氟硅橡胶组合物及其制备方法以及包含其的封隔器胶筒
阅读说明：本技术 氟硅橡胶组合物及其制备方法以及包含其的封隔器胶筒 (Fluorosilicone rubber composition, preparation method thereof and packer rubber barrel comprising fluorosilicone rubber composition ) 是由 周欢 徐凤祥 孙永涛 梁月松 董社霞 陈仲华 张伦 孟林涛 李强 王东 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：一种氟硅橡胶组合物及制备方法以及封隔器胶筒,其中所述氟硅橡胶组合物包括氟硅橡胶、加工助剂、交联剂、增强填料和高温稳定剂等通过混炼工艺制成。所述封隔器胶筒为四胶筒结构,从中间到两端依次为隔环、氟硅橡胶组合物的胶筒、改性聚四氟乙烯胶筒、护环和护肩,其中,所述护环套设在所述改性聚四氟乙烯胶筒中,并被述护肩包裹。所述封隔器胶筒能够实现在温度350℃,压力21MPa下,多轮次蒸汽吞吐的有效密封,大幅度提高海上稠油热采多轮次蒸汽吞吐密封有效性,提高稠油开发效率,降低了公司生产作业成本。(A fluorosilicone rubber composition, a preparation method and a packer rubber cylinder are provided, wherein the fluorosilicone rubber composition comprises fluorosilicone rubber, a processing aid, a cross-linking agent, a reinforcing filler, a high-temperature stabilizer and the like, and is prepared through a mixing process. The packer rubber cylinder is of a four-rubber-cylinder structure, and a spacer ring, a rubber cylinder made of fluorosilicone rubber composition, a modified polytetrafluoroethylene rubber cylinder, a retaining ring and a shoulder protector are sequentially arranged from the middle to two ends, wherein the retaining ring is sleeved in the modified polytetrafluoroethylene rubber cylinder and is wrapped by the shoulder protector. The packer rubber cylinder can realize effective sealing of multiple rounds of steam huff and puff at the temperature of 350 ℃ and under the pressure of 21MPa, greatly improves the effectiveness of sealing of multiple rounds of steam huff and puff in offshore heavy oil thermal recovery, improves the heavy oil development efficiency, and reduces the production operation cost of a company.)
技术领域
本文涉及一种氟硅橡胶组合物及其制备方法、包含所述氟硅橡胶组合物的封隔器胶筒，具体地说，所述胶筒为一种稠油热采封隔器用高温密封胶筒。
背景技术
目前海上稠油热采开发过程中，通常采用蒸汽吞吐的方式进行稠油开采。热采封隔器通常作为有效封隔稠油开发井油藏和井筒环空，提高蒸汽吞吐效率的主要工具，其密封性能的好坏直接影响蒸汽吞吐开发的效果，现场稠油开采注蒸汽过程中热采封隔器需要在温度350℃，压力21MPa的苛刻环境下长期有效，同时也需要保证封隔器在焖井转生产期间(温度120℃)的密封有效性。而热采胶筒作为热采封隔器密封能力的核心部件，备受国内外各大完井工具公司的关注。近年来，随着海上油田开发降本增效理念的提出，满足多个轮次蒸汽吞吐密封能力的热采胶筒研究成为稠油热采开发的重点和难点。
现有的热采封隔器胶筒按照胶筒的密封机理分为扩张式胶筒和压缩式胶筒。在扩张式胶筒的研发方面，其密封材料一般采用热胀式塑料或者热敏金属材料，所述密封材料在受热或者在热膨胀剂的作用下向外扩张贴合套管实现密封，温度降低后，密封材料收缩实现封隔器解封，但是该热采封隔器缺少卡瓦锚定机构。在压缩式胶筒的研发方面，通常采用改性聚四氟乙烯作为主密封材料，辅助密封采用石墨和高强度不锈钢丝混合制品，由于密封材料采用石墨制品，坐封力比常规胶筒增大10t左右，但是改性聚四氟乙烯材料在350℃情况下也会出现软化的现象，如果不进行合理的结构设计，容易出现胶筒挤出而导致密封失效的问题。
虽然现有的热采封隔器胶筒组合产品能够实现温度350℃、压力21MPa下1个轮次的密封，但是在低温生产期间以及多轮次注蒸汽过程中封隔器胶筒会出现泄漏问题，需要开发满足多轮次蒸汽吞吐条件的材料以及热采密封胶筒。
发明内容
为此，本申请提供了一种氟硅橡胶组合物及其制备方法以及将所述氟硅橡胶组合物用于热采封隔器胶筒的封隔器胶筒，其中，所述封隔器胶筒能够实现在温度350℃，压力21MPa下，多轮次蒸汽吞吐的有效密封，大幅度提高海上稠油热采多轮次蒸汽吞吐密封有效性，提高稠油开发效率，降低了公司生产作业成本。
