一種利用分子離子譜評價抽油桿環境耐用性的方法技術

本發明專利技術提供一種通過非接觸檢測分子離子譜，評價抽油桿環境耐用性的方法。該技術系統包括離子／分子信息檢測電極單元（１）、數據采集／放大系統（２）、顯微成像系統（３）、可編程三維運動系統（４）以及自動控制／數據處理系統（５）。該方法在不接觸處于濕熱性環境或腐蝕性環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定實時測量進出抽油桿表面離子／分子的種類、絕對濃度及三維運動方向等參數以得到與抽油桿環境耐用性相關的分子離子譜，直接表征抽油桿在工作環境中發生的變化，如吸濕擴散過程、小分子溶出、水解反應和電化學腐蝕反應等。該方法對抽油桿無損傷，數據采集全面，分析準確、效率高，能有效節約能源和人力成本。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種通過非接觸檢測靜態動態分子離子譜，評價抽油桿環境耐用性的方法，特別是涉及測量抽油桿表面有關濕熱老化以及電化學腐蝕信息的光電機一體化技術，屬于材料化學

技術介紹
抽油桿是在油管內用內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，其材質可以是纖維增強復合材料如碳纖維增強乙烯基酯樹脂(CF/VE)復合材料，也可以是金屬材料如表面鍍硬鉻高碳鋼。有桿泵采油是當前國內外應用最廣泛的機械采油技術。目前世界上機械采油井數已超過總生產井數的90%以上，80%左右的機械采油井都采用有桿袞采油模式。現我國共有油井8萬多口，其中95%是用機械采油方式進行原油開采，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、鹽等原油混合介質的腐蝕作用深井中壓力和溫度產生的熱力學作用(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生的電化學腐蝕作用。隨著抽油桿在油田的推廣應用，相應對其服役行為和環境耐用性(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領域能否成功應用的關鍵。通行的研究方法是將抽油桿材料置于模擬其實際應用的酸堿或濕熱性環境進行長期浸泡，每天測量其相關的宏觀性能指標如吸濕率等，然后從其結果對抽油桿材料老化和失效機制分別進行推測。然而由于該方法研究的過程中實驗環節繁多，人為造成的試樣材料損傷大，所以取得的測試數據對抽油桿實際工況的模擬偏差較大，推測的失效機制可靠性差，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傳感器，可以配合掃描選擇電極技術以不接觸被測材料的非損傷方式測量進出被測材料離子/分子的信息，得到靜態動態分子離子譜。近年來，隨著離子/分子選擇電極種類的不斷增多，電子線路技術和計算機硬件軟件技術的巨大發展，顯微鏡技術、成像技術得到了越來越廣泛的應用，并與自動控制技術相結合，給非接觸微測技術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動態分子離子譜評價抽油桿環境耐用性的技術還未見報道。
技術實現思路
本專利技術提供一種通過非接觸檢測靜態動態分子離子譜，評價抽油桿環境耐用性的方法。該方法在不接觸處于工作環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定方便、快捷、三維地實時測量進出抽油桿表面且與抽油桿環境耐用性相關的離子/分子種類、絕對濃度及三維運動方向等參數，從而得到與抽油桿環境耐用性相關的靜態動態分子離子譜；該方法也可以采用多個電極測量多種離子/分子，能更全面的獲得進出抽油桿的離子和分子信息，提高了數據采集量；該方法對抽油桿無損傷，分析準確性和分析效率高，節約能源和人力成本。本專利技術的主要技術方案 ，該技術系統包括離子/分子信息檢測電極單元1、數據采集/放大系統2、顯微成像系統3、可編程三維運動系統4以及自動控制/數據處理系統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、放大后經過數據分析軟件分析得到進出抽油懺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。根據測定的多種離子/分子的不同，相應的多個離子/分子選擇電極1-2固定在三維步進電機4-2的機械臂上，自動控制/數據處理系統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電機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的引線與數據采集/放大系統2連接，各個離子/分子檢測信號經數據采集/放大系統輸出到自動控制/數據處理系統5，自動控制/數據處理系統5與顯微成像系統3連接，電極運動控制器4-1還與顯微成像系統3的顯微鏡3-1連接。