唐鐵紅
(蘭州理工大學,甘肅蘭金民用爆炸高新技術公司,甘肅蘭州730000)
摘要：在石油射孔完井作業中,射孔彈架起著攜帶和準確定位射孔彈的作用。由于石油井下環境溫度有時達150 ℃,因此對生產石油射孔彈架的膠粘劑提出了較高的耐溫要求;另外,隨著射孔新技術的不斷發展,要求射孔彈爆 炸后射孔彈架能夠自行銷毀,這就要求在膠粘劑中加入含能填料,使其在爆炸能量的作用下能夠穩定燃燒自毀。 經過多次試驗應用證明,所研制的膠粘劑完全能夠滿足其性能要求。
關鍵詞：石油;射孔器;耐熱性;燃燒;剪切強度
中圖分類號：TE9 文獻標識碼：B
常規石油射孔技術主要采用金屬材質的射孔彈架,隨著射孔新技術的不斷發展,要求射孔彈爆炸后 射孔彈架能夠自行銷毀,為此開展了自燃彈架的研 究工作。自燃彈架采用膠粘劑為主要原材料加工制造,射孔彈架的主要作用就是將射孔彈攜帶至環境溫度高達150℃的井下,并且必須準確定位,這就要求石油射孔彈架膠粘劑的耐溫性必須達150℃;另外,為了使彈架能夠自行銷毀,要求在膠粘劑中加入含能填料,使其在爆炸能量的作用下能夠穩定燃燒自毀,因此,對這種專用膠粘劑進行了專門研究。
1 技術性能
a) 固化劑和主體膠在13℃(蘭州冬季車間室 溫)環境中呈液體狀,且具有較好的流動性,加入含能填料(100%~200%)后,混合膠液在12~25℃室 溫環境中2~3 h內易于涂布。
b) 涂布完成后1周內初硬化,而且具有一定強度,以便脫模。在80~120℃(蒸汽烘房溫度)條 件下,能夠完全硬化,硬化后常溫剪切強度不小于 10 MPa。
c) 固化產物在150℃(井下高溫)環境下,48 h內具有較高強度,其剪切強度不小于8 MPa。 d) 使用該膠粘劑加工的彈架,在射孔彈作用 下很容易點燃但不爆炸,并燃燒完全,無殘渣。
2 專用膠粘劑配方的研究
由于環氧樹脂具有粘合性好、膠粘強度高、收縮率小、尺寸穩定、配制容易、工藝簡單、毒性小等特點,對多種材料都具有良好的膠粘能力[1],因此,選 用環氧樹脂系列膠粘劑作為加工射孔彈架的專用膠粘劑。
研究表明,許多環氧樹脂體系在100℃的熱空氣中,會發生明顯的熱氧化降解作用,其表面熱氧化層在應力作用下,成為開裂引發點,使其撓曲強度降低25%[2],表現脆性高、耐熱性差。環氧樹脂的耐熱性,既取決于環氧樹脂本身的分子結構,又與固化體系有關,提高環氧樹脂系列膠粘劑的耐熱性能,主要途徑是改變分子結構,合成新型的耐高溫環氧樹脂;完善固化體系,使固化產物具有耐高溫性能。大 多數耐高溫環氧樹脂膠粘劑在固化過程中都需要加熱,但是射孔彈架尺寸大,自身加工工藝也不適宜加熱固化。結合彈架專用膠粘劑技術性能指標要求, 在查閱大量資料的基礎上,結合膠粘劑、固化劑和含能填料的反應機理,通過大量試驗,研制出了射孔彈架專用的環氧樹脂膠粘劑。
2.1 原材料
原材料包括E-44環氧樹脂,液體羧基丁腈橡膠 (CTBN)、液體羥基丁腈橡膠(HTBN)、雙馬來酰亞胺(BMI)、Ag-80環氧樹脂、丙烯腈、硫脲和2-甲基- 4-乙基咪唑。
2.2 彈架專用環氧樹脂膠粘劑各組分的制備
a) 固化劑的合成 取E-44環氧樹脂、丙烯腈、硫脲和2-甲基-4-乙基咪唑于135℃反應1 h,制得環氧樹脂固化劑。