本申请提供了一种氟硅橡胶组合物，包括以重量计，以下份数的组分：
在一种示例性实施例中，所述氟硅橡胶组合物，包括以重量计，以下份数的组分：
在一种示例性的实施例中，所述加工助剂为重量比可为(1∶1)至(1∶4)的苄基三苯基氯化膦(BPP)和WS-280的组合；优选地，苄基三苯基氯化膦(BPP)和WS-280的重量比为1∶2。其中，所述的WS-280为购自STRUKTOL公司的有机硅加工助剂，其成份为特殊脂肪酸衍生物及有机硅的化合物。
在一种示例性的实施例中，所述交联剂为有机过氧化物，具体地为过氧化二异丙苯(DCP)。
在一种示例性的实施例中，所述增强填料为炭黑，包括重量比为(14∶13∶3)至(44∶18∶8)的N774、N790和白炭黑的组合；优选地，所述增强填料为炭黑，包括重量比为30∶22∶6的N774、N790和白炭黑的组合。其中，白炭黑用于填补黑炭黑N774和N790的粒间间隙，使胶料更加细腻。
在一种示例性的实施例中，所述高温稳定剂为重量比为(2∶3)至(4∶1)的氧化镁(MgO)和氢氧化钙(Ca(OH)2)的组合；优选地，所述高温稳定剂为重量比为1∶1的氧化镁(MgO)和氢氧化钙(Ca(OH)2)的组合。
其中，本申请所述氟硅橡胶是以-Si-O-为主链、硅原子上带有甲基(CH3-)和三氟丙基(CF3CH2CH2-)的γ-三氟丙基甲基硅氧烷高分子聚合物(全氟氟硅生胶)。
本申请还提供了一种氟硅橡胶组合物的制备方法，包括以下步骤：
1)将氟硅橡胶生胶薄通塑炼，塑炼后停放24小时后备用；薄通塑炼时，辊距为0.5mm-0.8mm，塑炼时间为10min-15min，辊温为45±10℃；
2)塑炼步骤1)中的生胶，使其均匀包辊；此时，辊距为4mm-6mm，塑炼时间为3min-5min，辊温为50±10℃；
3)将步骤2)塑炼后的生胶与其他制剂混炼，其中，分批依次从两侧缓慢加入增强填料和高温稳定剂；然后从两侧缓慢加入加工助剂和交联剂；该过程中，辊距为4mm-6mm，混炼时间分别为5min-8min，辊温为50±10℃；
4)打卷三次倒胶；此时，辊距为4mm-6mm，时间为2min-3min，辊温为50±10℃；
5)打三角包薄通20次，此时，辊距为0.5mm-0.8mm，薄通时间为18min-20min，辊温为60±10℃；
6)下片停放24小时；
7)打三角包薄通20次，此时，辊距为0.5mm-0.8mm，薄通时间为18min-20min，辊温为60±10℃；
8)下片停放48小时后再次打三角包薄通20次；薄通时，辊距为0.5mm-0.8mm，薄通时间为18min-20min，辊温为60±10℃；
7)下片，使胶料自然冷却后，包装，取样检测。
在一种示例性实施例中，其中，步骤3)中所述增强填料包括白炭黑，并且所述白炭黑需首先全部加入，然后依次加入其余增强填料和高温稳定剂。
本申请还提供了一种封隔器胶筒，所述封隔器胶筒为四胶筒结构，所述封隔器胶筒，在径向方向上，从中间到两端依次为隔环，氟硅橡胶组合物的胶筒、改性聚四氟乙烯胶筒、护环和护肩，其中，所述氟硅橡胶组合物的胶筒包含本申请所述的氟硅橡胶组合物，所述护肩套设在所述改性聚四氟乙烯胶筒上，所述护环位于所述护肩和所述改性聚四氟乙烯胶筒之间。
在一种示例性的实施例中，所述氟硅橡胶组合物的胶筒采用玻璃纤维纱和本申请所述的氟硅橡胶组合物卷裹编织而成；所述玻璃纤维纱为高强度玻璃纤维纱。
在一种示例性的实施例中，所述高强度玻璃纤维纱精度为300-800目，单纤维线径8±0.8um，线密度480±36g/km；优选地，所述高强度玻璃纤维纱精度为480目。
在一种示例性的实施例中，所述护环为聚醚醚酮护环，所述隔环为金属材料，如42CrMo。
在一种示例性的实施例中，所述护肩为不锈钢护肩，以满足胶筒高温承压能力；所述护肩位于所述封隔器胶筒内侧壁的一端具有倒钩结构，所述护环为配合所述护肩的倒钩结构的倒角机构，能够有效防止改性聚四氟乙烯在350℃软化挤出，保证高温密封效果。
在一种示例性实施例中，所述氟硅橡胶组合物胶筒中还设有预应力环，优选地，所述预应力环的材质为弹簧钢，用于与所述护肩共同提供胶筒在温度降低收缩后的支撑力，保证胶筒降温后的有效密封。
本申请的封隔器胶筒中，所述改性聚四氟乙烯通过在聚四氟乙烯纯料加入一定量的填充剂，如在纯聚四氟乙烯原料中加入10％玻璃纤维、10％增强碳纤维和5％的二硫化钼，同时填充少量超细铜粉等耐磨添加剂制成。通过填充添加剂增强了材料的耐磨性，提高了材料的抗挤出性能，耐温和耐压能力得到大幅度提高。
本申请的氟硅橡胶组合物不但具有一般硅氧烷优越的耐热性、耐候性、憎水性、脱模性，而且具有含氟化合物的防水、耐油和耐溶剂性等性能。因此，在保持了硅橡胶的耐高低温性、耐候性、压缩复原性、回弹性、电气特性、脱膜性等一系列优良性能的基础上，同时又具有氟橡胶的耐燃料油、耐溶剂等性能。
本申请封隔器胶筒能够实现在温度350℃，压力21MPa下，多轮次蒸汽吞吐的有效密封，大幅度提高海上稠油热采多轮次蒸汽吞吐密封有效性，提高稠油开发效率，降低了公司生产作业成本。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请封隔器胶筒剖面图；
图2为图1的局部放大图；
图3为本申请封隔器胶筒的改进结构的剖面图；
图4为图3中的预应力环结构图；
图5为本申请封隔器胶筒的等轴线图。
附图标记说明：
1：隔环；2：氟硅橡胶组合物的胶筒；3：改性聚四氟乙烯胶筒；4：护肩；5：护环；6：预应力环。
具体实施方式
本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
其中，本申请所述氟硅橡胶组合物的所有原料均来自市售。
实施例1.
