专利名称：一种利用分子离子谱评价抽油杆环境耐用性的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过非接触检测静态动态分子离子谱，评价抽油杆环境耐用性的方法，特别是涉及测量抽油杆表面有关湿热老化以及电化学腐蚀信息的光电机一体化技术，属于材料化学技术领域。
背景技术：
抽油杆是在油管内用内螺纹箍一根根连接起来一直延伸到地下油层处的活塞上，通过往复运动来泵油的棒状材料，其单根长度一般为五到六米，其材质可以是纤维增强复合材料如碳纤维增强乙烯基酯树脂(CF/VE)复合材料，也可以是金属材料如表面镀硬铬高碳钢。有杆泵采油是当前国内外应用最广泛的机械采油技术。目前世界上机械采油井数已超过总生产井数的90%以上，80%左右的机械采油井都采用有杆袞采油模式。现我国共有油井8万多口，其中95%是用机械采油方式进行原油开采，而其中约2万口是属于难以实施的腐蚀性油井。抽油杆在油井中长期服役时会受到含水、酸、碱、盐等原油混合介质的腐蚀作用深井中压力和温度产生的热力学作用(3500米深井的底层温度将超过IO(TC)以及与金属平衡杆或泵轴接头接触产生的电化学腐蚀作用。随着抽油杆在油田的推广应用，相应对其服役行为和环境耐用性(即使用寿命和失效成因)的评价是决定碳纤维抽油杆在油田工业领域能否成功应用的关键。通行的研究方法是将抽油杆材料置于模拟其实际应用的酸碱或湿热性环境进行长期浸泡，每天测量其相关的宏观性能指标如吸湿率等，然后从其结果对抽油杆材料老化和失效机制分别进行推测。然而由于该方法研究的过程中实验环节繁多，人为造成的试样材料损伤
大，所以取得的测试数据对抽油杆实际工况的模拟偏差较大，推测的失效机制可靠性差，a存在研究效率低，工作量大，需要工作人员多，成本高等缺点。
离子/分子选择电极是一种电化学传感器，可以配合扫描选择电极技术以不接触被测材料的非损伤方式测量进出被测材料离子/分子的信息，得到静态动态分子离子谱。近年来，随着离子/分子选择电极种类的不断增多，电子线路技术和计算机硬件软件技术的巨大发展，显微镜技术、成像技术得到了越来越广泛的应用，并与自动控制技术相结合，给非接触微测技术提供了一个良好的平台。但是，利用非接触自动化微测原理得到的静态动态分子离子谱评价抽油杆环境耐用性的技术还未见报道。
发明内容
本发明提供一种通过非接触检测静态动态分子离子谱，评价抽油杆环境耐用性的方法。该方法在不接触处于工作环境中的抽油杆的甜提下，以手动或编程的方式按照研究人员的设定方便、快捷、三维地实时测量进出抽油杆表面且与抽油杆环境耐用性相关的离子/分子种类、
绝对浓度及三维运动方向等参数，从而得到与抽油杆环境耐用性相关的静态动态分子离子谱；该方法也可以采用多个电极测量多种离子/分子，能更全面的获得进出抽油杆的离子和分子信息，提高了数据采集量；该方法对抽油杆无损伤，分析准确性和分析效率高，节约能源和人力成本。
本发明的主要技术方案 一种利用分子离子谱评价抽油杆环境耐用性的方法，该技术系
统包括离子/分子信息检测电极单元1、数据采集/放大系统2、显微成像系统3、可编程三维
运动系统4以及自动控制/数据处理系统5，其特征在于单个或多个具有选择性或特异性的
3离子/分子电极置于工作环境中的抽油杆表面近距离处，采集其反馈的电压或电流信号等去噪、放大后经过数据分析软件分析得到进出抽油忏l-3的多种离子/分子的绝对浓度、运动速率及三维运动方向等参数。根据测定的多种离子/分子的不同，相应的多个离子/分子选择电极1-2固定在三维步进电机4-2的机械臂上，自动控制/数据处理系统5连接并控制电极运动控制器4-l，电极运动控制器4-l连接并控制三维步进电机4-2，从而带动多个离子/分子选择电极1-2在整个测量过程中进行三维的非接触测量，多个离子/分子选择电极1-2的引线与数据采集/放大系统2连接，各个离子/分子检测信号经数据采集/放大系统输出到自动控制/数据处理系统5，自动控制/数据处理系统5与显微成像系统3连接，电极运动控制器4-1还与显微成像系统3的显微镜3-1连接。
