RU2744282C1 - Водонабухающая эластомерная композиция - Google Patents

Водонабухающая эластомерная композиция Download PDF

Info

Publication number
RU2744282C1
RU2744282C1 RU2020127461A RU2020127461A RU2744282C1 RU 2744282 C1 RU2744282 C1 RU 2744282C1 RU 2020127461 A RU2020127461 A RU 2020127461A RU 2020127461 A RU2020127461 A RU 2020127461A RU 2744282 C1 RU2744282 C1 RU 2744282C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
water
swellable
nitrile
rubber
copolymer
Prior art date
Application number
RU2020127461A
Other languages
English (en)
Inventor
Светлана Сергеевна Лопатина
Марат Абдурахманович Ваниев
Николай Владимирович Сычев
Дмитрий Владимирович Демидов
Антон Александрович Черемисин
Иван Александрович Новаков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреж-дение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреж-дение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреж-дение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ)
Priority to RU2020127461A priority Critical patent/RU2744282C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2744282C1 publication Critical patent/RU2744282C1/ru

Links

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B33/00Sealing or packing boreholes or wells
    • E21B33/10Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/12Packers; Plugs

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

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 на основе карбоксилатного бутадиен-нитрильного каучука, содержащего 26 мас.% звеньев нитрила акриловой кислоты и 7 мас.% карбоксильных групп, включающая вулканизующий агент, ускорители вулканизации меркаптанового ряда, активаторы вулканизации, диспергирующий агент, наполнители, водонабухающие реагенты, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: карбоксилатный бутадиен-нитрильный каучук – 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 – 100,0; натрий-карбоксиметилцеллюлоза – 100,0. Техническим результатом является увеличение прочности эластомерного материала до и после воздействия пресной воды и водных растворов хлорида натрия и расширение ассортимента водонабухающих эластомерных материалов. 3 табл.

