Водонефтенабухающая эластомерная композиция
WATER-OIL-SWELLABLE 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 A61L15/30, A61L15/60, C08L1/00, C08L33/00, C08L9/02, E21В33/12, 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 C08L9/02, C08L33/26, C08K3/04, C08K3/06, C08K3/22, C08K5/47, E21B33/12, опубл. 04.05.2018).
Недостатком резины по патенту №2653024 является относительно невысокие показатели по степени набухания при экспозиции в водном растворе хлорида натрия с концентрацией 22 %, а также в Полиэконол-Флора.
Известна водонефтенабухающая термопластичная эластомерная композиция (Пат. RU №2690929, МПК C08L23/06, C08L23/12, C08L31/04, C09K3/10, E21B33/12, опубл. 06.06.2019) на основе этиленпропиленового каучука, содержащая полиолефиновый термопластичный полимер, сополимер этилена с винилацетатом с содержанием звеньев винилацетата от 33 до 70% и вулканизующую систему - комбинацию органического пероксида с триалилизоциануратом.
Недостатком такой эластомерной композиции является невысокие значения степени набухания в дистиллированной воде и 22 % растворе NaCl, а также разрушение образца при контакте с нефтью.
Известна водонефтенабухающая эластомерная композиция на основе бутадиен-α-метилстирольного каучука, содержащая вулканизующий агент серу, ускорители вулканизации меркаптанового ряда, оксид цинка, диспергирующие агенты стеарин и глицерин, наполнитель коллоидную кремнекислоту и водонабухающий реагент натрий-карбоксиметилцеллюлозу (Пат. RU № 2685350, МПК C08L1/00, C08L9/06, E21B33/12, C08К3/04, C08К3/06, C08К3/22, C08K5/09, опубл. 06.06.2019)
Недостатком эластомерной композиции является невысокая степень набухания эластомерного материала в пресной воде (не более 79 %), в водных растворах хлорида натрия от 10 до 22 % (не более 49 % и 18 %, соответственно), а также в нефти и буровой системе Полиэконол-Флора – 107-108 %.
Наиболее близкой к предлагаемой композиции является водонефтенабухающий эластомер на основе этилен-пропиленового каучука (Разработка водонефтенабухающих резин, предназначенных для заколонных пакеров / С.С. Лопатина, М.А. Ваниев, Н.В. Сычёв, Д.В. Демидов, Д.А. Нилидин, Е.В. Брюзгин // Известия ВолгГТУ. Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. - Волгоград, 2017. - № 11 (206). - C. 91-96), включающий вулканизующий агент серу, ускорители вулканизации альтакс и каптакс, активирующую систему оксид цинка и стеарин, диспергирующий агент глицерин, наполнитель коллоидную кремнекислоту и водонабухающий реагент – сополимер акриламида с N,N`-диметиламинопропилметакриламидом и итаконовой кислотой.
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.
Задачей заявляемого изобретения является создание эластомерного материала с высокой способностью набухать в средах различной полярности в виде скважинных флюидов и бурового раствора.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение степени набухания эластомерного материала в пресной воде и в 10% водном растворе хлорида натрия при сохранении высокой нефтенабухающей способности, а также дополнительной способности увеличиваться в объеме при контакте с 22% водным раствором хлорида натрия и буровой системой Полиэконол-Флора.
Технический результат достигается за счет того, что водонефтенабухающая эластомерная композиция на основе этилен-пропиленового каучука, включающая вулканизующий агент серу, ускорители вулканизации альтакс и каптакс, активирующую систему оксид цинка и стеарин, диспергирующий агент глицерин, наполнитель коллоидную кремнекислоту и водонабухающий реагент – сополимер акриламида, при этом дополнительно содержит технический углерод и натрий-карбоксиметилцеллюлозу, а в качестве сополимера акриламида содержит сополимер акриламида с акрилатом калия, при следующем соотношении компонентов, масс. ч.: этилен-пропиленовый каучук СКЭПТ-50 – 100,0; коллоидная кремнекислота БС-120 – 10,0; технический углерод ТУ П234 – 30,0; оксид цинка – 5,0; стеарин – 1,0; глицерин – 2,0; сера – 2,0; альтакс – 1,0; каптакс – 1,0; натрий-карбоксиметилцеллюлоза – 80,0-100,0; сополимер акриламида с акрилатом калия – 80,0-100,0.
Согласно заявляемому изобретению в основе водонефтенабухающей эластомерной композиции используют этилен-пропиленовый каучук, например, СКЭПТ-50 (ТУ 38.103252-92), полученный сополимеризацией этилена, пропилена и дициклопентадиена.
Вулканизующая группа эластомерной композиции включает: вулканизующий агент 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 усиливающего наполнителя в рецептуре выполняет коллоидная кремнекислота марки БС-120 (ГОСТ 18307-78) и технический углерод ТУ П234 (ГОСТ 7885-86).
