丁腈橡胶衬套产品的寿命预测方法探讨

宋 建，罗西超，刘欣欣，郭添鸣，孙晓亮，张一帆

（北京石油机械有限公司，北京 102206）

丁腈橡胶（NBR）作为高分子弹性体，凭借其优异的耐温、耐油和高弹性，在油田钻井作业工具中得到广泛应用[1-2]。NBR是螺杆钻具发动机中定子橡胶衬套的主体材料，定子注胶成型后内部形成螺旋形橡胶空腔，其与螺旋形转子合理配合（一般是过盈配合）形成有效密封[2]。作业时，橡胶衬套受到复杂工况作用，即井温的阶梯上升、高温介质的长期腐蚀、转子的高频剪切压缩、转子波峰峰顶与钻井液共同产生的旋转力作用，导致定子橡胶衬套发生热膨胀、介质浸泡溶胀、压缩永久变形和磨耗损失，其尺寸发生变化[3]。

本工作以常规型号的定子为例，结合NBR胶料的物理性能检测，初步建立定子NBR衬套的配合尺寸在时间效应下的变化模型，从而预测在定转子的设计配合尺寸下螺杆钻具发动机的寿命[4]。

1 实验

1.1 影响因素

172螺杆钻具的初始定子小径是选择转子中径的主要参考数据，在螺杆钻具下井作业时，定子小径发生变化，初始定转子过盈配合关系变化。探究NBR衬套的尺寸变化情况，需要从NBR胶料的温升线膨胀、热介质浸泡溶胀、压缩永久变形和磨耗损失4个方面进行叠加计算[5-9]。

1.2 试验设备

低温膨胀系数测定仪、高温滚子加热炉、磨耗试验机。

1.3 测试分析

（1）线膨胀系数采用GB/T 1036—2008《塑料－30～30 ℃线膨胀系数的测定 石英膨胀计法》测定。试样尺寸为50 mm×6.3 mm×6.3 mm，硫化条件为175 ℃×15 min，硫化试样室温停放24 h后进行测试，试验温度范围0～150 ℃，记录温度间隔为1 ℃。

试样的膨胀量按式（1）计算：

式中 ΔH——试样在各温度点的膨胀量，μm；

Ht——试样在加热膨胀后的高度，μm；

H0——试样在室温下的原始高度，μm。

试样的线膨胀系数按式（2）计算：

式中α——试样的平均每摄氏度的线膨胀系数，℃-1；

ΔT——试验温度＋1.8 ℃。

试样的体膨胀系数按式（3）计算：

式中β——试样的平均每摄氏度的体膨胀系数，℃-1；

ΔS——试样的底面积膨胀倍数。

试样的膨胀率按式（4）计算

式中γ——试样在某一温度下的膨胀率，%。

（2）热介质浸泡溶胀试验按照GB/T 1690—2010《硫化橡胶或热塑性橡胶 耐液体试验方法》进行。试样尺寸为20 mm×20 mm×2 mm，硫化条件为175 ℃×15 min，硫化试样室温停放24 h后进行测试，试样在钻井液中完成48 h的热介质浸泡溶胀。

（3）压缩永久变形采用GB/T 7759.1—2015《硫化橡胶或热塑性橡胶 压缩永久变形的测定 第1部分：在常温及高温条件下》测定。试样为直径29 mm、高12.5 mm的圆柱体，硫化条件为175℃×10 min，硫化试样室温停放24 h后分别进行室温、70 ℃和150 ℃下的压缩永久变形测试，压缩率为10%～25%。

（4）阿克隆磨耗量采用GB/T 1689—2014《硫化橡胶耐磨性能的测定（用阿克隆磨耗试验机）》测定。试样尺寸为233.6 mm×12.7 mm×6 mm，硫化条件为175 ℃×10 min，硫化试样室温停放24 h后进行测试，磨耗时间为98 min。

2 结果与讨论

2.1 NBR胶料性能

2.1.1 温升线膨胀性

NBR胶料的温升线膨胀性试验结果如表1所示。

由表1可知：随着温度的升高，NBR胶料的线膨胀量和线膨胀率基本呈线性增大趋势；线膨胀系数先增大，温度升至45 ℃时线膨胀系数达到最大值，然后变化不大。分析认为，在温度升至45 ℃后，NBR胶料的弹性模量变小，NBR胶料变软[10]，受压力影响，橡胶分子间运动增长幅度与温度不呈线性变化[11]。

表1 NBR胶料的温升线膨胀性试验结果Tab.1 Temperature rise linear expansion test results of NBR compound

2.1.2 在热介质浸泡溶胀性

NBR胶料的热介质浸泡溶胀性试验结果如表2所示。

表2 NBR胶料的热介质浸泡溶胀性试验结果Tab.2 Thermal medium immersion swelling test results of NBR compound

