專利名稱：一種利用分子離子譜評價抽油桿環(huán)境耐用性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過非接觸檢測靜態(tài)動態(tài)分子離子譜，評價抽油桿環(huán)境耐用性的方法，特別是涉及測量抽油桿表面有關(guān)濕熱老化以及電化學(xué)腐蝕信息的光電機(jī)一體化技術(shù)，屬于材料化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
抽油桿是在油管內(nèi)用內(nèi)螺紋箍一根根連接起來一直延伸到地下油層處的活塞上，通過往復(fù)運動來泵油的棒狀材料，其單根長度一般為五到六米，其材質(zhì)可以是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料如碳纖維增強(qiáng)乙烯基酯樹脂(CF/VE)復(fù)合材料，也可以是金屬材料如表面鍍硬鉻高碳鋼。有桿泵采油是當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的機(jī)械采油技術(shù)。目前世界上機(jī)械采油井?dāng)?shù)已超過總生產(chǎn)井?dāng)?shù)的90%以上，80%左右的機(jī)械采油井都采用有桿袞采油模式?，F(xiàn)我國共有油井8萬多口，其中95%是用機(jī)械采油方式進(jìn)行原油開采，而其中約2萬口是屬于難以實施的腐蝕性油井。抽油桿在油井中長期服役時會受到含水、酸、堿、鹽等原油混合介質(zhì)的腐蝕作用深井中壓力和溫度產(chǎn)生的熱力學(xué)作用(3500米深井的底層溫度將超過IO(TC)以及與金屬平衡桿或泵軸接頭接觸產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕作用。隨著抽油桿在油田的推廣應(yīng)用，相應(yīng)對其服役行為和環(huán)境耐用性(即使用壽命和失效成因)的評價是決定碳纖維抽油桿在油田工業(yè)領(lǐng)域能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。通行的研究方法是將抽油桿材料置于模擬其實際應(yīng)用的酸堿或濕熱性環(huán)境進(jìn)行長期浸泡，每天測量其相關(guān)的宏觀性能指標(biāo)如吸濕率等，然后從其結(jié)果對抽油桿材料老化和失效機(jī)制分別進(jìn)行推測。然而由于該方法研究的過程中實驗環(huán)節(jié)繁多，人為造成的試樣材料損傷
大，所以取得的測試數(shù)據(jù)對抽油桿實際工況的模擬偏差較大，推測的失效機(jī)制可靠性差，a存在研究效率低，工作量大，需要工作人員多，成本高等缺點。
離子/分子選擇電極是一種電化學(xué)傳感器，可以配合掃描選擇電極技術(shù)以不接觸被測材料的非損傷方式測量進(jìn)出被測材料離子/分子的信息，得到靜態(tài)動態(tài)分子離子譜。近年來，隨著離子/分子選擇電極種類的不斷增多，電子線路技術(shù)和計算機(jī)硬件軟件技術(shù)的巨大發(fā)展，顯微鏡技術(shù)、成像技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并與自動控制技術(shù)相結(jié)合，給非接觸微測技術(shù)提供了一個良好的平臺。但是，利用非接觸自動化微測原理得到的靜態(tài)動態(tài)分子離子譜評價抽油桿環(huán)境耐用性的技術(shù)還未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種通過非接觸檢測靜態(tài)動態(tài)分子離子譜，評價抽油桿環(huán)境耐用性的方法。該方法在不接觸處于工作環(huán)境中的抽油桿的甜提下，以手動或編程的方式按照研究人員的設(shè)定方便、快捷、三維地實時測量進(jìn)出抽油桿表面且與抽油桿環(huán)境耐用性相關(guān)的離子/分子種類、
絕對濃度及三維運動方向等參數(shù)，從而得到與抽油桿環(huán)境耐用性相關(guān)的靜態(tài)動態(tài)分子離子譜；該方法也可以采用多個電極測量多種離子/分子，能更全面的獲得進(jìn)出抽油桿的離子和分子信息，提高了數(shù)據(jù)采集量；該方法對抽油桿無損傷，分析準(zhǔn)確性和分析效率高，節(jié)約能源和人力成本。
本發(fā)明的主要技術(shù)方案 一種利用分子離子譜評價抽油桿環(huán)境耐用性的方法，該技術(shù)系
