柔性连续抽油杆表面防护技术研究
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摘要
机械采油是国内外传统采油的主要方式，而有杆泵抽油是当今世界采油行业中应用最广泛的技术，也是迄今采油工程中一直占主导地位的举升方式。柔性连续抽油杆作为一种新型的有杆泵抽油的泵杆，在试用阶段就显示出了极强的优越性，倍受石油专家的好评。对于发展我国的陆上采油工业具有重要的意义。
柔性连续抽油杆由于使用工况的特殊性和工作环境的复杂性，存在着严重的腐蚀、磨损问题和在低温环境下表面防护涂层容易开裂等缺点，严重影响了柔性连续抽油杆的产业化进程。针对这些问题，论文对柔性连续抽油杆表面防护材料进行了一系列的研究。主要的研究成果及创新如下：
(1)从柔性连续抽油杆表面防护材料存在的低温性能不好、接头易开裂等问题出发，对应用于柔性连续抽油杆表面防护的尼龙类塑料进行了基本性能研究和拉伸强度、熔融指数、冲击强度等对比试验研究。结果表明：尼龙类工程塑料PA66-1、PA6-2具有强度高、韧性好、流动性好、易加工等特点，能够满足柔性连续抽油杆的力学性能要求；
(2)建立了尼龙类工程塑料(PA6、PA66)的腐蚀理论模型；对所选用的尼龙类工程塑料进行了腐蚀试验、吸水试验和耐化学药品的分析，结果表明：PA6-2、PA66-1两种材料具有很好的耐腐蚀性能；分析了多种抗热氧化稳定剂对尼龙类工程塑料的协同作用，并确定了尼龙涂层的抗氧化稳定剂；
(3)分析了尼龙类工程塑料的增容改性原理，并对选定的几种柔性连续抽油杆表面防护尼龙涂层进行了大量的共混改性研究，包括与PE、PP、ABS、POE的共混改性。得出了PA6／ABS-g-MAH和PA6／POE在低温状态下具有良好的冲击韧性和延展性的结论；确定了两个柔性连续抽油杆表面防护材料配方：①尼龙6+ABS-g-MAH+M-g-MAH+抗氧剂+助剂；②尼龙6+POE+相溶剂+抗氧剂+助剂；
(4)对自行研制的材料配方——尼龙6+POE+相溶剂+抗氧剂+助剂(代号为ZZ7024B)和某柔性连续抽油杆生产厂家使用的尼龙涂层(代号为JKPA)进行了摩擦磨损试验；分析了滑动速度、载荷分别对两种材料摩擦系数和磨损量的影响，并根据试验后的SEM图，结合摩擦磨损的微观形貌理论，分析了ZZ7024B和JKPA的摩擦磨损机理。结果表明：(a)ZZ7024B和JKPA的摩擦系数都随滑动速度的增大而减小，但随载荷的增大而变化很小。ZZ7024B的摩擦系数比JKPA小，最小可
武汉理工大学博士研究生论文
达到0.05;(b)随着载荷和速度的增大，JKPA和ZZ7O24B的磨损量也随之增大;
在相同的载荷和速度条件下，JK队的磨损量大于ZZ7024B的磨损量;(c)在油
田腐蚀环境中，两种材料的磨损机理有相同，也有所不同，Zz7024B主要是粘着磨
损和疲劳磨损，JK队主要是粘着磨损和磨料磨损;
(5)设计出了柔性连续抽油杆热挤出尼龙涂层的生产线和整绳采用热挤塑，
局部采用热喷塑的工艺。并通过试验证明，该工艺是可行的，能满足生产要求。
Mechanical oil extraction is the main traditional manner of oil extraction throughout the world. Pumping with rod is the most extensively used technique as well as the primary hoisting method. A new type of petroleum equipment, the flexible continuous sucker rod, highly appraised by the oil experts, has a very good application prospect because it can fully exhibit its unique excellence on machine oil extraction. So it is very useful for developing our country's petroleum industry on land.
In view of the particularity of working condition and the complexity of the corrosion environment in oil welis, there are very serious corrosion and wear problems. And Nylon coating tends to craze in low temperature. These shortcomings severely impede its industrialization. Aiming at these problems, a large number of experimentation research on the surface protection materials of the flexible continuous sucker rod were made in this paper. The main achievements and innovations are as follows:
1. Considering the fact that the surface protection of the continuous sucker rod behaves badly and the interconnection tends to split in low temperature, we conducted experiments of basic properties and trial-use on the nylon used as the surface protection for continuous sucker rod in tensile strength, impact strength, MI, etc. The results showed that, in terms of mechanical properties, nylon (including PA6, PA66) could basically meet the needs for application of continuous sucker rod.
