НАНОКОМПОНЕНТЫ ИНИЦИАТОРА ДЛЯ ПОПЕРЕЧНОГО СШИВАНИЯ ЭЛАСТОМЕРОВ И РОДСТВЕННЫЕ СПОСОБЫ И ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2018 года по МПК E21B23/06 

ЗАЯВЛЕНИЕ ПРИОРИТЕТА

Настоящая заявка испрашивает приоритет по дате подачи предварительной заявки на патент США с серийным номером 14/531218, поданной 3 ноября 2014 года, «Нанокомпоненты инициатора для поперечного сшивания эластомеров и родственные способы и изделия».

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Варианты реализации настоящего описания относятся к поперечно-сшитым эластомерам. Более конкретно, варианты реализации настоящего описания относится к нанокомпонентам инициатора для поперечного сшивания эластомеров и к компонентам скважинных инструментов, содержащим эластомеры, сшитые с применением указанных нанокомпонентов инициатора.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Эластомеры находят применение в качестве материалов для изготовления компонентов для многочисленных внутрискважинных применений, в частности, тех, для которых необходима изоляция части скважины, или тех, для которых необходимо ограничение пространства вокруг компонента, независимо от коаксиального или иного расположения в скважине. Эластомеры также подходят в качестве материалов покрытия для защиты поверхностей скважинных инструментов.

Полимерные соединения эластомеров зачастую сшивают для улучшения прочности эластомерного материала. Некоторые промышленные эластомеры содержат также материалы наполнителей, такие как частицы или волокна, для обеспечения дополнительной прочности или стойкости к истиранию эластомерного материала. Однако необходимо улучшение стойкости к истиранию и прочности эластомеров, используемых во внутрискважинных применениях.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описан нанокомпонент инициатора для поперечного сшивания эластомера. Нанокомпонент инициатора содержит наночастицу, ковалентно связанную с подгруппой, содержащей по меньшей мере один свободный радикал.

Настоящее описание включает также варианты реализации скважинных инструментов, содержащих сшитый эластомерный материал. Сшитый эластомерный материал содержит молекулу полимера, связанную с подгруппой, ковалентно связанной с наночастицей.

Описан также способ получения сшитого эластомерного материала. Способ включает диспергирование в эластомерном материале-предшественнике по меньшей мере одного соединения с получением смеси-предшественника. Указанное по меньшей мере одно соединение содержит наночастицу, связанную с подгруппой через простую эфирную группу или амидогруппу. Смесь-предшественник нагревают для разрыва по меньшей мере одной связи по меньшей мере одного соединения с получением нанокомпонента инициатора, содержащего наночастицу и концевой свободный радикал. Затем нанокомпонент инициатора связывают с молекулой полимера эластомерного материала-предшественника.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Несмотря на то, что настоящее описание обобщено формулой изобретения, в которой конкретно указаны и отдельно заявлены варианты реализации настоящего описания, различные признаки и преимущества настоящего описания станут более понятны из следующего описания иллюстративных вариантов реализации, представленных со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

На фиг. 1 представлен разделенный на части вид в вертикальном разрезе извлекаемого пакерного инструмента, содержащего эластомерные компоненты в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего описания;

На фиг. 2 представлен разделенный на части вид в вертикальном разрезе извлекаемого пакерного инструмента, показанного на фиг. 1, в рабочей конфигурации для герметизации затрубного пространства скважины;

На фиг. 3 представлен схематический вертикальный вид в поперечном сечении скважинного инструмента с эластомерным герметизирующим элементом в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего описания, при этом герметизирующий элемент расположен вдоль стенки ствола скважины, в которую он вставлен; и

На фиг. 4 представлен схематический вид сверху в поперечном сечении скважинного инструмента, содержащего забойный двигатель, содержащий статор, который имеет внутри покрытие, содержащее эластомер в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего описания.

СПОСОБ(-Ы) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Иллюстрации, представленные в настоящем документе, не являются реальными изображениями какого-либо конкретного соединения, материала или изделия, а представляют собой лишь идеализированные изображения, которые использованы для описания вариантов реализации настоящего описания.

Нанокомпоненты инициатора, описанные в настоящем документе, содержат наночастицу, ковалентно связанную с подгруппой, содержащей по меньшей мере один свободный радикал. Свободный радикал нанокомпонента инициатора обеспечивает центр для взаимодействия с полимерной молекулой эластомера, подлежащего сшиванию. При взаимодействии нанокомпонента инициатора с полимерной молекулой образуется соединение, содержащее указанную наночастицу и полимерную молекулу, косвенно связанные друг с другом через указанную подгруппу. Такое взаимное связывание наночастицы и полимеров обеспечивает возможность получения сшитого эластомерного материала, содержащего соединение «наночастицы и полимера». Взаимное связывание между наночастицами и полимерами может обеспечивать более высокую механическую прочность и более высокую стойкость к истиранию сшитого эластомерного материала по сравнению со сшитым эластомерным материалом, содержащим только смесь наночастиц и полимерных материалов, которые не связаны друг с другом, такую как дисперсия наночастиц в сшитой полимерной матрице.

Нанокомпоненты инициатора могут быть получены из функционализированных наночастиц, которые могут быть диспергированы в эластомерном материале-предшественнике с образованием смеси-предшественника. По меньшей мере одна связь функционализированных наночастиц, присутствующих в смеси-предшественнике, может быть разорвана с образованием нанокомпонентов инициатора, которые содержат свободный радикал, в присутствии эластомерного материала-предшественника. Затем нанокомпоненты инициатора могут взаимодействовать с полимерными молекулами эластомерного материала-предшественника с образованием «полимерного нанокомпозитного» материала, т.е. материала, содержащего взаимосвязанные наночастицы и полимерные соединения. Поскольку нанокомпоненты инициатора взаимодействуют с полимерными молекулами, полимерные молекулы также могут связываться друг с другом, с другими свободными радикалами, которые могут быть образованы из нанокомпонентов инициатора, или с обоими видами частиц. Таким образом, представлено in situ сшивание эластомера с применением нанокомпонентов инициатора.

В данном контексте термин «in situ» в отношении процесса означает и включает процесс, который обеспечивает химическое изменение химического вещества (например, смеси, раствора или суспензии) без добавления нового материала или выделения какого-либо материала из указанного химического вещества для осуществления такого химического изменения. Например, в данном контексте термин «in situ», используемый в отношении образования нанокомпонента инициатора в химическом веществе (например, в смеси-предшественнике), означает и относится к образованию нанокомпонентов инициатора из химических соединений, уже присутствующих в химическом веществе (например, в смеси-предшественнике), в отличие от образования нанокомпонента инициатора посредством добавления реакционноспособного агента для химического изменения химического соединения в химическом веществе (например, в смеси-предшественнике). В качестве другого примера, в данном контексте термин «in situ», используемый в отношении поперечного сшивания полимера в химическом веществе (например, в смеси-предшественнике), означает и относится к образованию связей между полимерными молекулами в смеси-предшественнике без добавления реакционноспособного агента для химического взаимодействия с молекулами полимера. Несмотря на то, что «in situ» процесс не подразумевает добавление или выделение материалов из химического вещества для осуществления требуемого химического изменения, такое химическое изменение может неизбежно приводить к добавлению или удалению одного или более материалов. Например, химическая реакция может быть осуществлена «in situ» в химическом веществе, без добавления реакционноспособного агента к данному химическому веществу и без выделения реакционноспособных агентов из данного химического вещества до взаимодействия реакционноспособных агентов друг с другом. Однако в результате химической реакции могут образовываться продукты (например, новые химические соединения), которые изменяют состав указанного химического вещества. Альтернативно или дополнительно, в химической реакции могут образовываться газообразные продукты или летучие жидкости, которые неизбежно выделяются из жидкого или твердого химического вещества при осуществлении химической реакции «in situ».

