ВОДОНАБУХАЮЩАЯ ЭЛАСТОМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ
WATER 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%), а также отсутствие сведений о набухании данных резин в буровой системе типа Полиэконол-Флора.
Известна применяемая при изготовлении пакеров водонабухающая эластомерная смесь на основе бутадиен-нитрильного каучука, содержащая 7,0-10,0 масс. ч. вулканизующей группы, 250,0-451,0 масс. ч. сополимера акриламида и акрилата натрия со степенью сшивки в пределах m=0,01-0,05%, 35,0 масс. ч. наполнителя, 15,0-36,0 масс. ч. минерального волокна и 15,0 масс. ч. пластификатора (Пат. RU №2580564, МПК Е21В 33/12, F16J 15/02, опубл. 10.04.2016).
Недостатками данного изобретения является низкий уровень упруго-прочностных свойств эластомерного материала после контакта с водой, а также сложная технология его использования при производстве пакера.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является 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 22% солевом растворе, а также в буровом растворе, представляющем собой инвертную эмульсию с содержанием органофильной среды 70% (буровая система типа Полиэконол-Флора).
Задачей заявляемого изобретения является создание эластомерного материала с повышенной способностью к объемному набуханию в водном растворе соли высокой минерализации и инвертной эмульсии с содержанием органофильной среды 70%.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение степени набухания эластомерного материала в 22% водном растворе натриевой соли, пресной воде и буровой системе Полиэконол-Флора.
Технический результат достигается за счет того, что водонабухающая эластомерная композиция на основе бутадиен-нитрильного каучука, включающая вулканизующий агент серу, ускорители вулканизации меркаптанового ряда, активаторы вулканизации оксид цинка и стеарин, наполнитель и водонабухающие реагенты натрий-карбоксиметилцеллюлозу и полимер на основе акриламида, при этом дополнительно содержит диспергирующий агент глицерин, в качестве полимера на основе акриламида содержит катионно-анионную полимерную смолу на основе акриламида Ультрарез DS, а в качестве наполнителя коллоидную кремнекислоту БС-120, при следующем соотношении компонентов, масс, ч.: каучук БНКС-28 - 100,0; БС-120 - 40,0; оксид цинка - 5,0; стеарин - 1,0; глицерин - 2,0; сера -2,0; альтакс - 1,0; каптакс - 1,0; катионно-анионная полимерная смола на основе акриламида Ультрарез DS - 5,0-25,0; натрий-карбоксиметилцеллюлоза - 25,0-70,0.
Согласно заявляемому изобретению в основе водонабухающей эластомерной композиции используют полярный бутадиен-нитрильный каучук марки БНКС-28 АМН (ТУ 38.30313-2006) со средним содержанием звеньев нитрила акриловой кислоты 28%.
Вулканизующая группа 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 водонабухающих реагентов используют натрий-карбоксиметилцеллюлозу (ТУ 2231-001-53535770-01) и катионно-анионную полимерную смолу на основе акриламида Ультрарез DS (ТУ 2453-008-88593806-2001). Главным звеном макромолекулы являются мономерные остатки акриламида, в которую сополимеризованы остатки мономеров диаллилдиметиламмония и итаконовой кислоты (Кожевников С.Ю. Получение катионно-анионного полиакриламидного связующего и повышение механических свойств макулатурного тарного картона: Автореф… дис. канд. техн. наук. - Архангельск: ФГАОУ ВПО С(А)ФУ, 2013. - 22 с, стр. 6-7).
Образцы готового эластомерного материала подвергались экспозиции в 22% водном растворе натриевой соли и буровой системе Полиэконол-Флора при температуре 23±2°С. Объемное набухание определяли в соответствии с ГОСТ 9.030-74 по методам А и В.
Сущность изобретения заключается в том, что в качестве водонабухающих реагентов в рецептуре резиновой смеси на основе полярного каучука используют заявленные сочетания натрий-карбоксиметилцеллюлозы с катионно-анионной полимерной смолой на основе акриламида Ультрарез DS. Сочетание указанных реагентов натуральной и синтетической природы в эластомерной композиции, обеспечивает высокую степень набухания эластомерного материала в водных растворах солей различной минерализации, а также в буровой системе Полиэконол-Флора.
При контакте полученного из заявленной водонабухающей эластомерной композиции эластомерного материала с этими средами ввиду специфики диффузионных процессов и полиэлектролитных взаимодействий обеспечивается синергетический эффект, заключающийся в более высокой степени объемного набухания по сравнению с прототипом. Определенный вклад в это вносит и применение в рецептуре резиновой смеси гидрофильного усиливающего наполнителя в виде коллоидной кремнекислоты.
Рецептуры композиций (примеры 1-3) по заявляемому изобретению приведены в таблице 1.
[
Изготовление водонабухающей эластомерной композиции осуществляют с использованием высокоскоростного смесителя типа «Брабендер» и лабораторных вальцев по общепринятой в резиновой промышленности технологии.
Водонабухающие эластомерные материалы изготавливали вулканизацией полученных композиций в гидравлическом прессе по оптимальному температурно-временному режиму, предварительно выявленному с помощью реометра Monsanto 3000 Professional. Физико-механические свойства стандартных образцов определяли на разрывной машине Zwick 5,0 kN в соответствии с ГОСТ 270-75. Объемное набухание эластомеров в 22% водном растворе натриевой соли, буровой системе Полиэконол-Флора и пресной воде осуществляли в соответствии с ГОСТ 9.030-74 (метод А). Физико-механические свойства образцов после набухания определяли на разрывной машине Zwick 5,0 kN в соответствии с ГОСТ 9.030-74 (метод В).
Полученные значения упруго-прочностных свойств и твердости, а также сравнительные данные по степени объемного набухания с прототипом за время экспозиции 200 ч, представлены в таблице 2.
Анализ численных значений таблицы 2 свидетельствует о том, что по сравнению с прототипом полученные из заявленной водонабухающей эластомерной композиции эластомерные материалы характеризуются более высокой степенью объемного набухания. После экспозиции в течении 200 ч в 22% водном растворе натриевой соли и в буровой системе Полиэконол-Флора степень набухания указанных материалов выше в 1,2-1,9 раз и в 2,5-5,7 раз, соответственно. Заграничные соотношения по минимальному и максимальному содержанию комбинации водонабухающих реагентов не обеспечивают достижения искомого технического результата и в этой связи не иллюстрируются примерами. Кроме этого, заявляемые водонабухающие эластомеры обладают способностью к большому объемному набуханию в пресной воде (до 206%) с сохранением приемлемого уровня физико-механических свойств.
Примечания: * - в числителе значения до контакта с пресной водой, в знаменателе - после экспозиции в пресной воде в течении 200 ч.
Таким образом, эластомерные материалы, полученные из водонабухающей эластомерной композиции на основе бутадиен-нитрильного каучука, включающей вулканизующий агент серу, ускорители вулканизации альтакс и каптакс, активаторы вулканизации оксид цинка и стеарин, диспергирующий агент глицерин, наполнитель коллоидную кремнекислоту БС-120 и водонабухающие реагенты натрий-карбоксиметилцеллюлозу и катионно-анионную полимерную смолу на основе акриламида Ультрарез DS, при заявленных соотношениях, обладают высокой степенью набухания в 22% водном растворе натриевой соли, пресной воде и буровой системе Полиэконол-Флора.