2. The corrosion model was established. The analysis was done for the corrosion tests, water-absorption tests as well as anti-chemicals tests. It proved that PA6-2, PA66-1 were strong in anti-corrosion. And we analyzed the synergy of various thermo-antioxidant stabilizers upon plastics and settled one antioxidant stabilizer.
3. The methods and principles of the enhancement of compatibility and the modification tests of co-miscibility with PE, PP, ABS and POE were extensively done on the Nylon for the surface protection of continuous sucker rod. And we came to the conclusion that PA/ABS-g-MAH and PA/POE possessed good impact endurance and ductility in low temperature. And we established two formulas for surface protection of continuous sucker rod: (1) PA6+ABS-g-MAH+M-g-MAH+antioxidant+auxiliary; (2) PA6+POE+co-miscible agent+ antioxidant+ auxiliary.
4. Friction and wear properties of the nylon coating, prepared by hot- extrusion, used to protect the surface of the flexible continuous sucker rod were studied by using a pin-on-disc wear tester in the simulated oil well environment. The effects of sliding speed and load were considered. The wear mechanism was also studied by using scanning electron microscope (SEM). The result was: (a) the friction coefficients of both kinds of materials, JKPA and ZZ7024B used to protect the surface of the flexible continuous sucker rod decreased with sliding speed increasing, but changed little with
load increasing in the simulated oil well environment. The value of friction coefficient of ZZ7024B was smaller than that of JKPA. The minimum value of friction coefficient of ZZ7024B was about 0.05. (b) The wear volume of ZZ7024B was smaller than that of JKPA with the sliding speed and load increasing under the same conditions of experimentation; (c) The wear mechanisms of the two materials were different. The main mechanism of ZZ7024B was fatigue peeling and adhesive wear, but JKPA abrasive wear and adhesive wear. On the whole, the ZZ7024B exhibited very good wear resistance.
5. The product line of the hot-extrusion Nylon coating for the flexible continuous sucker rod was designed. The technique of hot-extrusion for the whole rod and the technique of local hot spraying were adopted. And the techniques were feasible and in a position to meet production requirements.
柔性连续抽油杆由于使用工况的特殊性和工作环境的复杂性，存在着严重的腐蚀、磨损问题和在低温环境下表面防护涂层容易开裂等缺点，严重影响了柔性连续抽油杆的产业化进程。针对这些问题，论文对柔性连续抽油杆表面防护材料进行了一系列的研究。主要的研究成果及创新如下：
(1)从柔性连续抽油杆表面防护材料存在的低温性能不好、接头易开裂等问题出发，对应用于柔性连续抽油杆表面防护的尼龙类塑料进行了基本性能研究和拉伸强度、熔融指数、冲击强度等对比试验研究。结果表明：尼龙类工程塑料PA66-1、PA6-2具有强度高、韧性好、流动性好、易加工等特点，能够满足柔性连续抽油杆的力学性能要求；
(2)建立了尼龙类工程塑料(PA6、PA66)的腐蚀理论模型；对所选用的尼龙类工程塑料进行了腐蚀试验、吸水试验和耐化学药品的分析，结果表明：PA6-2、PA66-1两种材料具有很好的耐腐蚀性能；分析了多种抗热氧化稳定剂对尼龙类工程塑料的协同作用，并确定了尼龙涂层的抗氧化稳定剂；
(3)分析了尼龙类工程塑料的增容改性原理，并对选定的几种柔性连续抽油杆表面防护尼龙涂层进行了大量的共混改性研究，包括与PE、PP、ABS、POE的共混改性。得出了PA6／ABS-g-MAH和PA6／POE在低温状态下具有良好的冲击韧性和延展性的结论；确定了两个柔性连续抽油杆表面防护材料配方：①尼龙6+ABS-g-MAH+M-g-MAH+抗氧剂+助剂；②尼龙6+POE+相溶剂+抗氧剂+助剂；
(4)对自行研制的材料配方——尼龙6+POE+相溶剂+抗氧剂+助剂(代号为ZZ7024B)和某柔性连续抽油杆生产厂家使用的尼龙涂层(代号为JKPA)进行了摩擦磨损试验；分析了滑动速度、载荷分别对两种材料摩擦系数和磨损量的影响，并根据试验后的SEM图，结合摩擦磨损的微观形貌理论，分析了ZZ7024B和JKPA的摩擦磨损机理。结果表明：(a)ZZ7024B和JKPA的摩擦系数都随滑动速度的增大而减小，但随载荷的增大而变化很小。ZZ7024B的摩擦系数比JKPA小，最小可
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达到0.05;(b)随着载荷和速度的增大，JKPA和ZZ7O24B的磨损量也随之增大;
在相同的载荷和速度条件下，JK队的磨损量大于ZZ7024B的磨损量;(c)在油
田腐蚀环境中，两种材料的磨损机理有相同，也有所不同，Zz7024B主要是粘着磨
损和疲劳磨损，JK队主要是粘着磨损和磨料磨损;
(5)设计出了柔性连续抽油杆热挤出尼龙涂层的生产线和整绳采用热挤塑，
局部采用热喷塑的工艺。并通过试验证明，该工艺是可行的，能满足生产要求。
