CC BY
73
УДК 678.7 DOI: https://doi.org/10.24411/2071-8268-2019-10405
набухание резин на основе бутадиен-нитрильных каучуков в водных растворах хлорида натрия при повышенной
температуре
С.С. ЛОПАТИНА, М.А. ВАНИЕВ, Н.В. СЫЧЕВ, Я.Ю. САВЧЕНКО, А.Д. БРУК
ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет» (ВолгГТУ)
((Россия, 400005, Волгоград, пр. им. Ленина, 28) E-mail: [email protected] Исследовано набухание резин на основе бутадиен-нитрильного каучука, модифицированных комбинацией сополимера акриламида с акрилатом калия и натрий-карбоксиметилцеллюлозы, в воде и водных растворах хлорида натрия различной концентрации при 80 C. Установлено, что при этой температуре разработанная пакернаярезина наиболее эффективна при контакте с пресной водой или водными растворами хлорида натрия с концентрацией до 6%.
Ключевые слова: водонабухающие эластомеры, степень набухания, водный раствор хлорида натрия. Для цитирования: Лопатина С.С., Ваниев МА, Сычев Н.В., Савченко Я.Ю., Брук А.Д. Набухание резин на основе бутадиен-нитрильных каучуков в водных растворах хлорида натрия при повышенной температуре // Промышленное производство и использование эластомеров. — 2019. — № 4. — С. 22-26. DOI: 10.24411/2071-8268-2019-10405.
swelling of the nbr based rubbers in aqueous solutions of sodium chloride at an elevated temperature
Lopatina S.S., Vaniev M.A., Sychev N.V., Savchenko Y.Y., Bruk A.D.
Volgograd State Technical University (28, Lenin avenue, Volgograd, 400005, Russia) Abstract. Swelling of the elastomers based on butadiene-nitrile rubber modified by a combination of copolymer of acrylamide with potassium acrylate and sodium-carboxymethyl cellulose was studied in water and aqueous solutions of sodium chloride of different concentrations at a temperature of 80 C. It was found that at this temperature the designed packer rubber is most effective during its contact with fresh water or aqueous solution of sodium chloride with concentration up to 6 %.
Keywords: water-swellable elastomers, swelling ratio, aqueous solution of sodium chloride. For citation: Lopatina S.S., Vaniyev M.A., Sychev N.V., Savchenko Ya.Yu., Bruk A.D. Nabukhaniye rezin na osnove butadiyen-nitril'nykh kauchukov v vodnykh rastvorakh khlorida natriya pri povyshennoy temperature [Swelling of the NBR based rubbers in aqueous solutions of sodium chloride at an elevated temperature]. Prom.Proizvod.Ispol'z.Elastomerov, 2019, no. 4, pp. 22-26 (In Russ.). DOI: 10.24411/20718268-2019-10405.
Водонабухающие эластомеры (ВНЭ), предназначенные для герметизации пластов в нефтегазодобывающих скважинах, используются в различных конструкциях пакерного оборудования [1,2]. Эффективность материала, применяемого по такому функциональному назначению, зависит преимущественно от типа, используемого ВНЭ [3,4].
Поскольку при добыче нефти уплотнитель-ный элемент пакера контактирует преимущественно с водно-солевыми скважинными жидкостями, то первостепенным критерием выбора каучука для ВНЭ является его полярность [5-7]. Исследования показали, что для изготовления материалов такого назначения предпочтительно применение бутадиен-нитрильных каучуков и их гидрированных аналогов с использовани-
ем водонабухающих реагентов (ВНР) [8-10]. Проведённое в работе [11] исследование степени набухания резин в воде различной минерализации показало эффективность применения в качестве ВНР натрий-карбоксиметилцеллюлозы и сополимера акриламида с акрилатом калия.
Степень набухания ВНЭ в определённой степени может зависеть от географического месторасположения скважин, условий активации набухания эластомера по температуре [12], уровню солености воды и другим факторам. На сегодняшний день, в частности, востребованы ВНЭ, температурные условия эксплуатации которых составляют около 80°С.