統(tǒng)包括離子/分子信息檢測電極單元1、數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)2、顯微成像系統(tǒng)3、可編程三維
運動系統(tǒng)4以及自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5，其特征在于單個或多個具有選擇性或特異性的
3離子/分子電極置于工作環(huán)境中的抽油桿表面近距離處，采集其反饋的電壓或電流信號等去噪、放大后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析軟件分析得到進(jìn)出抽油懺l-3的多種離子/分子的絕對濃度、運動速率及三維運動方向等參數(shù)。根據(jù)測定的多種離子/分子的不同，相應(yīng)的多個離子/分子選擇電極1-2固定在三維步進(jìn)電機(jī)4-2的機(jī)械臂上，自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5連接并控制電極運動控制器4-l，電極運動控制器4-l連接并控制三維步進(jìn)電機(jī)4-2，從而帶動多個離子/分子選擇電極1-2在整個測量過程中進(jìn)行三維的非接觸測量，多個離子/分子選擇電極1-2的引線與數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)2連接，各個離子/分子檢測信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)輸出到自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5，自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5與顯微成像系統(tǒng)3連接，電極運動控制器4-1還與顯微成像系統(tǒng)3的顯微鏡3-1連接。
抽油桿與其他工程材料一樣，都是在一定的環(huán)境條件下使用。抽油桿常見的工作環(huán)境條件包括溫度、濕度、腐蝕性介質(zhì)等。以碳纖維增強(qiáng)乙烯基酯樹脂(CF/VE)復(fù)合材料抽油桿為例，一種環(huán)境因素或多個環(huán)境因素的綜合作用均會導(dǎo)致該復(fù)合材料中的樹脂基體、增強(qiáng)纖維或纖維與基體間的界面發(fā)生腐蝕或破壞，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的整體性能發(fā)生變化。
上述的抽油桿工作的溫度和濕度環(huán)境即為濕熱性環(huán)境。以碳纖維增強(qiáng)乙烯基酯樹脂(CF/VE)復(fù)合材料抽油桿為例，在濕熱性環(huán)境下復(fù)合材料吸濕的最直接結(jié)果就是樹脂基體的溶脹，使得基體與纖維由于內(nèi)應(yīng)力作用產(chǎn)生脫粘，導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐熱性發(fā)生非可逆變化，最終使得復(fù)合材料的耐用性降低。
上述的抽油桿工作的腐蝕性環(huán)境包括酸、堿、鹽、有機(jī)溶劑等介質(zhì)，如含WNaCl、 NaOH的水及三氯乙烷、甲苯等的介質(zhì)。抽油桿在腐蝕性介質(zhì)下容易發(fā)生老化和電化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致整體性能的下降。
上述的抽油桿若為樹脂復(fù)合材料，如碳纖維Z乙烯基酯樹脂(CF/VE)拉擠復(fù)合材料，其應(yīng)用時通常需要兩個楔形金屬接頭來連接上方的光桿和下方的配重桿。在與金屬接頭接觸的服役過程中，兩者電極電位的不同，所以樹脂復(fù)合材料抽油桿的電化學(xué)腐蝕主要發(fā)生在抽油桿金屬接頭處。
本發(fā)明測試中將所述的抽油桿試樣放入濕熱性環(huán)境或含酸、堿、鹽的腐蝕性環(huán)境中，離子/分子選擇電極實時測量進(jìn)出抽油桿表面離子/分子的種類、絕對濃度及三維運動方向等參數(shù)，從而得到與抽油桿環(huán)境耐用性相關(guān)的靜態(tài)動態(tài)分子離子譜。這些譜圖直接反映抽油桿在濕熱性環(huán)境或腐蝕性環(huán)境中發(fā)生吸濕擴(kuò)散、小分子溶出、水解反應(yīng)和電化學(xué)腐蝕反應(yīng)等過程的有效信息，通過計算機(jī)處理這些信息得出老化或腐蝕機(jī)理來評價抽油桿環(huán)境耐用性。
本發(fā)明的測量靜態(tài)動態(tài)分子離子譜的方法可以用于評價抽油桿的環(huán)境耐用性。
