ВОДОНЕФТЕНАБУХАЮЩАЯ ЭЛАСТОМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ
WATER-OIL-SWELLING ELASTOMER COMPOSITION

Изобретение относится к водо- и нефтенабухающим эластомерным материалам и может быть использовано при изготовлении резиновых набухающих уплотнительных элементов пакерного оборудования, применяемого в нефтегазодобывающей отрасли.
Известна водонабухающая эластомерная композиция на основе бутадиен-нитрильного каучука, модифицированного комбинацией акрилового сополимера с карбоксиметилцеллюлозой (Пат. WO №2010039131, МПК A61L 15/30, A61L 15/60, C08L 1/00, C08L 33/00, C08L 9/02, Е21В 33/12, опубл. 08.04.2010).
Недостатком таких резин является то, что для них характерна сравнительно высокая эффективность набухания только в водных растворах солей малой минерализации (3,5-6,0%). Кроме того, они не предназначены для изготовления нефтенабухающих пакеров.
Известна водонабухающая резиновая смесь для пакерного оборудования на основе бутадиен-нитрильного каучука, содержащая вулканизующий агент серу, ускоритель вулканизации альтакс, активаторы вулканизации оксид цинка и стеарин, наполнитель технический углерод, асбестовые волокна и водонабухающие реагенты сшитый полиакриламид POLYSWELL и карбоксиметилцеллюлозу (Пат. RU №2653024, МПК C08L 9/02, C08L 33/26, C08K 3/04, C08K 3/06, C08K 3/22, C08K 5/47, Е21В 33/12, опубл. 04.05.2018).
Недостатком резиновой смеси является невысокая степень набухания эластомерного материала пакера в буровом растворе, представляющем собой инвертную эмульсию с содержанием органофильной среды 70% (буровая система типа Полиэконол-Флора). По причине того, что в основе резиновой смеси используют полярный маслобензостойкий каучук уплотнительные изделия не обладают необходимой степенью набухания в нефти.
Известен водонефтенабухающий эластомер на основе этилен-пропиленового каучука (Разработка водонефтенабухающих резин, предназначенных для заколонных пакеров / С.С. Лопатина, М.А. Ваниев, Н.В. Сычев, Д.В. Демидов, Д.А. Нилидин, Е.В. Брюзгин // Известия ВолгГТУ. Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. - Волгоград, 2017. - №11 (206). - С. 91-96), включающий белую сажу, серу, оксид цинка, альтакс и каптакс, и водонабухающий реагент - сополимер акриламида.
Данный эластомерный материал обладает способностью набухать в нефти при стандартной температуре до 150 об. %. Вместе с тем, его недостатком является невысокая степень набухания в пресной воде и 10% водном растворе NaCl.
Наиболее близкой к предлагаемой является водонабухающая композиция на основе бутадиен-α-метилстирольного каучука, содержащая вулканизующую систему, активаторы вулканизации, антиоксиданты, диспергирующий агент и наполнитель коллоидную кремнекислоту (Influence of reinforcing systems and microstructures of SBR on water swelling behaviors of SBR composites/ Sung-Seen Choi, Sung-Ho Ha // Elastomer, Vol. 42, No. 2, pp 102-106 (2007)).
Недостатком резиновой композиции является невысокая степень набухания эластомерного материала в воде (не более 5,5%), а также в водных растворах хлорида натрия малой минерализации.
Задачей заявляемого изобретения является создание эластомерного материала, способного набухать в средах различной полярности в виде скважинных флюидов и бурового раствора.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение степени набухания эластомерного материала в воде, водном растворе хлорида натрия малой минерализации (до 10%), нефти и буровой системе Полиэконол-Флора.
Технический результат достигается за счет того, что водонефтенабухающая эластомерная композиция на основе бутадиен-α-метилстирольного каучука, включающая вулканизующую систему, активаторы вулканизации, диспергирующий агент и наполнитель коллоидную кремнекислоту, при этом дополнительно содержит водонабухающий реагент натрий-карбоксиметилцеллюлозу, в качестве вулканизующей системы - серу, альтакс и каптакс, в качестве активаторов вулканизации оксид цинка и стеарин, а в качестве диспергирующего агента глицерин, при следующем соотношении компонентов, масс, ч.: бутадиен-α-метилстирольный каучук СКМС 30 АРКМ 15 - 100,0; коллоидная кремнекислота БС-120 - 40,0; оксид цинка - 5,0; стеарин - 1,0; глицерин -2,0; сера - 2,0; альтакс - 1,0; каптакс - 1,0; натрий-карбоксиметилцеллюлоза -25,0-70,0.
