Водонабухающая эластомерная композиция для изготовления уплотнительных элементов пакерного оборудования
Владельцы патента RU 2715543:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) (RU)
Изобретение относится к водонабухающим эластомерным материалам и может быть использовано при изготовлении резиновых набухающих уплотнительных элементов пакерного оборудования, применяемого в нефтегазодобывающей отрасли. Водонабухающая эластомерная композиция для изготовления уплотнительных элементов пакерного оборудования на основе бутадиен-нитрильного каучука, включающая вулканизующий агент - серу, ускорители вулканизации меркаптанового ряда - альтакс и каптакс, активаторы вулканизации - оксид цинка и стеарин, диспергирующий агент - глицерин, наполнитель - коллоидную кремнекислоту БС-120 и водонабухающие реагенты - натрий-карбоксиметилцеллюлозу и полимер на основе акриламида, дополнительно содержит в качестве наполнителя технический углерод ТУ П234, а в качестве полимера на основе акриламида - сополимер акриламида с акрилатом калия. Техническим результатом изобретения является увеличение степени набухания эластомерного материала в пресной воде, в 22%-ном водном растворе натриевой соли и водных растворах натриевой соли промежуточной минерализации. 2 табл.
Изобретение относится к водонабухающим 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, C08L 33/00, C08L9/02, E21В 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%).
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 E21B 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.
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, E21B 33/12, опубл. 04.05.2018).
Недостатком резиновой смеси является невысокая степень набухания эластомерного материала пакера в 22% солевом растворе.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является водонабухающая эластомерная композиция для набухающих уплотнительных элементов пакерного оборудования на основе бутадиен-нитрильного каучука, содержащая вулканизующий агент серу, ускорители вулканизации меркаптанового ряда, активаторы вулканизации оксид цинка и стеарин, наполнитель коллоидную кремнекислоту БС-120, диспергирующий агент глицерин и водонабухающие реагенты натрий-карбоксиметилцеллюлозу и катионно-анионную полимерную смолу на основе акриламида Ультрарез DS (Пат. RU №2683462, МПК C08L 9/02, C08L 33/26, C08K 3/04, C08K 3/06, E21B 33/12, опубл. 28.03.2019). Композиция обладает хорошей степенью набухания в пресной воде.
Недостатком эластомерной композиции является невысокая степень набухания эластомерного материала пакера в солевых растворах различной концентрации.
Задачей заявляемого изобретения является создание эластомерного материала с повышенной способностью к объемному набуханию в пресной воде и водных растворах натриевой соли различной минерализации.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение степени набухания эластомерного материала в пресной воде, в 22% водном растворе натриевой соли, и водных растворах натриевой соли промежуточной минерализации.
Технический результат достигается за счет того, что водонабухающая эластомерная композиция для изготовления уплотнительных элементов пакерного оборудования на основе бутадиен-нитрильного каучука, включающая вулканизующий агент серу, ускорители вулканизации меркаптанового ряда - альтакс и каптакс, активаторы вулканизации оксид цинка и стеарин, диспергирующий агент глицерин, наполнитель - коллоидную кремнекислоту БС-120 и водонабухающие реагенты натрий-карбоксиметилцеллюлозу и полимер на основе акриламида, при этом дополнительно содержит в качестве наполнителя технический углерод ТУ П234, а в качестве полимера на основе акриламида - сополимер акриламида с акрилатом калия при следующем соотношении компонентов, масс. ч.: каучук БНКС-28 - 100,0; БС-120 - 10,0; ТУ П234 - 30,0; оксид цинка - 5,0; стеарин - 1,0; глицерин - 2,0; сера - 2,0; альтакс - 1,0; каптакс - 1,0; сополимер акриламида с акрилатом калия - 50,0-100,0; натрий-карбоксиметилцеллюлоза - 50,0-100,0.
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 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 готового эластомерного материала подвергались экспозиции в пресной воде и водных растворах натриевой соли различной минерализации при температуре 23±2°С.
