论文部分内容阅读
当前,碳纤维增强树脂基复合材料在采油装备上应用较少,主要因为采油领域工作环境复杂,复合材料用树脂基体难以达到使用要求,尤其是高温采油领域,随着采油井井深增加及部分稠油井开采,井下采油温度不断提高、腐蚀性更强。因此,需要深入研究碳纤维复合材料树脂基体,以提高复合材料采油装备的耐温性能、耐腐蚀性能、高温环境下的力学性能等。杂萘联苯型聚芳醚树脂玻璃化温度为250℃～310℃,耐高温、可溶解,综合性能优异,可以作为耐温型多官能团环氧树脂及其连续碳纤维(CF)复合材料的增韧改性剂。利用杂萘联苯型聚芳醚树脂改性高温型环氧树脂应用于碳纤维抽油杆拉挤,既保持了碳纤维抽油杆的耐温性能,同时又提高其耐冲击和耐应力开裂性;同时,将碳纤维增强杂萘联苯型聚芳醚树脂用于制造抽油杆扶正器,提高抽油杆扶正器的高温抗磨损性能,可以解决目前高温深井及稠油井用金属扶正器因不耐腐蚀导致使用周期短的问题,同时实现减重节能。本文主要研究了连续碳纤维增强杂萘联苯型聚芳醚树脂改性多官能团环氧树脂基复合材料,采用连续拉挤成型工艺制备碳纤维增强复合材料抽油杆;研究了短切碳纤维增强杂萘联苯型聚芳醚树脂基复合材料,并制备了耐高温、耐磨抽油杆扶正器;研究了抽油杆接头粘结用杂萘联苯型聚芳醚树脂基粘合剂;并在油田进行了实际应用效果考核评价。具体研究内容如下:一、4-(4-羟基-苯基)-2H-二氮杂萘-1-酮(DHPZ)与4,4’-二氯二苯砜、4,4’-二氟二苯酮和2,6-二氟苯腈经溶液亲核取代逐步聚合反应合成了聚合物PPENSK,通过调控封端剂结构制备了氨基封端杂萘联苯聚芳醚腈砜酮(A-PPENSK)和环氧封端的杂萘联苯聚芳醚腈砜酮(E-PPENSK)。研究了 A-PPENSK/E-PPENSK双组份粘合剂,系统研究了 A-PPENSK和E-PPENSK的分子量及二者之间的配比对粘合剂性能的影响,从而筛选出最佳粘合剂配方。结果表明:A-PPENSK/E-PPENSK粘合剂的玻璃化转变温度(Tg)值大于300℃,5%热失重温度为480℃,高温800℃下残碳率为62%。在室温、350℃、400℃下粘接剪切强度分别为48.7MPa、30.2MPa和24.6MPa,表现出优异的耐温性能。将其应用于粘接碳纤维增强树脂基复合材料抽油杆杆体和金属接头,整体拉断力大于300kN,百万次疲劳实验后强度保持率达到90%,批量粘接应用证明A-PPENSK/E-PPENSK粘合剂稳定性优异,满足油田长周期使用要求。二、以短切碳纤维为增强体,采用双螺杆挤出造粒工艺制备碳纤维增强PPESK/PPBESK树脂基复合材料、并制备了抽油井用扶正器。研究了 PPESK和PPBESK的分子链结构对其流变性能和耐热性能的影响,根据试验环境以及注塑加工成型工艺要求,确定了 PPESK分子链结构为PPESK8020,即砜酮比为8:2,PPBESK的分子链结构为PPBESK3505,即联苯结构与二氮杂萘酮结构的摩尔比为65:35,砜酮比为95:5,并且m(PPESK8020):m(PPBESK3505)=3:7时较适合注塑成型工艺,且二者具有较好的相容性。系统研究了碳纤维含量对CF/PPESK/PPBESK体系的力学性能和加工性能的影响,当碳纤维含量为25%时,所制备的扶正器力学性能最高,摩擦系数最低,其磨损率显著低于金属材料扶正器。CF/PPESK/PPBESK复合材料主要性能指标为:拉伸强度≥150MPa,弯曲强度≥280MPa,热变形温度≥270℃,常温有油润滑后摩擦系数≤0.045。经油田实际应用考核,CF/PPESK/PPBESK复合材料扶正器可以在260℃高温下使用500天以上,扶正保护效果明显,平均使用寿命是金属材料扶正器3倍以上,可以替代目前油田使用的金属扶正器,服役于高温稠油井采油。三、采用PPESK增韧改性多官能团环氧树脂,通过溶液共混的方式,得到一系列PPESK/多官能团环氧树脂共混物,并制备CF/PPESK/多官能团环氧树脂基复合材料,讨论了碳纤维增强机理。结果表明,当PPESK用量为4%～6%时,共混树脂的拉伸强度变化较小,两种材料的相容性较好,且PPESK增韧后的多官能团环氧树脂玻璃化温度(Tg)提高了7℃。通过抗弯及疲劳性能测试,证实CF/PPESK/多官能团环氧树脂复合材料棒材的弯曲半径满足55D(Q/GDW10851-2016标准)要求,表层不开裂、不起皮,100万次疲劳测试后,复合材料棒材的强度保持率不低于90%,经90天强化老化后,强度保持率仍大于90%。四、研究了碳纤维增强高温树脂基复合材料抽油杆制造技术及质量影响因素,完成碳纤维增强高温树脂基抽油杆油田应用试验。分析了碳纤维高温树脂基抽油杆缺陷产生及影响质量的因素。制备的碳纤维增强高温树脂基复合材料抽油杆性能:拉伸强度≥1580MPa,层间剪切强度≥69MPa,接头屈服强度≥590MPa,玻璃化转变温度≥195℃。通过理论计算及实际井况分析,确定了碳纤维复合材料抽油杆下井作业流程;形成了碳纤维复合材料抽油杆/钢制抽油杆杆柱组合图版设计参照方法。通过优化杆柱组合设计使抽油系统效率平均提高12.2%,吨液耗电指标平均下降12.5kW·h/t。