唐铁红
(兰州理工大学,甘肃兰金民用爆炸高新技术公司,甘肃兰州730000)
摘要：在石油射孔完井作业中,射孔弹架起着携带和准确定位射孔弹的作用。由于石油井下环境温度有时达150 ℃,因此对生产石油射孔弹架的胶粘剂提出了较高的耐温要求;另外,随着射孔新技术的不断发展,要求射孔弹爆 炸后射孔弹架能够自行销毁,这就要求在胶粘剂中加入含能填料,使其在爆炸能量的作用下能够稳定燃烧自毁。 经过多次试验应用证明,所研制的胶粘剂完全能够满足其性能要求。
关键词：石油;射孔器;耐热性;燃烧;剪切强度
中图分类号：TE9 文献标识码：B
常规石油射孔技术主要采用金属材质的射孔弹架,随着射孔新技术的不断发展,要求射孔弹爆炸后 射孔弹架能够自行销毁,为此开展了自燃弹架的研 究工作。自燃弹架采用胶粘剂为主要原材料加工制造,射孔弹架的主要作用就是将射孔弹携带至环境温度高达150℃的井下,并且必须准确定位,这就要求石油射孔弹架胶粘剂的耐温性必须达150℃;另外,为了使弹架能够自行销毁,要求在胶粘剂中加入含能填料,使其在爆炸能量的作用下能够稳定燃烧自毁,因此,对这种专用胶粘剂进行了专门研究。
1 技术性能
a) 固化剂和主体胶在13℃(兰州冬季车间室 温)环境中呈液体状,且具有较好的流动性,加入含能填料(100%~200%)后,混合胶液在12~25℃室 温环境中2~3 h内易于涂布。
b) 涂布完成后1周内初硬化,而且具有一定强度,以便脱模。在80~120℃(蒸汽烘房温度)条 件下,能够完全硬化,硬化后常温剪切强度不小于 10 MPa。
c) 固化产物在150℃(井下高温)环境下,48 h内具有较高强度,其剪切强度不小于8 MPa。 d) 使用该胶粘剂加工的弹架,在射孔弹作用 下很容易点燃但不爆炸,并燃烧完全,无残渣。
2 专用胶粘剂配方的研究
由于环氧树脂具有粘合性好、胶粘强度高、收缩率小、尺寸稳定、配制容易、工艺简单、毒性小等特点,对多种材料都具有良好的胶粘能力[1],因此,选 用环氧树脂系列胶粘剂作为加工射孔弹架的专用胶粘剂。
研究表明,许多环氧树脂体系在100℃的热空气中,会发生明显的热氧化降解作用,其表面热氧化层在应力作用下,成为开裂引发点,使其挠曲强度降低25%[2],表现脆性高、耐热性差。环氧树脂的耐热性,既取决于环氧树脂本身的分子结构,又与固化体系有关,提高环氧树脂系列胶粘剂的耐热性能,主要途径是改变分子结构,合成新型的耐高温环氧树脂;完善固化体系,使固化产物具有耐高温性能。大 多数耐高温环氧树脂胶粘剂在固化过程中都需要加热,但是射孔弹架尺寸大,自身加工工艺也不适宜加热固化。结合弹架专用胶粘剂技术性能指标要求, 在查阅大量资料的基础上,结合胶粘剂、固化剂和含能填料的反应机理,通过大量试验,研制出了射孔弹架专用的环氧树脂胶粘剂。
2.1 原材料
原材料包括E-44环氧树脂,液体羧基丁腈橡胶 (CTBN)、液体羟基丁腈橡胶(HTBN)、双马来酰亚胺(BMI)、Ag-80环氧树脂、丙烯腈、硫脲和2-甲基- 4-乙基咪唑。
2.2 弹架专用环氧树脂胶粘剂各组分的制备
a) 固化剂的合成 取E-44环氧树脂、丙烯腈、硫脲和2-甲基-4-乙基咪唑于135℃反应1 h,制得环氧树脂固化剂。
