CC BY
72
УДК 678.7 DOI: https://doi.org/10.24411/2071-8268-2019-10304
набухающие эластомеры для пакерных уплотнителей
и кольматантов
С.С. ЛОПАТИНА, М.А. ВАНИЕВ, Н.В. СЫЧЕВ,
Д.В. ДЕМИДОВ, Я.Ю. САВЧЕНКО, А.Д. БРУК
ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет» (ВолгГТУ)
((Россия, 400005, Волгоград, пр. им. Ленина, 28) E-mail: sslopatina@mail.ru Работа посвящена созданию набухающих резин для элементов пакерного оборудования и коль-матантов, используемых при нефтегазодобыче. Исследовано влияние природы каучука на степень набухания резин, модифицированных натрий-карбоксиметилцеллюлозой. В результате тестирования образцов в воде и буровом растворе «Полиэконол-Флора» при температуре 6 С установлено, что наибольшее увеличение в объёме при лучшем сохранении физико-механических показателей демонстрируют эластомеры на основе этилен-пропиленового каучука.
Ключевые слова: набухающие эластомеры, кольматант, водонабухающий реагент, степень набухания, буровой раствор.
Для цитирования: Лопатина С.С., Ваниев МА, Сычев Н.В., Демидов Д.В., Савченко Я.Ю., Брук А.Д. Набухающие эластомеры для пакерных уплотнителей и кольматантов // Промышленное производство и использование эластомеров. — 2019. — № 3. — С. 16-20. DOI: 10.24411/2071-82682019-10304.
swelling elastomers for packers seals and colmatants
Lopatina S.S., Vaniev M.A., Sychev N.V., Demidov D.V., Savchenko Y.Y., Bruk A.D.
Volgograd State Technical University (28, Lenin avenue, Volgograd, 400005, Russia) Abstract. The work is devoted to the creation of swelling rubbers for the elements of packer equipment and colmatants used in oil and gas production. There was investigated the influence of the rubber nature in the swelling ratio of the elastomers modified with sodium-carboxymethyl cellulose. As ethylene-propylene rubber demonstrated a test result of the samples in water and «Polyeconol-Flora» drilling fluid at a temperature of 6С it was stated that the biggest increase in volume at the best preservation of physical and mechanical parameters based elastomers.
Keywords: swelling elastomers, colmatant, water-swelling agent, swelling ratio, drilling fluid. For citation: Lopatina S.S., Vaniyev M.A., Sychev N.V., Demidov D.V., Savchenko Ya.Yu., Bruk A.D. Nabukhayushchiye elastomery dlya pakernykh uplotniteley i kol'matantov [Swelling elastomers for packer seals and colmatants]. Prom. Proizvod. Ispol'z. Elastomerov, 2019, no. 3, pp. 16-20 (In Russ.). DOI: 10.24411/2071-8268-2019-10304.
Набухающие эластомерные материалы нашли широкое применение в нефтегазодобывающей области. Основная задача таких резин состоит в увеличении объёма при контакте со скважинными флюидами (вода различной минерализации, нефть, буровые растворы и др.). Уплотнительные элементы пакерного оборудования предназначены для изоляции пластов и предотвращения межпластовых перетоков, которые возникают во время эксплуатации нефтегазодобывающих скважин [1]. Кольматанты [2] представляют собой набухающую резиновую крошку, которая попадая в поровые каналы скважины, закупоривает их.
Основным требованием, предъявляемым как к уплотнительным элементам пакеров, так и кольматантам, является баланс между скоростью
и степенью набухания в сочетании с сохранением физико-механических показателей. Из-за значительного увеличения в объёме прочностные свойства резин резко ухудшаются, что при избыточных давлениях в скважине может негативно сказываться на работоспособности пакер-ной конструкции, а также на кольматирующей способности резин.
Ранее авторами была проведена оценка изменения массы и объёма образцов резин, модифицированных различными водонабухающими реагентами (ВНР), при воздействии ряда жидкостей, моделирующих скважинные флюиды [3,4]. Были запатентованы некоторые рецептуры резин, эффективно набухающие в этих средах [5,6]. Однако не ставилась задача изучения свойств таких материалов при воздействии сред
более низкой температуры, что предопределило проведение испытаний в данном направлении. Таким образом, несмотря на уже имеющиеся разработки, проблематика надёжной изоляции скважин с использованием набухающих эласто-мерных и кольматирующих материалов отечественного производства остаётся актуальной.
