油氣田領(lǐng)域膨脹橡膠的膨脹性能研究

王 偉，張 杰

（浙江雙箭橡膠股份有限公司，浙江 嘉興 314513)

膨脹橡膠是近年來發(fā)展起來的功能高分子材料，已廣泛應(yīng)用于人防、地下室、污水處理工程、地鐵、隧道、貯水池、水利以及其他混凝土工程的施工縫、伸縮縫和裂縫等領(lǐng)域，并大規(guī)模應(yīng)用于石油和天然氣開采作業(yè)中，作為自膨脹式封隔器材料起到越來越重要的作用[1-2]。膨脹橡膠作為一種彈性橡膠材料，遇特定流體如油、水、油水混合物等逐漸膨脹而實現(xiàn)密封或封隔的作用，具有獨特的彈性密封和吸收液體后膨脹密封的雙重密封特性。

自膨脹式封隔器可以隨完井管柱一同下入井內(nèi)，到達指定位置后，封隔器在井筒內(nèi)與液體（如鉆井液、完井液、原油、水或油水混合物)接觸并逐步膨脹，直到緊緊地貼在裸眼壁或套管內(nèi)壁，從而密封油氣井環(huán)空，使油氣井或注水井分段封隔，實現(xiàn)油氣田分段、分層生產(chǎn)和控制，是現(xiàn)代智能完井系統(tǒng)中必不可少的先進器件[3]。

自膨脹式封隔器基本結(jié)構(gòu)主要是按照生產(chǎn)需要選擇鋼質(zhì)基管的長度和管徑，將膨脹橡膠按設(shè)計要求的厚度和長度加工到基管上，再用擋環(huán)和接箍固定，如圖1所示。

圖1 自膨脹式封隔器的基本結(jié)構(gòu)示意

目前，膨脹橡膠及自膨脹式封隔器在國外已經(jīng)得到突破發(fā)展并大規(guī)模應(yīng)用于油田，尤其是美英等國家通過前瞻性的技術(shù)研究和應(yīng)用試驗，壟斷了其相關(guān)先進技術(shù)和主要市場供應(yīng)。但是進口自膨脹式封隔器價格昂貴，每只報價為4萬～5萬美元，嚴(yán)重影響了這類產(chǎn)品在我國的推廣應(yīng)用。我國已經(jīng)開始自膨脹式封隔器的研發(fā)和應(yīng)用，但技術(shù)水平處于初級階段，產(chǎn)品種類、性能和應(yīng)用經(jīng)驗與國外產(chǎn)品相比還有很大差距。

本工作進行了遇油和遇水膨脹橡膠的研制。

1 實驗

1.1 原材料

橡膠為進口原料、配合劑和化學(xué)試劑均為國產(chǎn)原材料。

1.2 膠料混煉

膠料采用密煉機和開煉機進行混煉。

1.3 性能測試

邵爾A型硬度測試按照GB/T 531.1—2008進行。拉伸性能測試按照GB/T 528—2009（等效采用ISO 37：2005)進行。撕裂強度按照ISO 34-1：2004測定。膨脹性能測試是將膨脹橡膠硫化到面積為5 cm×5 cm、厚度為3 mm的鋼板上，膠層厚度為13 mm，然后將膠塊浸入柴油或氯化鈉溶液（裝在密封罐內(nèi))中，測算在不同溫度和時間下浸泡的膠塊厚度、質(zhì)量和硬度的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 遇油膨脹橡膠

橡膠材料遇油膨脹是由于親油的橡膠基質(zhì)和添加物引起，其膨脹性能由橡膠基質(zhì)材料和填料以及加工工藝所決定。油分子向橡膠材料內(nèi)不斷擴散、溶解和吸收，使橡膠材料的體積和質(zhì)量逐漸增大。橡膠材料成分一定時，膨脹速度的主要影響因素是環(huán)境溫度和油的性質(zhì)，如油的組成及其相對分子質(zhì)量等。溫度越高、油的相對分子質(zhì)量越小，遇油膨脹橡膠膨脹越快。由于膨脹密封后需要承受流體的壓力，因此膨脹橡膠的膨脹性能、強度和硬度是其關(guān)鍵控制參數(shù)。

