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复合材料卡瓦专用胶粘剂的应用研究

                        复合材料卡瓦专用胶粘剂的应用研究
                            袁发勇1,彭永利2 ,王醉寒2
    ( 1. 中石化江汉石油工程有限公司井下测试公司,湖北武汉430048; 2. 武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北武汉430074)
    摘要: 通过粘度、力学性能测试及红外光谱分析对复合材料卡瓦专用胶粘剂的性能进行了研究。结果表明,复合材料卡瓦上镶嵌陶瓷牙齿前需预热处理,预热温度设定在50 ~ 60 ℃为宜,其胶粘剂体系粘度约为50 s。该胶的韧性和粘接性能优良,胶层可以有效传递载荷,固化物的冲击强度达到9. 6 kJ /m2 ,满足复合材料桥塞坐封时的力学性能要求。
    关键词: 卡瓦; 胶粘剂; 粘度; 冲击强度
    中图分类号: TB332 文献标识码: A 文章编号: 1002 - 7432( 2014) 02 - 0039 - 03
    0· 引言
    随着油气田的不断开采和不可再生能源的逐渐耗竭,非常规油气( 如页岩气) 将成为未来石油天然气能源的重要接替者。我国页岩气资源储量丰富,但是由于其储层具有低孔率、特低渗透的特征,需要通过多级多层段压裂技术进行储层改造,用以提高单井产量[1]。在页岩气井压裂改造过程中,桥塞是一种重要的部件。但目前常用的各种规格的金属桥塞普遍存在易卡、钻铣困难等缺点。近年来,国外利用非金属材料制造易钻桥塞,其结构设计类似于传统金属材料桥塞,主要围绕优选易钻铣材料替代金属材料制作易钻桥塞。国外桥塞现已实现了材料的“非金属化”,全部采用复合材料来制造。国内可钻式桥塞的制造材料尚停留在大量使用金属材料阶段[2,3]。
    本课题组设计研发了易钻复合材料桥塞,实现了桥塞材料的非金属化,满足了桥塞坐封的各项指标要求[4]。其中,镶嵌氧化铝牙齿的复合材料桥塞适用工作压差为50 MPa; 镶嵌碳化硼牙齿的复合材料桥塞适用工作压差为35 MPa。
    1 ·实验部分
    1. 1 原材料
    环氧树脂EP CYD - 127,巴陵石化分公司环氧树脂事业部,环氧当量184 ~ 194 g /eq; 低粘度聚酰胺固化剂,自制[5,6]( 具体方法为: 以己二酸、四乙烯五胺为原料,反应温度160 ℃,反应时间1 h,酸胺物质的量配比1∶ 3,所得产物聚酰胺树脂胺值( KOH) 为718 mg /g,粘度( 25 ℃) 为12. 240Pa·s) ; 氧化铝牙齿为直径9. 80 ~ 9. 85 mm、高度7. 30 ~ 7. 35 mm 的圆柱体。
    1. 2 陶瓷牙齿的镶嵌工艺
    将复合材料卡瓦和陶瓷牙齿分别用丙酮进行表面处理,去除表面脱模剂、油污等杂质。将树脂与固化剂分别预热至50 ℃,按质量比100∶ 34 充分混合均匀后,在卡瓦孔内壁涂抹胶粘剂,镶嵌陶瓷牙齿后装入限位模具中,室温固化8 h,脱模后120 ℃后固化4 h。
    1. 3 胶粘剂固化体系粘度的测试
    胶粘剂固化体系的粘度根据GB /T 2794—1995胶粘剂粘度测定法,采用涂- 4 杯测定粘度并记录结果。不同温度下的粘度测定时,需要将涂- 4 杯和胶粘剂的双组分分别预热至指定温度,快速混合后立刻进行。
    1. 4 胶粘剂固化物力学性能测试
    将环氧树脂和固化剂分别预热至50 ~ 60 ℃,按比例混合均匀,浇注于预热的自制树脂浇铸体多用途试样模具[7]中,室温固化12 h,脱模后120 ℃后固化4 h。其他参照GB /T 2567—2008《树脂浇铸体性能试验方法》执行。
    1. 5 胶粘剂固化物的红外表征
    将混合均匀的胶粘剂涂成液膜,60 ℃下固化成固体,采用KBr 压片法,在IMPACT420 型傅里叶红外光谱仪( 美国) 上进行分析,扫描范围为4 00 ~ 4 000 cm - 1。
    2· 结果与讨论
    2. 1 复合材料卡瓦的设计
    复合材料桥塞卡瓦工作原理: 在桥塞心轴上装配有带导轨槽的锥体,在桥塞坐封工具力作用下,卡瓦沿着锥体斜面相对滑动,将6 片卡瓦撑离心轴表面,卡瓦外表面镶嵌的陶瓷牙齿咬合油气井套管( 钢制) 内壁,使桥塞处于坐封状态。
    国内这种卡瓦用铸铁制作,外表面铣出槽牙并进行硬化处理,或焊接碳化钨牙齿,以便咬合油井套管内壁。复合材料卡瓦属于热固性树脂基复合材料,采用模压工艺制备,具有尺寸稳定、轻质高强、无需2 次加工、阻燃、易钻铣等优异性能。卡瓦外表面弧度与金属管内壁一致,陶瓷牙齿均匀分布在卡瓦外表面,安装角度和镶嵌深度一致( 如图1 所示) ,牙齿中心之间排列角度均匀散布,卡瓦内表面与锥体滑道角度一致。卡瓦表面的预留孔与陶瓷牙齿采用间隙配合,其间隙用热固性胶粘剂填充。因此,镶嵌用粘接剂的粘度对陶瓷牙齿的安装角度和高度有较大影响,进而影响到桥塞的承压能力和稳定性。
    