Description

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, 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 %).
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 E21B33/12, F16J15/02, опубл. 10.04.2016).
Недостатками данного изобретения является низкий уровень прочностных свойств эластомерного материала, который находится в пределах 15-35 кгс/см2.
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 солевом растворе с концентрацией 22 %.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является водонабухающая эластомерная композиция для уплотнительных элементов пакерного оборудования на основе бутадиен-нитрильного каучука, содержащая вулканизующий агент серу, ускорители вулканизации меркаптанового ряда, активаторы вулканизации оксид цинка и стеарин, диспергирующий агент глицерин, наполнители коллоидную кремнекислоту БС-120 и технический углерод ТУ П234, водонабухающие реагенты натрий-карбоксиметилцеллюлозу и сополимер акриламида с акрилатом калия (Пат. RU № 2715543, МПК C08L9/02, C08L33/26, C08K3/04, C08K3/06, C08K3/22, C08K3/36, C08K5/47, E21B33/12, опубл. 28.02.20). Композиция обладает высокой степенью набухания как в пресной воде, так и в водных растворах хлорида натрия, в том числе с концентрацией 22 %.
Недостатком материала из эластомерной композиции, изготовленной согласно патенту №2715543, является невысокая прочность как до контакта с водой (не более 3,1 МПа), так и после 200 ч экспозиции в ней (условная прочность при растяжении снижается до 2,1 МПа).
Задачей заявляемого изобретения является создание эластомерного материала, обладающего высокими прочностными характеристиками после воздействия сред при оптимальном уровне объемного набухания в воде и водных растворах хлорида натрия.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение прочности эластомерного материала до и после воздействия пресной воды и водных растворов хлорида натрия и расширение ассортимента водонабухающих эластомерных материалов.
Технический результат достигается за счет того, что водонабухающая эластомерная композиция 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, наполнители коллоидную кремнекислоту БС-120 и технический углерод ТУ П234, водонабухающие реагенты натрий-карбоксиметилцеллюлозу и сополимер акриламида с акрилатом калия, при этом в качестве бутадиен-нитрильного каучука содержит карбоксилатный бутадиен-нитрильный каучук, содержащий 26 масс. % звеньев нитрила акриловой кислоты и 7 масс. % карбоксильных групп, при следующем соотношении компонентов, масс. ч.: карбоксилатный бутадиен-нитрильный каучук – 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 – 100,0; натрий-карбоксиметилцеллюлоза – 100,0.
Согласно заявляемому изобретению в основе водонабухающей эластомерной композиции используют карбоксилатный бутадиен-нитрильный каучук, содержащий 26 масс. % звеньев нитрила акриловой кислоты и 7 масс. % карбоксильных групп, в частности, марки NX735.
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 хлорида натрия различной минерализации при температуре 23±2 °С.
Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от обычного бутадиен-нитрильного каучука, макромолекулы используемого в основе заявляемой эластомерной композиции каучука, помимо кратных двойных связей, содержат реакционноспособные карбоксильные группы. В результате вулканизации в дополнение к полисульфидным мостикам образуются, так называемые, «солевые связи» - как фактор взаимодействия оксида цинка с карбоксильными группами каучука. Это обстоятельство детерминирует повышение исходных прочностных свойств резины, а также после экспозиции в воде и водных растворах хлорида натрия.
Рецептура композиции по заявляемому изобретению и рецептура по прототипу приведены в таблице 1.
Таблица 1
Ингредиенты композиции Содержание ингредиентов, масс.ч.
заявляемая композиция композиция по прототипу
Бутадиен-нитрильный каучук БНКС-28 - 100
Карбоксилатный бутадиен-нитрильный каучук 100 -
БС-120 10 10
ТУ П234 30 30
Оксид цинка 5 5
Стеарин 1 1
Глицерин 2 2
Сера 2 2
Альтакс 1 1
Каптакс 1 1
Сополимер акриламида с акрилатом калия 100 100
Натрий-карбоксиметилцеллюлоза 100 100
Изготовление водонабухающей эластомерной композиции осуществляют с использованием высокоскоростного смесителя типа «Брабендер» и лабораторных вальцев по общепринятой в резиновой промышленности технологии.
Водонабухающие эластомерные материалы изготавливают вулканизацией полученных композиций в гидравлическом прессе по оптимальному температурно-временному режиму, предварительно выявленному с помощью реометра Monsanto 3000 Professional. Физико-механические свойства стандартных образцов определяют на разрывной машине Zwick 5,0 kN в соответствии с ГОСТ 270-75. Тесты с целью определения объемного набухания эластомеров в пресной воде и водных растворах хлорида натрия различной минерализации осуществляют в соответствии с ГОСТ 9.030-74 (метод А). Физико-механические свойства образцов после набухания определяют 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 и 3. Такое время экспозиции обусловлено нормативными требованиями работ по обслуживанию скважин.
Таблица 2
Шифр образца
Показатель
Примеры
заявляемая композиция композиция по прототипу
Степень объемного набухания в пресной воде после экспозиции 200 ч, % 296 629
Степень объемного набухания в 3,5 % водном растворе хлорида натрия после экспозиции 200 ч, % 150 248
Степень объемного набухания в 6 % водном растворе хлорида натрия после экспозиции 200 ч, % 115 205
Степень объемного набухания в 10 % водном растворе хлорида натрия после экспозиции 200 ч, % 103 185
Степень объемного набухания в 22 % водном растворе хлорида натрия после экспозиции 200 ч, % 69 164
Анализ численных значений таблицы 3 свидетельствует о том, что по сравнению с прототипом полученные из заявленной водонабухающей эластомерной композиции эластомерные материалы обладают более высокой прочностью до и после набухания. Соответственно, показатели составляют 8,8 и 3,7 МПа, что значимо лучше по сравнению с прототипом (3,1 и 2,1 МПа). Аналогичная картина характерна для случаев экспозиции в водных растворах хлорида натрия с концентрациями от 3,5 до 22 % (табл.3).
Таблица 3
Показатель
Тип среды
Примеры
заявляемая композиция композиция по прототипу заявляемая композиция композиция по прототипу
Условная прочность при растяжении, MПa Относительное удлинение при разрыве, %
до контакта со средой 8,8 3,1 12 135
пресная вода 3,7 2,1 53 126
3,5 % водный раствор хлорида натрия 4,2 2,4 80 170
6 % водный раствор хлорида натрия 4,3 2,7 83 188
10 % водный раствор хлорида натрия 4,8 3,0 101 212
22 % водный раствор хлорида натрия 6,0 3,1 126 219
Из-за более высокой плотности сшивания показатель объемного набухания у заявляемой резины по сравнению с прототипом ожидаемо ниже. Вместе с тем, следует отметить, что способность резин набухать на 70-300 % соответствует, как правило, критерию необходимости и достаточности с точки зрения практического применения (https://www.tamintl.com/images/pdfs/brochures/FREECAP_Russian_web.pdf; https://www.elibrary.ru/download/elibrary_35434327_79517037.pdf; Обзор конструкций набухающих пакеров и возможности их применения на месторождениях Азербайджана / Ш.П.Казымов, Э.С.Абдуллаева, Н.М.Раджабов // SOCAR Proceedings, 2015, №3, 43-51; патент RU 2580564). В то же время для надежной герметизации ствола скважины и безаварийной эксплуатации оборудования, снабженного водонабухающими пакерами, определяющим требованием является наилучшее сохранение прочностных свойств материала при условии обеспечения необходимой степени набухания за заданный промежуток времени, что и обеспечивает заявляемая водонабухающая эластомерная композиция.
Таким образом, эластомерные материалы, полученные из водонабухающей эластомерной композиции на основе карбоксилатного бутадиен-нитрильного каучука, включающей вулканизующий агент серу, ускорители вулканизации меркаптанового ряда – альтакс и каптакс, активаторы вулканизации оксид цинка и стеарин, диспергирующий агент глицерин, наполнители коллоидную кремнекислоту БС-120 и технический углерод ТУ П234, водонабухающие реагенты натрий-карбоксиметилцеллюлозу и сополимер акриламида с акрилатом калия при заявленных соотношениях, обладают повышенной прочностью до и после воздействия пресной воды и водных растворов хлорида натрия и оптимальным уровнем объемного набухания в воде и водных растворах хлорида натрия различной минерализации.