本課題開發(fā)出的可在室溫～200 ℃使用的性能良好的油氣田領(lǐng)域遇油膨脹橡膠[配方：三元乙丙橡膠（EPDM) 100，吸油材料 25，炭黑N660

70，防老劑RD 2，硫化劑PDM 4，其他 15]的性能指標(biāo)如下：邵爾A型硬度 50～60度，拉伸強度 8～9 MPa，拉斷伸長率 600%～700%，撕裂強度（新月形) 40～45 kN·m-1。

在0#柴油中該遇油膨脹橡膠的膨脹性能見圖2。

圖2 EPDM遇油膨脹橡膠在0#柴油中不同溫度下的膨脹性能

由圖2可見：溫度越高，遇油膨脹橡膠的膨脹越快，溫度為40 ℃時，28 d后厚度增大了78%，即達到10 mm；溫度為200 ℃時，5 d后厚度就增大了92%，即達到12 mm。

該遇油膨脹橡膠在不同溫度柴油中浸泡6 d后的膨脹性能如圖3所示。由圖3可見，隨著溫度的升高，遇油膨脹橡膠的膨脹尺寸增大。

圖3 EPDM遇油膨脹橡膠在不同溫度0#柴油中浸泡6 d的膨脹性能

2.2 遇水膨脹橡膠

橡膠材料遇水膨脹是由于橡膠材料內(nèi)部與環(huán)境之間的滲透壓以及橡膠材料內(nèi)加入的高吸水填料引起的。水分子由于滲透壓和高吸水填料的作用向橡膠材料內(nèi)不斷擴散、溶解和吸收，使橡膠材料的體積和質(zhì)量逐漸增大。橡膠材料成分一定時，膨脹速度的主要影響因素是環(huán)境溫度、鹽水的濃度以及鹽的種類和成分。環(huán)境溫度越高、鹽水的濃度越小，遇水膨脹橡膠的膨脹越快。遇水膨脹橡膠的膨脹性能也是由橡膠基質(zhì)材料和填料以及加工工藝所決定。

本課題開發(fā)出可以在70～200 ℃使用的油氣田領(lǐng)域遇水膨脹橡膠[配方：氫化丁腈橡膠（HNBR) 100，吸水材料60，陶土10，炭黑N33060，防老劑40102，硫化劑DCP6，其他25]的性能指標(biāo)如下：邵爾A型硬度60～70度，拉伸強度 11～13 MPa，拉斷伸長率350%～450%，撕裂強度（新月形) 33～38 kN·m-1。

在氯化鈉溶液中，該遇水膨脹橡膠在不同溫度下的膨脹性能如圖4所示。由圖4可見，溫度越高，遇水膨脹橡膠的膨脹越快。

圖4 溫度對HNBR遇水膨脹橡膠膨脹性能的影響

該遇水膨脹橡膠在不同濃度氯化鈉溶液中的膨脹性能如圖5所示，在125 ℃的不同濃度氯化鈉溶液中浸泡6 d的膨脹情況如圖6所示。

圖6 HNBR遇水膨脹橡膠在125 °C的不同濃度氯化鈉溶液中浸泡6 d的膨脹性能

由圖5和6可見，氯化鈉溶液的濃度越大，遇水膨脹橡膠的膨脹性能越差。

圖5 HNBR遇水膨脹橡膠在不同濃度氯化鈉溶液中的膨脹性能

3 結(jié)語

自膨脹式封隔器在油氣田領(lǐng)域正在越來越廣泛地應(yīng)用。本工作研發(fā)出了可在室溫～200 ℃使用的遇油膨脹橡膠以及在70～200 ℃以上、氯化鈉溶液質(zhì)量分數(shù)0.2以上仍可使用的遇水膨脹橡膠。低溫、高鹽度以及油水都可膨脹的橡膠材料正在進一步研發(fā)中。