探矿工程 岩土钻掘工程 １４ 图４ 图５ 直径变化量随温度变化的曲线 截面直径变化量随温度变化的曲线 会溶胀 所以硅橡胶不适合作为南极冰钻的密封材 料 氟橡胶是指主链或侧链的碳原子上含有氟原子 的合成高分子弹性体 氟原子的引入 赋予橡胶优 异的耐热性 抗氧化性 耐油性 耐腐蚀性和耐大气 老化性 从整体上看它属于一种饱和的高聚物 在 差异性较大的介质中具有比较强的耐腐蚀性 从图 ４ ６ 可以看出 在酯基介质中 氟橡胶溶胀明显 所 以氟橡胶适合作为硅油类钻井液的密封件材料 聚氨酯是主链上含有重复氨基甲酸酯 ＮＨ ＣＯＯ 基团的大分子化合物 ４ 种酯基介质中也含 有酯基官能团 根据相似相溶的原理 聚氨酯更易溶 于酯基介质 丙酸丙酯与丁酸乙酯的分子量相同但 结构不同 丙酸丙酯中 α氢的活泼性比丁酸乙酯 强 活泼的 α氢更易于与聚氨酯发生反应 而丁酸 乙酯和丁酸丁酯的 α氢活泼性相同 但丁酸乙酯的 分子量比丁酸丁酯小 小分子更易于进入聚氨酯 从图 ４ ６ 也可以看出 聚氨酯在丙酸丙酯溶胀量最 大 其次是丁酸乙酯和丁酸丁酯 由于聚氨酯与硅 油的差异性较大 且分子中没有不饱和键 因而在国 产硅油和 ＫＦ９６ 硅油中聚氨酯几乎没有任何变化 所以聚氨酯可以作为硅油类钻井液的密封件材料 聚四氟乙烯 Ｃ２ Ｆ４ 有 Ｃ Ｆ 键 且 Ｃ Ｆ 键 能量大 键短 无伸缩性 使得聚四氟乙烯化学性质 稳定且具有惰性 试验测试聚四氟乙烯耐腐蚀能 力 在 ６ 种介质中不同温度条件下其直径 截面直径 和质量均没有任何变化 可以认为聚四氟乙烯是最 为理想的油基钻井液的密封件材料 ５ 图６ 质量变化量随温度变化的曲线 由于聚四氟乙烯在 ６ 种介质中没有变形量 所 以图 ４ ６ 中没有聚四氟乙烯的变化曲线 由图 ４ ６ 可以看出 ３ 种橡胶材质的密封圈均随着介质温 度的升高 膨胀量逐渐增大 膨胀量达到极限后 不 再膨胀保持稳定 硅橡胶由 Ｓｉ Ｏ Ｓｉ 键组成 硅 油中也含有 Ｓｉ Ｏ 键 结构相似使得硅橡胶在硅油 类介质中溶胀最为严重 硅橡胶的侧链上引入少量 的不饱和基团 使得酯基小分子可以进入 从图 ４ ６ 可以看出 硅橡胶在硅油类和酯基类介质中都 ２０１６ 年 ８ 月 结论 通过试验测试和理论分析 可以得出南极冰钻 钻井液的选择有以下几个结论 １ 试验证明了 ６ 种介质是否混入冰屑 导电 性都很弱 均可作为南极冰钻钻井液使用 ２ 低温条件下 非极性介质的导热性主要取 决于温度的影响 密度的影响相对较小 试验证明 ６ 种介质的导热性中 丙酸丙酯的导热性最好 ３ 密封材料的溶胀性主要取决于密封材料的 分子结构与介质分子结构的差异 差异性越小 密封 材料的溶胀变形越大 试验证明 酯类介质的腐蚀 性大于硅油 聚四氟乙烯的耐腐蚀能力大于聚氨酯 下转第 ４３ 页