[发明专利]高温稳定的可水溶胀的橡胶组合物

说明书

一种可水溶胀的橡胶组合物，其包含(a)不可水溶胀的基质橡胶，(b)环氧乙烷系亲水性弹性体，所述环氧乙烷系亲水性弹性体具有零到多达且包括20摩尔％的可交联可固化官能团，和(c)可水溶胀的非弹性体材料。组合物在长时间暴露于高温和多种电解质溶液(强盐以及酸条件)下具有优异的水溶胀特性，并且特别适用于油田应用。当环氧乙烷系亲水性弹性体(b)具有零至小于5摩尔％的可交联官能团时，(b)的量基于100重量份的基质橡胶(a)在约30份与300重量份之间，并且(c)的量基于100重量份的基质橡胶(a)在约20份与200重量份之间，组合物的特征在于经过约束溶胀后良好的形状保持性，以及在高温下在不同盐浓度中的高约束溶胀度。

本申请是于2012年4月16日提交的申请13/447,611的部分继续申请。

本发明涉及可水溶胀的橡胶(或弹性体)组合物，其可用水或水性流体、尤其是含盐流体或卤水溶胀。

近年来，在开发可水溶胀的弹性体、尤其是用于油田和类似的地下应用方面，存在不断增加的兴趣。出于此目的，美国专利号4,590,227公开了弹性体、吸水树脂和水溶性树脂的均匀混合物。JP 3111510B公开了可水溶胀的硫化橡胶，其是环氧乙烷-环氧丙烷-烯丙基缩水甘油醚共聚物，具有40-90摩尔％的环氧乙烷的。JP 2004-123887公开了可水溶胀的可硫化橡胶组合物，其包含表氯醇弹性体聚合物、天然或合成橡胶、和硫化剂。美国专利申请公开号2009/0084550A1公开了可水溶胀的橡胶组合物，其包含基质橡胶、纤维素组分和丙烯酸酯共聚物。

大多数油田应用需要在严酷环境下的良好的溶胀稳定性和高体积溶胀，所述严酷环境如高电解质浓度，尤其是如不利于橡胶溶胀的二元盐的电解质，以及高温。用于这种严酷环境的可水溶胀的橡胶组合物的标准评价是在高温下、在不同盐分浓度下和在不同电解质类型中的体积溶胀、重量溶胀和溶胀稳定性的大小。在本文中所公开的本发明的一个方面考虑了下列事实：在一些应用中，如在油井眼中，由橡胶组合物制成的元件不是自由地(在其安装或使用期间的某些点)在所有方向上溶胀，而是其溶胀是物理上受约束的，因为橡胶元件的表面的一部分被压至坚固的表面并且因此与水不接触或很少接触。在本文中所公开的本发明考虑了橡胶组合物的“自由溶胀”以及“约束溶胀”。

在“自由溶胀”应用中，在以上引用文献中公开的可水溶胀的橡胶组合物在长时间暴露于高温下或在盐水条件下表现得不好。根据JP 3111510B的组合物在室温下表现出高吸水性。然而，对于这种组合物来说，在高于80℃的温度下难以实现超过对于大多数油田应用来说是必需的200％的重量溶胀。对于根据美国专利号4,590,227的组合物来说，在高温下溶胀后，大多数水溶性树脂移动至水相，并且因此降低了剩余的橡胶混合物的溶胀能力。根据美国专利申请公开号2009-0084550A1的组合物在中等高的浓度的单价盐溶液(3.5％NaCl)或二价盐溶液(3.5％CaCl₂)中具有非常低的溶胀能力，甚至是在室温下。

本发明的发明人着手解决关于橡胶组合物的自由溶胀能力的以上问题，即在高温下的低溶胀、在甚至中等高的盐水条件下的低溶胀、和长时间暴露在高温下的溶胀的损失。本发明的目的是提供可水溶胀的橡胶组合物，其具有在高温下的高且持续的自由溶胀、和在盐水条件下的高自由溶胀。

在以上文献中公开的可水溶胀的橡胶组合物在不同盐水环境中的约束溶胀条件下也表现得不好。根据JP 3111510B的组合物在自由溶胀条件下在室温下表现出高吸水性。然而，对于这种组合物来说，在高于80℃的温度下难以实现令人满意的约束溶胀，这对于大多数油田应用来说是必需的。根据美国专利号4,590,227的组合物也未实现对于油田应用而言足够的约束溶胀。根据美国专利申请公开号2009-0084550A1的组合物在中等高的浓度的盐溶液(3.5％NaCl和6.0％NaCl)中具有非常低的约束溶胀能力，甚至是在室温下。

本发明的发明人也着手解决针对在约束条件下的溶胀的上述问题，即在低和高盐条件下的低约束溶胀、在约束条件下溶胀时橡胶元件的形状的扭曲或破坏、和在高温下的低约束溶胀。本发明的目的是提供可水溶胀的橡胶组合物，其在高温下和高盐条件下溶胀时具有伴随良好形状保持性的高约束溶胀。