Пакеры используют в нефтегазовой и гидрогеологических отраслях. Они предназначены для разобщения смежных зон ствола скважины и изоляции внутреннего пространства эксплуатационной колонны от воздействия жидкой скважинной среды [1, 2].
Пакеры обычно состоят из корпуса, якоря, уплотнительного манжета, замка и некоторых других конструктивных элементов. Функциональные свойства пакеров главным образом определяются материалом, из которого изготовлен уплотнительный манжет. В зависимости от того, какая среда создается в скважине (гидрофильная или гидрофобная), применяют различные пакеры, устойчивые к термическим и химическим воздействиям. Пакеры различаются между собой не только по конструкции, но и по материалу изготовления уплотнительных элементов: фторопласт, резина или металл. Еще одним определяющим свойством пакеров является их способность без разрушения выдерживать значительные перепады давления.
В опубликованной работе [3] приведено рекламное описание характеристик манжет-уплотнителей пакеров, но ничего не говорится, из каких материалов они изготовлены и не приведены технологические условия их получения. Поэтому целью настоящей работы являлось формирование и исследование свойств универсального эластичного и прочного материала для уплотнителя пакера, одновременно набухающего в жидкостях различной полярности (вода и углеводородные жидкости).
В экспериментальной части работы использованы следующие материалы:
- Диеновые полимеры полибутадиен (-CH2CH=CHCH2)n или полиизопрен (-CH2CH=CRCH2)n– это высокомолекулярные нефтерастворимые соединения [4, 5], которые обладают высокой эластичностью. Макромолекулы этих полимеров имеют в своей структуре ненасыщенные двойные связи, которые при повышенной температуре в присутствии добавок серы раскрываются и формируют объемные сетчатые структуры (процесс вулканизации). Поэтому эти полимеры используются в качестве исходных каучуков для промышленного производства резинотехнических изделий.
- Полиакриламид (ПАА) — это порошкообразный высокомолекулярный водорастворимый полимер (-CH2CHCONH2-)n, который широко используется в промышленной практике, например, в нефтегазовой отрасли для повышения нефтеотдачи пластов, увеличения вязкости буровых растворов, гидроразрыва пласта [6].
- Гидрокарбонат натрия (пищевая сода) является кристаллическим порошком, при нагревании выше 60 0С он разлагается на карбонат натрия, воду и углекислый газ 2NaHCO--Na2CO3+H2O+CO2 l. Вследствие выделения газа в замкнутой системе (образце) повышается давление.
Формирование образцов универсальных уплотнительных манжет заданной конфигурации проводили по специфической технологии. На начальном этапе готовили трехкомпонентную систему, состоящую из хорошо перемешанной сухой смеси порошкообразных полиакриламида (ПАА) и пищевой соды (NaHCO3), а также из эластичной «сырой резины» [7], предварительно диспергированной на мелкие фрагменты. Сырая резина является промышленной смесью каучука (полиизопрен или полибутадиен) и серы, которая широко применяется в резинотехнической отрасли. Приготовленную многокомпонентную смесь вносили в стальные формы с требуемой конфигурацией для формирования манжет и плотно обжимали (рис. 1).
В качестве жидких флюидов использовались вода, нефть и водонефтяная эмульсия (50 % воды и 50 % нефти). Устойчивую эмульсию готовили в стеклянном стакане с добавлением 0,1 % ПАВ (стеарата калия) в исходную смесь воды и нефти. Перемешивание смеси осуществляли при постоянной скорости вращения якоря мешалки 1500 об/мин.