抽油杆与其他工程材料一样，都是在一定的环境条件下使用。抽油杆常见的工作环境条件包括温度、湿度、腐蚀性介质等。以碳纤维增强乙烯基酯树脂(CF/VE)复合材料抽油杆为例，一种环境因素或多个环境因素的综合作用均会导致该复合材料中的树脂基体、增强纤维或纤维与基体间的界面发生腐蚀或破坏，从而导致复合材料的整体性能发生变化。
上述的抽油杆工作的温度和湿度环境即为湿热性环境。以碳纤维增强乙烯基酯树脂(CF/VE)复合材料抽油杆为例，在湿热性环境下复合材料吸湿的最直接结果就是树脂基体的溶胀，使得基体与纤维由于内应力作用产生脱粘，导致复合材料的力学性能和耐热性发生非可逆变化，最终使得复合材料的耐用性降低。
上述的抽油杆工作的腐蚀性环境包括酸、碱、盐、有机溶剂等介质，如含WNaCl、 NaOH的水及三氯乙烷、甲苯等的介质。抽油杆在腐蚀性介质下容易发生老化和电化学腐蚀，最终导致整体性能的下降。
上述的抽油杆若为树脂复合材料，如碳纤维Z乙烯基酯树脂(CF/VE)拉挤复合材料，其应用时通常需要两个楔形金属接头来连接上方的光杆和下方的配重杆。在与金属接头接触的服役过程中，两者电极电位的不同，所以树脂复合材料抽油杆的电化学腐蚀主要发生在抽油杆金属接头处。
本发明测试中将所述的抽油杆试样放入湿热性环境或含酸、碱、盐的腐蚀性环境中，离子/分子选择电极实时测量进出抽油杆表面离子/分子的种类、绝对浓度及三维运动方向等参数，从而得到与抽油杆环境耐用性相关的静态动态分子离子谱。这些谱图直接反映抽油杆在湿热性环境或腐蚀性环境中发生吸湿扩散、小分子溶出、水解反应和电化学腐蚀反应等过程的有效信息，通过计算机处理这些信息得出老化或腐蚀机理来评价抽油杆环境耐用性。
本发明的测量静态动态分子离子谱的方法可以用于评价抽油杆的环境耐用性。
本发明的效果(1)方便、快捷、三维地实时测量抽油杆在湿热性环境中发生的变化如液固相界面发生的前期吸湿扩散过程和后期吸湿平衡过程以及温度与环境老化相关联的信息；(2)方便、快捷、三维地实时测量抽油杆在含酸、碱、盐的腐蚀性环境中发生的有关变化如小分子溶出、水解反应、电化学腐蚀反应等；(3)测试信息能够准确全面地反映出抽油杆在工作环境中宏观性能变化的原因，如玻璃化转变温度、弯曲强度等性能的变化；(4)对抽油杆无损伤，分析准确性及分析效率高，节约能源和人力成本。
图1为静态动态分子离子谱技术系统的组成示意图。
图2为抽油杆试样在65。C的3%NaCl水溶液中浸泡时间超过240h后靠近表面微区内H+谱图。图3为抽油杆试样在65'C或95°C10%NaOH水溶液中浸泡，水分子扩散平衡后水分子与复合材料的基体树脂形成了单氢键示意图。
图4为带有金属接头的树脂复合材料抽油杆在中性腐蚀介质中测得的OH—和H02-谱图。
具体实施例方式
下面用实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于这些实施例。实施例l:
树脂复合材料抽油杆的玻璃化转变温度(Tg)是衡量其在湿热性环境下耐湿热老化性能的主要指标。大量实验证明，抽油杆在湿热性环境中工作一定时间后其玻璃化转变温度呈现明显下降。本实施例利用分子离子谱表征树脂复合材料抽油杆玻璃化转变温度下降的原因，为
