一种旋转控制头专用密封胶芯及其制备方法
【专利摘要】本发明属于钻井的【技术领域】，具体的涉及一种旋转控制头专用密封胶芯及其制备方法。该种旋转控制头专用密封胶芯，包括以下重量份的原料：烟片胶3# 60～90份；氢化丁腈橡胶10～30份；氧化锌5～10份；硬脂酸1～3份；防老剂4020 2～4份；炭黑N33010～30份；炭黑N55020～30份；软化剂DOS3～10份；促进剂CZ1～2份；促进剂DM1～3份；促进剂TMTD1～2份；硫化剂S0.4～1份；硫化剂DTDM 0.5～1.5份。该密封胶芯性能高；使用寿命长；耐压值高；抗腐蚀能力强；抗磨性高；抗撕裂性强。
【专利说明】一种旋转控制头专用密封胶芯及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于钻井的【技术领域】，具体的涉及一种旋转控制头专用密封胶芯及其制备 方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，气体钻井技术、控压钻井技术和欠平衡钻井技术在国内的使用呈现出良 好的发展上升势头，使用规模越来越大。气体钻井技术在川东北地区、新疆地区使用效果突 出，已成为该地区油气田勘探开发中提速增效的主要技术手段；同时，我国越来越来越重视 煤层气的开发，气体钻井技术在煤层气开发中具有明显的技术优势。控压钻井技术是近几 年国内积极研究和推广应用的先进技术。欠平衡钻井技术是提高勘探开发效益的钻井新技 术，所谓欠平衡钻井，就是指在钻井过程中钻井液的循环压力（包括液柱压力和循环回压） 低于地层的孔隙压力，保持井底轻度溢流，允许产层流体流入井眼，并可将其循环到地面， 地面可有效控制，这一技术称为欠平衡压力钻井技术。与常规钻井技术相比，欠平衡钻井的 主要优点是能减轻地层伤害、增加油井产能、为正确评价储层提供条件、提高机械钻速，减 少或防止压差卡钻。该技术在国内已得到广泛的应用。实施以上技术均需要使用旋转控制 头（或旋转防喷器），旋转控制头是实施所述技术的核心设备。
[0003] 欠平衡钻井技术是一项具有显著经济效益和广阔使用前景的新技术，也是一项高 风险、高投入的技术，要实施这一技术必须有相应的安全性、可靠性非常高的专用装备。实 施欠平衡钻井所需的设备主要包括：井口控制设备和地面处理设备，其中井口控制设备主 要指旋转控制头或旋转防喷器，它们与原有的环型防喷器、闸板防喷器、四通等构成井口防 喷器组，其作用是对油气井实施压力控制，对事故进行预防、监测、控制，确保钻井人员、钻 井设备及油气井的安全。
[0004] 旋转控制头是欠平衡钻井安全施工的保障，密封胶芯更是重中之重，密封胶芯是 制约旋转控制头或旋转防喷器性能提高的重要因素之一。旋转控制头中最关键、用量最大 和最昂贵的易损件是密封胶芯，旋转控制头上专用密封胶芯的作用是密封钻具与井筒之间 的环空，其原理是依靠自身与钻具之间的过盈量起到密封作用，防止井内涌出的高压流体 泄漏，其密封性能的好坏直接影响到旋转控制头的性能，进而影响到欠平衡钻井工艺的成 败；因此它是欠平衡钻井专用设备中最为关键、用量最大、价格最昂贵的易损件，也是欠平 衡钻井专用设备技术水平的最重要的标志之一。
[0005] 旋转控制头专用密封胶芯的工作条件十分恶劣，密封胶芯必须具有耐压值高、抗 腐蚀能力强、抗磨性高、抗撕裂性强、使用寿命长等特点。据统计一般一口正常井约需6? 8个胶芯，有时一口井消耗胶芯达20多个，每口井胶芯的消耗费用非常大。而现有的旋转 控制头专用密封胶芯产品性能差，使用寿命较低。如果密封胶芯失效则无法继续进行欠平 衡钻井作业；如果密封胶芯使用寿命短，则需要频繁更换胶芯，影响正常作业，更换胶芯需 要关闭控制头下面的封井器，倒换流程，如果欠压值较大，还需要根据情况采取措施控制井 压，一方面增加了工作量，另一方面由于增加了开关次数，容易导致封井器的可靠性下降， 引发安全隐患。
