Vfgzaf石油大學(xué)畢業(yè)論文范文

1、作者:日期:生命是永恒不斷的創(chuàng)造，因?yàn)樵谒鼉?nèi)部蘊(yùn)含著過(guò)剩的精力，它不斷流溢，越出時(shí)間和空間的界限 ,它不停地追求， 以形形色色的自我表現(xiàn)的形式表現(xiàn)出來(lái)。泰戈 爾范文高性能封隔器膠筒研制摘要 : 根據(jù)膠筒的使用環(huán)境及特點(diǎn)，針對(duì)目前市場(chǎng)上小直徑特殊膠筒普遍存在 耐壓差低、壽命短的缺點(diǎn)，開(kāi)展了小直徑封隔器膠筒的膠料配合和結(jié)構(gòu)形狀研 究.結(jié)果顯示：與炭黑/NBR體系相比，在過(guò)氧化物硫化體系下 ，甲基丙稀酸鎂可 以有效補(bǔ)強(qiáng)丁腈橡膠，MMg/NBF硫化膠的邵 A硬度、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率和100%定伸強(qiáng)度均較高 ; 新設(shè)計(jì)的膠筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、易卸模、成品率高，并通 過(guò)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新的結(jié)構(gòu)形狀可以有效改善

2、膠筒的抗破壞性能，耐壓差性能 平均提高5MPa研制出的小直徑特殊膠筒性能指標(biāo)達(dá)到了耐溫120C、耐壓差25MPa,能滿足油田大部分套變井的要求。關(guān)鍵詞 ：封隔器膠筒； 過(guò)氧化物； 甲基丙稀酸鎂； 結(jié)構(gòu)； 模擬試驗(yàn)?zāi)夸浨把?11封隔器膠筒工況分析 21。1簡(jiǎn)介 21.2工況分析 21。3膠筒性能的影響因素 22研究方案設(shè)計(jì) 42.1技術(shù)路線 42。2技術(shù)方案 43配方實(shí)驗(yàn) 53.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 53.1。1原材料選擇 53.1。2儀器設(shè)備 53。2實(shí)驗(yàn)方案 53。2.1補(bǔ)強(qiáng)性能采用正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行配方設(shè)計(jì) 5防老化試驗(yàn)設(shè)計(jì) 53。3實(shí)驗(yàn)過(guò)程 63.3.1 混煉 63。3.2 硫化 6物化性能測(cè)試 63

3、。4結(jié)果分析 73.4.1 補(bǔ)強(qiáng)性能分析 7防老化性能分析 73.5小結(jié) 74結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化 84。1尺寸設(shè)計(jì) 84.2端部形狀設(shè)計(jì) 85加工工藝研究 95.1填料方式 95.2膠筒壁厚對(duì)硫化時(shí)間及溫度的影響 96封隔器膠筒模擬試驗(yàn) 106。1試驗(yàn)設(shè)備 106.2 試驗(yàn)記錄 106。3試驗(yàn)結(jié)果分析 106。3.1結(jié)構(gòu)形狀對(duì)膠筒性能的影響 106.3。2初始密封的座封力測(cè)定 116。3。3座圭寸載荷和密圭寸壓差的關(guān)系 11結(jié)論 12參考文獻(xiàn) 13致謝 14個(gè)人收集整理勿做商業(yè)用途、八 、-前言近年來(lái)， 中原油田的開(kāi)發(fā)已進(jìn)入高含水階段， 井況惡化現(xiàn)象嚴(yán)重 , 各種 新的配套工藝措施不斷出現(xiàn) , 所需

4、井下工具的結(jié)構(gòu)類(lèi)型也越來(lái)越多。根據(jù) 統(tǒng)計(jì)，到 2003 年底中原油田有各類(lèi)套管損壞井 1121 口，約占總油水井?dāng)?shù) 的 24%，其中，存在套管縮徑變形問(wèn)題的有720 口，其變形段的內(nèi)徑僅有108mm或者更少。常規(guī)的5%"井下工具的外徑一般在113m葉115mm,不能配合這部分措施井施工，導(dǎo)致部分油水井停產(chǎn)，給油田帶來(lái)了巨大損 失。故急需研制小直徑封隔器來(lái)滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求，使這部分油水井恢復(fù) 生產(chǎn)。另外隨著4套管技術(shù)在部分變形井中的應(yīng)用，也需要小直徑封隔器來(lái)配合現(xiàn)場(chǎng)施工。兩種封隔器都必須配有高性能的特殊膠筒來(lái)保證其密 封性能和措施有效期。（以下內(nèi)容略）1 封隔器膠筒工況分析1.1 簡(jiǎn)介

