一种用于抽油杆接箍的耐磨耐高温材料的生产方法
【专利摘要】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。
【专利说明】-种用于抽油杆接缩的耐磨耐高温材料的生产方法
【技术领域】
[0001] 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缠的耐磨耐高温材料 的制备方法。
【背景技术】
[0002] 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 缠外衬。
[0003] 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W能够降低管杆偏磨，延长油井的检修周期。
[0004] 涂层是涂于抽油杆及其接缠的外壁、油管及其接缠的内壁涂覆耐磨润滑材料，能 有效降低杆管的摩擦和磨损。
[0005] 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缠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。
[0006] 抽油杆接缠外衬绝大多数是由于直径比抽油杆大的抽油杆接缠和油管之间的摩 擦和磨损造成，因此，如果在抽油杆接缠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。
[0007] 能用于抽油杆接缠外衬的工程塑料要满足耐磨耐高温性能，常见的包括聚四氣己 帰（PTFE)，聚对苯二甲酸己二醇醋（PET)，聚苯醋（POB)，聚苯硫離（PPS)，聚離離丽（PEEK)， 聚醜亚胺（PI)和本发明采用的超高分子量聚己帰扣HMWP巧。
[0008] 聚四氣己帰（PTFE)是由四氣己帰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；聚四氣己帰还具有良好的 润滑能力和不粘性，摩擦系数小于0. 05 ;聚四氣己帰长期使用温度高达200-26(TC，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。聚四氣己帰价格的大 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，聚四氣己帰塑料存在着硬 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。
[0009] 迂河油田开发了一种抽油杆防磨防脱接缠（《石油矿场机械》第25卷第6期)。该 抽油杆接缠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氣己帰挤压而成的 防磨架，防磨架四周均布四个聚四氣己帰防磨筋。鉴于聚四氣己帰低的摩擦系数和良好的 耐磨性能，从而延长了接缠的使用寿命。
[0010] 聚对苯二甲酸己二醇醋（PET)是由对苯二甲酸（TA)与己二醇（EG)经脱水醋化、缩 聚后得到的一种热塑性饱和聚醋。聚对苯二甲酸己二醇醋具有良好的力学性能、耐油溶胀 和耐酸碱腐蚀性能。纯的聚对苯二甲酸己二醇醋具有优良的耐高温、耐低温性能，长期使用 温度可W超过12(TC。从经济上，聚对苯二甲酸己二醇醋是的市场价格低，容易推广。
[0011] 目前，还没有将聚对苯二甲酸己二醇醋用在油水井内衬、外衬防腐蚀、防偏磨的报 道。可W预见的是，通过对纯聚对苯二甲酸己二醇醋进行物理化学改性，可W将其软化温度 提高到14(TC，并可W提高其耐摩擦磨损的能力。
[0012] 聚苯醋（POB)又称对轻基苯甲酸醋，它是对轻基苯甲酸的聚合产物。聚苯醋是良 好的耐高温工程塑料，长期使用温度超过30(TC。聚苯醋具有良好的耐磨和自润滑性能，滑 动摩擦系数0. 16-0. 3。聚苯醋的耐腐蚀、耐溶胀性能优良，几乎在所有的有机溶剂中都不溶 胀。
[0013] 聚苯醋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缠外衬。
[0014] 其它能用于抽油杆接缠外衬的工程塑料包括聚醜亚胺（PI)、聚苯硫離（PPS)和聚 離離丽（P邸K)等。该些工程塑料都具有耐温20(TC W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缠外衬材料的使用要求。但是，该些材料的市场价格较贵，直 接全部使用可能会有成本问题。
[0015] 超高分子量聚己帰（UHMWPE) -般指分子量大于150万的线型高密度聚己帰。作 为工程塑料，超高分子量聚己帰具有耐腐蚀、耐冲击、耐磨损、吸水率低等优良性质。但是， 超高分子量聚己帰在烙融后呈粘弹性，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，纯的超高分子量聚己帰的软化温度较低，约为8(TC，不能直接用于抽油杆接 缠，特别是深度较大的抽油井。
[0016] 江苏油田研发了一种柔性防磨抽油杆接缠（《钻采工艺》，2013年5月）。通过该柔 性防磨接缠，抽油杆可W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 低了抽油杆接缠对油管的正压力，从而减少了磨损。同时，该方法在抽油杆接缠外表面烧结 一层耐磨的超高分子量聚己帰，减缓杆管之间的磨损，延长了杆管的寿命。但是，接缠外表 面的超高分子量聚己帰的软化温度低，在井深较大、井下温度较高时，烧结在抽油杆接缠外 表面的超高分子量聚己帰塑料就很快被磨损、脱落。所W，通过对超高分子量聚己帰进行改 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缠和油管之间的 摩擦磨损，延长使用寿命的目的。
[0017] 凹凸棒±(或称为凹凸棒粘±)是含有凹凸棒石成分的粘±。天然的凹凸棒±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± 等。凹凸棒石为一种晶质水合镇铅娃酸盐矿物，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化+Xa化、Fe3+、A13+，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。该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】
[0018] 本发明目的是提出一种具有一定初性，能够方便地外衬于抽油杆接缠外侧，在使 用条件下能紧贴抽油杆接缠的外表面、不脱落的耐磨耐高温材料的生产方法。