[0006] 由此可见，目前亟待解决的问题是在保证各项性能指标的前提下，如何提高密封 胶芯的使用寿命，获得产品性能可靠、使用寿命高、价格低的专用密封胶芯。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于针对目前旋转控制头专用密封胶芯产品性能差、成本昂贵、使 用寿命短等问题，而提供一种旋转控制头专用密封胶芯及其制备方法，该密封胶芯性能高； 使用寿命长；耐压值高；抗腐蚀能力强；抗磨性高；抗撕裂性强。
[0008] 本发明的技术方案为：一种旋转控制头专用密封胶芯，包括以下重量份的原料： 烟片胶3# 60?90份；氢化丁腈橡胶10?30份；氧化锌5?10份；硬脂酸1?3份；防 老剂4020 2?4份；炭黑N330 10?30份；炭黑N550 20?30份；软化剂DOS 3?10份； 促进剂CZ 1?2份；促进剂DM 1?3份；促进剂TMTD 1?2份；硫化剂S 0. 4?1份；硫 化剂DTDM 0· 5?L 5份。
[0009] 所述旋转控制头专用密封胶芯，包括以下重量份的原料：烟片胶3# 60份；氢化丁 腈橡胶30份；氧化锌7份；硬脂酸3份；防老剂4020 4份；炭黑N330 30份；炭黑N550 20 份；软化剂DOS 5份；促进剂CZ 1份；促进剂DM 1份；促进剂TMTD 2份；硫化剂S 0. 4份； 硫化剂DTDM 1. 5份。
[0010] 所述旋转控制头专用密封胶芯，包括以下重量份的原料：烟片胶3# 80份；氢化丁 腈橡胶10份；氧化锌9份；硬脂酸2份；防老剂4020 3份；炭黑N330 20份；炭黑N550 25 份；软化剂DOS 8份；促进剂CZ 2份；促进剂DM 3份；促进剂TMTD 1份；硫化剂S 1份；硫 化剂DTDM 0. 5份。
[0011] 所述旋转控制头专用密封胶芯，包括以下重量份的原料：烟片胶3# 70份；氢化丁 腈橡胶20份；氧化锌7份；硬脂酸2份；防老剂4020 3份；炭黑N330 10份；炭黑N550 30 份；软化剂DOS 9份；促进剂CZ 1. 5份；促进剂DM 2份；促进剂TMTD 1. 5份；硫化剂S 0. 8 份；硫化剂DTDM 1份。
[0012] 所述旋转控制头专用密封胶芯，包括以下重量份的原料：烟片胶3# 90份；氢化丁 腈橡胶10份；氧化锌10份；硬脂酸3份；防老剂4020 3份；炭黑N330 25份；炭黑N550 15 份；软化剂DOS 6份；促进剂CZ 1. 5份；促进剂DM 2份；促进剂TMTD 1. 5份；硫化剂S 0. 6 份；硫化剂DTDM 1份。
[0013] 一种所述旋转控制头专用密封胶芯的制备方法，包括以下步骤：
[0014] (1)橡胶塑炼：将辊距调整到0. 2?0. 3mm对切割好的烟片胶3#进行第一次薄通 塑炼，连续薄通12?15遍，出片停放12?24小时；再按照第一次的程序进行第二次薄通 塑炼，出片停放至12?24小时，最后进行第三次薄通塑炼；
[0015] (2)橡胶混炼：首先按配方比例称量塑炼好的烟片胶3#及其他材料并进行清点； 然后依次按以下顺序将各材料加入密炼机进行密炼：氢化丁腈橡胶以及塑炼好的烟片胶 3# ;氧化锌、防老剂4020以及硬脂酸；软化剂DOS、炭黑N330以及炭黑N550 ;硫化剂S以及 硫化剂DTDM ;密炼10?15分钟后出料至开炼机上；加入促进剂CZ、促进剂DM以及促进剂 TMTD进行混炼、薄通、打三角包，反复3?5遍；出片停放至少24小时；
[0016] ⑶混炼胶检验：将混炼胶放入硫化仪，设定硫化仪温度为130°C，时间为2小时， 测定其硫化曲线；若硫化曲线为平稳上升，则检验合格；若为先上升后下降或曲线不平滑， 则检验不合格；将混炼胶放入试片专用模，在温度130°C，时间15分钟的条件下进行硫化制 成试片，试片在室温放置1小时以上后，测定其硬度、拉伸强度、断裂伸长率和定伸应力；其 检验标准为：硬度75?80ShoreA ;拉伸强度不小于15MPa ;断裂伸长率不小于300%;100% 定伸应力不小于3MPa ;