В данном контексте термин «предшественник» в отношении вещества (например, смеси, соединения, материала) или структуры означает и включает вещество или структуру, подлежащую преобразованию в результирующее вещество или структуру. Например и без ограничения, «смесь-предшественник» может относиться к смеси, содержащей материал, подлежащий химическому изменению (например, химическое соединение, связь в котором подлежит разрыву с образованием по меньшей мере одного свободного радикала, или химическое соединение, подлежащее сшиванию само с собой или с другими соединениями), а «эластомерный материал-предшественник» может относиться к эластомерному материалу, подлежащему сшиванию (т.е. подлежащему такой обработке, чтобы полимерные молекулы в эластомерном материале-предшественнике связывались сами с собой, друг с другом, или оба варианта, с образованием матрицы взаимосвязанных полимерных молекул, т.е. «сшитого эластомерного материала»). Эластомерный материал-предшественник может содержать, помимо полимерных молекул, подлежащих сшиванию, другие материалы, такие как один или более из растворителя и материала наполнителя.

В данном контексте термин «нанокомпонент инициатора» означает и включает нанокомпонент, составленный так, чтобы быть способным взаимодействовать (т.е. химически связываться) с молекулой полимера, для ускорения связывания между доступными центрами связывания полимерной молекулы (например, для сшивания одной полимерной молекулы самой с собой), для ускорения связывания между несколькими полимерными молекулами, или их комбинации.

В данном контексте термин «нанокомпонент» (или наноразмерный строительный блок) означает и включает материал, содержащий химическую связь между наночастицей и химической группой.

В данном контексте термин «наночастица» означает и включает любую частицу, такую как макромолекула на основе углерода или на основе диоксида кремния, имеющую средний диаметр частицы (или среднюю длину, ширину или высоту частицы) от примерно одного нанометра (примерно 1 нм) до примерно двухсот нанометров (примерно 200 нм).

В данном контексте термин «свободный радикал» означает и включает атом, молекулу, подгруппу молекулы или ион, имеющий по меньшей мере один неспаренный валентный электрон. Например, свободный радикал может содержать атом углерода молекулы, при этом указанный атом углерод имеет неспаренный валентный электрон. Атом, молекула, подгруппа молекулы или ион, представленный буквой (например, «X»), в данном контексте представляет собой свободный радикал, если рядом с буквой стоит символ «•» (например, «X•»).

Нанокомпонент инициатора в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего описания содержит наночастицу (NP), ковалентно связанную со «свободнорадикальной органической подгруппой», т.е. органической подгруппой, содержащей по меньшей мере один свободный радикал. Таким образом, согласно некоторым вариантам реализации, представленным в настоящем документе, нанокомпонент инициатора имеет следующую формулу:

(NP)─Q─R• Формула I

где

NP представляет собой наночастицу;

Q представляет собой O(O═)C или N(O═)C; и

R• представляет собой свободнорадикальную подгруппу.

NP может быть ковалентно связана с Q, и Q может быть ковалентно связан с R•.

Наночастица (NP) может представлять собой наночастицу на основе углерода, такую как наночастицы алмаза, графена, оксида графена, углеродные нанотрубки, фуллерен, структуры типа углеродных луковиц (например, «баки-луковиц»). В других вариантах реализации наночастица (NP) может представлять собой наночастицу на основе диоксида кремния (например, диоксида кремния (SiO₂)).

Подгруппа Q─R• может быть получена из «производного органического соединения», такого как производное карбоновой кислоты или амидное производное пероксидного соединения, диазасоединения или дисульфидного соединения. В тех вариантах реализации, в которых подгруппа Q─R• получена из производного карбоновой кислоты, Q представляет собой O(O═)C. В тех вариантах реализации, в которых подгруппа Q─R• получена из амидного производного, Q представляет собой N(O═)C. Независимо от получения из производного карбоновой кислоты или из амидного производного, свободнорадикальная подгруппа R• может представлять собой, например и без ограничения, любую из следующих формул:

R¹• Формула II

R²• Формула III

R³─S• Формула IV

при этом Формулы II-IV получены из производных карбоновой кислоты или амидных производных пероксидного соединения, диазасоединения и дисульфидного соединения, соответственно.

В свободнорадикальной подгруппе Формулы II, которая получена из производного карбоновой кислоты или амидного производного пероксидного соединения, R¹• представляет собой органическую подгруппу, содержащую свободный радикал, который может быть концевым свободным радикалом на атоме углерода. Например и без ограничения, R¹ может представлять собой (CH₂)_n, где n представляет собой целое число от 1 до 24. В органическую подгруппу также может входить одна или более дополнительных функциональных или нефункциональных групп. Нанокомпонент инициатора, содержащий органическую подгруппу Формулы II, обеспечивает «углерод-центрированное» свободнорадикальное соединение с наночастицей (NP), связанной со свободным радикалом через простую эфирную группу (─O─) (если подгруппа Q─R• получена из производного карбоновой кислоты) или амидогруппу (─N─) (если подгруппа Q─R• получена из амидного производного).

В свободнорадикальной подгруппе Формулы III, которая получена из производного карбоновой кислоты или амидного производного диазасоединения, R²• представляет собой органическую подгруппу, содержащую свободный радикал, который может быть концевым свободным радикалом на атоме углерода. Например и без ограничения, R² может представлять собой (CH₂)_n, где n представляет собой целое число от 1 до 24. Таким образом, органическая подгруппа, содержащая свободный радикал, может иметь одинаковую формулу при использовании производного пероксидного соединения (для получения R¹•) или при использовании производного диазасоединения (для получения R²•). В органическую подгруппу также может входить одна или более дополнительных функциональных или нефункциональных групп. Например и без ограничения, R² может представлять собой (CH₂)_nC(CH₃CN). Нанокомпонент инициатора, содержащий свободнорадикальную подгруппу Формулы III, обеспечивает также углерод-центрированное свободнорадикальное соединение с наночастицей (NP), связанной со свободным радикалом через простую эфирную группу (─O─) (если подгруппа Q─R• получена из производного карбоновой кислоты) или амидогруппу (─N─) (если подгруппа Q─R• получена из амидного производного).

В свободнорадикальной подгруппе Формулы IV, которая получена из производного карбоновой кислоты или амидного производного дисульфидного соединения, R³ представляет собой органическую подгруппу, такую как, например и без ограничения, (CH₂)_n, где n представляет собой целое число от 1 до 24. В органическую подгруппу также может входить одна или более дополнительных функциональных или нефункциональных групп. Свободнорадикальная подгруппа Формулы IV имеет концевой свободный радикал на атоме серы (S). Нанокомпонент инициатора, содержащий свободнорадикальную подгруппу Формулы IV, обеспечивает «сера-центрированное» свободнорадикальное соединение с наночастицей (NP), связанной с подгруппой R³─S• через простую эфирную группу (─O─) (если подгруппа Q─R• получена из производного карбоновой кислоты) или амидогруппу (─N─) (если подгруппа Q─R• получена из амидного производного).

Как подробнее описано ниже, нанокомпоненты инициатора Формулы I могут быть получены in situ, например, в смеси-предшественнике, содержащей также эластомерный материал-предшественник, и могут быть затем использованы для инициации in situ сшивания полимерных молекул эластомерного материала-предшественника с образованием сшитого эластомерного материала.

Соответственно, описан нанокомпонент инициатора для поперечного сшивания эластомера. Нанокомпонент инициатора содержит наночастицу, ковалентно связанную с подгруппой, содержащей по меньшей мере один свободный радикал.