Mechanical oil extraction is the main traditional manner of oil extraction throughout the world. Pumping with rod is the most extensively used technique as well as the primary hoisting method. A new type of petroleum equipment, the flexible continuous sucker rod, highly appraised by the oil experts, has a very good application prospect because it can fully exhibit its unique excellence on machine oil extraction. So it is very useful for developing our country's petroleum industry on land.
In view of the particularity of working condition and the complexity of the corrosion environment in oil welis, there are very serious corrosion and wear problems. And Nylon coating tends to craze in low temperature. These shortcomings severely impede its industrialization. Aiming at these problems, a large number of experimentation research on the surface protection materials of the flexible continuous sucker rod were made in this paper. The main achievements and innovations are as follows:
1. Considering the fact that the surface protection of the continuous sucker rod behaves badly and the interconnection tends to split in low temperature, we conducted experiments of basic properties and trial-use on the nylon used as the surface protection for continuous sucker rod in tensile strength, impact strength, MI, etc. The results showed that, in terms of mechanical properties, nylon (including PA6, PA66) could basically meet the needs for application of continuous sucker rod.
2. The corrosion model was established. The analysis was done for the corrosion tests, water-absorption tests as well as anti-chemicals tests. It proved that PA6-2, PA66-1 were strong in anti-corrosion. And we analyzed the synergy of various thermo-antioxidant stabilizers upon plastics and settled one antioxidant stabilizer.
3. The methods and principles of the enhancement of compatibility and the modification tests of co-miscibility with PE, PP, ABS and POE were extensively done on the Nylon for the surface protection of continuous sucker rod. And we came to the conclusion that PA/ABS-g-MAH and PA/POE possessed good impact endurance and ductility in low temperature. And we established two formulas for surface protection of continuous sucker rod: (1) PA6+ABS-g-MAH+M-g-MAH+antioxidant+auxiliary; (2) PA6+POE+co-miscible agent+ antioxidant+ auxiliary.
4. Friction and wear properties of the nylon coating, prepared by hot- extrusion, used to protect the surface of the flexible continuous sucker rod were studied by using a pin-on-disc wear tester in the simulated oil well environment. The effects of sliding speed and load were considered. The wear mechanism was also studied by using scanning electron microscope (SEM). The result was: (a) the friction coefficients of both kinds of materials, JKPA and ZZ7024B used to protect the surface of the flexible continuous sucker rod decreased with sliding speed increasing, but changed little with
load increasing in the simulated oil well environment. The value of friction coefficient of ZZ7024B was smaller than that of JKPA. The minimum value of friction coefficient of ZZ7024B was about 0.05. (b) The wear volume of ZZ7024B was smaller than that of JKPA with the sliding speed and load increasing under the same conditions of experimentation; (c) The wear mechanisms of the two materials were different. The main mechanism of ZZ7024B was fatigue peeling and adhesive wear, but JKPA abrasive wear and adhesive wear. On the whole, the ZZ7024B exhibited very good wear resistance.
5. The product line of the hot-extrusion Nylon coating for the flexible continuous sucker rod was designed. The technique of hot-extrusion for the whole rod and the technique of local hot spraying were adopted. And the techniques were feasible and in a position to meet production requirements.
引文
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