0 引言
由橡胶制成的定子是螺杆泵的核心部件，定子橡胶性能直接影响到螺杆泵在井下的应用范围。目前，螺杆泵定子橡胶常用材料为丁腈橡胶或氢化丁腈橡胶。当油气开采过程中井下含有CO2时，定子橡胶易在CO2气侵及快速降压(泄爆)过程中受到破坏，大大缩短了螺杆泵的使用寿命，影响油田的正常生产[1-4]。因此，开展定子橡胶材料耐CO2气侵及泄爆性能研究，对于指导螺杆泵定子橡胶选材具有重要意义。
虽然前人对不同橡胶材料耐CO2腐蚀性能开展了相关研究[5-13]，但大多局限于橡胶CO2腐蚀后力学性能的研究，而针对橡胶耐CO2气侵及泄爆性能方面的研究尚未发现。笔者通过模拟井下高温、高压及高含CO2条件，对8种常用定子橡胶材料(丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶)进行CO2气侵及泄爆试验，研究不同定子橡胶材料耐CO2气侵及泄爆性能，以期为含有CO2的井下螺杆泵定子橡胶材料选择提供理论依据。
1 试验部分 1.1 试验方案将裁切好的8种橡胶材料样品试样进行编号，见表 1，并将试样装入观察仓与预热至试验温度的高温高压反应釜内，利用CO2气瓶与空气增压泵提供气源，并对反应釜加压至设定压力，之后打开反应釜与观察仓之间的阀门，并保持一定的气体渗透时间；再以一定的泄压速度泄压，并对试验过程中试样体积变化进行检测，以橡胶体积变化程度来评价各橡胶样品耐CO2气侵及泄爆性能。
| 试样编号 | 厂家 | 材质 |
| 1# | 景宏 | NBR |
| 2# | 景宏 | NBR |
| 3# | 力神 | NBR |
| 4# | 北石厂 | NBR |
| 5# | 北石厂 | NBR |
| 6# | 石油大学 | NBR |
| 7# | 北石厂 | HNBR |
| 8# | 石油大学 | HNBR |
1.2 主要试验设备 1.2.1 Cortest高温高压反应釜
采用Cortest高温高压反应釜(见图 1)模拟井下高温、高压及CO2气侵环境。该反应釜釜体采用哈氏合金无缝锻造，安全系数高，最高耐温可达350 ℃，承压60 MPa。
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| 图 1 cortest高温高压反应釜 Fig.1 The Cortest high temperature and high pressure reactor |
1.2.2 CO2气侵试验装置(自主设计)
该装置由承压观察仓及压力表组成，用于橡胶样品试验过程中体积变化以及压力的检测。
1.2.3 CO2气源瓶CO2气源瓶用于向反应釜内提供CO2气源。
1.2.4 增压泵增压泵用于对反应釜内CO2气体进行增压，使釜内压力达到试验压力。
1.3 试验条件为模拟高温、高压及高含CO2的井下苛刻服役环境，将此次试验的主要参数设定为：试验压力15 MPa，试验温度100 ℃，稳压时间4 h，泄压速率2 MPa/min，CO2体积分数分别设定20%、40%和60%，其余气体用N2补充，试验最后均泄压至0.1 MPa。具体试验条件见表 2。
| 试验压力/MPa | 试验温度/℃ | 稳压时间/h | 泄压速率/(MPa·min-1) | CO2体积分数/% | N2体积分数/% |
| 15 | 100 | 4 | 2 | 20 | 80 |
| 15 | 100 | 4 | 2 | 40 | 60 |
| 15 | 100 | 4 | 2 | 60 | 40 |
1.4 试验步骤
(1) 为准确测量样品体积变化，本次CO2气侵及泄爆试验所应用的橡胶样品裁切尺寸为100.0 mm×1.6 mm×2.0 mm。
(2) 反应釜提前预热，设定温度100 ℃，待釜内温度稳定后，将裁切好的样品置于石英玻璃管内，玻璃管放入带可视窗口的观察仓中(见图 2)，观察仓与高温高压反应釜相连接。
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| 图 2 CO2气侵及泄爆试验试管与样品 Fig.2 Test tube and sample for the CO2 gas penetration and RGD |
(3) 对反应釜内注入CO2气体，利用增压泵对CO2气体进行增压，使压力达到15 MPa，稳定2 min。
(4) 打开连接试验容器与高压釜的阀门，使得气体通入观察仓，稳压4 h，观察试验过程中样品体积的变化。
(5) 稳压后以2 MPa/min的泄压速率对试验容器泄压，使观察仓压力泄压至常压状态。
(6) 观察仓达到常压后，对样品在不同时间节点的体积变化进行测量(时间节点：2、10、30、60和120 min)；通过石英玻璃管读取试样长度，计算样品不同时刻的体积变化率。
