Двумя основными движущими силами процесса набухания являются сила, возникающая при проникновении растворителя в полимерную матрицу, и ее сопротивление расширению, при их равенстве соблюдается условие термодинамического равновесия. Взаимодействие молекул воды с частицами водонабухающего реагента осуществляется посредством водородных связей. За счет сшивки цепей каучука развивается сопротивление расширению ввиду ограниченности диспергирования воды и поглощающей способности гидрофильной добавки, при этом наблюдается энергетическое неравенство, которое проявляется в стремлении достичь энергетического баланса путем создания градиента диффузии между эластомером и окружающей жидкостью, что приводит к равновесию.
Схематическая иллюстрация процесса набухания представлена на рисунке 1. Частицы водонабухающего реагента, находящиеся внутри полимерной матрицы, ускоряют проникновение воды, что приводит к увеличению в объеме гидрофильной добавки, способствующему в дальнейшем набуханию резины. Однако длительный контакт с водой приводит к потере набухания и снижению прочности резины. Это происходит за счет миграции водонабухающего реагента в водную среду, вызванной высоким межфазным натяжением на границе раздела несмешивающихся полимерных смесей.
Количество гидрофильной добавки в рецептуре способно существенного повлиять на физико-механические свойства водонабухающих резин. Таким образом, для предотвращения потери прочности необходима более высокая степень сшивки каучука, однако данное условие приведет к уменьшению набухающей способности резины. Поэтому важной задачей является поиск оптимальных соотношений между гидрофильной добавкой и каучуком в рецептуре водонабухающей резины, способных придать высокие водопоглощающие свойства, а также сохранить упруго-гистерезисные свойства.
В качестве гидрофильной добавки выбраны компоненты, потенциально способные придать эластомеру повышенное водопоглощение. Таким образом, гидрофильная добавка синтезирована путем радикальной сополимеризации акрилата натрия с натриевой солью 2-акриламидо-2-метилпропансульфокислоты и акриламида по реакции:
С целью оценки физико-химических свойств приготовлены резины по методике, рецептура которых представлена в таблице 1. Для повышения скорости набухания резины предусмотрено введение в состав Na-карбоксиметилцеллюлозы, выступающей в роли вспомогательной гидрофильной добавки.
В качестве основы резины выбран бутадиен-нитрильный каучук БНКС-28 АН производства ООО «СИБУР». Бутадиен-нитрильные каучуки, ввиду наличия в макромолекулах звеньев нитрила акриловой кислоты, являются полярными, что с учетом принципа подобности предопределило их применение в основе водонабухающих резин. Стеариновая кислота служит пластификатором-мягчителем, а также в комплексе с оксидом цинка является активатором серной вулканизации. Ацентонанил представляет собой высокоэффективный стабилизатор, защищающий резиновую смесь от теплового и светоозонного старения. Технический углерод выступает в роли главного усиливающего наполнителя, улучшающего упругопрочностные и упругодеформационные свойства. В качестве ускорителей серной вулканизации использовался дифенилгуанидин в сочетании с альтаксом.
Испытания для оценки прочностных свойств проводились на универсальной разрывной машине SHIMADZU AGS-X в соответствии с ГОСТ при скорости нагружения 500 мм/мин. Испытаниям подвергались резины на основе БНКС-28 АН, БНКС-28 АН с добавлением гидрофильной добавки и импортный аналог производства ТАМ International, выбор которого обусловлен его применением ведущими нефтегазодобывающими компаниями Российской Федерации. Образцы для испытаний вырубались из пластин толщиной 2 ± 0,2 мм с помощью штанцевого ножа на прессе с рычажным приводом.
На рисунках 3 и 4 приведены результаты эксперимента, такие как показатели условной прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве. Для исследования влияния процесса водопоглощения испытания проводились после выдержки в водной среде и в водном растворе 10 % NaCl.
Проводя сравнительную характеристику полученных данных, можно отметить тенденцию снижения показателей упруго-гистерезисных свойств после контакта резины с модельными растворами, связанную с проникновением молекул жидкости в матрицу эластомера, что влечет за собой ослабление межмолекулярных связей.
Ввиду различия температурных условий и степени минерализации скважинных флюидов проведены исследования водонабухающей способности резины, содержащей в своем составе синтезированную гидрофильную добавку, при температурах 20, 50 и 80 °С и различной степени содержания NaCl, результаты которых представлены на рисунках 5–8. Каждый эксперимент с исследованием набухающей способности повторяли три раза для каждого образца. Представленные данные были усреднены по трем повторным экспериментам.
Так как при контакте с модельными смесями, имитирующими скважинные флюиды, образец резины должен увеличиваться в объеме в радиальном направлении к стволу скважины, образцы сделаны в виде цилиндров одинакового диаметра и высоты в соответствие с ГОСТ. Анализ результатов показывает увеличение набухающей способности резин при повышении температуры и снижении минерализации растворов, также можно судить о высоких физико-механических свойствах, так как при наибольшей температуре и наименьшей минерализации образец не разрушился. Степень набухания не уменьшается на всем временном промежутке проведения эксперимента, что свидетельствует о высоких водогерметизирующих свойствах образцов ввиду отсутствия вымывания гидрофильной добавки.
Исследования водонабухающей способности при заданных условиях проводились также для импортного аналога, наименьшее расхождение показателей изменения объема достигнуты при 20 °С в 10%-ном водном растворе NaCl, результаты представлены на рисунке 8.
Ввиду наименьших расхождений результатов время экспозиции было увеличено до 70 суток с целью подтверждения отсутствия процесса вымывания гидрофильной добавки в полученном эластомере.
Выводы
С фундаментальной точки зрения повышение добычи нефти при одновременной минимизации эксплуатационных затрат является одним из ключевых направлений исследований в области нефтегазодобычи. К препятствиям в достижении поставленной цели можно отнести несколько критических вопросов, таких как отказ оборудования, его недостаточная надежность, сложность внедрения, эксплуатационные проблемы и высокие энергетические затраты. Относительно новая технология набухающих эластомеров, успешно опробованная в различных областях промышленности, благодаря простоте конструкции оборудования, недорогому производству и эксплуатации представляет инновационное и рентабельное решение.
Предложено и экспериментально подтверждено использование в качестве гидрофильной добавки продукта радикальной сополимеризации акрилата натрия с натриевой солью 2-акриламидо-2-метилпропансульфокислоты и акриламида для создания резин, обладающих высокой водонабухающей способностью в средах различной минерализации при различных температурах и сохраняющих свои физико-механические свойства на протяжении эксплуатации.
Выбор гидрофильной добавки играет важную роль в предопределении водонабухающих свойств пакерного оборудования, таким образом, становится возможным контроль процесса набухания в различных средах активации и условиях эксплуатации, что придает эластомеру универсальность. В настоящей работе удалось достичь показателей импортных аналогов уплотнительного элемента, что дает возможность получения положительного экономического эффекта ввиду более низкой стоимости пакерного оборудования.
На территории Российской Федерации расположено множество производств пакерного оборудования, простота синтеза гидрофильной добавки не создает дополнительных затрат на установку специализированного оборудования, чтоспособствует легкому внедрению в промышленных масштабах.