[0017] (4)硫化前准备：用洁净纱布和模具清理液清理模具，使模具中无残留胶渣，无锈 渍；将模具空模装配后装入硫化机，设定硫化机的温度为120°C，压力为18MPa，空模加热6 小时；相关金属配件涂好粘合剂，干燥、停放1?2小时，在干燥停放过程中不得有污染；将 混炼好的胶再进行混炼、薄通、打三角包，反复3遍，然后出片、裁胶、称量；
[0018] (5)硫化过程：依次按照以下步骤：金属配件裝模；混炼胶装入模具注射腔；加压 注胶；放气3?5次；硫化4小时；成品出模；成品检验。
[0019] 所述步骤（1)中薄通塑炼采用开炼机或密炼机。
[0020] 所述步骤（1)中薄通塑炼采用开炼机，首先将烟片胶3#预热至40?50°C，再进行 薄通塑炼。
[0021] 本发明的有益效果为：旋转控制头专用密封胶芯产品的性能是否达到技术要求， 关键在于第一配方是否合理；第二炼胶工艺是否合理，第三硫化工艺是否合理。本发明根据 对密封胶芯失效机理的研究及分析，对密封胶芯的配方进行了创造性的改进及优选。
[0022] 首先本发明所述旋转控制头专用密封胶芯主体材料采用天然橡胶和氢化丁腈橡 胶，胶芯的失效主要是由于胶芯在使用时需要大变形和好的回弹性，这种情况下，首先材料 要有高的拉伸强度，若拉伸强度低，会使得材料在大变形时遭到破坏，而天然橡胶和氢化丁 腈橡胶的拉伸强度都比较高，再经炭黑补强及合适的硫化体系，其拉伸强度可达20MPa，产 品的密封及耐压就非常理想。通过补强体系及硫化体系的合理配合，胶料的断裂伸长率达 到400 %，冲击回弹性可达55,这就使得材料在大变形时不会被破坏，而且回弹性很好，产 品在大变形后能够迅速回复到原始状态。另外通过对防老体系的合理选择，可使材料在经 过100°C X 72小时的老化后，老化系数为0. 9,这就使得产品在存放及使用过程中保持良好 的拉伸强度及伸长率，产品的使用寿命延长。
[0023] 在制备方法的橡胶混炼中通过密炼与开炼两种炼胶方式的结合，提高了炼胶效 率，提升了混炼胶的均匀度，并减少了在炼胶过程中的炭黑飞尘污染。
[0024] 考虑到产品较大，在硫化过程中要保证胶料的硫化体系要有较长的焦烧期及很好 的硫化平坦期，因此硫化体系采用有效硫化体系。该硫化体系具有很好的焦烧期和硫化平 坦期，这样可以确保材料在长时间硫化过程中仍然保持良好的性能指标。由于橡胶材料是 热的不良导体，为保证胶料内外硫化一致，采用分段升温模式进行硫化，第一段IKTC保持 40分钟，再升温至125°C保持40分钟，再次升温至140°C保持4小时，硫化结束，开模取出制 品。
[0025] 本发明所述旋转控制头专用密封胶芯具有以下规格，见表1。所述旋转控制头专用 密封胶芯主要性能指标达到进口产品水平，具体性能指标分别见表2、表3。所述旋转控制 头专用密封胶芯的检验数据见表4。
[0026] 表1本发明所述旋转控制头专用密封胶芯规格及适用条件。
[0027]
【权利要求】
1. 一种旋转控制头专用密封胶芯，其特征在于，包括以下重量份的原料：烟片胶3# 60?90份；氢化丁腈橡胶10?30份；氧化锌5?10份；硬脂酸1?3份；防老剂4020 2?4份；炭黑N330 10?30份；炭黑N550 20?30份；软化剂DOS 3?10份；促进剂CZ 1?2份；促进剂DM 1?3份；促进剂TMTD 1?2份；硫化剂S 0. 4?1份；硫化剂DTDM 0? 5 ?1. 5 份。
2. 根据权利要求1所述旋转控制头专用密封胶芯，其特征在于，包括以下重量份的原 料：烟片胶3# 60份；氢化丁腈橡胶30份；氧化锌7份；硬脂酸3份；防老剂4020 4份；炭黑N330 30份；炭黑N550 20份；软化剂DOS 5份；促进剂CZ 1份；促进剂DM 1 份；促进剂TMTD 2份；硫化剂S 0.4份；硫化剂DTDM 1.5份。