С учётом вышеизложенного, цель настоящей работы состоит в исследовании влияния степени минерализации водного раствора хлорида нат-
рия на набухающую способность бутадиен-нит-рильного эластомера при температуре 80°С.
Экспериментальная часть
Объектами исследований являлись резины на основе полярного бутадиен-нитрильного каучука БНКС-28. Рецептура включала серу, 2-мер-каптобензотиазол и дибензотиазолилдисульфид, оксид цинка, стеариновую кислоту, глицерин, а также белую сажу и технический углерод. Особенности набухания таких резин, модифицированных комбинацией натрий-карбоксиметил-целлюлозы и сополимера акриламида с акри-латом калия, взятых в соотношении 1:1, были изучены авторами ранее в условиях комнатной температуры [11].
Резиновые смеси изготавливали в две стадии с использованием высокоскоростного смесителя «Брабендер» (первая стадия). В наполненную маточную смесь при температуре около 150С вводили расчётное количество водонабухающих реагентов, которые предварительно были измельчены с помощью мельницы тонкого помола с водяным охлаждением RT-UF-26W. Далее смесь гомогенизировалась в течение 7 мин.
На второй стадии на лабораторных вальцах после суточной вылежки вводили серу, ускорители и активаторы вулканизации. С помощью реометра MDR 3000 Professional определяли вул-канизационные характеристики смесей. Стандартные образцы резин получали в вулканиза-ционном гидравлическом прессе Pan Stone.
Физико-механические свойства стандартных образцов эластомеров определяли на разрывной машине Zwick 5,0 kN в соответствии с ГОСТ 270-75.
Образцы подвергались экспозиции при температуре 80°С в воде и водных растворах хлори-
да натрия следующих концентраций, %: 3,5; 6; 10; 22 по аналогии с [13,14]. Такая минерализация обусловлена различием солености воды в скважинах. В результатах, обсуждаемых ниже, максимальное время экспозиции представлено за 7 сут, поскольку за этот промежуток времени уплотнительный элемент пакера должен обеспечить полную герметичность ствола скважины за счёт увеличения в объёме.
Динамику изменения объёма по изменению геометрических размеров контролировали согласно ГОСТ 9.030-74.
Результаты и их обсуждение
На основе разработанной рецептуры были изготовлены эластомерные материалы квадратной формы и в форме диска диаметром 31 мм и высотой 14,5 мм. Фотографии полученных образцов представлены на рис. 1.
На рис. 2 представлены результаты изучения изменения объёма образцов в зависимости от их формы в процессе экспозиции в средах различной минерализации.
Из полученных данных следует, что образцы квадратной формы наиболее активно набухают в течение первых 3 сут и далее наступает практически равновесное состояние. В отличие от них набухание ВНЭ в форме диска характеризуется постепенным увеличением объёма и за временной промежуток 7 сут равновесное состояние не достигается (см. рис. 2б). Графические зависимости рис. 2 свидетельствуют также о том, что с увеличением концентрации водного раствора хлорида натрия набухающая способность исследуемых резин существенно снижается. Если сравнивать численные значения изменения объёма за период времени 7 сут с учётом геометрии образца, то изменение объёма квадратных
б
Рис. 2. Изменение объёма квадратных образцов (а) и в форме диска (б) в процессе экспозиции в воде и водных растворах хлорида натрия различной минерализации при 80°С
а
образцов находится в пределах от 166 до 245%, а дисков — от 99 до 398% (см. рис. 2а и 2б, соответственно). Эти данные демонстрируют влияние фактора формы образцов на степень объёмного набухания. С точки зрения влияния степени минерализации воды следует отметить, что наибольшие увеличение объёма при 80°С характерно для случаев экспозиции в пресной воде. Аналогичное
явление было обнаружено ранее при испытаниях в условиях комнатной температуры [15-17] и высказано предположение, что это связано с меньшей диффузионной активностью молекул воды, в которых растворены молекулы хлорида натрия, а также со спецификой осмотических процессов.