Для получения нанокомпонентов инициатора (Формула I) согласно настоящему описанию, функционализированная наночастица может быть приведена во взаимодействие с так называемым в данном контексте «производным органического соединения», которое может представлять собой производное карбоновой кислоты любого из пероксидного соединения, диазасоединения и дисульфидного соединения. Функциональная наночастица согласно вариантам реализации, представленным в настоящем документе, может иметь следующую формулу:

(NP)–X Формула V

где

X представляет собой гидроксильную группу (OH) или аминогруппу (NH₂).

В тех вариантах реализации, в которых наночастица (NP) представляет собой наночастицу на основе диоксида кремния (например, наночастицу диоксида кремния (SiO₂)), наночастица может содержать гидроксильную группу без какой-либо специальной обработки наночастицы. Следовательно, образование наночастицы на основе диоксида кремния может обеспечивать функционализированную наночастицу Формулы VIII.

В тех вариантах реализации, в которых наночастица (NP) представляет собой наночастицу на основе углерода (например, углеродную нанотрубку), наночастица на основе углерода может быть обработана, например, одностадийным окислением, с получением по меньшей мере одной гидроксильной группы, связанной с наночастицей, в соответствии с Формулой VIII.

Затем функционализированная наночастица Формулы V (т.е. (NP)–X) может быть приведена во взаимодействие с производным органического соединения с получением соединения «органического нанокомпонента» (т.е. соединения, содержащего наночастицу (NP), связанную с органической группой), в соответствии со следующей реакцией:

(NP)–X + Y –^(кат.)→ A¹ + (NP)–Z Схема I

где

Y представляет собой производное органического соединения;

(кат.) представляет собой катализатор;

A¹ представляет собой воду (H₂O); и

Z представляет собой органическую группу соединения нанокомпонента.

Производное органического соединения (Y) может иметь следующую формулу:

Y¹─R─Y²─R─Y¹ Формула VI

где

Y¹ представляет собой карбоксильную группу (HO(O═)C);

R представляет собой органическую группу, которая может быть одной из R¹, R² и R³, в зависимости от того, какое из производного пероксидного соединения, производного диазасоединения и дисульфидного соединения использовано; и

Y² представляет собой C(═O)─O─O─(O═)C, диазенильную группу (N═N) или группу сера-сера (S─S).

В тех вариантах реализации, в которых производное органического соединения (Y) представляет собой производное карбоновой кислоты, Y¹ представляет собой карбоксильную группу (HO(O═)C). В таких вариантах реализации Y² представляет собой C(═O)─O─O─(O═)C, если производное карбоновой кислоты представляет собой производное пероксидного соединения, Y² представляет собой диазенильную группу (N═N), если производное карбоновой кислоты представляет собой производное диазасоединения, и Y² представляет собой группу сера-сера (S─S), если производное карбоновой кислоты представляет собой производное дисульфидного соединения.

Катализатор (кат.) на Схеме I может представлять собой катализатор, составленный для обеспечения возможности протекания реакции, изображенной на Схеме I, при относительно низкой температуре, например, при комнатной температуре (примерно 20 °С) или при умеренном нагревании (не более 60 °С). Осуществление реакции при относительно низкой температуре может предотвращать или уменьшать потери (например, вследствие испарения) производного органического соединения. В некоторых вариантах реализации катализатор может содержать, состоять по существу или состоять из DCC (дициклогексилкарбодиимида), DMAP (4,4-N,N-диметиламинопиридина), 1-этил-3-(3-диметиламинопропил)карбодиимида, диизопропилкарбодиимида или CDI (N,N-карбонилдиимидазола). В других вариантах реализации в Схеме I катализатор может быть не использован.

По реакции, представленной на Схеме I, функциональная группа (X) из функционализированной наночастицы ((NP)–X) отщепляется от наночастицы, в то время как концевой водород (H) отщепляется от производного органического соединения (Y). Затем функциональная группа (X) и отщепленный атом водорода (H) объединяются с образованием соединения A¹. В тех вариантах реализации, в которых используют наночастицу с гидроксильной функциональной группой, такую, что X представляет собой гидроксильную группу (OH), соединение A¹ представляет собой воду H₂O (например, пар). В тех вариантах реализации, в которых используют наночастицу с аминной функциональной группой, такую, что X представляет собой аминогруппу (NH₂), соединение A¹ также представляет собой воду (H₂O). Предусмотрено, что вода является газообразной или испаряется, так что соединение A¹ высвобождается из системы, в которой остается (NP)–Z.

Также в соответствии с реакцией, представленной на Схеме I, остальная часть производного органического соединения (Y) после потери атома водорода (H) замещает отщепленную функциональную группу (X) с образованием органического нанокомпонента ((NP)–Z). Таким образом, Z представляет собой производное органического соединения после потери атома водорода, так что Z имеет следующую формулу:

Q─R─Y²─R─Y¹ Формула VII

где Q представляет собой подгруппу O(O═)C (в тех вариантах реализации, в которых Y¹ был карбоксильной группой) или (H)N(O═)C (в тех вариантах реализации, в которых X был аминогруппой).

Следовательно, в соответствии с реакцией, представленной на Схеме I, соединение органического нанокомпонента ((NP)-Z) образуется из функционализированной наночастицы ((NP)–X) и производного органического соединения (Y). В соединении органического нанокомпонента ((NP)–Z) наночастица ковалентно связана с органической подгруппой (т.е. R─Y²─R─Y¹) через простую эфирную группу (─O─) или амидогруппу (─N─) подгруппы Q. Таким образом, соединение органического нанокомпонента ((NP)–Z) также может быть представлено следующей формулой.

(NP)–Q─R─Y²─R─Y¹ Формула VIII

Соединение органического нанокомпонента ((NP)–Z) может быть затем диспергировано в эластомерном материале-предшественнике с образованием смеси-предшественника, содержащей полимерные молекулы, подлежащие сшиванию, и соединение органического нанокомпонента ((NP)–Z). Эластомерный материал-предшественник может содержать не сшитый или частичной сшитый каучуковый или другой полимерный материал, такой как один или более из бутадиен-нитрильного каучука (NBR) и гидрированного бутадиен-акрилонитрильного каучука (HNBR), или любой другой полимер, содержащий алифатические C–H связи в основной цепи, например, полиэтилен, полипропилен, полистирол, нейлон и т.д. В некоторых вариантах реализации эластомерный материал-предшественник может быть выбран из любого полимерного материала, который, как известно, может быть сшит с применением пероксидов традиционными способами.

Поскольку соединение органического нанокомпонента ((NP)–Z) в момент диспергирования в эластомерном материале-предшественнике не является реакционноспособным (т.е. не содержит свободнорадикальных центров) в отношении полимерных соединений в эластомерном материале-предшественнике, то соединение органического нанокомпонента ((NP)–Z) может быть добавлено к эластомерному материалу-предшественнику без инициации поперечного сшивания молекул полимера. Это обеспечивает возможность равномерного диспергирования в эластомерном материале-предшественнике с получением более полноценной и качественной дисперсии, чем можно получить стандартными способами диспергирования реакционноспособных нанокомпонентов сшивающего инициатора в эластомерном материале-предшественнике.

Смешивание соединения органического нанокомпонента ((NP)–Z) с эластомерным материалом-предшественником может быть осуществлено при температуре от примерно 20 °С до примерно 50 °С, т.е. при «холодных» температурах. Такие холодные температуры могут ингибировать или замедлять разложение соединения органического нанокомпонента ((NP)–Z), разложение которого может инициировать сшивание полимерных молекул в эластомерном материале-предшественнике в смеси-предшественнике. Холодные температуры можно устанавливать и регулировать, например и без ограничения, с помощью емкости с внешним охлаждением, в которой смешивают материалы; введением охлажденного инертного газа в среду, в которой смешивают материалы; добавлением охлажденного инертного растворителя в смесь-предшественник, или можно использовать некоторые их комбинации.