Цель работы заключается в создании набухающих эластомерных материалов для пакерных уплотнителей и кольматантов, предназначенных для технологии бурения и эксплуатации нефтегазодобывающих скважин.
Экспериментальная часть
Объектами исследований являлись резины серной вулканизации, содержащие одинаковое количество водонабухающего реагента нат-рий-карбоксиметилцеллюлозу 70 масс.ч. на 100 масс.ч. каучука.
В качестве каучуков использовали: тройной сополимер этилена, пропилена и дицик-лопентадиена (СКЭПТ-50), сополимер бутадиена с нитрилом акриловой кислоты (БНКС-28), сополимер бутадиена с а-метилстиролом (СКМС-30 АРКМ15) и синтетический полиизопрен (СКИ-3). Усиливающими наполнителями служили коллоидная кремнекислота (белая сажа марки БС-120) и технический углерод ТУ П234.
Натрий-карбоксиметилцеллюлозу (№-КМЦ) предварительно измельчали с помощью мельни-
цы тонкого помола с водяным охлаждением ИТ-UF-26W.
Физико-механические показатели резин определяли согласно ГОСТ 270-75. Измерение твёрдости проводили по ГОСТ 263-75. Контроль изменения массы и объёма образцов при экспозиции эластомеров в воде и буровом растворе «Полиэконол-Флора» при температуре 6°С осуществляли в соответствии с ГОСТ 9.030-74. Результаты и их обсуждение Результаты определения исходного уровня физико-механических свойств и твёрдости вул-канизатов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-механические свойства и твердость вулканизованных резин до контакта с водой и буровым раствором «Полиэконол-Флора»
Показатели Тип каучука
СКЭПТ БНКС СКМС СКИ
Твёрдость, усл. ед. Шор А 75 84 71 62
Условная прочность при растяжении, МПа 5,2 8,1 7,0 6,5
Относительное удлинение при разрыве, % 590 407 651 557
Как ожидалось и как следует из данных табл. 1, резины обладают различным уровнем
Рис. 1. Изменения объёма резин на основе различных каучуков при экспозиции в воде: 1 — СКЭПТ; 2 — БНКС; 3 — СКМС; 4 — СКИ
упруго-прочностных свойств и показателями твёрдости, что обусловлено рецептурными различиями. При этом, следует отметить, что не ставилась задача сравнения этих свойств в зависимости от типа каучука. Главной мотивацией являлось понимание исходного уровня свойств резин с целью сравнения изменения таковых после контакта с водой и буровым раствором «Полиэконол-Флора».
На рис. 1 приведены результаты экспозиции резин, рассматриваемых как потенциальные уп-лотнительные элементы и кольматанты, в воде (содержание в резине ^-КМЦ — 70 масс.ч. на 100 масс.ч. каучука, температура испытаний 6°С).
Анализ данных, приведённых на рис. 1, показывает, что с самого начала наиболее активно набухает резина на основе бутадиен-метилстироль-ного каучука. Видно, что по истечении первых семи суток изменение объёма составляет ~140% (кривая 3). В дальнейшем через 10 сут значение достигает 148% и далее имеет место снижение показателя изменения объёма до 80% за 35 сут, что, по-видимому, связано с эффектом вымывания ВНР.
Судя по углу наклона кривой 2, процесс набухания образца на основе БНКС в воде характеризуется меньшей скоростью, а также меньшим максимумом, проявляющимся при времени экспозиции 10-14 сут. Последующий период (участок зависимости 20-35 сут) можно отнести
к состоянию образца, характеризуемому как «равновесное набухание».
Несмотря на неполярность каучуков СКЭПТ и СКИ, резины на их основе, содержащие водо-набухающий реагент в виде №-КМЦ, показывают способность к набуханию с максимумом значений в пределах 80% (СКЭПТ) и 130% (СКИ). При этом, по динамике набухания за первые 30 сут эти образцы очень близки (см. рис. 1, кривые 1 и 4).
В настоящее время в составе буровых растворов все большее применение находит продукт растительного происхождения «Полиэконол-Флора», включающий метиловый эфир олеиновой кислоты и регуляторы свойств в виде солей жирных кислот [7]. Данное обстоятельство предопределило проведение серии экспериментов, результаты которых приведены на рис. 2 (содержание в резине ^-КМЦ — 70 масс.ч. на 100 масс.ч. каучука, температура испытаний 6°С).