水分子的溶胀作用与树脂复合材料抽油杆玻璃化转变温度下降的相互关联提供了直接证据。将碳纤维/乙烯基酯树脂(CF/VE)复合材料抽油杆试样放入65。C的3XNaCl水溶液中，用离子/分子选择电极实时测量进出抽油杆的有关离子/分子的信息，测量结果表明靠近抽袖杆试样表面微区内Na+和Cl—的浓度呈递增梯度。这说明比Na+和Cr尺寸小的水分子优先扩散进入了复合材料内部，对基体树脂产生了溶胀作用。同时测量结果表明浸泡时间超过240h后，靠近抽油杆试样表面微区内HT的浓度也出现递增梯度，如图2所示。H+谱图表明水分子向复合材料内部扩散在大约240h后达到平衡，且平衡后水分子与复合材料的基体树脂形成了单氢键，如图3所示。这些单氢键的存在破坏了分子链间的范德华力，使链段运动增加，起到增塑剂作用，导致Tg下降。实施例2:
温度对树脂复合材料抽油杆在湿热性环境下吸湿性能的影响很大。本实施例利用静态动态分子离子谱，表征了树脂复合材料抽油杆吸湿性能变化的原因。
将碳纤维/乙烯基酯树脂(CF/VE)复合材料抽油杆试样分别放入65。C和95"10^NaOH水溶液中，用离子/分子选择电极实时测量进出抽油杆的有关离子/分子的信息，测量结果表明两种溶液中靠近抽油杆试样表面微区内OH—的浓度均呈递减梯度，同时两种溶液中都新出现了羧酸根离子且其浓度呈递增梯度。这说明抽油杆基体材料中的酯基在碱性环境下发生了大量水解，形成了羧酸根离子。然而在试样表面微区内，与65"C的溶液相比，95'C溶液中OH一的浓度较低，羧酸根离子的浓度较高。这说明在更高温度的湿热性环境中，抽油杆基体材料水解更为严重，湿热老化加剧。实施例3:
电化学腐蚀是抽油杆在湿热的腐蚀性介质环境下发生的主要腐蚀行为。本实施例利用动态静态分子离子谱，表征了树脂复合材料抽油杆在中性腐蚀介质环境下电化学腐蚀的机制。
将带有金属接头的碳纤维/乙烯基酯树脂(CF/VE)复合材料抽油杆试样放入95°C10%NaCl水溶液中，用离子/分子选择电极实时测量进出抽油杆和金属接头的有关离子/分子的信
息，结果表明靠近抽油杆和金属接头表面微区内出现了 o2、 otr和Hor,且oh—和Hor
以一定速度由抽油杆表面向金属接头表面移动，如图4所示(测量时选定离子移动方向指向金属接头时其速度为正值)。这说明在带有金属接头的树脂复合材料抽油杆在中性腐蚀介质中形成了原电池，发生了严重的电化学腐蚀，且极化反应主要是溶解氧的还原过程，该还原过程其实为过氧化物的吸附。同时还发现随着浸泡时间延长，OH—和H02—移动速度逐渐变大，这直接证明带有金属接头的树脂复合材料抽油杆的腐蚀随时间延长是个加速过程。实施例4电化学腐蚀是抽油杆在湿热的腐蚀性介质环境下发生的主要腐蚀行为。本实施例利用动态静态分子离子谱，表征了树脂复合材料抽油杆在碱性腐蚀介质环境下电化学腐蚀的机制。
将带有金属接头的碳纤维/乙烯基酯树脂(CF/VE)复合材料抽油杆试样放入95°C10%NaOH水溶液中，用离子/分子选择电极实时测量进出抽油杆和金属接头的有关离子/分子的信息，测量结果表明靠近抽油杆和金属接头表面微区内同样出现了 02、 OH—和H02一，且OH—
和Hor以一定速度由抽油杆表面向金属接头表面移动。这说明树脂复合材料抽油杆在碱性腐
蚀介质中的电化学腐蚀机制和在中性腐蚀介质中相同，如实施例3所述。
但是OH一和H02—的浓度及移动速度均明显高于实施例3中的测量结果，这说明与在中性腐蚀介质中相比，树脂复合材料抽油杆在碱性腐蚀介质中的电化学腐蚀更为严重。从这一测量结果表明这是由于NaOH溶液中OH—浓度大，OH—更易移动到电极表面，使得电极表面富OH一，极化率小，使电极反应更为容易。实施例5:
电化学腐蚀是抽油杆在湿热的腐蚀性介质环境下发生的主要腐蚀行为。本实施例利用动态静态分子离子谱，表征了树脂复合材料抽油杆在酸性腐蚀介质环境下电化学腐蚀的机制。
