遇水膨胀橡胶的膨胀性能研究

１ 橡 胶 遇 水膨 胀 机 理
遇水膨 胀橡 胶材 料多 由吸水 聚合 物 和橡胶基
体进 行混合 制得 ， 最 常用 的方 法 是将 吸水 聚 合 物
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和橡 胶基体 进行 物 理 共 混 ， 使 吸 水 聚合 物 均 匀 地 分散 在橡胶 基体 之 中 。吸水聚 合物在 吸水 前 为一
种高 分子 固态 网状 结 构 ， 其 中 的亲水 官能 团与 水 分子 之 间具 有 极 强 的吸 引 力 和结 合 力 ， 当遇 水 膨
离子 浓度 差 ， 使 网络 结构 内外产 生 渗透压 ， 水 分子 在渗 透压 作用 下 向网络结 构 内部渗 透ｌ ＿ １ ］ 。吸水 聚 合 物 网络结构 的张展 使 其 体 积 增 大 ， 产 生体 积 膨
工流 程 ， 提 高 了完井效 率 ， 降低 了作业 成本 ； （ ３ ） 通 过橡胶 遇 到井下 液 体后 体 积 膨胀 来 实
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — ０ ９ — ２ ９ 作者简 介 ： 杨 德锴 （ １ ９ ８ ２ 一 ） ， 男， 山东济 南人 ， 工程师 ， 硕 士 研究生 ， 主要从事 固井及完 井工具 的研制 工作 。 ＊中 国石 化 重 点 科 技 攻 关 项 目（ Ｐ １ ０ ０ ３ ９ ）
过程中， 橡 胶聚合 物 分 子 链 与硫 原 子 连 接 形成 不 断延 伸 的网状结 构 ， 生成 弹性体 ， 如 图 ４所 示 。吸 水 聚合 物被 网状 结 构 所 包 围 ， 均 匀 地分 散 于 橡 胶
现环 空封 隔 ， 特 别适 用 于不规则 井 眼密封 ；
（ ４ ） 橡 胶具 有 自修 复功 能 ， 在 胶 筒 轻 微 受 损 时不 影 响封 隔器 的密封性 能 。
胀， 进而 使橡 胶基体 体积 增大 ， 达 到遇水 膨胀 的效 果， 直 至吸水 聚合 物 膨 胀 力 与橡 胶 的弹 性束 缚 力
相等时， 达到 吸 水 平衡 状 态 ｌ ２ 。图 １为 吸水 聚合 物 吸水 膨胀示 意 图 ， 在 显微镜 下 观察 ， 吸水后 吸水
自膨胀橡胶 材料 是影 响 自膨 胀封 隔器 工 作性
能 的关键 因素 ， 其膨胀速度 及最终膨胀 性能 会 因井
下温度 、 液体成分等诸多环境因素的综合影响而有
析， 在此 基 础 上提 出了提 高橡 胶 遇 水 膨 胀性 能的 改 进 方 法 ， 并 通 过 室 内试 验 结 果对 改进 方 法进 行 了验 证 。
关键词 ：自膨胀封 隔器； 遇水膨胀橡胶 ； 膨胀机理 ； 渗 透压 ； 交联强度 中图分 类号 ： ＴＱ ３ ３ ６ ． ５ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ５ — ３ １ ７ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ８ ０ — ０ ５
开采 、 低 渗透 储层 和页 岩气储 层 分段压 裂等 作业 。
相 对 于常规 裸 眼封 隔 器 ， 自膨胀 封 隔器 具 有 明显 的优势 ， 主要 表 现为 ： （ １ ）结构 简单 ， 操作 简便 ， 可避 免 因井 下 环境 复杂所 引起 的 机械 结 构 失 效 而造 成 的封 压失 败 ， 尤 其 适 用 于超 深 井 、 大位移井、 大斜 度 井 等 复 杂
技 术 交 流
弹 性 体 Ｃ ， Ｈ ２ ０ Ｉ Ｎ １ ３ Ａ — ０ ２ — Ｅ ２ Ｉ ５ Ａ ， ２ Ｓ ３ Ｔ （ Ｏ １ ） Ｍ ： ８ Ｅ ０ Ｒ ￣ Ｉ Ｃ ８ ４ Ｓ
遇 水 膨 胀 橡 胶 的膨 胀 性 能 研 究 ＊
杨德 锴 ， 马 兰荣 ， 郭朝辉 ， 刘 阳
不变 ， 如 图 ２所 示 ， 由此可 见 ， 遇 水膨 胀 橡 胶 体积
的增加 是所 吸人 的水 占用橡 胶 的空 间而引起 的物 理 现象 ， 对 于 同等 量 的橡胶来 说 ， 所 吸入 的水量越
大， 其 体积膨 胀率 就越 大 。
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８ ２ ・
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表 １ 吸 水 聚 合 物含 量 对 吸 水 膨 胀 性 能 的 影 响 【 ～３ ＞ ～２ ＞ ～１ ） △ ｐ ｈ 物 ｒ ＮＩ Ｎｚ Ｎ３
遇 水 自膨 胀 封 隔 器 是 一 种 新 型 的 裸 眼 封 隔 器， 通 过橡胶 吸 收井 下 液 体 产 生体 积 膨 胀来 密封 环空 ， 用于替 代 常规 裸 眼 封 隔器 进 行 水 平井 分 段
原理， 提 出改进 橡胶 吸水 膨胀 性 能 的方 法 ， 提高 自
膨 胀封隔器在不 同井下环境 中的性能 。
（ 中 国 石 化 石 油工 程 技 术 研 究 院 德州 大 陆架 石 油 工 程 技 术 有 限公 司 ， 山东 德 州 ２ ５ ３ ０ ０ ５ ）
摘
要： 随着钻完井技术的不断发展 ， 自膨胀封 隔器技 术已经越来越广 泛的应 用于水 平井分段 开采 、
低渗透储层和页岩气储层分段压裂等领域。 自膨胀封 隔器的膨胀 性能是影 响其现场应 用效果的 关键 所 在， 文章研究 了遇水膨胀橡胶 膨胀机理 ， 对现场应用 中影响橡胶膨胀性 能的环境因素及影响原理进行 了分
胀橡 胶浸 入水 中时 ， 亲水 性 官 能 团与 水分 子 发 生
井， 使 用可靠 性 高 ；
（ ２ ） 入井 后 遇 井 内液 体 自动 膨 胀 ， 无 需 下 入 专用 胀封 工具 或进 行 专 门 的胀 封 作 业 ， 简 化 了施
水合 作用 ， 使 高分子 网束 张展 ， 并在 网束 内外 形成
较大差 异 ， 为针对不 同使用 环境研制性 能理 想 的 自
聚合物 体积 明显增 大 。
将 自膨胀 橡 胶样 块 放 入 水 中膨 胀 ， 浸 泡一 定 时间后 橡胶体 积 增 大 ， 但 膨 胀前 后 液 面 高 度保 持
膨胀封 隔器 ， 需要从 自膨胀 橡胶材料 的膨胀 机理分 析入手 ， 研 究各种环境 因素对橡胶材 料膨胀 的影 响