    2. 2 预热温度与胶粘剂体系粘度的关系
    在陶瓷牙齿的镶嵌粘接过程中,胶粘剂体系的粘度直接影响到粘接的工艺性。粘度过大容易预埋气泡而且难以均匀涂胶,卡瓦孔底部胶层过厚会影响陶瓷牙齿的安装高度,进而导致陶瓷牙齿受力不均,降低桥塞的承载能力。因此在进行镶嵌粘接之前需要进行预热处理。
    表1 为预热温度与胶粘剂体系粘度的关系,可以看出,粘度受温度的影响很大,呈反向关系,温度越低,粘度越高。当温度低于40 ℃时,体系粘度过大,超出了涂- 4 杯的测定范围; 当温度在50~ 80 ℃时,体系粘度降至50 s 左右,而且变化不大; 当温度为90 ~ 100 ℃ 时,体系粘度降至20 s左右。由于陶瓷牙齿的初步镶嵌定位采用手工操作,因此,预热温度设定在50 ~ 60 ℃为宜。采用预热处理大大改善了陶瓷牙齿镶嵌的工艺性,有效提高了镶嵌效率和质量。
    
    2. 3 胶粘剂浇铸体力学性能
    由于卡瓦表面的预留孔与陶瓷牙齿采用间隙配合,其间隙用热固性胶粘剂填充,因此胶粘剂在桥塞受力过程中起到传递载荷的作用。普通环氧树脂胶粘剂硬度高、脆性大,无法有效连接陶瓷牙齿和复合材料卡瓦。本研究的胶粘剂体系具有室温固化,配比范围宽,操作期长等特点,与环氧树脂配合不产生副产物,对环氧树脂增韧效果明显。其力学性能见表2。低粘度的聚酰胺固化剂的脂肪烃碳链交联时能起内增塑作用,极大地提高了固化物的抗冲击强度,达到9. 6 kJ /m2。此外,胶层固化物具有较好的粘接强度、韧性和耐化学品性,胶层可以有效传递载荷,满足复合材料桥塞坐封时的力学性能要求。
    
    2. 4 胶粘剂固化物红外光谱分析
    图2 为复合材料卡瓦专用胶粘剂固化物的红外光谱图。
    
    可以看出固化剂的红外特征峰: N—H 键伸缩振动峰3 295 cm - 1 ; C == O 键伸缩振动峰1 644 cm - 1 ; C—N 键伸缩振动峰1 182 cm - 1 ; CH2的不对称伸缩振动峰2 923 cm - 1 和弯曲振动峰1 462 cm - 1。环氧树脂的红外特征峰为苯环特征峰1 608 cm-1、1 548 cm-1、1 509 cm-1、826 cm-1苯环的双取代特征峰761 cm - 1、726 cm - 1 ; CH2的对称伸缩振动峰2 852 cm - 1。910 ~ 920 cm - 1的环氧三元醚环特征峰不存在,新出现了1 039 cm - 1 的C—O—C 键伸缩振动峰和1 248 cm - 1的C—O 键伸缩振动峰,说明环氧树脂的环氧基全部开环与聚酰胺固化剂反应,形成了三维的体型结构。
    3· 结论
    1) 复合材料卡瓦专用胶粘剂的韧性和粘接性能优良,提高了固化物的冲击强度,达到9. 6 kJ /m2,胶层可以有效传递载荷,满足复合材料桥塞坐封时的力学性能要求。
    2) 在复合材料卡瓦上镶嵌陶瓷牙齿前需要预热处理,预热温度设定在50 ~ 60 ℃为宜,其胶粘剂体系粘度约为50 s( 涂- 4 杯) 。
    3) 红外光谱证明了该胶粘剂固化完全,间接证明了三维体型结构的形成。
参考文献
[1]孙海成,汤达祯,罗勇,等. 压裂改造技术在页岩气储层中的应用[J]. 石油钻采工艺,2011,33( 4) : 75 - 80.
[2] 赵荣华,李斌,万爱娥. 复合桥塞在水平井分段压裂中的应用[J]. 江汉石油职工大学学报,2012,25( 5) : 53 - 55.
[3] 徐克彬,张连朋,吉鸿波,等. 高压复合材料桥塞应用实践[J]. 油气井测试,2009, 18( 3) : 63 - 65.
[4] 易钻复合材料桥塞在外部市场推广应用[J]. 江汉石油科技,2013,23( 2) : 79.
[5] 黄赤,叶龙,彭永利. 低粘度聚酰胺的合成[J]. 武汉工程大学学报,2010, 32( 11) : 81 - 84.
[6]Peng Yongli,Liang Yi,Huang Chi,et al. A study on the application
of a low viscosity epoxy resin curing system[J]. Advanced Materials
Research,2013,689: 286 - 289.
[7] 彭永利,黄赤,万春杰,等. 树脂浇铸体多用途试样模具: 中国,201120350087[P]. 2012 - 5 - 30.

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