5、 封隔器膠筒一般由彈性體復(fù)合材料制備而成，可分為強(qiáng)制型、自封型 和復(fù)合型等 , 強(qiáng)制型中的壓縮式封隔器膠筒是用的最為普遍的一種，本課 題研究的就是此類(lèi)。作為封隔器的關(guān)鍵的彈性體密封部件 . 其位于油管和 套管之間，座封時(shí)承受軸向載荷產(chǎn)生徑向大變形，膠筒外壁與套管壁產(chǎn)生 接觸壓力，封隔環(huán)空。實(shí)現(xiàn)分層注水、酸化、壓裂等工藝措施。其質(zhì)量的 好壞直接影響到井下工具性能的高低，影響到增產(chǎn)措施的成敗。據(jù)保守估 計(jì),國(guó)內(nèi)油田年消耗量約在10 萬(wàn)套以上 .1。2 工況分析 封隔器膠筒的使用工況是非常復(fù)雜和苛刻的：高壓、高溫、處于油介 質(zhì)中、同時(shí)還受到硫化氫、蒸汽、酸等的侵蝕。在這樣的環(huán)境中，彈性體 復(fù)合材料將

6、會(huì)發(fā)生油溶脹、老化、過(guò)度交聯(lián)等現(xiàn)象，導(dǎo)致材料的硬度上升、 強(qiáng)度下降、彈性下降、抗裂口增長(zhǎng)能力也明顯降低。因此容易在單次使用 時(shí)就產(chǎn)生早期破壞，導(dǎo)致密封失敗 . 同時(shí)，封隔器膠筒的“爆炸式解壓破 壞”模式是客觀存在的，它將容易發(fā)生在膠筒的重復(fù)使用情況下。（以下內(nèi)容略）1.3 膠筒性能的影響因素在膠筒的使用工況下 , 各種橡膠的拉伸結(jié)晶特性事實(shí)上已經(jīng)消失 （即已 經(jīng)超過(guò)了橡膠的拉伸結(jié)晶熔點(diǎn)） ，常溫下表現(xiàn)的高強(qiáng)度特性完全不復(fù)存在，實(shí)驗(yàn)表明：室溫下炭黑填充補(bǔ)強(qiáng)的NBR的常溫強(qiáng)度 25MPa以上，但在150C下，卻不足 4MPa（見(jiàn)圖1.1）.即使是抗熱氧老化特性非常好的氫化丁腈 橡膠和氟橡膠 , 高

7、溫下的強(qiáng)度也大概是常溫強(qiáng)度的25%以下（見(jiàn)表 1。1）如此低的強(qiáng)度無(wú)法滿足高壓密封需要，更不能抵制“爆炸式解壓破壞”模 式。導(dǎo)致膠筒肩部出現(xiàn)裂紋、裂紋擴(kuò)展、最后破裂失效. 表 1.2 顯示了常規(guī)薄壁膠筒在不同溫度下耐壓差性能的變化。90 °C圖1。i橡膠材料性能隨溫度變化示意圖表1 0 1溫度對(duì)橡膠材料性能的影響項(xiàng)目室溫150 C拉伸強(qiáng)度/MPa253o 2扯斷伸長(zhǎng)率/%20040硬度/度9070表1.2常規(guī)© 80膠筒在不同溫度下耐壓差性能比較溫度/C25120150工作壓差/MPa703515從表1。2可以看出，橡膠材料性能隨著溫度升高而大副下降是膠筒高 溫破壞的主要原

8、因，所以，有效提高橡膠材料的強(qiáng)度和改善材料抵抗老化的能力是提高膠筒性能的關(guān)鍵。2研究方案設(shè)計(jì)2。1技術(shù)路線技術(shù)路線如圖2。1所示膠筒的工作條件分析合理選擇mi才配方 I結(jié)構(gòu)及模I 加試制膠筒丨油浸模擬試驗(yàn)，產(chǎn)品圖2。1技術(shù)路線2。2技術(shù)方案先通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)室研究，包括：復(fù)合材料的力學(xué)性能、防老化性能 試驗(yàn)，獲得特種彈性體復(fù)合材料配合的基本規(guī)律，獲取最佳的配合和制備 工藝參數(shù)。進(jìn)而，對(duì)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模產(chǎn)生的復(fù)合材料（10公斤級(jí)別），制備封隔器膠筒樣品，研究最佳的加工工藝條件，對(duì)膠筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等然后，制備樣品進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過(guò)性能反饋來(lái)優(yōu)化復(fù)合材料的配合及制 備工藝，優(yōu)化膠筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)