Формирование образцов универсальных уплотнительных манжет заданной конфигурации проводили по специфической технологии. На начальном этапе готовили трехкомпонентную систему, состоящую из хорошо перемешанной сухой смеси порошкообразных полиакриламида (ПАА) и пищевой соды (NaHCO3), а также из эластичной «сырой резины» [7], предварительно диспергированной на мелкие фрагменты. Сырая резина является промышленной смесью каучука (полиизопрен или полибутадиен) и серы, которая широко применяется в резинотехнической отрасли. Приготовленную многокомпонентную смесь вносили в стальные формы с требуемой конфигурацией для формирования манжет и плотно обжимали (рис. 1).Рисунок 1. Камера прессования и вулканизации каучука: а – стальная ячейка, заполненная диспергированным материалом (каучук и ПАА + сода); в – спрессованный материал в ячейке требуемой конфигурации для вулканизации каучука
Металлические формы, наполненные многокомпонентной дисперсной смесью, помещали в термошкаф с заданной температурой и в течение нескольких часов подвергали смесь вулканизации. В результате получили эластичные изделия с модулем упругости (Е, МПа), в которых дисперсионной (непрерывной) средой является резина, а дисперсной фазой порошок полиакриламида (таблица 1). Резина, полученная после вулканизации каучука, способна набухать в нефти и нефтепродуктах.
Вследствие выделения из сформированного упругого изделия углекислого газа под большим давлением, возникающим при термическом разложении гидрокарбоната натрия в процессе нагревания, в образце образуются поры капиллярной структуры (рис. 2), через которые в условиях обводненности изделия возможен доступ молекул воды к мелкодисперсному полиакриламиду, включенному в гидрофобную резиновую матрицу. Полиакриламид при контакте с проникающей водой через образовавшиеся каналы вследствие возникающего осмотического давления набухает, что приводит к увеличению размеров образца. Таким образом, трехкомпонентный манжет способен набухать в полярной и неполярной жидких средах.Рисунок 2. Сформированный образец после прессования трехкомпонентной смеси и последующей вулканизации каучука с выделением углекислого газа: а – образец до нагревания и вулканизации «сырой резины»; в – после нагревания, вулканизации и разложения пищевой соды
Для измерения модуля упругости изделий с каучуковой матрицей использовали прибор [8], который функционирует на основе реологической модели Максвелла и приведен на рисунке 3. На установке реализуется деформация сжатия образцов на заданную величину (Δh), для чего сформированным эластичным телам цилиндрической формы с высотой (h0) микрометром быстро задавали деформацию сжатия и измеряли упругое напряжение (σ0), мгновенно возникающее в материале.Рисунок 3. Установка на основе реологической модели Максвелла: 1 – весы; 2 – головка микрометра; 3 – микрометр; 4 – шток микрометра; 5 – образец криогеля; 6 – штатив с лапкой
Затем по формуле Гука
рассчитывали мгновенные модули упругости образцов (E0), численные значения которых в дальнейшем использовали для проведения технологических расчетов при проектировании новых изделий с заданными свойствами. В формуле Гука использовали величину напряжения сжатия σ = mg/s, возникающего в упругом теле при заданной величине относительной деформации ε = (h0 – h)/ho; g – ускорение свободного падения; s = π · r2 – площадь торцевой поверхности штока микрометра. Результаты измерений модулей упругости образцов, сформированных при разных температурах, представлены в таблице.Таблица 1. Влияние температуры вулканизации на упругость получаемых образцов
Исследовано поведение сформированных образцов в гидрофильной (вода) или в гидрофобной (нефть) жидкости, а также в водонефтяной эмульсии (таблица 2). Для этого образцы на сутки помещали в соответствующие жидкости. Во всех жидких средах отмечено набухание изделий без разрушения, сопровождающееся увеличением их массы и объема. Степень набухания (α) рассчитывали по формулам
Таблица 2. Степень набухания 5 образцов различного состава в воде, нефти и эмульсии
Упругость (жесткость) получаемых образцов зависит не только от концентрации серы в смеси «сырой резины», но и от температуры вулканизации. При высокой температуре между макромолекулами диеновых полимеров возникает не только густая сетка «сшивок» серой (– S8
–), но вследствие дополнительного раскрытия π-связей диеновых полимеров происходит конденсация цепей в сплошной жесткий каркас во всем объеме образца. Следствием этого является превращение образца из эластичной резины в твердый эбонит. Таким образом, температурный интервал от 170 до 180 0С является оптимальным для получения эластичных изделий.Непроницаемость манжет-уплотнителей для жидких сред различной физико-химической природы и их устойчивость к напряжению сдвига (τ) на стенке цилиндрического канала исследовали на лабораторном стенде (рисунок 4). Установка состоит из поршневого насоса (Н), образцового манометра для измерения давления нагнетаемой жидкости (Р) и колонки (К) с внутренним диаметром D = 2R = 12мм и длиной L = 10 мм. В экспериментах использовали сменные колонки из трех материалов: стекло, сталь, керн.