Claims (2)

  1. Водонабухающая эластомерная композиция 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, наполнители коллоидную кремнекислоту БС-120 и технический углерод ТУ П234, водонабухающие реагенты натрий-карбоксиметилцеллюлозу и сополимер акриламида с акрилатом калия, отличающаяся тем, что в качестве бутадиен-нитрильного каучука композиция содержит карбоксилатный бутадиен-нитрильный каучук, содержащий 26 мас.% звеньев нитрила акриловой кислоты и 7 мас.% карбоксильных групп, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
  2. Карбоксилатный бутадиен-нитрильный каучук 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 100,0 Натрий-карбоксиметилцеллюлоза 100,0
RU2020127461A 2020-08-18 2020-08-18 Водонабухающая эластомерная композиция RU2744282C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020127461A RU2744282C1 (ru) 2020-08-18 2020-08-18 Водонабухающая эластомерная композиция

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020127461A RU2744282C1 (ru) 2020-08-18 2020-08-18 Водонабухающая эластомерная композиция

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2744282C1 true RU2744282C1 (ru) 2021-03-04

Family

ID=74857808

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020127461A RU2744282C1 (ru) 2020-08-18 2020-08-18 Водонабухающая эластомерная композиция

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2744282C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2786166C1 (ru) * 2022-02-15 2022-12-19 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" Резиновая смесь

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010039131A1 (en) * 2008-10-01 2010-04-08 Baker Hughes Incorporated Water swelling rubber compound for use in reactive packers and other downhole tools
US9303200B2 (en) * 2007-10-01 2016-04-05 Baker Hughes Incorporated Polymer composition, swellable composition comprising the polymer composition, and articles including the swellable composition
RU2653024C1 (ru) * 2017-06-22 2018-05-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Водонабухающая резиновая смесь для пакерного оборудования
RU2715543C1 (ru) * 2019-08-07 2020-02-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Водонабухающая эластомерная композиция для изготовления уплотнительных элементов пакерного оборудования

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9303200B2 (en) * 2007-10-01 2016-04-05 Baker Hughes Incorporated Polymer composition, swellable composition comprising the polymer composition, and articles including the swellable composition
WO2010039131A1 (en) * 2008-10-01 2010-04-08 Baker Hughes Incorporated Water swelling rubber compound for use in reactive packers and other downhole tools
RU2653024C1 (ru) * 2017-06-22 2018-05-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Водонабухающая резиновая смесь для пакерного оборудования
RU2715543C1 (ru) * 2019-08-07 2020-02-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Водонабухающая эластомерная композиция для изготовления уплотнительных элементов пакерного оборудования

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2786166C1 (ru) * 2022-02-15 2022-12-19 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" Резиновая смесь

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2653024C1 (ru) Водонабухающая резиновая смесь для пакерного оборудования
RU2715543C1 (ru) Водонабухающая эластомерная композиция для изготовления уплотнительных элементов пакерного оборудования
DE3541069C2 (de) Ölbeständige Kautschukmasse
RU2744282C1 (ru) Водонабухающая эластомерная композиция
RU2654029C1 (ru) Водонабухающая резиновая смесь для пакерного оборудования
US8912256B2 (en) Swellable material using soy spent flakes
RU2744341C1 (ru) Водонефтенабухающая эластомерная композиция
US20220098459A1 (en) Self-healing water-swellable hydraulic seal
RU2632823C1 (ru) Способ получения нефтепромыслового набухающего в воде элемента
RU2685350C1 (ru) Водонефтенабухающая эластомерная композиция
RU2690929C1 (ru) Водонефтенабухающая термопластичная эластомерная композиция
US4559390A (en) Method for preventing degradation and deterioration of vulcanized rubber material
RU2683462C1 (ru) Водонабухающая эластомерная композиция
WO2022037060A1 (zh) 还原氧化石墨烯丁腈橡胶及无牙痕牙块的制备方法
RU2744283C1 (ru) Водонабухающая эластомерная композиция
RU2294346C1 (ru) Износостойкая смесь на основе пропиленоксидного каучука
CN104672524B (zh) 一种遇水膨胀橡胶
DE3787316T2 (de) Mischung von chloriertem Polyolefin-Elastomer und Äthylenterpolymer.
JPH1180431A (ja) 水膨潤性エラストマー組成物
Lopatina et al. Efficiency of Application of hydrolyzed polyacrylamide and copolymer acrylamide with potassium acrylate as a water-swelling agent in rubbers
EP0869144A1 (en) Curable rubber composition for the seal against hot water
RU2786166C1 (ru) Резиновая смесь
Karmanova et al. The composition and technological aspects of obtaining water-swelling elastomeric materials
RU2755481C1 (ru) Эластомерная композиция и способ ее получения
US4737528A (en) Vulcanizable polymer mixtures, their production and use and vulcanizates obtained therefrom