将带有金属接头的碳纤维/乙烯基酯树脂(CF/VE)复合材料抽油杆试样放入95。C的10XH2S04水溶液中，用离子/分子选择电极实时测量进出抽油杆和金属接头的有关离子/分子的信息，测量结果表明靠近抽油杆和金属接头表面微区内出现了02和H+，且H+以一定速度由金属接头表向面抽油杆表面移动。这说明在带有金属接头的树脂复合材料抽油杆在酸性腐蚀介质中形成了原电池，发生了严重的电化学腐蚀，但其极化反应与在中性或酸性腐蚀介质中的极化反应不同。
权利要求
1.一种利用分子离子谱评价抽油杆环境耐用性的方法，该技术系统包括离子/分子信息检测电极单元(1)、数据采集/放大系统(2)、显微成像系统(3)、可编程三维运动系统(4)以及自动控制/数据处理系统(5)，其特征在于单个或多个具有选择性或特异性的离子/分子电极置于工作环境中的抽油杆表面近距离处，采集其反馈的电压或电流信号，去噪、放大后经过数据分析软件分析得到进出抽油杆(1-3)的多种离子/分子的绝对浓度、运动速率及三维运动方向等参数，根据测定的离子/分子的不同，相应的多个离子/分子选择电极(1-2)固定在三维步进电机(4-2)的机械臂上，自动控制/数据处理系统(5)连接并控制电极运动控制器(4-1)，电极运动控制器(4-1)连接并控制三维步进电机(4-2)，从而带动多个离子/分子选择电极(1-2)在整个测量过程中进行三维的非接触测量，多个离子/分子选择电极(1-2)的引线与数据采集/放大系统(2)连接，各个离子/分子检测信号经数据采集/放大系统(2)输出到自动控制/数据处理系统(5)，自动控制/数据处理系统(5)还与显微成像系统(3)连接，电极运动控制器(4-1)还与显微成像系统(3)的显微镜(3-1)连接。
2. 根据权利要求1的离子/分子选择电极，其特征在于所述的离子/分子选择电极(l-2) 根据测定的离子/分子来选定、添加，可以是玻璃电极、金属电极、碳丝电极、光纤电极、其 他选择性电极或特异性电极。
3. 根据权利要求l的抽油杆，其特征在于所述的抽油杆材质可以是纤维增强复合材料 如碳纤维增强乙烯基酯树脂(CF/VE)复合材料，也可以是金属材料如表面镀硬铬高碳钢。
4. 根据权利要求l的抽油杆，其特征在于所述的抽油杆的工作环境为湿热性环境或含 酸、碱、盐等的腐蚀性环境。
5. 根据权利要求1的利用分子离子谱评价抽油杆环境耐用性的方法，其特征在于将所述的抽油杆试样放入湿热性环境或含酸、碱、盐的腐蚀性环境中，离子/分子选择电极实时测 量进出抽油杆表面离子/分子的种类、绝对浓度及三维运动方向等参数，从而得到与抽油杆环 境耐用性相关的静态动态分子离子谱，这些谱图直接反映抽油杆在湿热性环境或腐蚀性环境 中发生吸湿扩散、小分子溶出、水解反应和电化学腐蚀反应等过程的有效信息，通过计算机 处理这些信息得出老化或腐蚀机理来评价抽油杆的环境耐用性。
全文摘要
本发明提供一种通过非接触检测分子离子谱，评价抽油杆环境耐用性的方法。该技术系统包括离子/分子信息检测电极单元(1)、数据采集/放大系统(2)、显微成像系统(3)、可编程三维运动系统(4)以及自动控制/数据处理系统(5)。该方法在不接触处于湿热性环境或腐蚀性环境中抽油杆的前提下，以手动或编程的方式按照研究人员的设定实时测量进出抽油杆表面离子/分子的种类、绝对浓度及三维运动方向等参数以得到与抽油杆环境耐用性相关的分子离子谱，直接表征抽油杆在工作环境中发生的变化，如吸湿扩散过程、小分子溶出、水解反应和电化学腐蚀反应等。该方法对抽油杆无损伤，数据采集全面，分析准确、效率高，能有效节约能源和人力成本。
文档编号G01N17/00GK101655447SQ20081011871
公开日2010年2月24日 申请日期2008年8月20日 优先权日2008年8月20日
发明者越 许 申请人:旭月(北京)科技有限公司