Соединение органического нанокомпонента ((NP)–Z) может быть затем диспергировано в эластомерном материале-предшественнике с образованием смеси-предшественника, содержащей полимерные молекулы, подлежащие сшиванию, и соединение органического нанокомпонента ((NP)–Q–R•). Таким образом, нанокомпонент инициатора (Формула I) может быть получен in situ, т.е. в смеси-предшественнике, в присутствии полимерных молекул эластомерного материала-предшественника.

Обработка смеси-предшественника может включать или состоять из нагревания смеси-предшественника до или во время экструзии или горячего прессования смеси до температуры, при которой по меньшей мере одна химическая связь соединения органического нанокомпонента ((NP)–Z), также представленного Формулой VIII, разрывается с образованием по меньшей мере одного свободнорадикального функционализированного соединения нанокомпонента в соответствии со следующей схемой:

(NP)–Q─R─Y²─R─Y¹ –^(нагр.)→ (NP)–Q−R• + •R─Y¹ (+ A²) Схема II

( Формула VII ) ( Формула I )

где •R─Y¹ представляет собой другое свободнорадикальное соединение (в дополнение к нанокомпоненту инициатора Формулы I), и A² представляет собой соединение-побочный продукт, который может образовываться или не образовываться в зависимости от конкретного соединения Формулы VII.

В тех вариантах реализации, в которых производное органического соединения (Y) было производным карбоновой кислоты пероксидного соединения (так что Y¹ был карбоксильной группой, R был R¹, и Y² был группой C(═O)─O─O─(O═)C), при осуществлении Схемы II связи в соединении органического нанокомпонента ((NP)–Z) могут разрываться, как показано ниже, под действием нагревания смеси-предшественника (например, во время экструзии или горячего прессования) до температуры, например и без ограничения, от примерно 90 °С до примерно 120 °С:

(NP)–O(O═)C─R¹–//–C(═O)─O–//–O─(O═)C–//–R¹─C(═O)OH

( Q ) ( Y² ) ( Y¹ )

где «–//–» означает разрывающуюся связь. Следовательно, в таком варианте реализации Схемы II (указанный вариант реализации в данном контексте упомянут как Схема II_A) две молекулы диоксида углерода (CO₂) образуются из группы Y², а радикалы образуются на каждой из групп R¹, как показано ниже.

(NP)–O(O═)C─R¹• + CO₂ + CO₂ + •R¹─C(═O)OH Схема II_A

( Q ) (R•) (A²) (A²) (•R) ( Y¹ )

Соответственно, при осуществлении Схемы II_A образуется нанокомпонент инициатора (Формулы I), имеющий углерод-центрированный свободный радикал и в котором наночастица связана со свободнорадикальной подгруппой (R•) через простую эфирную группу (─O─). Образуется также другой свободный радикал, содержащий карбоксильную группу (Y¹), связанную с другой свободнорадикальной подгруппой (•R).

В тех вариантах реализации, в которых производное органического соединения (Y) было производным карбоновой кислоты диазасоединения (так что Y¹ был карбоксильной группой, R был R², и Y² был диазенильной группой (N═N)), при осуществлении Схемы II связи в соединении органического нанокомпонента ((NP)–Z) могут разрываться, как показано ниже, под действием нагревания смеси-предшественника (например, во время экструзии или горячего прессования) до температуры, например и без ограничения, от примерно 140 °С до примерно 150 °С.

(NP)–O(O═)C─R²–//–N═N–//–R²─C(═O)OH

( Q ) ( Y² ) ( Y¹ )

Следовательно, в таком варианте реализации Схемы II (указанный вариант реализации в данном контексте упомянут как Схема II_B), молекула азота (N₂) образуется из диазенильной группы, а свободные радикалы образуются на каждой из групп R², как показано ниже.

(NP)–O(O═)C─R²• + N₂ + •R²─C(═O)OH Схема II_B

( Q ) (R•) (A²) (•R) ( Y¹ )

Соответственно, как и в случае Схемы II_A, при осуществлении Схемы II_B образуется нанокомпонент инициатора (Формулы I), имеющий углерод-центрированный свободный радикал и в котором наночастица связана со свободнорадикальной подгруппой (R•) через простую эфирную группу (─O─). Образуется также другой свободный радикал, содержащий карбоксильную группу (Y¹), связанную с другой свободнорадикальной группой (•R). Таким образом, разница результатов Схемы II_B по сравнению с результатами Схемы II_A заключается в образовании молекулы азота (N₂) в качестве побочного продукта (A²), а не двух молекул диоксида углерода (CO₂).

В тех вариантах реализации, в которых производное органического соединения (Y) было производным карбоновой кислоты дисульфидного соединения (так что Y¹ был карбоксильной группой, R был R³, и Y² был группой S─S), при осуществлении Схемы II связи в соединении органического нанокомпонента ((NP)–Z) могут разрываться, как показано ниже, под действием нагревания смеси-предшественника (например, во время экструзии или горячего прессования) до температуры, например и без ограничения, примерно 200 °С.

(NP)–O(O═)C─R³─S–//–S─R³─C(═O)OH

( Q ) ( Y² ) ( Y¹ )

Следовательно, в таком варианте реализации Схемы II (указанный вариант реализации в данном контексте упомянут как Схема II_C), побочный продукт (A²) не образуются, но свободные радикалы образуются на каждом из атомов серы, как показано ниже.

(NP)–O(O═)C─R³─S• •S─R³─C(═O)OH Схема II_C

( Q ) ( R• ) ( •R ) ( Y¹ )

Соответственно, при осуществлении Схемы II_C образуется нанокомпонент инициатора (Формулы I), имеющий сера-центрированный свободный радикал и в котором наночастица связана со свободнорадикальной подгруппой (R•) через простую эфирную группу (─O─). Образуется также другой свободный радикал, содержащий карбоксильную группу (Y¹), связанную с другой свободнорадикальной подгруппой (•R).

В тех вариантах реализации, в которых производное органического соединения (Y) было амидным производным пероксидного соединения (так что Y¹ был амидогруппой, R был R¹, и Y² был группой C(═O)─O─O─(O═)C), при осуществлении Схемы II связи в соединении органического нанокомпонента ((NP)–Z) могут разрываться, как показано ниже, под действием нагревания смеси-предшественника (например, во время экструзии или горячего прессования) до температуры, например и без ограничения, от примерно 90 °С до примерно 120 °С.

(NP)–(H)N(O═)C─R¹–//–C(═O)─O–//–O─(O═)C–//–R¹─C(═O)NH₂

( Q ) ( Y² ) ( Y¹ )

Следовательно, в таком варианте реализации Схемы II (указанный вариант реализации в данном контексте упомянут как Схема II_D) две молекулы диоксида углерода (CO₂) образуются из группы Y², а радикалы образуются на каждой из групп R¹, как показано ниже.

(NP)–(H)N(O═)C─R¹• + CO₂ + CO₂ + •R¹─C(═O)NH₂ Схема II_D

( Q ) (R•) (A²) (A²) (•R) ( Y¹ )

Соответственно, при осуществлении Схемы II_D образуется нанокомпонент инициатора (Формулы I), имеющий углерод-центрированный свободный радикал и в котором наночастица связана со свободнорадикальной подгруппой (R•) через амидогруппу (─N─). Образуется также другой свободный радикал, содержащий амидную группу (Y¹), связанную с другой свободнорадикальной подгруппой (•R).

В тех вариантах реализации, в которых производное органического соединения (Y) было амидным производным диазасоединения (так что Y¹ был амидной группой, R был R², и Y² был диазенильной группой (N═N)), при осуществлении Схемы II связи в соединении органического нанокомпонента ((NP)–Z) могут разрываться, как показано ниже, под действием нагревания смеси-предшественника (например, во время экструзии или горячего прессования) до температуры, например и без ограничения, от примерно 140 °С до примерно 150 °С.