氟硅橡胶组合物，包括以重量计，以下份数的组分：
所述氟硅橡胶组合物的制备方法如下：
1)将氟硅橡胶生胶薄通塑炼，塑炼后停放24小时后备用；所述薄通塑炼时辊距为0.5mm-0.8mm，塑炼时间为10min-15min，辊温为45±10℃；
2)塑炼步骤1)得到的生胶，使其均匀包辊；此时，辊距为4mm-6mm，塑炼时间为3min-5min，辊温为50±10℃；
3)将步骤2)得到的生胶与其他组份进行混炼，其中，从两侧缓慢加入足量的白炭黑，然后分批从两侧缓慢交替加入N990、N774、MgO、Ca(OH)2；最后从两侧缓慢加入DCP、BPP、WS-280；该过程中，辊距为4mm-6mm，混炼时间分别为5min-8min，辊温为50±10℃；
4)打卷三次倒胶；此时，辊距为4mm-6mm，时间为2min-3min，辊温为50±10℃；
5)打三角包薄通20次，此时，辊距为0.5mm-0.8mm，薄通时间为18min-20min，辊温为60±10℃；
6)下片停放24小时；
7)打三角包薄通20次，此时，辊距为0.5mm-0.8mm，薄通时间为18min-20min，辊温为60±10℃；
8)下片停放48小时后再次打三角包薄通20次，薄通时，辊距为0.5mm-0.8mm，薄通时间为18min-20min，辊温为60±10℃；
7)下片，使胶料自然冷却后，包装，取样检测。
实施例2.
如图1所示，所述封隔器胶筒的四胶筒结构为：在所述封隔器胶筒径向方向上，从中间到两端依次为隔环1，氟硅橡胶组合物胶筒2、改性聚四氟乙烯胶筒3、护环5和护肩4，其中，所述护肩4套设在所述改性聚四氟乙烯胶筒3上，所述护环5位于所述护肩4和所述改性聚四氟乙烯胶筒3之间。
在本实施例中，所述氟硅橡胶组合物胶筒2采用玻璃纤维和实施例1制备的氟硅橡胶组合物卷裹编织而成；所述玻璃纤维为高强度玻璃纤维，其中，所述高强度玻璃纤维纱精度为480目，单纤维线径8±0.8umm，线密度480±36g/km；所述护环5为聚醚醚酮护环，所述隔环1为金属材料，如42CrMo；所述护肩4为不锈钢护肩，以满足胶筒高温承压能力，并且位于所述封隔器胶筒内侧壁的一端具有倒钩结构；所述护环5为配合所述护肩4的倒钩结构的倒角机构，能够有效防止改性聚四氟乙烯在350℃软化挤出，保证高温密封效果。
实施例3.
如图2所示，对实施例2的封隔器胶筒进行改进：所述氟硅橡胶组合物胶筒2中设有预应力环6，所述预应力环6的材质为弹簧钢，用于与所述护肩4共同提供胶筒在温度降低收缩后的支撑力，保证胶筒降温后的有效密封。
对比例1(封隔器胶筒).
封隔器胶筒结构径向方向上，从中间到两端依次为：实施例1制备的氟硅橡胶组合物胶筒、聚四氟乙烯(PTFE)护环或石墨盘根、铜护肩。
对比例2(封隔器胶筒).
封隔器胶筒结构径向方向上，从中间到两端依次为：金属隔环、实施例1制备的氟硅橡胶组合物胶筒、聚四氟乙烯(PTFE)护环、不锈钢护肩。
实验例1.封隔器胶筒的选择
本申请封隔器胶筒的优选过程如下表所示。
表1.封隔器胶筒及其测试结果
根据上表可知，本申请实施例2中的封隔器胶筒能够实现温度350℃，压力21MPa下长期有效密封，并满足多轮次蒸汽吞吐的密封要求。
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