抽油桿與其他工程材料一樣，都是在一定的環境條件下使用。抽油桿常見的工作環境條件包括溫度、濕度、腐蝕性介質等。以碳纖維增強乙烯基酯樹脂(CF/VE)復合材料抽油桿為例，一種環境因素或多個環境因素的綜合作用均會導致該復合材料中的樹脂基體、增強纖維或纖維與基體間的界面發生腐蝕或破壞，從而導致復合材料的整體性能發生變化。上述的抽油桿工作的溫度和濕度環境即為濕熱性環境。以碳纖維增強乙烯基酯樹脂(CF/VE)復合材料抽油桿為例，在濕熱性環境下復合材料吸濕的最直接結果就是樹脂基體的溶脹，使得基體與纖維由于內應力作用產生脫粘，導致復合材料的力學性能和耐熱性發生非可逆變化，最終使得復合材料的耐用性降低。上述的抽油桿工作的腐蝕性環境包括酸、堿、鹽、有機溶劑等介質，如含WNaCl、 NaOH的水及三氯乙烷、甲苯等的介質。抽油桿在腐蝕性介質下容易發生老化和電化學腐蝕，最終導致整體性能的下降。上述的抽油桿若為樹脂復合材料，如碳纖維Z乙烯基酯樹脂(CF/VE)拉擠復合材料，其應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，所以樹脂復合材料抽油桿的電化學腐蝕主要發生在抽油桿金屬接頭處。本專利技術測試中將所述的抽油桿試樣放入濕熱性環境或含酸、堿、鹽的腐蝕性環境中，離子/分子選擇電極實時測量進出抽油桿表面離子/分子的種類、絕對濃度及三維運動方向等參數，從而得到與抽油桿環境耐用性相關的靜態動態分子離子譜。這些譜圖直接反映抽油桿在濕熱性環境或腐蝕性環境中發生吸濕擴散、小分子溶出、水解反應和電化學腐蝕反應等過程的有效信息，通過計算機處理這些信息得出老化或腐蝕機理來評價抽油桿環境耐用性。本專利技術的測量靜態動態分子離子譜的方法可以用于評價抽油桿的環境耐用性。本專利技術的效果(1)方便、快捷、三維地實時測量抽油桿在濕熱性環境中發生的變化如液固相界面發生的前期吸濕擴散過程和后期吸濕平衡過程以及溫度與環境老化相關聯的信息；(2)方便、快捷、三維地實時測量抽油桿在含酸、堿、鹽的腐蝕性環境中發生的有關變化如小分子溶出、水解反應、電化學腐蝕反應等；(3)測試信息能夠準確全面地反映出抽油桿在工作環境中宏觀性能變化的原因，如玻璃化轉變溫度、彎曲強度等性能的變化；(4)對抽油桿無損傷，分析準確性及分析效率高，節約能源和人力成本。附圖說明圖1為靜態動態分子離子譜技術系統的組成示意圖。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后靠近表面微區內H+譜圖。圖3為抽油桿試樣在65'C或95°C10%NaOH水溶液中浸泡，水分子擴散平衡后水分子與復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合材料抽油桿在中性腐蝕介質中測得的OH—和H02-譜圖。具體實施例方式下面用實施例對本專利技術進一步說明，但本專利技術不限于這些實施例。實施例l:樹脂復合材料抽油桿的玻璃化轉變溫度(Tg)是衡量其在濕熱性環境下耐濕熱老化性能的主要指標。大量實驗證明，抽油桿在濕熱性環境中工作一定時間后其玻璃化轉變溫度呈現明顯下降。本實施例利用分子離子譜表征樹脂復合材料抽油桿玻璃化轉變溫度下降的原因，為水分子的溶脹作用與樹脂復合材料抽油桿玻璃化轉變溫度下降的相互關聯提供了直接證據。將碳纖維/乙烯基酯樹脂(CF/VE)復合材料抽油桿試樣放入6本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用分子離子譜評價抽油桿環境耐用性的方法，該技術系統包括離子／分子信息檢測電極單元（１）、數據采集／放大系統（２）、顯微成像系統（３）、可編程三維運動系統（４）以及自動控制／數據處理系統（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、放大后經過數據分析軟件分析得到進出抽油桿（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，根據測定的離子／分子的不同，相應的多個離子／分子選擇電極（１－２）固定在三維步進電機（４－２）的機械臂上，自動控制／數據處理系統（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電機（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）的引線與數據采集／放大系統（２）連接，各個離子／分子檢測信號經數據采集／放大系統（２）輸出到自動控制／數據處理系統（５），自動控制／數據處理系統（５）還與顯微成像系統（３）連接，電極運動控制器（４－１）還與顯微成像系統（３）的顯微鏡（３－１）連接。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：許越，
申請(專利權)人：旭月北京科技有限公司，
類型：發明
國別省市：11[]