На рис. 3 и 4 представлены данные по приращению диаметра образцов в форме дисков, а
Рис. 3. Приращение диаметра образцов в виде диска в процессе экспозиции в средах различной минерализации при 80°С
Вода
3,5% 6% 10% 22%
вод. р-р NaCl вод. р-р NaCl вод. р-р NaCl вод. р-р NaCl
Рис . 4 . Фотография дисков после 7 сут экспозиции в воде и водных хлорида натрия различной минерализации
также их фотографии после 7-ми суточного воздействия воды и водных растворов различной минерализации.
Если сравнивать начальные и конечные диаметры, то можно видеть, что после 7 сут экспозиции имеет место прямая зависимость, заключающаяся в том, что с увеличением концентрации солевого раствора от 3,5 до 22% численное значение приращения диаметра уменьшается и изменяется в пределах от 15 до 6 мм. За это же время при контакте с горячей пресной водой диаметра образца увеличился на 23 мм, что является необходимым и достаточным для эффективной герметизации пласта.
Таким образом, в развитие исследований с использованием разработанной авторами ранее резины изучено влияние пресной воды и водных
растворов хлорида натрия различной концентрации при 80°С на набухающую способность серных вулканизатов на основе бутадиен-нит-рильного каучука. Установлено, что в условиях повышенной температуры резины на основе БНК, модифицированные комбинацией натрий-карбоксиметилцеллюлозы и сополимера акрил-амида с акрилатом калия, проявляют лучшую способность к набуханию, если средой активации является пресная вода или водные растворы солей малой концентрации. Это предопределило возможность изготовления под конкретные условия опытного пакера, который представлен заказчику на натурные испытания.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-43-343003.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ / REFERENCES
1. Edward T. Wood, Edward J. O'Malley. Delaying swelling in a downholepacker element. Pat. US20080011473A1, 2008.
2. Вуд Э.Т., Бадке Г.С. Надувной пакер с набухающим слоем. Пат. 2362006 РФ, 2009. [Vud Ehduard T., Badke Grego-ri S. Inflated packer with swelling layer. Pat. RF no. 2362006, 2009].
3. James R. Korte, Katy, John J. Thurston, James Edward Goodson. Water swelling rubber compound for use in reactive packers and other downhole tools. Pat. US20090084550A1, 2008.
4. Лопатина С.С., Ваниев МА., Сычев Н.В., Брюзгин Е.В., Нилидин ДА., Новаков ИА. Водонабухающая эластомер-ная композиция. Пат. РФ № 2683462, 2019. [Lopatina S.S., Vaniyev M.A., Sychev N.V., Bryuzgin Ye.V., Nilidin D.A., Novakov I.A. Vodonabukhayushchaya elastomernaya kompo-zitsiya [Water swellable elastomeric composition]. Pat. RF, no. 2683462, 2019].
5. Новаков ИА., Ваниев МА., Лопатина С.С., Нилидин ДА., Сычев Н.В., Савченко Я.Ю., Брук А.Д. Состояние и тенденции развития производства и применения водо- и нефтенабухающих эластомеров для пакерного оборудования // Каучук и резина. — 2019. — Т. 78, № 4. — C. 228-238. [Novakov I.A., Vaniyev M.A., Lopatina S.S., Nilidin D.A., Sychev N.V., Savchenko Ya.Yu., Bruk A.D. Kauchuk i rezina. 2019, vol. 78, no. 4, pp. 228-238 (In Russ.)].
6. Polgar L. M.; Fallani F.; Cuijpers J.; Raffa P.; Broek-huis A.A.; Picchioni M.D.; Picchioni F. Water-swellable elastomers: synthesis, properties and application. Reviews in Chemical Engineering. 2019, no. 1, p.45.
7. Dehbari N.; Tang Y. Water swellable rubber composites: An update review from preparation to properties. Journal of Applied Polymer Science. 2015, DOI 10.1002/app.42786.
8. Zhao J., Dehbari N., Wei H., Huang L., Tang Y. Elec-trospun multi-scale hybrid nanofiber/net with enhanced water swelling ability in rubber composites. Materials and Design. 2015, рp. 14-21.
9. Wang C., Zhang G., Dong Y., Chen X., Tan H. Study on a water-swellable rubber compatibilized by amphiphilic block polymer based on poly(ethylene oxide) and poly(butyl acrylate). J. Appl. Pol. Sci. 2002, рp. 3120-3125.