Рисунок 4. Лабораторный стенд для исследования непроницаемости пакеров: 1 – поршневой насос; 2 – манометр; 3 – цилиндрическая колонка
Сформированные при оптимальной температуре вулканизации (Т = 170 0С) образцы в виде цилиндров с диаметром d = 10 мм и длиной L = 10 мм, насаженных на стальной стержень, последовательно помещали в колонки из трех различных материалов. Зазор между стенкой колонки и помещенным в нее образцом составлял (D – d = 2 мм). Затем включали насос (1) для прокачивания соответствующих флюидов через зазор в колонке. После заполнения жидкостью всей установки останавливали насос и выдерживали систему в течение 24 часов для набухания образца. Затем снова включали насос и при помощи манометра (2) измеряли перепад давления (ΔР), при достижении которого происходит отрыв образца от стенки трубки и начинается его смещение по колонке (3). Разрушения набухших пробок-разделитей или проникновения жидкости через них в ходе экспериментов не наблюдалось. По формуле рассчитывали предельное напряжение сдвига на стенке колонки, при котором происходил срыв образца. Результаты гидродинамических экспериментов приведены в таблице 3.Таблица 3. Значения перепада давления и напряжения сдвига в колонках, изготовленных из разных материалов, при которых происходит срыв образца из начального фиксированного положения
Полученные в лабораторных условиях экспериментальные результаты, приведенные в таблице 3, свидетельствуют о высоких значениях перепада давления (ΔP) и напряжения сдвига (τ), необходимых для смещения или разрушения образца-разделителя. Заметно более высокие значения приведенных гидродинамических характеристик разделителей при использовании кернового материала обусловлены естественной шероховатостью стенок керна по сравнению со стеклом и сталью.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИХН СО РАН, финансируемого Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (НИОКТР 126012716057-6.
Литература
- Абубакиров А.Ф., Бугримов Ю.Г., Гноевых А.Г. и др. Буровое оборудование / Издательство «Недра». 2003. Буровой инструмент. Т. 2. 458 с.
- Копейкин И.С., Лягов А.В., Замараев А.Н. Пакер третьего поколения, применяемый в открытом стволе нефтегазовых скважин для проведения различных технологических операций // Экспозиция НефтьГаз. 216. № 5. С. 40–43.
- Фармаковская М.П., Соннинская С.В., Дубасов М.И., Линькова Н.С. Пакерные резины производства ООО «ОЗ РТИ-Подольск»: от теории к рабочим кейсам и собственным технологиям // Neftegaz. RU. 2024. № 2. С. 58–59.
- Кленин В.И., Федусенко И.В. Высокомолекулярные соединения / Издательство «Лань». 2013. 5123 с.
- Левковская Е.И., Васильев В.А., Бубнова С.В., Цыпкина И.М. Физико-механические характеристики полиизопрена, полученного с катализатором на основе сольвата хлорида гадолиния // Каучук и резина. 2016. № 1. С. 10–13.
- Николаев А.Ф., Орхименко Г.И. Водорастворимые полимеры /Л.: Химия. 1979.
- Корнев А.Е., Буканов А.М., Шевердяев О.Н. Технология эластомерных материалов / М.: МГОУ. 2001. 472 с.
- Manzhai Vladimir N., Fufaeva Maria S., Kashlach Ekaterina S. Relaxation of Mechanical Stress in Poly(vinyl alcohol) Cryogels of Different Compositions // Chinese Journal of Polymer Science. 2023. V.41. 442–447.