b) 改性環氧樹脂的制備 取E-44環氧樹脂、Ag-80環氧樹脂和液體丁腈橡膠于100℃反應2 h, 制得改性環氧樹脂。
c) 含能填料的制備 用溶劑將已經粉碎并按 一定比例混合完成的含能填料溶解至適當濃度待用。
2.3 試驗結果與討論
2.3.1 丁腈橡膠用量比例的影響
以不同比例分別取4份丁腈橡膠制得4份改性 環氧樹脂,分別記作A、B、C、D,取相同量A、B、C、D 各2份,分別同比例加入雙馬來酰亞胺和自制固化 劑以及自制含能填料。
a) 以此配方分別粘結鋁合金試片,在室溫固 化7 d后,在不同溫度下測試4種配方的剪切強度, 如表1。
由表1可見,丁腈橡膠配方量選用C配方,膠 粘劑具有較好的室溫及高溫剪切強度。
b) 將4種配方膠粘劑分別裝入4個樣品紙 盒,在室溫固化7 d后,進行燃燒試驗,其結果是4 件試驗樣品均燃燒完全。
3.3.2 雙馬來酰亞胺用量比例的影響
取4份相同量的自制改性環氧樹脂,分別加入 相同比例自制固化劑以及自制含能填料,再分別加 入不同比例雙馬來酰亞胺,分別記作A、B、C、D,取 A、B、C、D各2份。
a) 以此配方分別粘結鋁合金試片,在室溫固 化7 d后,在不同溫度下測試4種配方的剪切強度, 如表2。
由表2可見,雙馬來酰亞胺配方量選用C配方,膠粘劑具有較好的室溫及高溫剪切強度。
b) 將4種配方膠粘劑分別裝入4個樣品紙盒,在室溫固化7 d后,進行燃燒試驗,其結果是4 件試驗樣品均燃燒完全。
2.3.3 固化劑用量比例的影響
取4份相同量的自制改性環氧樹脂,分別加入相同比例雙馬來酰亞胺以及自制含能填料,再分別 加入不同比例自制固化劑,分別記作A、B、C、D,取 A、B、C、D各2份。
a) 以此配方分別粘結鋁合金試片,在室溫固 化7 d后,在不同溫度下測試4種配方的剪切強度, 如表3。
由表3可見,自制固化劑配方量選用C配方, 膠粘劑具有較好的室溫及高溫剪切強度。
b) 將4種配方膠粘劑分別裝入4個樣品紙 盒,在室溫固化7 d后,進行燃燒試驗,其結果是4 件試驗樣品均燃燒完全。
3.3.4 含能填料用量比例的影響
取4份相同量的自制改性環氧樹脂,分別加入 相同比例雙馬來酰亞胺以及自制固化劑,再分別加 入不同比例自制含能填料,分別記作A、B、C、D,并 各取2份。
a) 以此配方分別粘結鋁合金試片,在室溫固 化7 d后,在不同溫度下測試4種配方的剪切強度, 如表4。
由表4可見,自制含能填料配方量選用C配 方,膠粘劑具有較好的室溫及高溫剪切強度。
b) 將4種配方膠粘劑分別裝入4個樣品紙 盒,在室溫固化7 d后,進行燃燒試驗,其結果是A、 B配方膠粘劑燃燒不完全,有少量殘渣存在,C和D 配方膠粘劑燃燒完全,無殘渣。將C、D兩配方涂伏卷制彈架,經檢驗,性能滿足要求。
3 試驗結論
研制的射孔彈架專用環氧樹脂膠粘劑,由于加 入雙馬來酰亞胺(BMI)和采用自制固化劑,從而提 高了耐熱性,改善了初凝時間以及固化所需的環境 條件;由于加入丁腈橡膠,改善了固化產物的機械性 能;由于加入自制含能填料,滿足了燃燒性能要求。
參考文獻:
[1] 王 彥.室溫固化高溫使用環氧樹脂膠粘劑的進展 [J].中國膠粘劑,1994,17(6):23-26.
[2] 黃郁琴.試論提高環氧樹脂膠粘劑耐熱性的途徑[J]. 熱固性樹脂,1997,15(1):15-17.