3. 根据权利要求1所述旋转控制头专用密封胶芯，其特征在于，包括以下重量份的原 料：烟片胶3# 80份；氢化丁腈橡胶10份；氧化锌9份；硬脂酸2份；防老剂4020 3份； 炭黑N330 20份；炭黑N550 25份；软化剂DOS 8份；促进剂CZ 2份；促进剂DM 3份； 促进剂TMTD 1份；硫化剂S 1份；硫化剂DTDM 0. 5份。
4. 根据权利要求1所述旋转控制头专用密封胶芯，其特征在于，包括以下重量份的原 料：烟片胶3# 70份；氢化丁腈橡胶20份；氧化锌7份；硬脂酸2份；防老剂4020 3份； 炭黑N330 10份；炭黑N550 30份；软化剂DOS 9份；促进剂CZ 1.5份；促进剂DM 2 份；促进剂TMTD 1. 5份；硫化剂S 0. 8份；硫化剂DTDM 1份。
5. 根据权利要求1所述旋转控制头专用密封胶芯，其特征在于，包括以下重量份的原 料：烟片胶3# 90份；氢化丁腈橡胶10份；氧化锌10份；硬脂酸3份；防老剂4020 3 份；炭黑N330 25份；炭黑N550 15份；软化剂DOS 6份；促进剂CZ 1.5份；促进剂DM 2份； 促进剂TMTD 1. 5份；硫化剂S 0. 6份；硫化剂DTDM 1份。
6. -种权利要求1所述旋转控制头专用密封胶芯的制备方法，包括以下步骤： (1) 橡胶塑炼：将辊距调整到〇. 2?0. 3mm对切割好的烟片胶3#进行第一次薄通塑炼， 连续薄通12?15遍，出片停放12?24小时；再按照第一次的程序进行第二次薄通塑炼， 出片停放至12?24小时，最后进行第三次薄通塑炼； (2) 橡胶混炼：首先按配方比例称量塑炼好的烟片胶3#及其他材料并进行清点；然后 依次按以下顺序将各材料加入密炼机进行密炼：塑炼好的烟片胶3#以及氢化丁腈橡胶；氧 化锌、防老剂4020以及硬脂酸；软化剂DOS、炭黑N330以及炭黑N550 ;硫化剂S以及硫化剂 DTDM ;密炼10?15分钟后出料至开炼机上；加入促进剂CZ、促进剂DM以及促进剂TMTD进 行混炼、薄通、打三角包，反复3?5遍；出片停放至少24小时； (3) 混炼胶检验：将混炼胶放入硫化仪，设定硫化仪温度为130°C，时间为2小时，测定 其硫化曲线；若硫化曲线为平稳上升，则检验合格；若为先上升后下降或曲线不平滑，则检 验不合格；将混炼胶放入试片专用模，在温度130°C，时间15分钟的条件下进行硫化制成试 片，试片在室温放置1小时以上后，测定其硬度、拉伸强度、断裂伸长率和定伸应力；其检验 标准为：硬度75?80ShoreA ;拉伸强度不小于15MPa ;断裂伸长率不小于300% ;100%定伸 应力不小于3MPa ; (4) 硫化前准备：用洁净纱布和模具清理液清理模具，使模具中无残留胶渣，无锈渍； 将模具空模装配后装入硫化机，设定硫化机的温度为120°C，压力为18MPa，空模加热6小 时；相关金属配件涂好粘合剂，干燥、停放1?2小时，在干燥停放过程中不得有污染；将混 炼好的胶再进行混炼、薄通、打三角包，反复3遍，然后出片、裁胶、称量； (5)硫化过程：依次按照以下步骤：金属配件裝模；混炼胶装入模具注射腔；加压注胶； 放气3?5次；硫化4小时；成品出|吴；成品检验。
7. 根据权利要求1所述旋转控制头专用密封胶芯的制备方法，其特征在于，所述步骤 (1)中薄通塑炼采用开炼机或密炼机。
8. 根据权利要求7所述旋转控制头专用密封胶芯的制备方法，其特征在于，所述步骤 (1)中薄通塑炼采用开炼机，首先将烟片胶3#预热至40?50°C，再进行薄通塑炼。
【文档编号】B29C35/02GK104403137SQ201410524791
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】周西平 申请人:日照市晨晖橡塑制品有限公司