(NP)–(H)N(O═)C─R²–//–N═N–//–R²─C(═O)NH₂

( Q ) ( Y² ) ( Y¹ )

Следовательно, в таком варианте реализации Схемы II (указанный вариант реализации в данном контексте упомянут как Схема II_E), молекула азота (N₂) образуется из диазенильной группы, а свободные радикалы образуются на каждой из групп R², как показано ниже.

(NP)–(H)N(O═)C─R²• + N₂ + •R²─C(═O)NH₂ Схема II_E

( Q ) (R•) (A²) (•R) ( Y¹ )

Соответственно, как и в случае Схемы II_D, при осуществлении Схемы II_E образуется нанокомпонент инициатора (Формулы I), имеющий углерод-центрированный свободный радикал и в котором наночастица связана со свободнорадикальной подгруппой (R•) через амидогруппу (─N─). Образуется также другой свободный радикал, содержащий амидную группу (Y¹), связанную с другой свободнорадикальной группой (•R). Таким образом, разница результатов Схемы II_E по сравнению с результатами Схемы II_D заключается в образовании молекулы азота (N₂) в качестве побочного продукта (A²), а не двух молекул диоксида углерода (CO₂).

В тех вариантах реализации, в которых производное органического соединения (Y) было амидным производным дисульфидного соединения (так что Y¹ был амидной группой, R был R³, и Y² был группой S─S), при осуществлении Схемы II связи в соединении органического нанокомпонента ((NP)–Z) могут разрываться, как показано ниже, под действием нагревания смеси-предшественника (например, во время экструзии или горячего прессования) до температуры, например и без ограничения, примерно 200 °С.

(NP)–(H)N(O═)C─R³─S–//–S─R³─C(═O)NH₂

( Q ) ( Y² ) ( Y¹ )

Следовательно, в таком варианте реализации Схемы II (указанный вариант реализации в данном контексте упомянут как Схема II_F), побочный продукт (A²) не образуются, но свободные радикалы образуются на каждом из атомов серы, как показано ниже.

(NP)–(H)N(O═)C─R³─S• •S─R³─C(═O)NH₂ Схема II_F

( Q ) ( R• ) ( •R ) ( Y¹ )

Соответственно, при осуществлении Схемы II_F образуется нанокомпонент инициатора (Формулы I), имеющий сера-центрированный свободный радикал и в котором наночастица связана со свободнорадикальной подгруппой (R•) через амидогруппу (─N─). Образуется также другой свободный радикал, содержащий амидную группу (Y¹), связанную с другой свободнорадикальной подгруппой (•R).

В некоторых вариантах реализации свободнорадикальные подгруппы (R• и •R) нанокомпонента инициатора и другого свободнорадикального соединения могут быть химически идентичными (т.е. они могут иметь одинаковый состав элементов и структуру). В других вариантах реализации указанные свободнорадикальные подгруппы могут не быть химически идентичными, например, при включении дополнительных подгрупп или других элементов в одной или обеих свободнорадикальных подгруппах.

При in situ образовании нанокомпонента инициатора (Формулы I) в смеси-предшественнике, нанокомпонент инициатора, а также другие продукты Схем II_A–F, уже тщательно перемешаны с эластомерным материалом-предшественником в смеси-предшественнике в момент их образования. Таким образом, как только происходит образование нанокомпонента инициатора (Формулы I) по Схеме II, может происходить инициация сшивания полимерных молекул в эластомерном материале-предшественнике вследствие наличия in situ образованных нанокомпонентов инициатора с концевыми свободными радикалами.

По меньшей мере одна из главной цепи, боковой цепи и концевой цепи полимерной молекулы эластомерного материала-предшественника может содержать связь или группу, имеющую высокое сродство (т.е. реакционную способность или полярность) к свободному радикалу нанокомпонента инициатора (Формулы I), к другому свободнорадикальному соединению (•R─Y¹), или к обоим. Таким образом, полимерные молекулы могут быть связаны (например, ковалентно связаны) с нанокомпонентом инициатора, с другим свободнорадикальным соединением или с обоими. В некоторых вариантах реализации полимерные молекулы могут быть дополнительно связаны с другими полимерными молекулами или с другим доступным центром связывания на той же молекуле полимера. Несмотря на это образуется сшитый эластомерный материал, содержащий матрицу взаимосвязанных полимерных материалов, которые также взаимосвязаны с наночастицами через органическую подгруппу и по меньшей мере одну из простой эфирной группы (─O─) и амидогруппу (─N─). Одно из таких результирующих соединений «полимерного нанокомпозита» может иметь следующую формулу:

(NP)–Q–R–(Poly) Формула IX

где (Poly) представляет собой молекулу полимера. Сшитый эластомерный материал может содержать также соединения «полимерного органокомпозита», имеющего следующую формулу:

(Poly)─R─Y¹ Формула X

где молекула полимера связана (например, ковалентно связана) с другим свободнорадикальным соединением, полученным по Схеме II. В некоторых вариантах реализации полимерная молекула поперечно-сшитого эластомерного материала может быть связана с нанокомпонентом инициатора и с другим свободнорадикальным соединением с образованием полимерного соединения, имеющего следующую формулу.

(NP)–Q─R─(Poly)─R─Y¹ Формула XI

Сшитый эластомерный материал, содержащий полимерные нанокомпозиты, в соответствии с вариантами реализации настоящего описания может иметь повышенную механическую прочность и стойкость к истиранию благодаря матрице из взаимосвязанных наночастиц и полимерных молекул, по сравнению с поперечно-сшитым эластомерным материалом, содержащим только взаимосвязанные полимерные молекулы и диспергированные наночастицы, которые не связаны с полимерными молекулами. Кроме того, in situ образование нанокомпонентов инициатора из соединений органического нанокомпонента, которые уже хорошо диспергированы в смеси-предшественнике, содержащей эластомерный материал-предшественник, может обеспечивать более однородное сшивание полимерных молекул с образованием сшитого эластомера, по сравнению со стандартным способом, в котором реакционноспособные вулканизирующие агенты перемешивают в эластомерном материале-предшественнике.

Соответственно, описан способ получения сшитого эластомерного материала. Способ включает диспергирование в эластомерном материале-предшественнике по меньшей мере одного соединения с получением смеси-предшественника. Указанное по меньшей мере одно соединение содержит наночастицу, связанную с подгруппой через простую эфирную группу или амидогруппу. Смесь-предшественник нагревают для разрыва по меньшей мере одной связи по меньшей мере одного соединения с получением нанокомпонента инициатора, содержащего наночастицу и концевой свободный радикал. Затем нанокомпонент инициатора связывают с молекулой полимера эластомерного материала-предшественника.

ПРИМЕР

Один из конкретных примеров способа in situ получения нанокомпонента инициатора и способа применения нанокомпонента инициатора с получением сшитого эластомерного материала представлен ниже:

Во-первых, в соответствии со Схемой I углеродные нанотрубки (CNT) с гидроксильной функциональной группой подвергают взаимодействию с пероксидом янтарной кислоты в присутствии DCC с образованием воды и соединения органического нанокомпонента, по уравнению:

(CNT)–OH + HO(O═)C(CH₂)₂C(═O)─O─O─C(═O)(CH₂)₂C(═O)OH –^DCC→

H₂O + (CNT)–O(O═)C(CH₂)₂C(═O)─O─O─C(═O)(CH₂)₂C(═O)OH

где в соответствии со Схемой I

(NP) представляет собой (CNT),

X представляет собой группу OH,

Y представляет собой (HO(O═)C(CH₂)₂C(═O)─O─O─C(═O)(CH₂)₂C(═O)OH), где

Y¹ представляет собой карбоксильную группу (HO(O═)C),

R представляет собой (CH₂)₂, и

Y² представляет собой C(═O)─O─O─(O═)C,

(кат.) представляет собой DCC,

A¹ представляет собой воду (H₂O), и

Z представляет собой группу O(O═)C(CH₂)₂C(═O)OOC(═O)(CH₂)₂C(═O)OH, где

Q представляет собой O(O═)C.