9、、成型工藝等內(nèi)容。使膠筒性能 達(dá)到要求的指標(biāo).3 配方實(shí)驗(yàn)3。1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備3.1.1 原材料選擇（此處內(nèi)容略）3。1.2 儀器設(shè)備主要包括 230mm開(kāi)煉機(jī)，100t、50t平板硫化機(jī)，MDR- 100E硫化測(cè) 定儀，老化測(cè)定儀 , 沖片機(jī) 1 臺(tái)， DL 2.5 電子拉力試驗(yàn)機(jī)，油浸模擬試驗(yàn) 裝置。3.2 實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)和防老化兩個(gè)方面的性能試驗(yàn) .3。2。1 補(bǔ)強(qiáng)性能采用正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行配方設(shè)計(jì) 考慮到多因素變量 , 選定相應(yīng)的變量及變量水平見(jiàn)表3。1 。表 3.1 變量及水平表（表格略）不考慮因素之間的相互作用，并且因素的變化水平都是三個(gè)，因此 采用L9（34）正交試驗(yàn)表，可以安排三個(gè)系

10、列實(shí)驗(yàn)元素，對(duì)三個(gè)系列試驗(yàn)的 具體安排如下表 3.2 。表 3。2 丁腈橡膠 L9（34）（表格略）3.2.2 防老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮到油田井下的實(shí)際工況，存在油、水、氧、硫化氫等介質(zhì), 選擇了幾種防老劑進(jìn)行并用，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表 3.3 。表 3。 3 防護(hù)體系設(shè)計(jì)表（表格略）3.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程3。3。1混煉針對(duì)丁腈膠的特點(diǎn)，選擇合理的混煉工藝：（以下內(nèi)容略）3。3。2硫化正硫化點(diǎn)的確定利用硫化儀測(cè)定出各試驗(yàn)配方，計(jì)算正硫化時(shí)間（表3.4）。表3 o 4各配方正硫化時(shí)間表（表格略）3o 3o 3物化性能測(cè)試按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，壓片測(cè)試，各配方的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度、老化系數(shù)等主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3o 5。表

11、3o 5硫化膠性能表配方拉伸強(qiáng)度（MPa）扯斷伸長(zhǎng)率 （%）硬度（邵A）老化系數(shù)N410112。5260720。80N410218.2270800。85N410319.2280860.85N410419.5280870.85N410514.0270720.80N410618.3250810.85N410719.0260850.80N410820。6270900。90N410915。0260800。80各防護(hù)體系耐熱氧老化性能見(jiàn)表3。6.表3o 6各防護(hù)體系耐熱氧老化性能對(duì)比（表格略） 耐水井介質(zhì)性能對(duì)比見(jiàn)表3o 7.表3.7各防護(hù)體系耐水井介質(zhì)性能對(duì)比表格略）3.4 結(jié)果分析3。4.1 補(bǔ)強(qiáng)性

12、能分析按 L9（ 34）正交法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 計(jì)算各因素的水平數(shù)據(jù)和，并求出最大偏差R,表3.8列出了試驗(yàn)的結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響因素D> A> B> C,最佳組合為A3B2C2D3;對(duì)扯斷伸長(zhǎng)率的影響 D=C> A> B,最佳組合為 A1B2C2D3;對(duì)老 化因素的影響 D> B=C> A, 最佳組合為 A1B2C2D3.（以下內(nèi)容略）表 3。 8 丁腈橡膠試驗(yàn)結(jié)果（表格略）3.4.2 防老化性能分析從表 3.6 、3.7 中可以看出， 防護(hù)體系的加入可以大大提高橡膠材料的 耐老化和耐水井介質(zhì)性能， 平均提高一倍以 上. 在三種

