油田封隔器用遇水/遇油膨胀橡胶制备与性能研究

论文摘要

随着工业的发展,人们对石油的需求量日益增多,油田钻井漏失情况日益严重,在此背景下,新型的油田用堵漏防渗材料——遇水膨胀和遇油自膨胀封隔器,已成为研究应用的热点方向。遇水膨胀和遇油膨胀橡胶是自封隔器的核心材料,它具有优良弹性和吸水或吸油膨胀性能。考虑到成本以及工艺因素,工业上一般将橡胶基体和吸水树脂（SAR）或吸油树脂（OAR）进行物理共混来制备遇水或遇油膨胀橡胶,所合成的吸水或吸油树脂、橡胶基体的选择以及树脂与基体材料的相容性对共混材料的膨胀和封压性能有着重要的影响。本文的主要研究内容如下:本文以SAR、炭黑、白炭黑、聚乙二醇、硅烷偶联剂KH-570以及各种橡胶助剂与丁腈橡胶（NBR）机械共混制备遇水膨胀橡胶（WSR）,并以此材料制备WSR自膨胀封隔器,研究了SAR用量、炭黑/白炭黑用量比、聚乙二醇用量以及硅烷偶联剂KH-570用量对WSR的力学性能和吸水膨胀性能的影响,利用SEM对WSR进行了微观结构分析,并对封隔器的径向膨胀率和耐压差性能进行了测试。结果表明:白炭黑和聚乙二醇可以明显提高WSR的吸水速率,KH-570可以降低WSR的流失率;封隔器的径向膨胀率5天达到110%,耐压差高达23.6MPa,可以初步满足油田使用要求。以甲基丙烯酸十八酯（SMA）、丙烯酸丁酯（BA）、苯乙烯（St）为共聚单体,二乙烯苯（ DVB）为交联剂,过氧化苯甲酰（ BPO）作引发剂,三氯甲烷（CHCl3）为致孔剂以及聚乙烯醇（PVA）为分散剂,采用悬浮聚合法制备出致孔性高吸油树脂。研究了水油比、分散剂用量、引发剂用量、交联剂用量、致孔剂用量以及单体配比对高吸油树脂吸油性能的影响。实验表明,合成高吸油树脂的适宜工艺条件:水油比为3:1,w（DVB）=1.2%,w（BPO）=1.0%, w（PVA）=1%,w（CHCl3）=35%, m（SMA）:m（BA）:m（St）=33:67:12,合成的高吸油树脂吸四氯化碳、甲苯、柴油的倍率分别为11.2 g/g、18.8 g/g、27.4 g/g。以OAR、炭黑、石油树脂以及其他橡胶助剂等与丁苯橡胶（SBR）物理共混制备遇油膨胀橡胶（OSR）,并以此材料制备OSR自膨胀封隔器,研究了OAR用量、炭黑用量、石油树脂用量等对OSR力学性能和吸油膨胀倍率的影响,利用SEM对OSR进行了微观结构分析,并对封隔器的径向膨胀率和封压性能进行了测试。结果表明:随着OAR用量的增加,OSR的吸油膨胀倍率显著增加,但力学性能明显降低;石油树脂有助于改善OSR的相容性,提高OSR的力学性能和吸油膨胀倍率;封隔器的径向膨胀率6天可达80%,耐压差高达27.6 MPa,可以初步满足油田使用要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 用于膨胀橡胶材料的吸水树脂和吸油树脂概述
• 1.2.1 高吸水树脂
• 1.2.2 高吸油树脂
• 1.3 遇水膨胀橡胶、遇油膨胀橡胶及吸水吸油双功能材料简介
• 1.3.1 遇水膨胀橡胶
• 1.3.2 遇油膨胀橡胶
• 1.3.3 吸水吸油双功能材料
• 1.4 本论文研究背景以及研究内容
• 1.4.1 研究背景
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 高吸水低流失遇水膨胀橡胶的制备与性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验药品
• 2.2.2 实验仪器及设备
• 2.2.3 试样制备
• 2.3 测试及表征
• 2.3.1 WSR 力学性能测试
• 2.3.2 WSR 吸水性能测试
• 2.3.3 WSR 质量流失率的测试
• 2.3.4 WSR 的SEM 分析
• 2.3.5 模拟封隔器的径向膨胀率的测试
• 2.3.6 模拟封隔器的耐压性能测试
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 吸水树脂用量对WSR 性能的影响
• 2.4.2 白炭黑/炭黑用量比对WSR 性能的影响
• 2.4.3 PEG 用量对WSR 性能的影响
• 2.4.4 硅烷偶联剂用量对WSR 性能的影响
• 2.4.6 WSR 模拟封隔器的性能研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 三元共聚吸油树脂的制备与性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验仪器与设备
• 3.2.3 试剂精制方法
• 3.2.4 高吸油性树脂的制备
• 3.3 测试与表征
• 3.3.1 吸油树脂的热重测试
• 3.3.2 吸油树脂的吸油性能测试
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 水油比对吸油树脂物理特性的影响
• 3.4.2 交联剂DVB 用量对树脂吸油性能的影响
• 3.4.3 引发剂BPO 用量对吸油倍率的影响
• 3.4.4 分散剂PVA 用量对树脂吸油倍率的影响
• 3 对树脂吸油倍率的影响'>3.4.5 致孔剂用量CHCl₃对树脂吸油倍率的影响
• 3.4.6 SMA 用量对树脂吸油性能的影响
• 3.4.7 功能单体St 用量对树脂性能的影响
• 3.4.8 吸油树脂吸油性能的测试
• 3.4.9 吸油树脂的热重测试
• 3.5 本章小结
• 第4章 遇油丁苯膨胀橡胶的制备与性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原材料
• 4.2.2 实验仪器与设备
• 4.2.3 试样制备
• 4.2.4 OSR 模拟封隔器的制备
• 4.3 性能测试与表征
• 4.3.1 OSR 力学性能测试
• 4.3.2 OSR 吸油性能测试
• 4.3.3 SEM 分析
• 4.3.4 OSR 模拟封隔器的性能测试
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 橡胶基体的选择
• 4.4.2 补强剂种类的选择
• 4.4.3 软化剂的选择
• 4.4.4 吸油树脂用量对OSR 性能的影响
• 4.4.5 炭黑用量对遇油膨胀橡胶性能的影响
• 4.4.6 软化剂对遇油膨胀橡胶性能的影响
• 4.4.7 油品种类对OSR 膨胀性能的影响
• 4.4.8 温度对遇油膨胀橡胶性能的影响
• 4.4.9 遇油膨胀橡胶的径向受限膨胀性能
• 4.4.10 WSR 模拟封隔器的耐压差性能分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间论文发表与专利申请情况