Во-вторых, соединение органического нанокомпонента, полученное по Схеме I, смешивают с материалом-предшественником NBR с получением смеси-предшественника.

В-третьих, смесь-предшественник экструдируют и нагревают до температуры от примерно 90 °С до примерно 120 °С во время экструзии смеси-предшественника. В соответствии со Схемой II, термическая обработка смеси-предшественника приводит к разрыву связей в органическом нанокомпоненте с образованием in situ нанокомпонента инициатора, другого свободнорадикального соединения и диоксида углерода по уравнению:

(CNT)–O(O═)C(CH₂)₂C(═O)─O─O─C(═O)(CH₂)₂C(═O)OH –^нагр.→

(CNT)–O(O═)C(CH₂)₂• + 2CO₂ + •(CH₂)₂C(═O)OH

где в соответствии со Схемой II A² представляет собой 2CO₂.

В-четвертых, in-situ образованный нанокомпонент инициатора взаимодействует с полимерной молекулой, присутствующей в смеси-предшественнике, а другое свободнорадикальное соединение также может взаимодействовать с указанной полимерной молекулой или с другой полимерной молекулой, инициируя сшивание полимерного материала и превращая материал-предшественник NBR в сшитый NBR, содержащий полимерный нанокомпозит следующей формулы, в котором CNT ковалентно связан с молекулой полимера через по меньшей мере простую эфирную группу. Более конкретно, CNT ковалентно связан с простой эфирной группой, которая связана с органической подгруппой, которая ковалентно связана с полимерной молекулой.

(CNT)─O(O═)C(CH₂)₂─(Poly)

Поперечно-сшитый материал NBR может содержать также одно или более из следующих соединений.

(Poly)─(CH₂)₂C(═O)OH (т.е. полимерный нанокомпозит)

(CNT)─O(O═)C(CH₂)₂─(Poly)─(CH₂)₂C(═O)OH

Одна или более полимерных молекул поперечно-сшитого материала NBR также может быть взаимосвязана с другими полимерными молекулами или связана сама с собой.

В других конкретных вариантах реализации в качестве наночастицы (NP) может быть использована наночастица графена.

В других вариантах реализации производное органического соединения может представлять собой 4,4'-азобис(4-циановалериановую кислоту) (HO(O═)C(CH₂)₂C(CH₃)(CN)N═N(CN)(CH₃)C(CH₂)₂C(═O)OH), и в таких вариантах реализации нанокомпонент инициатора и результирующий полимерный нанокомпозит могут иметь следующие формулы, соответственно:

(NP)–O(O═)C(CH₂)₂C(CH₃)(CN)•

(NP)–O(O═)C(CH₂)₃─(Poly)

где свободный радикал нанокомпонента инициатора может находиться на атоме углерода, с которым связана метильная группа (CH₃) и цианогруппа (CN).

В других вариантах реализации производное органического соединения может представлять собой пероксид глутаровой кислоты (HOOC(CH₂)₃C(═O)─O─O─C(═O)(CH₂)₃C(═O)OH), и в таких вариантах реализации нанокомпонент инициатора и результирующий полимерный нанокомпозит могут иметь следующие формулы, соответственно:

(NP)–O(O═)C(CH₂)₃•

(NP)–O(O═)C(CH₂)₃─(Poly)

где свободный радикал нанокомпонента инициатора может находиться на концевом атоме углерода (CH₂)₃ цепи. Таким образом, в примере с применением пероксида янтарной кислоты в качестве производного органического соединения (Y) получен нанокомпонент инициатора с подгруппой O(O═)C(CH₂)₂•, а в примере с применением пероксида глутаровой кислоты в качестве производного органического соединения (Y) получен нанокомпонент инициатора с подгруппой O(O═)C(CH₂)₃•.

Поперечно-сшитые эластомеры, полученные с применением нанокомпонента инициатора и/или способа получения в соответствии с любым из вариантов реализации настоящего описания, могут быть внедрены и использованы в скважинных инструментах или их компонентах. В качестве неограничивающих примеров, сшитый эластомер согласно вариантам реализации настоящего описания может быть включен в эластомерный уплотнительный элемент извлекаемого пакерного инструмента (фиг. 1 и 2), в герметизирующий элемент для пакера (фиг. 3) или в эластомерный элемент каркаса статора для винтового забойного двигателя (фиг. 4).

На фиг. 1 и 2 представлен вариант реализации извлекаемого пакерного инструмента. «Пакеры» представляют собой подходящие инструменты для герметизации пространств, разделяющих верхнюю и нижнюю части глубины скважины. То есть труба скважины, такая как гибкая или резьбовая эксплуатационная труба, например, может быть окружена кольцевым пространством между внешней стенкой трубы и внутренней стенкой обсадки скважины или стенкой скважины. Зачастую необходимо герметизировать указанное кольцевое пространство между верхней и нижней частями глубины скважины, и для этой цели может быть использован пакер.

Традиционно, герметизирующий элемент некоторых стандартных пакеров представляет собой одно или более смежных колец из резины или другого эластомера, который некоторым образом герметизирован между оправкой пакера и внутренней поверхностью трубы скважины, такой как обсадная колонна или хвостовик. Например, резиновое кольцо растягивают в радиальном направлении вплотную к обсадке или стенке скважины посредством приложенных в продольном направлении сил. Одним из более важных применений пакера скважины является изоляция требуемой части ствола скважины вдоль длины скважины, проходящей через определенную зону или толщу земли. В некоторых случаях изолированная зона содержит или образована в области чрезвычайно высокого давления скважины по сравнению со смежными областями кольцевого пространства скважины. Поэтому пакер может быть необходим для локализации чрезмерно большого перепада давления.

Извлекаемый пакерный инструмент 100 показан на Фиг. 1. Извлекаемый пакерный инструмент 100 содержит один или более эластомерных изолирующих элементов 158, которые могут быть расположены между верхним калибрующим кольцом 120 и нижним калибрующим кольцом 154. Изолирующие элементы 158 могут представлять собой NBR, HNBR, FEPM или FKM полимеры, сшитые в соответствии с любым из способов, описанных в настоящем документе. Таким образом, изолирующие элементы 158 могут быть получены с применением любого из нанокомпонентов инициатора, описанных в настоящем документе, и сшитый эластомер изолирующих элементов 158 содержит полимерный нанокомпозит, содержащий наночастицу, ковалентно связанную с полимерной молекулой через простую эфирную группу и амидную группу, и необязательно также через органическую группу.

Рабочее, исходное состояние извлекаемого пакерного инструмента представлено на фиг. 1, где пакерные элементы 158 разжаты между верхним калибрующим кольцом 120 и нижним калибрующим кольцом 154. Извлекаемый пакерный инструмент может быть затем расположен в требуемом положении забоя в обсадной трубе 160, как показано на фиг. 2. Затем давление флюида в расходном отверстии трубы может быть увеличено, передано через отверстие 130 оправки и направлено на нижний край поршневого пальца 144, вызывая сдвиг поршневого пальца 144 вверх и от стопорного кольца 146. После сброса давления, in situ давление скважины, направленное на поршень 124 соединительной оправки, вследствие сжатия притягивает верхнее калибрующее кольцо 120 к пакерным элементам 158 нижнего калибрующего кольца 154. Одновременно происходит вставка клиньев 118 и 150 в поверхность стенки обсадной колонны 160 (фиг. 1) для предотвращения продольного движения извлекаемого пакерного инструмента 100. Осевое сжатие пакерных элементов 158 обеспечивает расширение эластомерного материала в радиальном направлении с образованием непроницаемого для жидкости соединения с внутренними стенками обсадной колонны 160.