13、防護(hù)體系的 對(duì)比 中 ,MB/BLE/ 硬脂酸防護(hù)體系（ 2。 0/1 。 0/1.0 ）的橡膠材料性能最優(yōu)。3.5 小結(jié)（1）適的 配合體系可以 使膠料的 綜合性能達(dá)到最佳 , 拉伸 強(qiáng)度 提高 57MPa；伸長(zhǎng)率高出 50% ;老化系數(shù)提高 10%15% .（2）特殊補(bǔ)強(qiáng)劑甲基丙稀酸鎂（MMg的應(yīng)用可以有效提高膠料的物理 機(jī)械性能，同等條件下，10份甲基丙稀酸鎂可以提高拉伸強(qiáng)度 5在MPa以 上，提高伸長(zhǎng)率 30% 50%。這一點(diǎn) , 對(duì)大變形量的小直徑膠筒是很重要的。經(jīng)過(guò)以上的配方試驗(yàn)，確定了最佳配方見(jiàn)表 3.9 。表 3。 9 優(yōu)化配方及性能表（表格略 ）4結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化4。1尺寸設(shè)計(jì)（

14、1）51/2 膠筒內(nèi)、外徑分別確定為60mm和104mm與封隔器鋼體配套），根據(jù)資料介紹，膠筒高度可以用下式近似計(jì)算：/ P ( Rt2 R12)2R1 門(mén) + 2 RtfPo 卩/( 1 卩)mm R膠筒外半徑，mm；MPa I 膠筒許用剪切應(yīng)力，MPa;（4。1）Rt套管內(nèi)半徑,/ P-工作壓差，f 膠筒與套管壁的摩擦系數(shù),一般取0.3 ;Po預(yù)壓載荷，MPa卩-波松系數(shù)，一般取 0。475.（以下內(nèi)容略）（2） 4膠筒內(nèi)外徑設(shè)計(jì)為60mm和80mm,高度采用式4。1計(jì)算.（以下內(nèi)容略）4。2端部形狀設(shè)計(jì)根據(jù)資料介紹和實(shí)際試驗(yàn)得到，膠筒在長(zhǎng)時(shí)間的大壓縮負(fù)荷和介質(zhì)的物理化學(xué)作用下，膠筒肩部應(yīng)

15、力集中，產(chǎn)生很大的殘余變形將導(dǎo)致膠筒破壞。桶形膠筒的變形與應(yīng)力關(guān)系見(jiàn)圖4。1 :（圖略）圖4。1桶形膠筒的變形與應(yīng)力關(guān)系根據(jù)這個(gè)原理，設(shè)計(jì)了新型膠筒端部形狀如下圖，并通過(guò)模擬試驗(yàn)發(fā) 現(xiàn)，新的結(jié)構(gòu)形狀可以有效改善膠筒的抗破壞性能，耐壓差性能平均提高 5Mpa （詳見(jiàn)圖 4。2）。（a） 改變前形狀（ b） 改變后形狀圖 4.2 膠筒形狀對(duì)比圖5 加工工藝研究5。1 填料方式采用手工填料和注壓移模兩種方式并改變硫化的壓力進(jìn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn) 膠筒的外觀、斷面性質(zhì)、硫化膠密度。表 5.1 中列出了對(duì)比的結(jié)果：表 5.1 填料方式對(duì)性能的影響（表格略）從表中可以看出，注壓移模明顯優(yōu)于手工填料，而且隨著硫化壓

16、力的 增加，膠料的流動(dòng)性增加，外觀及致密度有明顯改善，產(chǎn)品性能提高。綜 合考慮選用注壓移模方式進(jìn)行填料，硫化壓力定為15 MPa 20MPa。5。 2 膠筒壁厚對(duì)硫化時(shí)間及溫度的影響橡膠的硫化溫度和硫化時(shí)間是相互制約的 , 它們之間的關(guān)系可以用下 式表示：t1/t2 = K（T2-T1）/10（5.1）t 1 - 溫度為 T1 時(shí)所需的硫化時(shí)間 ;t 2 - 溫度為 T2 時(shí)所需的硫化時(shí)間 ;K - 硫化溫度系數(shù)，一般取K=2。從式5。1說(shuō)明，硫化溫度提高 10C，硫化時(shí)間可縮短一倍，溫度的提高可以有效的提高生產(chǎn)效率。但橡膠的傳導(dǎo)系數(shù)很低，傳熱速度很慢，對(duì) 于象膠筒的厚壁制品，內(nèi)層的溫度達(dá)到規(guī)