本發(fā)明的效果(1)方便、快捷、三維地實時測量抽油桿在濕熱性環(huán)境中發(fā)生的變化如液固相界面發(fā)生的前期吸濕擴(kuò)散過程和后期吸濕平衡過程以及溫度與環(huán)境老化相關(guān)聯(lián)的信息；(2)方便、快捷、三維地實時測量抽油桿在含酸、堿、鹽的腐蝕性環(huán)境中發(fā)生的有關(guān)變化如小分子溶出、水解反應(yīng)、電化學(xué)腐蝕反應(yīng)等；(3)測試信息能夠準(zhǔn)確全面地反映出抽油桿在工作環(huán)境中宏觀性能變化的原因，如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、彎曲強(qiáng)度等性能的變化；(4)對抽油桿無損傷，分析準(zhǔn)確性及分析效率高，節(jié)約能源和人力成本。


圖1為靜態(tài)動態(tài)分子離子譜技術(shù)系統(tǒng)的組成示意圖。
圖2為抽油桿試樣在65。C的3%NaCl水溶液中浸泡時間超過240h后靠近表面微區(qū)內(nèi)H+譜圖。圖3為抽油桿試樣在65'C或95°C10%NaOH水溶液中浸泡，水分子擴(kuò)散平衡后水分子與復(fù)合材料的基體樹脂形成了單氫鍵示意圖。
圖4為帶有金屬接頭的樹脂復(fù)合材料抽油桿在中性腐蝕介質(zhì)中測得的OH—和H02-譜圖。
具體實施例方式
下面用實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不限于這些實施例。實施例l:
樹脂復(fù)合材料抽油桿的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是衡量其在濕熱性環(huán)境下耐濕熱老化性能的主要指標(biāo)。大量實驗證明，抽油桿在濕熱性環(huán)境中工作一定時間后其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度呈現(xiàn)明顯下降。本實施例利用分子離子譜表征樹脂復(fù)合材料抽油桿玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下降的原因，為
水分子的溶脹作用與樹脂復(fù)合材料抽油桿玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下降的相互關(guān)聯(lián)提供了直接證據(jù)。將碳纖維/乙烯基酯樹脂(CF/VE)復(fù)合材料抽油桿試樣放入65。C的3XNaCl水溶液中，用離子/分子選擇電極實時測量進(jìn)出抽油桿的有關(guān)離子/分子的信息，測量結(jié)果表明靠近抽袖桿試樣表面微區(qū)內(nèi)Na+和Cl—的濃度呈遞增梯度。這說明比Na+和Cr尺寸小的水分子優(yōu)先擴(kuò)散進(jìn)入了復(fù)合材料內(nèi)部，對基體樹脂產(chǎn)生了溶脹作用。同時測量結(jié)果表明浸泡時間超過240h后，靠近抽油桿試樣表面微區(qū)內(nèi)HT的濃度也出現(xiàn)遞增梯度，如圖2所示。H+譜圖表明水分子向復(fù)合材料內(nèi)部擴(kuò)散在大約240h后達(dá)到平衡，且平衡后水分子與復(fù)合材料的基體樹脂形成了單氫鍵，如圖3所示。這些單氫鍵的存在破壞了分子鏈間的范德華力，使鏈段運動增加，起到增塑劑作用，導(dǎo)致Tg下降。實施例2:
溫度對樹脂復(fù)合材料抽油桿在濕熱性環(huán)境下吸濕性能的影響很大。本實施例利用靜態(tài)動態(tài)分子離子譜，表征了樹脂復(fù)合材料抽油桿吸濕性能變化的原因。
將碳纖維/乙烯基酯樹脂(CF/VE)復(fù)合材料抽油桿試樣分別放入65。C和95"10^NaOH水溶液中，用離子/分子選擇電極實時測量進(jìn)出抽油桿的有關(guān)離子/分子的信息，測量結(jié)果表明兩種溶液中靠近抽油桿試樣表面微區(qū)內(nèi)OH—的濃度均呈遞減梯度，同時兩種溶液中都新出現(xiàn)了羧酸根離子且其濃度呈遞增梯度。這說明抽油桿基體材料中的酯基在堿性環(huán)境下發(fā)生了大量水解，形成了羧酸根離子。然而在試樣表面微區(qū)內(nèi)，與65"C的溶液相比，95'C溶液中OH一的濃度較低，羧酸根離子的濃度較高。這說明在更高溫度的濕熱性環(huán)境中，抽油桿基體材料水解更為嚴(yán)重，濕熱老化加劇。實施例3:
電化學(xué)腐蝕是抽油桿在濕熱的腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下發(fā)生的主要腐蝕行為。本實施例利用動態(tài)靜態(tài)分子離子譜，表征了樹脂復(fù)合材料抽油桿在中性腐蝕介質(zhì)環(huán)境下電化學(xué)腐蝕的機(jī)制。