Другой вариант реализации забойного пакерного инструмента схематически показан на фиг.  3. Весь скважинный инструмент или изолятор зоны скважины (пакер) 300 в форме так называемого расширяющегося пакера имеет центральную опорную вставку или оправку 312, показанную в частичном поперечном сечении как имеющую, в целом, трубчатую форму, вокруг которой закреплен герметизирующий элемент 314 в форме баллона. Герметизирующий элемент 314 может содержать поперечно-сшитый эластомер, полученный в соответствии с любым из способов, описанных в настоящем документе. Таким образом, герметизирующий элемент 314 может быть получены с применением любого из нанокомпонентов инициатора, описанных в настоящем документе, и сшитый эластомер герметизирующего элемента 314 содержит полимерный нанокомпозит, содержащий наночастицу, ковалентно связанную с полимерной молекулой через простую эфирную группу и амидную группу, и необязательно также через органическую группу. Герметизирующий элемент 314, раздутый флюидом под давлением, приходит в контакт и изолирует ствол 316 скважины подземного пласта 318. Таким образом, в этой точке скважина 320 становится герметизированной.

Другой вариант реализации скважинного инструмента, содержащего компонент, который содержит сшитый эластомер, представлен на фиг. 4. Представлено боковое поперечное сечение приводной части 410 винтового забойного двигателя 400. Двигатель 400 представляет собой многоступенчатую установку, используемую для приведения в движение бурильного инструмента, такого как буровое долото и т.п., посредством прокачивания бурового раствора через приводную часть 410 двигателя 400. Для таких двигателей 400 типично, что привод статора/ротора превращает гидравлическую энергию бурового раствора во вращение и прецессионное движение для вращения функционально связанного бурового долота в скважине.

Приводная часть 410 двигателя 400 содержит внешний корпус 420, в котором расположен жесткий каркас 430 статора. Каркас 430 статора имеет винтовую, многозубчатую конфигурацию. Каркас 430 статора может быть изготовлен из жесткого материала, такого как металл или металлический сплав. Многозубчатый винтовой ротор 440 расположен в каркасе 430 статора и вращается в нем при прокачивании бурового раствора через каркас 430 статора для приведения в движение бурового долота.

Внутренняя поверхность 450 каркаса 430 статора облицована покрытием 460, которое может содержать эластомерный материал, выполненный с возможностью герметичного сцепления частей ротора 440 при его вращении в каркасе 430 статора. Покрытие 460 может содержать, состоять по существу или состоять из любых вариантов реализации сшитых эластомеров, описанных в настоящем документе, и покрытие 460 может быть получено в соответствии с любым из способов получения сшитых эластомеров, описанных в настоящем документе. Таким образом, покрытие 460 содержит полимерный нанокомпозит, содержащий наночастицу, ковалентно связанную с полимерной молекулой через простую эфирную группу или амидную группу, и необязательно также органическую группу.

В любом из скважинных инструментов или компонентов, изображенных на фиг. 1-4, содержащих сшитые эластомерные материалы в соответствии с вариантами реализации настоящего описания, эластомерные компоненты могут иметь более продолжительный срок эксплуатации, более высокую стойкость к истиранию и более высокую прочность по сравнению с обычными поперечно-сшитыми эластомерными компонентами, которые не содержат эластомер, сшитый с полимерными нанокомозитами. То есть взаимное связывание наночастиц с взаимосвязанным полимерным материалом обеспечивает улучшение механической прочности и стойкости к истиранию сшитого эластомерного материала. Кроме того, применение нанокомпонентов инициатора, образованных in situ, обеспечивает возможность хорошего диспергирования нанокомпонентов инициатора в эластомерном материале-предшественнике до инициации сшивания. Таким образом, сшитый эластомерный материал согласно вариантам реализации настоящего описания может быть сшит более равномерно, чем сшитый эластомерный материал, полученный стандартными способами, в которых реакционноспособные вулканизирующие агенты вводят в эластомерный материал-предшественник.

Соответственно, описан скважинный инструмент, содержащий сшитый эластомерный материал. Сшитый эластомерный материал содержит молекулу полимера, связанную с подгруппой, ковалентно связанной с наночастицей.

Ниже представлены дополнительные, неограничивающие, иллюстративные варианты реализации настоящего описания.

Вариант реализации 1: Нанокомпонент инициатора для сшивания эластомера, содержащий наночастицу, ковалентно связанную с подгруппой, содержащей по меньшей мере один свободный радикал.

Вариант реализации 2: Нанокомпонент инициатора по варианту реализации 1, отличающийся тем, что наночастица ковалентно связана с подгруппой через по меньшей мере одну из простой эфирной группы и амидной группы.

Вариант реализации 3: Нанокомпонент инициатора по варианту реализации 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один свободный радикал представляет собой концевой атом углерода.

Вариант реализации 4: Нанокомпонент инициатора по варианту реализации 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один свободный радикал представляет собой концевой атом серы.

Вариант реализации 5: Нанокомпонент инициатора по варианту реализации 1, отличающийся тем, что: наночастица представляет собой углеродную нанотрубку, и подгруппа имеет следующую формулу O(O═)C(CH₂)_x•, где x равен 2 или 3, и • представляет собой свободнорадикальный центр.

Вариант реализации 6: Скважинный инструмент, содержащий сшитый эластомерный материал, содержащий полимерную молекулу, связанную с подгруппой, которая ковалентно связана с наночастицей.

Вариант реализации 7: Скважинный инструмент по варианту реализации 6, отличающийся тем, что полимерная молекула ковалентно связана с подгруппой.

Вариант реализации 8: Скважинный инструмент по варианту реализации 6, отличающийся тем, что наночастица ковалентно связана с подгруппой через одну из простой эфирной группы и амидной группы.

Вариант реализации 9: Скважинный инструмент по варианту реализации 6, отличающийся тем, что указанный скважинный инструмент содержит пакерный инструмент, содержащий пакерный элемент, который содержит сшитый эластомерный материал.

Вариант реализации 10: Скважинный инструмент по варианту реализации 6, отличающийся тем, что указанный скважинный инструмент содержит винтовой забойный двигатель, содержащий приводную часть, которая содержит каркас статора, содержащий покрытие, которое содержит сшитый эластомерный материал.

Вариант реализации 11: Способ получения сшитого эластомерного материала, включающий: диспергирование в эластомерном материале-предшественнике по меньшей мере одного соединения с получением смеси-предшественника, причем указанное по меньшей мере одно соединение содержит наночастицу, связанную с подгруппой через простую эфирную группу или амидогруппу; нагревание смеси-предшественника для разрыва по меньшей мере одной связи в указанном по меньшей мере одном соединении с получением нанокомпонента инициатора, содержащего наночастицу и концевой свободный радикал; и связывание нанокомпонента инициатора с полимерной молекулой эластомерного материала-предшественника.

Вариант реализации 12: Способ по варианту реализации 11, дополнительно включающий перед стадией диспергирования приведение во взаимодействие функционализированной наночастицы с производным органического соединения, причем функционализированная наночастица содержит наночастицу, производное органического соединения выбрано из группы, состоящей из производного карбоновой кислоты пероксидного соединения, производного карбоновой кислоты диазасоединения, производного карбоновой кислоты дисульфидного соединения, амидного производного пероксидного соединения, амидного производного диазасоединения и амидного производного дисульфидного соединения.