Сущность изобретения заключается в том, что в качестве водонабухающих реагентов в рецептуре резиновой смеси на основе полярного каучука используют заявленные сочетания натрий-карбоксиметилцеллюлозы с сополимером акриламида с акрилатом калия. Сочетание указанных реагентов натуральной и синтетической природы в эластомерной композиции, обеспечивает высокую степень набухания эластомерного материала в пресной воде и водных растворах солей различной минерализации (до 22 % включительно).
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.
Рецептуры композиций (примеры 1-2) по заявляемому изобретению и рецептура по прототипу приведены в таблице 1.
Таблица 1
| Ингредиенты смеси | Содержание ингредиентов, масс. ч. | ||
| 1 | 2 | прототип | |
| Бутадиен-нитрильный каучук БНКС-28 | 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 |
| Сополимер акриламида с акрилатом калия | 50 | 100 | - |
| Натрий-карбоксиметилцеллюлоза | 50 | 100 | 25 |
| Катионно-анионная полимерная смола на основе акриламида Ультрарез DS | - | - | 25 |
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 пресной воде и водных растворах натриевой соли различной минерализации 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, а также сравнительные данные по степени объемного набухания с прототипом за время экспозиции 200 ч, представлены в таблице 2. Такое время экспозиции обусловлено нормативными требованиями работ по обслуживанию скважин.
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. Заграничные соотношения по минимальному и максимальному содержанию комбинации водонабухающих реагентов не обеспечивают достижения искомого технического результата и в этой связи не иллюстрируются примерами. Заявляемые водонабухающие эластомеры обладают способностью к большому объемному набуханию в водных растворах натриевой соли различной минерализации с сохранением приемлемого уровня физико-механических свойств.
Таблица 2
| Шифр образца Показатель |
Примеры | ||
| 1 | 2 | прототип | |
| Степень объемного набухания в пресной воде после экспозиции 200 ч, % | 181 | 629 | 206 |
| Степень объемного набухания в 3,5 % водном растворе натриевой соли после экспозиции 200 ч, % | 81 | 248 | 81 |
| Степень объемного набухания в 6 % водном растворе натриевой соли после экспозиции 200 ч, % | 69 | 205 | 57 |
| Степень объемного набухания в 10 % водном растворе натриевой соли после экспозиции 200 ч, % | 60 | 185 | 36 |
| Степень объемного набухания в 22 % водном растворе натриевой соли после экспозиции 200 ч, % | 50 | 164 | 23 |
| Условная прочность при растяжении*, MПa | 6,2/2,3 | 3,1/2,1 | 7,5/5,1 |
| Относительное удлинение при разрыве*, % | 214/143 | 135/126 | 417/278 |
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 меркаптанового ряда, активаторы вулканизации оксид цинка и стеарин, диспергирующий агент глицерин, наполнитель коллоидную кремнекислоту БС-120 и технический углерод ТУ П234 и водонабухающие реагенты натрий-карбоксиметилцеллюлозу и сополимер акриламида с акрилатом калия при заявленных соотношениях, обладают высокой степенью набухания в пресной воде и водных растворах натриевой соли различной минерализации.
Водонабухающая эластомерная композиция для изготовления уплотнительных элементов пакерного оборудования на основе бутадиен-нитрильного каучука, включающая вулканизующий агент - серу, ускорители вулканизации меркаптанового ряда - альтакс и каптакс, активаторы вулканизации - оксид цинка и стеарин, диспергирующий агент - глицерин, наполнитель - коллоидную кремнекислоту БС-120 и водонабухающие реагенты - натрий-карбоксиметилцеллюлозу и полимер на основе акриламида, отличающаяся тем, что композиция дополнительно содержит в качестве наполнителя технический углерод ТУ П234, а в качестве полимера на основе акриламида - сополимер акриламида с акрилатом калия при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Каучук БНКС-28 - 100,0
БС-120 - 10,0
ТУ П234 - 30,0
Оксид цинка - 5,0
Стеарин - 1,0
Глицерин - 2,0
Сера - 2,0
Альтакс - 1,0
Каптакс - 1,0
Сополимер акриламида с акрилатом калия - 50,0-100,0
Натрий-карбоксиметилцеллюлоза - 50,0-100,0.
