在油田的有杆泵抽油设备中,扶正器是和抽油杆配套的一个关键部件。由于油泵柱塞在下冲程时阻力增大或者斜井而导致抽油杆发生弯曲,使抽油杆柱与油管内壁频繁发生摩擦,产生抽油杆柱偏磨现象,使杆柱强度减弱,造成频繁检泵。扶正器在服役过程中,不但要承受较大的摩擦力和冲击力的作用,同时还受到工作环境中砂子、粉尘、酸、碱、盐及微生物等的腐蚀。因而实际工况要求扶正器须具有高的、抗冲击性和耐复杂环境腐蚀等性能。特别是现在油田开采进入注水期,随着综合含水量的不断上升,油井腐蚀程度日趋严重。其原因为:当油井产出液中水的质量分数大于74.02%时,产出液由油包水型转换为水包油型,杆、管表面失去了原油的保护作用,产出水直接接触抽油杆和油管,腐蚀速度增大,抽油杆和油管内壁磨损速度加快,磨损严重。这不仅造成了油井减产或停产,增加维护工作量,而且导致井内管杆磨损、断裂,甚至管杆落井,增加了作业施工的难度。因此,如何抽油杆扶正器材料的防偏磨及蚀效果显得尤为重要。笔者现综述抽油杆扶正器用聚酞胺(PA)复合材料、聚四氟乙烯(PTFE)复合材料及分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料的研究进展。
PA按其分子主链结构可分为脂肪族PA半芳香族PA全芳香族PA含杂环芳香族PA及脂环族PA等。适用于塑料材料改性和应用的主要是脂肪族PA。在金属滚轮扶正器不断暴露出缺陷之后,PA是目前常采用的制作扶正器的高分子材料。与金属滚轮扶正器相比,PA扶正器具有明显的特点:①具有良好的力学强度、抗冲击强度及耐化学药品性,优异的和自润滑性;②PA的强度与油管相比要低一些,对油管无伤害;③磨损后呈粉末状,粉末被油流携带走,无碎渣,不卡泵。
一、纯PA
PA6和PA66是脂肪族PA中应用为广泛的两种,前期都被单独用于制作抽油杆扶正器。PA66的综合性能较PA6要好,但成本相对较高。
注射成型的纯PA扶正器加装在管箍或卡在抽油杆上,由于RA分子结构具有强极性,故吸水率大,易引起强度及模量下降,影响尺寸稳定性,同时其低温冲击强度低,干态韧性不足,抗蠕变性能亦有待提高,使其耐热温度和有限,使用过程中易碎裂造成卡泵,使用寿命较短。同时,PA扶正器磨损后,仍然造成油杆的接箍及本体与油管偏磨。PA对钢材的摩擦因数在油润滑条件下明显降低,佳。但在水润滑条件下反而比干燥时 高,受到严重影响,这使得注水开采油田中PA扶正器的使用寿命降低。针对上述问题,一些生产厂家采用复合增强改性的办法来PA扶正器的性能。
二、玻璃纤维(GF)增强PA
GF因具有增果良好、价格便宜、原料易得等特点而被广泛应用于PA的复合增强改性。GF的比强度和拉伸弹性模量比PA大10~20倍,线膨胀系数约为PA的1/20,吸水率接近于0,具有优良的耐热性和耐化学药品性。从1955年开始,它就用于热塑性塑料的增强改性,通常主要使用的是无碱GF。GF不但能起到增加PA的强度和刚性的目的,而且还可以提高PA的耐热性,尺寸稳定性、硬度和抗蠕变性等。如 DuPont公司的Zytel70G43LBK031,日本ICI公司的VertonRF700210和RA2D7008以及德国BASF公司的Ultra-midA3WG10等GF增强PA均比纯PA的综合性能提高3~4倍。早在1998年,中原石油勘探局采油三厂采用日本的GF增强PA制成抽油杆扶正器,并在中原油田采油三厂3个油矿的160多口油井中进行试用,发现抽油杆的断脱率下降到22.07%,而采用金属扶正器的断脱率均超过40%,效果非常明显。GF增强PA扶正器料生产出的抽油杆扶正器防偏磨性能优异,各项综合指标均达到或超过水平,现已普遍中原、胜利、大庆、江汉等油田的认可,效果突出,性能优异。GF增强PA也存在一些缺点,如GF的加入增加了PA的脆性和摩擦因数,使冲击强度和下降,且当GF质量分数大于40%时,熔体粘度增大,给扶正器的加工成型带来 困难。
三、碳纤维(CF)/GF复合增强PA
CF是20世纪50年代初应火箭、宇航及航空等技术的需要而出现的一种纤维材料。与GF相比,它具有高比强度、高比模量、、摩擦因数低、蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小等一系列优点。 WilsonFiberfil公司使用质量分数40%CF增强PA66,其弯曲强度达到2758MPa,拉伸强度为31712MPa,可用于代替金属材料,在和宇航广泛应用。虽然CF近年来逐渐从发展到民用,但价格依然昂贵且原料不易。为了使扶正器具有 的综合性能和较低的成本,采用CF和GF复合增强技术对PA进行增强改性处理,在充分利用混杂纤维复合优势的基础上,兼顾GF的价格优势和CF优良的能。CF/GF复合增强PA比传统的GF增强PA具有 高的、蚀和力学性能,并且耐温性能良好,。山东大学碳纤维工程技术研究中心用CF/GF厦合增强PA做成抽油杆扶正器,同时将CF制成柔性连续抽油杆,将两者装配在泵挂分别为1200、1800、3000m的直井和斜井中进行试用,发现与金属抽油杆和扶正器相比,其断脱率下降,且日产油量提高近1/3,使用寿命则比纯PA制件提高了3~5倍,经济效益显著。