Как видно из данных рис. 2, наибольшей степенью набухания обладает разработанная авторами резина на основе синтетического поли-изопренового каучука, содержащая 70 масс.ч. ^-КМЦ. По истечении 24 ч изменение объёма достигает 62% (кривая 1) и при дальнейшей экспозиции в течение 50 сут увеличивается до 350%. Вулканизатам резиновой смеси на основе бутадиен-метилстирольного каучука с 30% содержанием а-метилстирола характерны не-
Рис . 2. Изменение объёма резин на основе различных каучуков при экспозиции в буровом растворе «Полиэконол-Флора»: 1 — СКЭПТ; 2 — БНКС; 3 — СКМС; 4 — СКИ
сколько меньшие показатели объёмного набухания (44% за первые сутки) и около 270% по истечении 30 сут.
Образцы на основе этилен-пропилендиено-вого каучука с точки зрения динамики изменения объёма, вызванного воздействием жидкости «Полиэконол-Флора», ведут себя, в целом, аналогично объектам исследований на основе СКИ и СКМС. Однако резины из СКЭПТ отличаются меньшей скоростью на начальном и главном периодах набухания, а также меньшими значениями максимального изменения объёма (см. рис. 2, кривая 3).
Резины из полярного бутадиен-нитрильного каучука характеризуются наименьшим изменением объёма (см. рис. 2, кривая 4) при экспозиции в буровом растворе «Полиэконол-Флора». Даже по истечении 50 сут степень объёмного набухания не превышает 38%, что ограничивает их применение в основе набухающих уплотнителей и кольматантов.
Помимо изменения объёма для резиновых уплотнительных элементов и кольматантов важно оценивать уровень сохранения физико-механических свойств в результате воздействия сред активации. В целом, применительно к исследованным эластомерам эту картину демонстрируют данные табл. 2.
Таблица 2
Изменение физико-механических свойств образцов резин после 168 ч экспозиции в воде и буровом растворе «Полиэконол-Флора»
Анализ данных табл. 2 показывает, что после контакта с буровым раствором эластомерные материалы на основе неполярных каучуков характеризуются существенным ухудшением физико-механических свойств, вплоть до разрушения.
Таким образом, в результате проведённых исследований установлено, что с точки зрения
потенциальной кольматирующей способности резин при контакте с буровым раствором типа «Полиэконол-Флора» имеют преимущество материалы на основе СКЭПТ. Для изготовления уплотнительного элемента водонабухающего пакера предпочтительно применение бутадиен-нитрильного каучука.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-43-343003.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ/REFERENCES
1. Научный подход к нефтесервисным услугам. URL: www.all-team.org (дата обращения 01.07.2019). [A scientific approach to oilfield services. URL: www. all-team.org (accessed July 1, 2019)].
2. Мойса Н.Ю. Разработка и совершенствование изоляционных составов с наполнителями для предупреждения и ликвидации поглощений промывочных жидкостей при строительстве нефтяных и газовых скважин: Автореф. дис. на соиск. уч. ст. к. т. н. — Краснодар, 2007. — 24 с. [Moysa N.Yu. Razrabotka i sovershenstvovaniye izolyatsionnykh sostavov s napol-nitelyami dlya preduprezhdeniya i likvidatsii poglosh-cheniy promyvochnykh zhidkostey pri stroitel'stve nefty-anykh i gazovykh skvazhin. Avtoref. diss. k.t.n. [Development and improvement of insulating compositions with fillers to prevent and eliminate the absorption of flushing liquids in the construction of oil and gas wells]. Abstract Dis. Cand. Sci. (Tech.). Krasnodar, 2007, 24 p.].
3. Ваниев МА., Сычев Н.В., Лопатина С.С., Сол-датова Н.В., Шиянов В.Ю., Брюзгин Е.В. Разработка водонабухающих эластомеров для пакерного оборудования // Известия ВолгГТУ. Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. — Волгоград, 2016. — № 12 (191). — С. 74-80. [Vaniyev M.A., Sychev N.V., Lopatina S.S., Soldatova N.V., Shiyanov V.Yu., Bryuzgin Ye.V. Iz-vestiya VolgGTU. Ser. Khimiya i tekhnologiya elemento-organicheskikh monomerov i polimernykh materialov.