[0019] 本发明的技术方案是：先将超高分子量聚己帰、偶联的凹凸棒±、膨胀石墨、硬脂 酸巧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。
[0020] 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 能用于抽油杆接缠的外衬材料。该材料能够通过模压或烧结成型，具有一定初性，能够方便 地外衬于抽油杆接缠外侧，在使用条件下能紧贴抽油杆接缠的外表面、不脱落，而且该材料 在使用条件下应当具有耐温不小于12CTC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。
[0021] 本发明得到的超高分子量聚己帰复合材料具有W下优点；（1)耐温可达12(TC ; (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。
[0022] 另外，混合时，所述超高分子量聚己帰、偶联的凹凸棒±、膨胀石墨、硬脂酸巧和抗 氧剂的混合质量比为100 ;1〇?40 ;1?3 ;0. 5?2 ;0. 3?1。
[0023] 超高分子量聚己帰为基体材料；偶联处理的凹凸棒±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±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W采用上述混合比的 偶联的凹凸棒±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。硬脂酸巧为分散剂，主要起促进各组分均匀分散和提高烙体流动能力的作用， 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。
[0024] 采用的超高分子量聚己帰的分子量为6, 000, 000?10, 000, 000。基体材料超高分 最亮聚己帰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己帰材 料本身的耐磨摩擦磨损性能在试验条件下是最好的。
[0025] 上述偶联的凹凸棒±的制法是；将凹凸棒±颗粒于玻璃研鉢中研碎，将娃焼偶联 剂KH-560溶于丙丽溶液中，再将研碎的凹凸棒±置于丙丽溶液中，高速揽拌机揽拌1小时， 待丙丽液体大部分挥发，将混料8(TC烘干5小时，即得到偶联的凹凸棒±。
[0026] 经过偶联处理的凹凸棒±的表面极性会从亲水向亲油转变，而基体材料(超高分 子量聚己帰）的表面W非极性(亲油）为主，所W，经过偶联处理后的凹凸棒±能够更均匀地 分散在基体材料中。
[0027] 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属于酷类 抗氧剂，用作主抗氧剂，对于聚己帰类塑料具有卓越的抗氧化能力；抗氧剂168则属于亚磯 酸醋类抗氧剂，作副抗氧剂，和抗氧剂1010之间具有良好的协同效应。
[0028] 上述液压机的温度为170?24(TC。在该条件下具有更高的耐摩擦磨损性能和力 学性能。
[0029] 上述平板硫化机的温度为40?6(TC。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W控制样品具有合适的结晶度。烧结后的样品在40?6(TC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初性，该对材料的耐摩擦磨 损性能有帮助。
[0030] 上述所述娃焼偶联剂KH-560与偶联的凹凸棒±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±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】 [00引]实施例1 取IOOg凹凸棒±颗粒于玻璃研鉢中研碎，取0. 6ml娃焼偶联剂KH-560溶于200ml丙 丽溶液中，揽匀，再将上述研碎的凹凸棒±置于丙丽溶液中，高速揽拌机揽拌1小时，待丙 丽液体大部分挥发，将混合料在8(TC烘干5小时，即得到偶联的凹凸棒±。
[0032] 取上述偶联凹凸棒± 15g，超高分子量聚己帰(分子量为6, 000, 000? !0,000,000) IOOg,石墨2g，硬脂酸巧Ig,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lOmin，再在工作温度为25°C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。
[003引 实施例2 取上述偶联凹凸棒± 30g，超高分子量聚己帰(分子量为6, 000, 000?10, 000, 000) IOOg,石墨2g，硬脂酸巧Ig,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24CTC，预热 15min，IOMPa压力下压lOmin，再在工作温度为6(TC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。
[0034] 对比例1 取纯的超高分子量聚己帰(分子量为6, 000, 000?10, 000, OOOHOOg,在液压机的工作 温度19(TC条件下压片，设定压片温度190。预热15min，10MPa压力下压lOmin，再在工作 温度为25C的平板硫化机上室温冷压5min，得到片状材料。纯的超高分子量聚己帰的性能 见表1。
[0035] 表1材料的基本性能
【权利要求】
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 :1〇?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°C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°C。
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°C。
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 土的投料质量比为〇. 5?2. 0 :100。
【文档编号】B29C35/18GK104356486SQ201410691030
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】唐海军, 袁月, 邹俊松, 石国军, 戴鑫, 马建杰 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司江苏油田分公司