В качестве водонабухающих реагентов используют натрий-карбоксиметилцеллюлозу (ТУ 2231-001-53535770-01) и сополимер акриламида с акрилатом калия (кажущаяся плотность 85-90 %; рН 8,1; емкость катионного обмена 4.6 мэкв/г; максимум абсорбции в деионизированной воде 400 г/г; влагоудерживание при рF1 980 мл/л), например, торговой арки AQUASORB 3005.
Образцы вулканизованного эластомерного материала подвергают экспозиции в пресной воде, 10 % и 22 % водном растворе хлорида натрия, нефти (ГОСТ 9965-62) и буровой системе Полиэконол-Флора при температуре 23±2°С. Степень набухания определяют в соответствии с ГОСТ 9.030-74 по методу А.
Сущность изобретения заключается в совершенствовании рецептуры композиции на основе неполяного этилен-пропиленового каучука полярными гидрофильными реагентами, каковыми являются натрий-карбоксиметилцеллюлоза и сополимер акриламида с акрилатом калия. Заявляемые количественно-качественные соотношения ингредиентов обеспечивают возможность получения эластомерного материала, обладающего определенными универсальными качествами с точки зрения его степени набухания в средах различной полярности: пресная вода, водные растворы хлорида натрия с концентрацией до 22 %, нефть и буровая система Полиэконол-Флора.
Рецептура композиции и физико-механические свойства вулканизатов по заявляемому изобретению приведены в таблице 1.
Таблица 1
Ингредиенты композиций
Содержание ингредиентов, масс.ч.
Примеры по заявляемому изобретению
По прототипу
1
2
Этилен-пропиленовый каучукСКЭПТ-50
100
100
100
БС-120
10
10
40
ТУ П234
30
30
-
Оксид цинка
5
5
5
Стеарин
1
1
1
Глицерин
2
2
2
Сера
2
2
2
Альтакс
1
1
1
Каптакс
1
1
1
Натрий-карбоксиметилцеллюлоза
80
100
-
Сополимер акриламида с акрилатом калия
80
100
-
Сополимер акриламида с N,N`-диметиламинопропилметакриламидом и итаконовой кислотой
-
-
70
Свойства вулканизатов
Условная прочность при растяжении, МПа
3,6
2,4
9,1
Относительное удлинение при разрыве, %
266
171
262
Твердость, усл. ед. Шор А
83
88
76
Изготовление водонефтенабухающей эластомерной композиции осуществляют с использованием высокоскоростного смесителя типа «Брабендер» и лабораторных вальцев по общепринятой в резиновой промышленности технологии.
Водонефтенабухающий эластомерный материал изготавливают вулканизацией полученной композиции в гидравлическом прессе по оптимальному температурно-временному режиму, предварительно выявленному с помощью реометра. Физико-механические свойства стандартных образцов определяют на разрывной машине в соответствии с ГОСТ 270-75. Измерение твердости проводят по ГОСТ 263-75. Определение степени набухания эластомеров в пресной воде, 10 % и 22 % водном растворе хлорида натрия, нефти и буровой системе Полиэконол-Флора осуществляют 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 пресной воде и 10% водном растворе хлорида натрия степень набухания указанного материала на порядок выше степени набухания эластомерного материала по прототипу, при этом набухающая способность заявляемого материала в нефти находится на приемлемом уровне. Ключевым обстоятельством является то, что заявляемый водонефтенабухающий эластомер также обладает способностью к большому набуханию в 22% водном растворе хлорида натрия и буровой системе Полиэконол-Флора.
Таблица 2
Шифр образцаПоказатель
Примеры по заявляемому изобретению
По прототипу
1
2
Степень набухания в пресной воде после экспозиции 168 ч, %
309
641
10
Степень набухания в 10 % водном растворе NaCl после экспозиции 168 ч, %
138
301
9
Степень набухания в 22 % водном растворе NaCl после экспозиции 168 ч, %
113
267
-
Степень набухания в нефти после экспозиции 168 ч, %
143
126
150
Степень набухания в Полиэконол-Флора, после экспозиции 168 ч, %
148
126
-
Таким образом, эластомерный материал, полученный из водонефтенабухающей эластомерной композиции на основе этилен-пропиленового каучука СКЭПТ-50, включающей вулканизующий агент серу, ускорители вулканизации альтакс и каптакс, активирующую систему оксид цинка и стеарин, диспергирующий агент глицерин, наполнители коллоидную кремнекислоту БС-120 и технический углерод П234, водонабухающие реагенты натрий-карбоксиметилцеллюлозу и сополимер акриламида с акрилатом калия при заявленных соотношениях, обладает одновременной способностью набухать в пресной воде, водных растворах хлорида натрия концентрации до 22 %, а также в нефти и буровой системе Полиэконол-Флора, что предопределяет его преимущества при практическом применении в составе пакерного оборудования нефтегазодобычи.