2 橡胶CO2气侵及泄爆试验结果 2.1 CO2体积分数20%时试验结果依照上述试验方法，对所选样品进行CO2气侵与压降试验，测试样品在CO2气体中浸泡与降压过程中体积变化，结果如图 3所示。从图可以看出，所有橡胶样品体积变化率均不大，变化的最大值也只有4%。横向比较橡胶试验后体积变化率，2#、3#、8#与6#样品的耐CO2性能较优。其中2#试样与8#试样在CO2浸泡4 h过程中基本无变化。泄爆过程中，3#与6#试样的体积变化率为2%。4#、5#和7#样品的体积变化率略大，最高为4%；且平衡2 h后，样品仍存在1%~2%的形变，无法完全恢复。
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| 图 3 CO2体积分数为20%时气侵及泄爆试验结果 Fig.3 The gas penetration and RGD test results under the CO2 volume fraction of 20% |
2.2 CO2体积分数为40%时试验结果
试验中，当CO2体积分数达到40%以后，橡胶样品在CO2气侵与泄爆过程中的体积变化率比20%时变化率大得多。其中，1#、4#和7#试样的耐CO2性能较差，气侵过程中体积变化率为3%左右，压降过程中体积变化率可达10%~14%。3#和2#试样的耐CO2性能较好，气侵过程中体积变化率仅为1%，泄爆过程中体积变化率也仅为3%左右，且平衡2 h后体积可恢复原始状态；其次为5#、6#及8#试样，泄爆过程体积变化率在4%~6%之间，如图 4所示。
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| 图 4 CO2体积分数为40%时气侵及泄爆试验结果 Fig.4 The gas penetration and RGD test results under the CO2 volume fraction of 40% |
2.3 CO2体积分数为60%时试验结果
试验中，当CO2体积分数增大到60%以后，可明显看出橡胶样品气侵与泄爆过程中体积变化率较大，且几种样品可观察到明显的差别。其中，7#试样的耐CO2性能最差，气侵过程中体积变化率为4%，泄爆过程中体积变化率为24%，样品体积变化率较大，见图 5，不利于在高含CO2的井下环境中使用。3#和2#试样的耐CO2性能最优，泄爆过程中体积变化率分别为2%与4%；其次为8#与6#试样，体积变化率分别为7%与8%。
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| 图 5 CO2体积分数为60%时气侵及泄爆试验结果 Fig.5 The gas penetration and RGD test results under the CO2 volume fraction of 60% |
3 橡胶CO2气侵及泄爆破坏机理
在橡胶微观结构中，不同长度的橡胶分子链在炭黑颗粒表面吸附和链接，并形成交联网格结构。橡胶部件在含CO2条件下服役时，CO2气体分子会在布朗运动和压力的作用下侵入橡胶分子空间网格的孔隙内，并在孔隙空间较大的部位相对富集，从而使橡胶分子网格向三维空间膨胀，如图 6所示。这在宏观上导致橡胶体积有所变大[14-15]。
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| 图 6 橡胶CO2气侵及泄爆破坏机理示意图 Fig.6 Schematic diagram of CO2 gas penetration and RGD failure mechanism of rubber |
当橡胶部件外界压力突然降低时(泄爆)，在压差的作用下渗透到橡胶材料内部的CO2气体体积会迅速变大并向外扩散逃逸。由于压力快速降低时CO2体积瞬间膨胀，导致橡胶材料体积会迅速变大，在橡胶内部CO2比较富集的部位由于气体膨胀甚至会形成裂纹、鼓泡，进而造成橡胶部件损坏而影响正常使用。
4 结论(1) 在井下高含CO2条件下，橡胶材料会因CO2的气侵而导致体积有所增加，当压力快速降低时，橡胶材料体积会迅速变大后再减小，使橡胶制品受到破坏，且这种破坏程度随着CO2体积分数的升高而加剧。
(2) 在所选8种螺杆泵定子橡胶材料中，2#、3#和8#样品耐CO2性能较好，在试验过程中体积变化相对较小，推荐在高含CO2井下条件下作为定子橡胶材料；7#试样耐CO2性能最差，不建议在高含CO2的井下环境下使用。
(3) 橡胶物理性能破坏往往受井下温度、压力及介质综合作用的影响。由于井下条件复杂，油田在实际生产中选择定子橡胶材料时，还应结合具体井下服役环境优选橡胶材料。
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