Вариант реализации 13: Способ по варианту реализации 12, дополнительно включающий перед стадией диспергирования приведение во взаимодействие функционализированной наночастицы с производным органического соединения, причем функционализированная наночастица содержит наночастицу, производное органического соединения имеет следующую формулу:

Y¹─R─Y²─R─Y¹

где

Y¹ представляет собой одну из карбоксильной группы и амидной группы;

R представляет собой органическую группу; и

Y² представляет собой одну из C(═O)─O─O─(O═)C, N═N и S─S.

Вариант реализации 14: Способ по варианту реализации 11, отличающийся тем, что нагревание смеси-предшественника также приводит к образованию другого свободнорадикального соединения, помимо нанокомпонента инициатора.

Вариант реализации 15: Способ по варианту реализации 14, дополнительно включающий связывание другого свободнорадикального соединения с другой полимерной молекулой эластомерного материала-предшественника.

Вариант реализации 16: Способ по варианту реализации 11, отличающийся тем, что диспергирование в эластомерном материале-предшественнике по меньшей мере одного соединения включает охлаждение эластомерного материала-предшественника во время диспергирования указанного по меньшей мере одного соединения.

Вариант реализации 17: Способ по варианту реализации 11, дополнительно включающий перед диспергирование приведение во взаимодействие углеродной нанотрубки с гидроксильной функциональной группой с по меньшей мере одним из пероксида янтарной кислоты и пероксида глутаровой кислоты с получением по меньшей мере одного соединения, причем наночастица содержит углеродную нанотрубку, подгруппа содержит группу кислород-кислород (O─O), и углеродная нанотрубка связана с подгруппой через простую эфирную группу.

Вариант реализации 18: Способ по варианту реализации 17, дополнительно включающий выбор эластомерного материала-предшественника, содержащего материал-предшественник на основе бутадиен-нитрильного каучука (NBR).

Вариант реализации 19: Способ по варианту реализации 17, отличающийся тем, что нагревание смеси-предшественника включает нагревание смеси-предшественника для разрыва связи в группе кислород-кислород (O─O) указанной подгруппы.

Вариант реализации 20: Способ по варианту реализации 17, отличающийся тем, что нагревание смеси-предшественника включает получение другого свободнорадикального соединения, содержащего другой концевой свободный радикал, причем другое свободнорадикальное соединение содержит карбоксильную группу, связанную с органической группой.

Несмотря на то, что изложенное выше описание содержит много деталей, их следует толковать не как ограничение границ объема настоящего описания, а лишь как обеспечение некоторых вариантов реализации. Аналогично, другие варианты реализации нанокомпонентов инициатора, скважинных инструментов, компонентов скважинных инструментов и способов получения могут быть разработаны без выхода за границы объема настоящего описания. Например, признаки, описанные в настоящем документе со ссылкой на один из вариантов реализации, также могут быть представлены в других вариантах реализации, описанных в настоящем документе. Таким образом, объем изобретения указан и ограничен лишь прилагаемой формулой изобретения и ее законными эквивалентами, а не предшествующим описанием. Все дополнения, исключения и модификации вариантов реализации, описанных в настоящем документе, которые входят в сферу значения и границ объема формулы изобретения, являются предусмотренными настоящим описанием.

Изобретение относится к компонентам скважинных инструментов. Описан скважинный инструмент, содержащий сшитый эластомерный материал, содержащий полимерную молекулу, связанную с подгруппой, которая ковалентно связана с наночастицей, указанная подгруппа, ковалентно связанная с наночастицей, представляет собой -O(O=)С-группу или -N(O=)C-группу. Также описан способ получения скважинного инструмента. Технический результат: получен скваженный инструмент с улучшенной стойкостью к истиранию и прочности эластомеров. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Скважинный инструмент, содержащий сшитый эластомерный материал, содержащий полимерную молекулу, связанную с подгруппой, которая ковалентно связана с наночастицей, указанная подгруппа, ковалентно связанная с наночастицей, представляет собой -O(O=)С-группу или -N(O=)C-группу.

2. Скважинный инструмент по п. 1, отличающийся тем, что полимерная молекула ковалентно связана с подгруппой.

3. Скважинный инструмент по п. 1, отличающийся тем, что указанный скважинный инструмент содержит пакерный инструмент, содержащий пакерный элемент, который содержит сшитый эластомерный материал.

4. Скважинный инструмент по п. 1, отличающийся тем, что указанный скважинный инструмент содержит винтовой забойный двигатель, содержащий приводную часть, которая содержит каркас статора, содержащий покрытие, которое содержит сшитый эластомерный материал.

5. Способ получения скважинного инструмента по п. 1, включающий:

диспергирование в эластомерном материале-предшественнике по меньшей мере одного соединения с получением смеси-предшественника, причем указанное по меньшей мере одно соединение содержит наночастицу, связанную с подгруппой через простую эфирную группу или амидогруппу;

нагревание смеси-предшественника для разрыва по меньшей мере одной связи в указанном по меньшей мере одном соединении с получением нанокомпонента инициатора, содержащего наночастицу и концевой свободный радикал; и

связывание нанокомпонента инициатора с полимерной молекулой эластомерного материала-предшественника.

6. Способ по п. 5, дополнительно включающий перед стадией диспергирования приведение во взаимодействие функционализированной наночастицы с производным органического соединения, причем функционализированная наночастица содержит наночастицу, производное органического соединения выбрано из группы, состоящей из производного карбоновой кислоты пероксидного соединения, производного карбоновой кислоты диазасоединения, производного карбоновой кислоты дисульфидного соединения, амидного производного пероксидного соединения, амидного производного диазасоединения и амидного производного дисульфидного соединения.

7. Способ по п. 6, дополнительно включающий перед стадией диспергирования приведение во взаимодействие функционализированной наночастицы с производным органического соединения, причем функционализированная наночастица содержит наночастицу, производное органического соединения имеет следующую формулу:

Y¹-R-Y²-R-Y¹,

где

Y¹ представляет собой одну из карбоксильной группы и амидной группы;

R представляет собой органическую группу; и

Y² представляет собой одну из С(=O)-О-О-(O=)С, N=N и S-S.

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что нагревание смеси-предшественника также приводит к образованию другого свободнорадикального соединения, помимо нанокомпонента инициатора.

9. Способ по п. 8, дополнительно включающий связывание другого свободнорадикального соединения с другой полимерной молекулой эластомерного материала-предшественника.

10. Способ по п. 5, отличающийся тем, что диспергирование в эластомерном материале-предшественнике по меньшей мере одного соединения включает охлаждение эластомерного материала-предшественника во время диспергирования указанного по меньшей мере одного соединения.

11. Способ по п. 5, дополнительно включающий перед диспергированием приведение во взаимодействие углеродной нанотрубки с гидроксильной функциональной группой с по меньшей мере одним из пероксида янтарной кислоты и пероксида глутаровой кислоты с получением по меньшей мере одного соединения, причем наночастица содержит углеродную нанотрубку, подгруппа содержит группу кислород-кислород (О-О), и углеродная нанотрубка связана с подгруппой через простую эфирную группу.

12. Способ по п. 11, дополнительно включающий выбор эластомерного материала-предшественника, содержащего материал-предшественник на основе бутадиен-нитрильного каучука (NBR).

13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что нагревание смеси-предшественника включает нагревание смеси-предшественника для разрыва связи в группе кислород-кислород (О-О) указанной подгруппы.

14. Способ по п. 11, отличающийся тем, что нагревание смеси-предшественника включает получение другого свободнорадикального соединения, содержащего другой концевой свободный радикал, причем другое свободнорадикальное соединение содержит карбоксильную группу, связанную с органической группой.