將帶有金屬接頭的碳纖維/乙烯基酯樹脂(CF/VE)復(fù)合材料抽油桿試樣放入95°C10%NaCl水溶液中，用離子/分子選擇電極實時測量進(jìn)出抽油桿和金屬接頭的有關(guān)離子/分子的信
息，結(jié)果表明靠近抽油桿和金屬接頭表面微區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了 o2、 otr和Hor,且oh—和Hor
以一定速度由抽油桿表面向金屬接頭表面移動，如圖4所示(測量時選定離子移動方向指向金屬接頭時其速度為正值)。這說明在帶有金屬接頭的樹脂復(fù)合材料抽油桿在中性腐蝕介質(zhì)中形成了原電池，發(fā)生了嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，且極化反應(yīng)主要是溶解氧的還原過程，該還原過程其實為過氧化物的吸附。同時還發(fā)現(xiàn)隨著浸泡時間延長，OH—和H02—移動速度逐漸變大，這直接證明帶有金屬接頭的樹脂復(fù)合材料抽油桿的腐蝕隨時間延長是個加速過程。實施例4電化學(xué)腐蝕是抽油桿在濕熱的腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下發(fā)生的主要腐蝕行為。本實施例利用動態(tài)靜態(tài)分子離子譜，表征了樹脂復(fù)合材料抽油桿在堿性腐蝕介質(zhì)環(huán)境下電化學(xué)腐蝕的機(jī)制。
將帶有金屬接頭的碳纖維/乙烯基酯樹脂(CF/VE)復(fù)合材料抽油桿試樣放入95°C10%NaOH水溶液中，用離子/分子選擇電極實時測量進(jìn)出抽油桿和金屬接頭的有關(guān)離子/分子的信息，測量結(jié)果表明靠近抽油桿和金屬接頭表面微區(qū)內(nèi)同樣出現(xiàn)了 02、 OH—和H02一，且OH—
和Hor以一定速度由抽油桿表面向金屬接頭表面移動。這說明樹脂復(fù)合材料抽油桿在堿性腐
蝕介質(zhì)中的電化學(xué)腐蝕機(jī)制和在中性腐蝕介質(zhì)中相同，如實施例3所述。
但是OH一和H02—的濃度及移動速度均明顯高于實施例3中的測量結(jié)果，這說明與在中性腐蝕介質(zhì)中相比，樹脂復(fù)合材料抽油桿在堿性腐蝕介質(zhì)中的電化學(xué)腐蝕更為嚴(yán)重。從這一測量結(jié)果表明這是由于NaOH溶液中OH—濃度大，OH—更易移動到電極表面，使得電極表面富OH一，極化率小，使電極反應(yīng)更為容易。實施例5:
電化學(xué)腐蝕是抽油桿在濕熱的腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下發(fā)生的主要腐蝕行為。本實施例利用動態(tài)靜態(tài)分子離子譜，表征了樹脂復(fù)合材料抽油桿在酸性腐蝕介質(zhì)環(huán)境下電化學(xué)腐蝕的機(jī)制。
將帶有金屬接頭的碳纖維/乙烯基酯樹脂(CF/VE)復(fù)合材料抽油桿試樣放入95。C的10XH2S04水溶液中，用離子/分子選擇電極實時測量進(jìn)出抽油桿和金屬接頭的有關(guān)離子/分子的信息，測量結(jié)果表明靠近抽油桿和金屬接頭表面微區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了02和H+，且H+以一定速度由金屬接頭表向面抽油桿表面移動。這說明在帶有金屬接頭的樹脂復(fù)合材料抽油桿在酸性腐蝕介質(zhì)中形成了原電池，發(fā)生了嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，但其極化反應(yīng)與在中性或酸性腐蝕介質(zhì)中的極化反應(yīng)不同。
權(quán)利要求
1.一種利用分子離子譜評價抽油桿環(huán)境耐用性的方法，該技術(shù)系統(tǒng)包括離子/分子信息檢測電極單元(1)、數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)、顯微成像系統(tǒng)(3)、可編程三維運動系統(tǒng)(4)以及自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)，其特征在于單個或多個具有選擇性或特異性的離子/分子電極置于工作環(huán)境中的抽油桿表面近距離處，采集其反饋的電壓或電流信號，去噪、放大后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析軟件分析得到進(jìn)出抽油桿(1-3)的多種離子/分子的絕