b) 改性环氧树脂的制备 取E-44环氧树脂、Ag-80环氧树脂和液体丁腈橡胶于100℃反应2 h, 制得改性环氧树脂。
c) 含能填料的制备 用溶剂将已经粉碎并按 一定比例混合完成的含能填料溶解至适当浓度待用。
2.3 试验结果与讨论
2.3.1 丁腈橡胶用量比例的影响
以不同比例分别取4份丁腈橡胶制得4份改性 环氧树脂,分别记作A、B、C、D,取相同量A、B、C、D 各2份,分别同比例加入双马来酰亚胺和自制固化 剂以及自制含能填料。
a) 以此配方分别粘结铝合金试片,在室温固 化7 d后,在不同温度下测试4种配方的剪切强度, 如表1。
由表1可见,丁腈橡胶配方量选用C配方,胶 粘剂具有较好的室温及高温剪切强度。
b) 将4种配方胶粘剂分别装入4个样品纸 盒,在室温固化7 d后,进行燃烧试验,其结果是4 件试验样品均燃烧完全。
3.3.2 双马来酰亚胺用量比例的影响
取4份相同量的自制改性环氧树脂,分别加入 相同比例自制固化剂以及自制含能填料,再分别加 入不同比例双马来酰亚胺,分别记作A、B、C、D,取 A、B、C、D各2份。
a) 以此配方分别粘结铝合金试片,在室温固 化7 d后,在不同温度下测试4种配方的剪切强度, 如表2。
由表2可见,双马来酰亚胺配方量选用C配方,胶粘剂具有较好的室温及高温剪切强度。
b) 将4种配方胶粘剂分别装入4个样品纸盒,在室温固化7 d后,进行燃烧试验,其结果是4 件试验样品均燃烧完全。
2.3.3 固化剂用量比例的影响
取4份相同量的自制改性环氧树脂,分别加入相同比例双马来酰亚胺以及自制含能填料,再分别 加入不同比例自制固化剂,分别记作A、B、C、D,取 A、B、C、D各2份。
a) 以此配方分别粘结铝合金试片,在室温固 化7 d后,在不同温度下测试4种配方的剪切强度, 如表3。
由表3可见,自制固化剂配方量选用C配方, 胶粘剂具有较好的室温及高温剪切强度。
b) 将4种配方胶粘剂分别装入4个样品纸 盒,在室温固化7 d后,进行燃烧试验,其结果是4 件试验样品均燃烧完全。
3.3.4 含能填料用量比例的影响
取4份相同量的自制改性环氧树脂,分别加入 相同比例双马来酰亚胺以及自制固化剂,再分别加 入不同比例自制含能填料,分别记作A、B、C、D,并 各取2份。
a) 以此配方分别粘结铝合金试片,在室温固 化7 d后,在不同温度下测试4种配方的剪切强度, 如表4。
由表4可见,自制含能填料配方量选用C配 方,胶粘剂具有较好的室温及高温剪切强度。
b) 将4种配方胶粘剂分别装入4个样品纸 盒,在室温固化7 d后,进行燃烧试验,其结果是A、 B配方胶粘剂燃烧不完全,有少量残渣存在,C和D 配方胶粘剂燃烧完全,无残渣。将C、D两配方涂伏卷制弹架,经检验,性能满足要求。
3 试验结论
研制的射孔弹架专用环氧树脂胶粘剂,由于加 入双马来酰亚胺(BMI)和采用自制固化剂,从而提 高了耐热性,改善了初凝时间以及固化所需的环境 条件;由于加入丁腈橡胶,改善了固化产物的机械性 能;由于加入自制含能填料,满足了燃烧性能要求。
参考文献:
[1] 王 彦.室温固化高温使用环氧树脂胶粘剂的进展 [J].中国胶粘剂,1994,17(6):23-26.
[2] 黄郁琴.试论提高环氧树脂胶粘剂耐热性的途径[J]. 热固性树脂,1997,15(1):15-17.