扶正器，与普通尼龙扶正器相比提高了80％以上，且对对应部位的油管不会造成磨损。
对比例2 耐腐蚀性实验
采用美国Cortest公司生产的34.4Mpa高温高压釜，带有试样旋转装置。腐蚀介质采用油田模拟采出液，模拟油田常见的带有H2S、Cl-、CO2等腐蚀介质的工作环境，腐蚀介质的离子浓度为(g/L)：Cl-50，Ca2+18，Mg2+2；气体分压为(MPa)：CO21.20，H2S 0.014。将五个试样放入釜中，加入腐蚀介质，密封，通入高纯N2除氧12h，然后升温至预定温度80℃，通入H2S和CO2至预定压力，调节试样旋转装置，使介质相对试样的流速为1m/s，然后开始计时，腐蚀时间72小时。实验结束后取出试样，用清水冲去腐蚀介质，用无水乙醇脱水干燥并去除腐蚀产物膜，计算出各个试样的腐蚀速率，实验结果如表2所示。
表2
试样 腐蚀速率(mm/a)
普通尼龙扶正器样品 0.019
耐磨合金表面扶正器样品 0.042
实施例1 0.014
实施例2 0.014
实施例3 0.013
实验结果表明非金属材料比耐磨合金材料的耐腐蚀性显著提高，同时，本发明扶正器要比普通尼龙扶正器的耐腐蚀效果再提高约30％。
本发明抽油杆扶正器、制备抽油杆扶正器的材料及其制作方法具有以下有益效果：
1、采用针对油田情况进行改进的碳碳复合材料，与环氧树脂E12、超高分子量聚乙烯通过高能球磨法混合制成，热膨胀系数低、在井下高温条件下，没有明显尺寸变化；密度小，加工而成的扶正器质量轻，在井下管柱安装多个扶正器，管柱质量增加很少，抽油机的负载增加小，节能；摩擦性能好，比一般的尼龙材料等非金属材料的耐磨性能大大提高，使用寿命大大延长；与现有扶正器相比，耐腐蚀性能大大提高。
2、采用拼插式结构设计，结构简单，拆装方便，能有效解决复杂井况情况下的抽油杆扶正问题，且安全可靠，不易损坏，使用寿命长；连接部外侧设置纵向加强肋，如此设计保证过流通道是垂直的，连接部设置卡槽的一端两侧壁设置为斜面，采用这种形状设计可以最大效率的降低油井内原油流动阻力。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种制备抽油杆扶正器的材料，其特征在于：按照质量百分比包括以下组分：
碳碳复合材料 30～40％，
环氧树脂E12 10～25％，
其余为超高分子量聚乙烯，
其中，碳碳复合材料采用以下步骤制备：
(1)采用AR中间相沥青、萘为原料，在催化剂HF下反应，反应温度为230～250℃，得到中间产物，其中AR中间相沥青与萘的质量比为(4-6):1，催化剂HF的质量为原料的3-5％；
(2)在惰性气体保护下，采用熔融混合法将多壁碳纳米管与上述中间产物混合，多壁碳纳米管与中间产物的质量比为1:(40～50)，加热温度为200～220℃，得到混合物；
(3)将上述混合物加热至880～920℃，并保温50-70分钟，进行石墨化处理，制得碳碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备抽油杆扶正器的材料，其特征在于：所述步骤(1)中，反应时间为30-40分钟。
3.根据权利要求2所述的制备抽油杆扶正器的材料，其特征在于：所述步骤(2)中，加热至200～220℃后恒温保持30-40分钟。
4.根据权利要求1-3任一项所述制备抽油杆扶正器的材料，其特征在于：按照质量百分比包括以下组分：
碳碳复合材料 35～40％，
环氧树脂E12 20～25％，
其余为超高分子量聚乙烯。
5.根据权利要求1-3任一项所述制备抽油杆扶正器的材料，其特征在于：所述步骤(3)中，保温时间为60-65分钟。
6.权利要求1-3任一项所述材料的制备方法，其特征在于：将碳碳复合材料、环氧树脂E12、超高分子量聚乙烯通过高能球磨法进行混合。
7.一种抽油杆扶正器，其特征在于：采用权利要求1-3任一项所述的材料制成，包括两个结构相同的本体，本体包括连接部，连接部上开设横截面为半圆形的通槽，连接部的一端设置卡槽，另一端设置与卡槽相匹配的凸榫，其中一个本体的凸榫和卡槽分别与另一个本体的卡槽、凸榫插接安装。
8.根据权利要求7所述的抽油杆扶正器，其特征在于：所述连接部一端在卡槽内侧位置设置凸起，连接部另一端设置与凸起相配合的锁紧槽，两个本体上的凸起分别卡入对应锁紧槽内。
9.根据权利要求8所述的抽油杆扶正器，其特征在于：所述连接部的外侧中部位置设置纵向加强肋，纵向加强肋与连接部之间圆弧过渡，纵向加强肋的两端设置为斜面，与竖直方向的夹角b为10-20°。
10.根据权利要求9所述的抽油杆扶正器，其特征在于：所述连接部设置卡槽的一端两侧壁设置为斜面，斜面与竖直方向的夹角a为20-30°。
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