對濃度、運動速率及三維運動方向等參數(shù)，根據(jù)測定的離子/分子的不同，相應(yīng)的多個離子/分子選擇電極(1-2)固定在三維步進(jìn)電機(jī)(4-2)的機(jī)械臂上，自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)連接并控制電極運動控制器(4-1)，電極運動控制器(4-1)連接并控制三維步進(jìn)電機(jī)(4-2)，從而帶動多個離子/分子選擇電極(1-2)在整個測量過程中進(jìn)行三維的非接觸測量，多個離子/分子選擇電極(1-2)的引線與數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)連接，各個離子/分子檢測信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)輸出到自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)，自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)還與顯微成像系統(tǒng)(3)連接，電極運動控制器(4-1)還與顯微成像系統(tǒng)(3)的顯微鏡(3-1)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的離子/分子選擇電極，其特征在于所述的離子/分子選擇電極(l-2) 根據(jù)測定的離子/分子來選定、添加，可以是玻璃電極、金屬電極、碳絲電極、光纖電極、其 他選擇性電極或特異性電極。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的抽油桿，其特征在于所述的抽油桿材質(zhì)可以是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 如碳纖維增強(qiáng)乙烯基酯樹脂(CF/VE)復(fù)合材料，也可以是金屬材料如表面鍍硬鉻高碳鋼。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的抽油桿，其特征在于所述的抽油桿的工作環(huán)境為濕熱性環(huán)境或含 酸、堿、鹽等的腐蝕性環(huán)境。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的利用分子離子譜評價抽油桿環(huán)境耐用性的方法，其特征在于將所述的抽油桿試樣放入濕熱性環(huán)境或含酸、堿、鹽的腐蝕性環(huán)境中，離子/分子選擇電極實時測 量進(jìn)出抽油桿表面離子/分子的種類、絕對濃度及三維運動方向等參數(shù)，從而得到與抽油桿環(huán) 境耐用性相關(guān)的靜態(tài)動態(tài)分子離子譜，這些譜圖直接反映抽油桿在濕熱性環(huán)境或腐蝕性環(huán)境 中發(fā)生吸濕擴(kuò)散、小分子溶出、水解反應(yīng)和電化學(xué)腐蝕反應(yīng)等過程的有效信息，通過計算機(jī) 處理這些信息得出老化或腐蝕機(jī)理來評價抽油桿的環(huán)境耐用性。
全文摘要
本發(fā)明提供一種通過非接觸檢測分子離子譜，評價抽油桿環(huán)境耐用性的方法。該技術(shù)系統(tǒng)包括離子/分子信息檢測電極單元(1)、數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)、顯微成像系統(tǒng)(3)、可編程三維運動系統(tǒng)(4)以及自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)。該方法在不接觸處于濕熱性環(huán)境或腐蝕性環(huán)境中抽油桿的前提下，以手動或編程的方式按照研究人員的設(shè)定實時測量進(jìn)出抽油桿表面離子/分子的種類、絕對濃度及三維運動方向等參數(shù)以得到與抽油桿環(huán)境耐用性相關(guān)的分子離子譜，直接表征抽油桿在工作環(huán)境中發(fā)生的變化，如吸濕擴(kuò)散過程、小分子溶出、水解反應(yīng)和電化學(xué)腐蝕反應(yīng)等。該方法對抽油桿無損傷，數(shù)據(jù)采集全面，分析準(zhǔn)確、效率高，能有效節(jié)約能源和人力成本。
文檔編號G01N17/00GK101655447SQ20081011871
公開日2010年2月24日 申請日期2008年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月20日
發(fā)明者越 許 申請人:旭月(北京)科技有限公司