由表2可知：NBR胶料在90 ℃以上的介质中浸泡48 h，溶胀达到平衡；随着介质温度的升高，NBR胶料的溶胀率呈小幅上涨趋势[12]。分析认为：介质温度升高一方面促使介质粘度降低，流动性增强，更多的介质小分子溶剂渗入NBR胶料表面并向内部扩散；另一方面橡胶分子的活动能力增强，促使NBR胶料内部网络结构增大，可以容纳更多的介质小分子[13]。

2.1.3 压缩永久变形

NBR胶料的压缩永久变形试验结果如表3所示。

表3 NBR胶料压缩永久变形试验结果Tab.3 Compression set test results of NBR compound

由表3可知：在相同压缩时间下，NBR胶料的压缩永久变形随着试验温度的升高而增大；在相同温度下，不同压缩率的NBR胶料的压缩永久变形变化小，即压缩率对同一温度下NBR胶料的永久变形影响不大[14-16]。分析认为，在高温下，NBR胶料达到一定压缩永久变形所需的时间缩短，因此在同一压缩时间下，NBR胶料的压缩永久变形与温度密切相关，温度高，压缩永久变形大，反之温度低，压缩永久变形小。

2.1.4 磨耗性能

NBR胶料的阿克隆磨耗量如表4所示，预磨前试样需在双头磨片机上打磨出粗糙面，打磨后试样厚度变小。

表4 NBR胶料的阿克隆磨耗量Tab.4 Akron abrasions of NBR compound

从表4可以看出，NBR的阿克隆磨耗量平均值为0.048 g。

2.2 定转子的配合尺寸变化规律

定子用橡胶衬套在井下主要受高温、高频剪切、钻井液腐蚀等作用，发生热膨胀、介质浸泡溶胀、压缩永久变形和磨耗损失，以一个直径为172 mm的定子为例，通过实验室数据推测在特定井下的定子NBR衬套的配合尺寸变化规律，如表5所示。NBR衬套的配合尺寸与时间关系模型是按照以下规定建立的。

表5 不同钻井时间的定子NBR衬套尺寸Tab.5 Sizes of NBR bushing for stator with different drilling time

（1）设定定子的初次下井井温为90 ℃，初次下井井底温度不高于150 ℃时，垂直深度每增大100 m，钻井液温度升高3 ℃；井底温度高于150 ℃时，钻井液温度恒定。

（2）钻井液温度梯度与时间公式如下：

式中tn——完成钻井时间；

tn-1——开始钻井时间；

Tn——完成钻井时钻井液温度；

Tn-1——开始钻井时钻井液温度；

Vn-1——开始钻井速度。

（3）NBR 衬套磨耗试片的密度为1.18 Mg·m-3，长度为233.6 mm，宽度为12.7 mm，磨耗时间规为98 min。NBR衬套磨耗试片每小时的磨耗厚度＝磨耗体积×60/（长度×宽度×98）＝（磨耗前质量－磨耗后质量）×60/（长度×宽度×98×密度）＝损耗质量×60/（长度×宽度×98×密度）。磨耗厚度是在一定压力下室温无介质滚动摩擦理想值。NBR胶料的每小时线磨耗率理想值为0.000 002 710 164。

（4）不考虑转子的热膨胀。

（5）NBR衬套的温升线膨胀量为无介质下的纯温升线膨胀量。

（6）NBR衬套介质浸泡溶胀的理想情况为在每个温度阶段（浸泡48 h）均达到溶胀平衡，在48 h内NBR衬套的尺寸设定为匀速变化。

（7）理想的NBR衬套的尺寸变化顺序为：初始钻井尺寸-热膨胀、介质浸泡溶胀尺寸-压变尺寸-磨耗尺寸。

（8）NBR衬套的压缩永久变形在温度低于30℃时视作标准样固定值的20.3%，温度不低于30℃时视作标准样固定值的88.2%，不考虑压缩率、温度和介质的影响。

（9）定转子出现间隙配合时，视作发动机密封失效。

由表5可知：在钻井2 d内，发动机定子NBR衬套受剪切热膨胀和介质浸泡溶胀影响大，表现出厚度增大；之后，热膨胀和介质浸泡溶胀基本达到饱和，此时摩擦和压变逐步成为NBR衬套的尺寸变化主导因素，NBR衬套的厚度变小；在钻井8 d左右，NBR衬套的压变量也基本稳定，NBR衬套以磨耗为主；在钻井20 d后，终过盈量为负数，定转子出现间隙配合，密封失效[17-18]，发动机丧失功能。

3 结论

（1）螺杆钻具发动机定转子出厂前的尺寸配合直接影响其寿命。

（2）在井下使用中，螺杆钻具发动机定子NBR衬套受复杂的地质因素影响，这些影响因素有物理力、温升、介质、压变和磨耗。

（3）通过测定NBR胶料的物理性能，结合油田实际打井数据，可以预测出厂螺杆钻具在定转子的设计配合尺寸下发动机的寿命。