固井胶塞老化测试

固井胶塞是石油天然气钻井固井作业中的关键橡胶部件，主要用于隔离钻井液与水泥浆、刮除套管内壁残留水泥浆，其性能直接影响固井质量。由于作业环境恶劣（高温、高压、接触钻井液 / 水泥浆等化学介质），胶塞易发生老化（如硬化、龟裂、性能衰减），老化测试通过模拟服役环境，评估其长期性能稳定性，是保障固井安全的重要环节。

一、测试目的

评估胶塞在高温、化学介质、压力等环境因素作用下的性能变化（如硬度、弹性、强度、密封性），预测实际使用寿命。

验证胶塞材料配方（如丁腈橡胶、氟橡胶等基材，及防老剂、硫化剂等添加剂）的抗老化能力，为产品优化提供依据。

确定胶塞的储存寿命（如库存环境下的老化程度），避免因老化失效导致固井作业失败（如密封不严、刮塞不彻底）。

二、测试前准备

1. 样品制备

取样要求：从同一批次合格胶塞中随机选取 3-5 个样品，按测试项目裁剪试样（如拉伸试样为哑铃状，参考 GB/T 528；硬度试样为厚度≥6mm 的平整片）。

样品状态：需记录胶塞的初始状态（生产日期、储存条件），并在标准环境（23±2℃，湿度 50±5%）下放置 24h，消除加工应力。

2. 核心设备与工具

设备 / 工具用途关键参数

热空气老化试验箱模拟高温氧化环境温度范围：室温～200℃，控温精度 ±1℃，可通风（换气率 5-10 次 /h）

高压介质老化釜模拟井下高温高压 + 化学介质环境压力 0-30MPa，温度 0-200℃，可通入钻井液 / 水泥浆介质

邵氏硬度计（A/D 型）测试硬度变化精度 ±1 Shore，测点≥5 个取平均值

拉力试验机测试拉伸强度、扯断伸长率力值精度 ±1%，拉伸速率 500mm/min

压缩永久变形仪测试弹性恢复能力压缩率 25%，恒温精度 ±1℃

密封性能测试装置模拟套管环空，测试密封可靠性可施加内压 0-20MPa，检测泄漏量

3. 老化条件设定（模拟实际工况）

根据固井作业环境（如井深对应的温度压力）和胶塞类型（如顶部胶塞、底部胶塞）设定参数：

温度：浅井（<3000m）通常 60-120℃，深井（>3000m）120-180℃；

压力：对应井深的静液柱压力，通常 10-25MPa；

介质：钻井液（水基 / 油基）、水泥浆滤液（pH 11-13，强碱性）；

老化时间：加速老化试验常用 72h、168h（7 天）、336h（14 天），对应实际服役数月至数年（需通过老化方程换算）。

三、主要测试方法与步骤

（一）老化处理（按环境因素分类）

热空气老化（模拟高温氧化）

步骤：将试样放入热空气老化箱，设定温度（如 150℃）和时间（168h），关闭箱门持续老化；老化结束后，取出试样在标准环境中冷却 24h，再检测性能。

介质浸泡老化（模拟化学腐蚀）

步骤：将试样完全浸入盛有钻井液或水泥浆滤液的容器中，密封后置于恒温箱（如 90℃），老化 168h；取出后用蒸馏水冲洗，擦干，冷却 24h 后检测。

高压高温协同老化（模拟井下综合环境）

步骤：将试样和介质（如油基钻井液）放入高压釜，密封后升温至 120℃，加压至 20MPa，保持 168h；卸压降温后取出试样，按上述方法冷却处理。

（二）老化后性能检测

检测项目检测方法合格指标（示例）

外观检查目视 / 放大镜观察，记录是否有龟裂、鼓泡、变色、粉化（参考 GB/T 7762）无明显龟裂（裂纹长度≤1mm）、无粉化脱落

硬度变化用邵氏 A 硬度计在试样不同位置测 5 点，计算与初始硬度的差值（ΔH）ΔH≤+10 Shore A（不允许过度硬化）

拉伸性能测试拉伸强度（σ）和扯断伸长率（ε），计算保持率（老化后 / 初始 ×100%）σ 保持率≥80%，ε 保持率≥70%

压缩永久变形试样压缩 25%，在 100℃下保持 22h，冷却后测变形量（参考 GB/T 7759）变形量≤30%（确保密封弹性）

密封性能将胶塞装入模拟套管，施加 10MPa 内压，保压 30min，检测是否泄漏（参考 SY/T 5125）无可见泄漏，压力降≤0.5MPa

四、测试结果评估与分析

老化程度判定：

若所有检测项目均满足合格指标，判定胶塞在设定老化条件下性能稳定；

若出现硬度骤升（>10 Shore A）、拉伸强度保持率 < 80% 或密封泄漏，说明老化严重，需调整材料配方（如增加防老剂含量）。

寿命预测：

通过不同老化时间（如 72h、168h）的性能数据，建立老化动力学方程（如 Arrhenius 方程），推算胶塞在实际工况下的使用寿命（如深井环境下≥1 年）。

失效原因分析：

若介质浸泡后性能衰减显著，可能是橡胶与介质相容性差（如油基钻井液导致溶胀），需更换耐介质基材（如改用氟橡胶）；

若热空气老化后出现硬化，可能是防老剂不足，需优化添加剂比例。

五、注意事项

老化设备需定期校准（温度、压力误差≤±1%），避免因参数偏差导致结果失真。

试样处理需规范：介质浸泡后需彻底清除表面残留介质（避免影响硬度 / 拉伸测试），高压老化后需缓慢卸压（防止试样因压力骤变破损）。

平行样测试：每个老化条件下至少测试 3 个试样，结果取平均值（偏差≤10%），确保数据可靠性。

安全防护：高压釜操作需佩戴护目镜、防烫手套，介质（如油基钻井液）需密封处理，避免挥发物接触。

六、参考标准

石油行业标准：SY/T 5125-2019《固井胶塞》（规定胶塞老化测试的具体要求）；

橡胶通用标准：GB/T 3512-2014《硫化橡胶或热塑性橡胶 热空气加速老化和耐热试验》、GB/T 1690-2010《硫化橡胶或热塑性橡胶 耐液体试验方法》。

通过固井胶塞老化测试，可精准掌握其在恶劣环境下的性能衰减规律，为胶塞选型、材料改进及固井作业安全提供科学依据，有效降低因胶塞老化导致的固井质量风险。