Согласно заявляемому изобретению в основе водонефтенабухающей эластомерной композиции используют неполярный маслонаполненный бутадиен-α-метилстирольный каучук марки СКМС 30 АРКМ 15 (ТУ 2294-044-48158319-2010), полученный сополимеризацией 70 и 30% бутадиена и а-метилстирола, соответственно.
Вулканизующая группа эластомерной композиции включает: серу (ГОСТ 127-76); ускорители вулканизации - альтакс (дибензотиазолдисульфид) (ТУ 6-14-851-86), каптакс (2-меркаптобензтиазол) (ТУ 739-74). Активирующая система базируется на комбинации оксида цинка (ГОСТ 202-84) и стеарина (ГОСТ 6484-96). В качестве диспергирующего агента используют глицерин (ГОСТ 6259-75).
Роль гидрофильного усиливающего наполнителя в рецептуре выполняет коллоидная кремнекислота марки БС-120 (ГОСТ 18307-78).
В качестве водонабухающего реагента используют натрий-карбоксиметилцеллюлозу (ТУ 2231-001-53535770-01).
Образцы вулканизованного эластомерного материала подвергали экспозиции в 10% водном растворе хлорида натрия, пресной воде, нефти (ГОСТ 9965-62) и буровой системе Полиэконол-Флора при температуре 23±2°С. Степень набухания определяли в соответствии с ГОСТ 9.030-74 по методу А.
Сущность изобретения заключается в совершенствовании рецептуры композиции на основе неполярного бутадиен-α-метилстирольного каучука полярным гидрофильным реагентом, каковым является натрий-карбоксиметилцеллюлоза. Заявляемые количественно-качественные соотношения ингредиентов обеспечивают возможность получения эластомерного материала, обладающего определенными универсальными качествами с точки зрения его степени набухания в средах различной полярности: дистиллированная и пресная вода, водные растворы хлорида натрия с концентрацией до 10%, нефть и буровая система Полиэконол-Флора.
Рецептуры композиций (примеры 1-3) и физико-механические свойства вулканизатов по заявляемому изобретению приведены в таблице 1.
Изготовление водонефтенабухающей эластомерной композиции осуществляют с использованием высокоскоростного смесителя типа «Брабендер» и лабораторных вальцев по общепринятой в резиновой промышленности технологии.
Водонефтенабухающий эластомерный материал изготавливали вулканизацией полученной композиции в гидравлическом прессе по оптимальному температурно-временному режиму, предварительно выявленному с помощью реометра. Физико-механические свойства стандартных образцов определяли на разрывной машине в соответствии с ГОСТ 270-75. Измерение твердости проводили по ГОСТ 263-75. Определение степени набухания эластомеров в 10% водном растворе хлорида натрия, пресной воде, нефти и буровой системе Полиэконол-Флора осуществляли в соответствии с ГОСТ 9.030-74 (метод А).
Полученные значения по изменению степени набухания эластомерной композиции за время экспозиции 168 ч, представлены в таблице 2.
Анализ численных значений таблицы 2 свидетельствует о том, что по сравнению с прототипом полученный из заявленной водонефтенабухающей композиции эластомерный материал характеризуется более высокой степенью набухания. После экспозиции в течении 168 ч в 10% водном растворе хлорида натрия и в пресной воде степень набухания указанного материала на порядок выше степени набухания эластомерного материала по прототипу. Заграничные соотношения по минимальному и максимальному содержанию комбинации водонефтенабухающих реагентов не обеспечивают достижения искомого технического результата и в этой связи не иллюстрируются примерами. Ключевым обстоятельством является то, что заявляемый водонефтенабухающий эластомер дополнительно обладает способностью к большому набуханию в нефти и буровой системе Полиэконол-Флора.
Таким образом, эластомерный материал, полученный из водонефтенабухающей эластомерной композиции на основе бутадиен-α-метил стирольного каучука СКМС 30 АРКМ 15, включающей вулканизующий агент серу, ускорители вулканизации альтакс и каптакс, активаторы вулканизации оксид цинка и стеарин, диспергирующий агент глицерин, наполнитель коллоидную кремнекислоту БС-120 и водонабухающий реагент натрий-карбоксиметилцеллюлозу при заявленных соотношениях, обладает одновременной способностью набухать в водном растворе хлорида натрия малой минерализации (до 10%), пресной воде, а также в нефти и буровой системе Полиэконол-Флора, что предопределяет его преимущества при практическом применении в составе пакерного оборудования нефтегазодобычи.