17、定的硫化溫度需要一定的時(shí)間， 硫化溫度過(guò)高，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)外層硫化不均 , 要么外層正硫化內(nèi)層欠硫化， 要么內(nèi)層正硫化外層過(guò)硫化，影響膠筒的性能 .以下內(nèi)容略）6 封隔器膠筒模擬試驗(yàn)6.1 試驗(yàn)設(shè)備（1）模擬試驗(yàn)裝置： 模擬試驗(yàn)裝置是膠筒室內(nèi)試驗(yàn)的主要設(shè)備，由試壓泵、套加熱裝置和 控溫儀等組成。技術(shù)指標(biāo)為：試驗(yàn)溫度：室溫180C試驗(yàn)壓差： 0120MPa 套管內(nèi)徑： 86 mm 、 125mm（2 ）試驗(yàn)工具： 膠筒試驗(yàn)工具主要由活塞、液缸、蘿卜頭、中心管和外鎖緊機(jī)構(gòu)組成。 利用試驗(yàn)工具模擬封隔器膠筒的工作狀態(tài) , 可以進(jìn)行膠筒的座封性能、 封性能的測(cè)試。6。2 試驗(yàn)記錄表 6。1、6。2列出了部

18、分試驗(yàn)原始記錄 .6.3 試驗(yàn)結(jié)果分析6.3 。1 結(jié)構(gòu)形狀對(duì)膠筒性能的影響6.3在膠筒內(nèi)外徑一定的條件下，膠筒高度對(duì)性能有較大的影響，表 列出了相同條件下不同高度膠筒所達(dá)到耐壓指標(biāo)：表 6。 1 51/2套管膠筒模擬試驗(yàn)記錄（表格略）表 6。2 4套管膠筒模擬試驗(yàn)記錄（表格略）3 膠筒高度與工作壓差關(guān)系（表格略）可見(jiàn)膠筒太長(zhǎng)和太短都不能取得最好的性能，分析其原因，膠筒太短，座封時(shí)肩部變形量大，易剪切破壞，座封后與套管壁的有效接觸面積小，也不利于長(zhǎng)久密封；膠筒太長(zhǎng)，座封過(guò)程容易出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，降低與套管壁的接觸應(yīng)力，也就降低了所能密封的工作壓差。所以，合理的膠筒高度可 以有效提高耐壓指標(biāo)。通過(guò)試

19、驗(yàn)得出：5%小直徑膠筒的合理高度為100mm 4膠筒的合理高度為50mm與理論計(jì)算值基本相同。但內(nèi)外徑的改變也會(huì)引起合理高 度的改變。初始密封的座封力測(cè)定在地面上用4套管膠筒加壓，泵壓為1.5Mpa時(shí)，膠筒開(kāi)始貼緊套管壁,經(jīng)計(jì)算此時(shí)座封力為12kN,達(dá)到性能指標(biāo)要求。6。3.3座圭寸載荷和密圭寸壓差的關(guān)系根據(jù)資料介紹，座封載荷 F和密封壓差/P 具有下面的關(guān)系F=n/ P ( Rt2 Ro2) ( Ri2 Ro2)4f R oh (1 &)2Rt ( Rt R12)(Rt2 Ro2)（6.1）R-套管內(nèi)半徑，mm；R1膠筒外半徑，mm；Rd中心管外半徑，mm； h-膠筒高度，mm;f

20、膠筒與套管壁的摩擦系數(shù)，一般取0.3;由以上公式計(jì)算和實(shí)際測(cè)試的結(jié)果見(jiàn)表6.4 :表6。4座封載荷與密封壓差的關(guān)系（表格略）從表中可以看出，實(shí)際試驗(yàn)的座封載荷高于理論計(jì)算值，這在實(shí)際應(yīng)用中 是必要的.以下內(nèi)容略)結(jié)論(1)在過(guò)氧化物硫化體系條件下，甲基丙稀酸鎂(MMg的應(yīng)用可以有效提高膠料的物理機(jī)械性能。尤其適應(yīng)大變形量的小直徑膠筒。( 2) 膠筒結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，可以有效提高膠筒的耐壓差性能和密封耐 久性能。(3 )研制出的小直徑特殊膠筒具有結(jié)構(gòu)合理、性能高、用途廣等特點(diǎn)， 能滿足油田大部分套變井的要求 ，推廣應(yīng)用前景廣闊。參考文獻(xiàn)1袁新恒，張穩(wěn)西，張勇 ，等。甲基丙烯酸鎂對(duì) NBR的補(bǔ)強(qiáng)作用J。橡 膠工業(yè) ,1999,46 （5）