2016, no. 12 (191), pp. 74-80 (In Russ.)].
4. Лопатина С.С., Ваниев МА., Сычев Н.В., Демидов Д.В., Нилидин ДА., Брюзгин Е.В. Разработка во-донефтенабухающих резин, предназначенных для за-колонных пакеров // Известия ВолгГТУ. Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. — Волгоград, 2017. — № 11 (206). — C. 91-96. [Lopatina S.S., Vaniyev M.A., Sychev N.V., Demidov D.V., Nilidin D.A., Bryuzgin Ye.V. Izvestiya VolgGTU. Ser. Khimiya i tekhnologiya elemen-toorganicheskikh monomerov i polimernykh materialov.
2017, no. 11 (206), pp. 91-96. (In Russ.)].
5. Лопатина С.С., Ваниев МА., Сычев Н.В., Брюзгин Е.В., Нилидин ДА., Новаков ИА. Водонабуха-ющая эластомерная композиция. Пат. 2683462 РФ,
Показатели Резины на основе каучуков
СКЭПТ БНКС СКМС СКИ
Изменение
условной прочности при растяжении, % -35/-86,5 -61/-7,4 -60/0Р ОР
Изменение от-
носительного
удлинения при разрыве, % + 12/-65 -4/+16 +0,1/ ОР ОР
Изменение
остаточного удлинения после разрыва, % +23,5/71 -43/-43 -47/ОР ОР
Примечание. В числителе — воздействие воды, в знаменателе — бурового раствора «Полиэконол-Флора», ОР — образец разрушился. Температура испытаний 6°С.
2019. [Lopatina S.S., Vaniyev M.A., Sychev N.V., Bryuzgin Ye.V., Nilidin D.A., Novakov I.A. Vodonabu-khayushchaya elastomernaya kompozitsiya [Water swel-lable elastomeric composition]. Pat. RF, no. 2683462, 2019.
6. Лопатина С.С., Ваниев МА., Сычев Н.В., Демидов Д.В., Нилидин ДА, Савченко Я.Ю., Новаков ИА. Водонефтенабухающая эластомерная композиция. Пат. 2685350 РФ, 2019. [Lopatina S.S., Vaniyev M.A., Sychev N.V., Demidov D.V., Nilidin D.A., Savchen-
ko Ya.Yu., Novakov I.A. Vodoneftenabukhayushchaya elastomernaya kompozitsiya [Water-oil swellable elastomeric composition]. Pat. RF, no. 2685350, 2019].
7. Ноздря В.И., Головашкин А.В., Ратников Э.Н., Ковылов СА., Ратникова Е.В. Буровая система «По-лиэконол-Флора». Свойства и особенности применения // Нефть. Газ. Новации. — 2015. — № 9. — С. 5253. [Nozdrya V.I., Golovashkin A.V., Ratnikov E.N., Kovylov S.A., Ratnikova Ye.V. Neft'. Gaz. Novatsii. 2015, no. 9, pp. 52-53. (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)
Демидов Дмитрий Владимирович, старший преподаватель, 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
Demidov Dmitriy V., Senior Lecturer, 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)
ВОСЬМАЯ ВСЕРОССИЙСКАЯ КАРГИНСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ. Полимеры в стратегии научно-технического развития РФ. «Полимеры — 2020» 20-24 сентября 2020 года, Тверь Отделение химии и наук о материалах РАН Научный совет РАН по высокомолекулярным соединениям МГУ имени М.В. Ломоносова Тверской государственный университет
Научная программа конференции включает приоритетные направления химии и физики полимеров. Рабочий язык конференции — русский.
На конференции по приглашению Организационного и Программного комитетов будут представлены пленарные доклады ведущих ученых, а также приглашенные, устные и стендовые доклады участников.
20 сентября 2020 г. планируется проведение специальной сессии, посвященной 100-летию науки о полимерах, 21-24 сентября 2020 г. — четыре микросимпозиума. Микросимпозиумы:
A. Новые конструкционные полимеры и материалы Б. Полимеры для медицины и сельского хозяйства
B. Полимеры для энергетики и цифровых технологий Г. Полимеры и окружающая среда.
Контакты
Ученый секретарь: Ефимова Анна Александровна e-mail: kargin.conference2020@mail.ru Технический партнер конференции: ООО «МЕСОЛ» e-mail: kargin2020@mesol.ru