10. Kato Y., Kitagawa M., Michiura Y. Method for surface treatment of water-swellable rubber. Pat. JP1994322161, 1994.
11. Lopatina S.S, Vaniev М.А., Sychev N.V., Nilidin D.A., Savchenko Y.Yu., Bruk A.D.. Efficiency of Application of Hydrolyzed Polyacrylamide and Copolymer Acrylamide with Potassium Acrylate as a Water-Swelling Agent in Rubbers. New Polymer Composite Materials. Scientific.net, 2019, vol. 816, рp. 208-213. URL: https://www.scientific.net/ KEM.816.208.
12. Лопатина С.С., Ваниев МА., Нилидин ДА., Сычев Н.В., Брюзгин Е.В., Оноколов С.Ю. Влияние температуры на водо-набухание резин // Известия ВолгГТУ. Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. — 2018. — № 4 (214) Апрель. — C. 120-123. [Lopatina S.S., Vaniyev M.A., Nilidin D.A., Sychev N.V., Bryuzgin Ye.V., Onokolov S.Yu. Izvestiya VolgGTU. Ser. Khimiya i tekhnologiya elementoorganicheskikh monomerov i polimernykh materialov, 2018, no. 4 (214) April, pp. 120-123. (In Russ.)].
13. James R. KorteJohn J. ThurstonJames Edward Good-son. Water swelling rubber compound for use in reactive packers and other downhole tools. Patent no. W02010039131A1, 2010.
14. Каблов В.Ф., Кейбал НА., Крекалева Т.В., Ситников Е.Е., Шапоров Е.В., Куцов А.Н. Водонабухающая резиновая смесь для пакерного оборудования. Пат. РФ № 2653024, 2018. [Kablov V.F., Keybal N.A., Krekaleva T.V., Sitnikov Ye.Ye., Shaporov Ye.V., Kutsov A.N. Vodonabukhayushchaya rezinovaya smes' dlya pakernogo oborudovaniya [Water swellable rubber compound for packer equipment]. Pat. RF no. 2653024, 2018].
15. Qamar S.Z., Pervez T., Akhtar M. Performance evaluation of water-swelling and oil-swelling elastomers. Journal of Elastomers and Plastics. 2016, 48(6), pp. 535-545.
16. Pervez T., Qamar S.Z., van de Velden M. Comparison between fresh and exposed swelling elastomer. Journal of Elastomers and Plastics. 2012, 44(3), pp. 237-250.
17. Ваниев М.А., Сычев Н.В., Лопатина С.С., Солдато-ва Н.В., Шиянов В.Ю., Брюзгин Е.В. Разработка водонабуха-ющих эластомеров для пакерного оборудования // Известия ВолгГТУ. Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. — 2016. — № 12 (191). — C. 74-80. [Vaniyev M.A., Sychev N.V., Lopatina S.S., Soldatova N.V., Shiyanov V.Yu., Bryuzgin Ye.V. Izvestiya VolgGTU. Ser. Khimiya i tekhnologiya elementoorganicheskikh monomerov i polimernykh materialov, 2016, no. 12 (191), pp. 74-80. (In Russ.)].
информация об abtopax/information about the authors
Лопатина Светлана Сергеевна, аспирант, ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»
Ваниев Марат Абдурахманович, д.т.н., доц., ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет» (ВолгГТУ)
Сычев Николай Владимирович, учебный мастер, ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет» (ВолгГТУ)
Савченко Яна Юрьевна, магистрант, ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет» (ВолгГТУ)
Брук Анна Дмитриевна, магистрант, ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет» (ВолгГТУ)
Lopatina Svetlana S., graduate student, Volgograd State Technical University
Vaniyev Marat A., Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Volgograd State Technical University
Sychev Nikolay V., training master, Volgograd State Technical University, Volgograd State Technical University
Savchenko Yana Yu., graduate student, Volgograd State Technical University (Volgograd State Technical University)
Bruk Anna D., graduate student, Volgograd State Technical University (Volgograd State Technical University)
