Investigation of pre- and post-swelling behavior of elastomeric material.

In the last ten years, a new type of modern polymer, known as swelling elastomer, has been used extensively as a sealing element in the oil and gas industry. These elastomers have been instrumental in various new applications such as water shut off, zonal isolation, and sidetracking. Though swell packers can significantly reduce costs and increase productivity, their failure can lead to serious losses. The integrity and reliability of swelling elastomer seals under different field conditions is a major concern. The investigation of changes in material behavior over a specified swelling period is a necessary first step for performance evaluation of elastomer seals. The current study is based on experimental analysis of changes in geometric and mechanical behavior (hardness, tensile, compressive, bulk) of an elastomeric material due to swelling. Tests were carried out before and after various stages of swelling. Specimens were placed in saline water (0.6% and 12% concentrations) at a temperature of 50°C, with the total swelling period being one month. Swelling, hardness, compression, and bulk tests were conducted using disc samples, while ring samples were used for tensile experiments. A small test rig was designed and constructed for determination of bulk modulus. Stress-strain curves under tension and compression, and pressure volumetric-strain curves were obtained for specimens subjected to different swelling periods. Due to the fast-swell nature of the elastomer, there were sharp changes in mechanical properties within the first few days of swelling for both salinities. Elastic modulus derived from tensile and compressive tests showed a 90% decrease in the first few days. Bulk modulus showed fluctuation in its variation with an increasing swelling period. There was a small effect of salinity only during the first 5 or 6 days.

Member of

Journal articles

ISSN

1726-6742

Resource URL

https://hdl.handle.net/20.500.12408/4734

Citation

Akhtar, M., Velden, M. D., & Al-Houqani, S. S. A. (2013). Investigation of pre- and post-swelling behavior of elastomeric material. The Journal of Engineering Research, 10 (1), 65-79.

Arabic abstract

خلال السنوات العشر الماضية، وجد نوع جديد من مواد البوليمر تعرف باسم اللدائن المتورمة ذات نطاق استخدام واسع كعنصر عزل في قطاع النفط والغاز. وقد كان لهذه اللدائن دورا أساسيا في ظهور تطبيقات جديدة مختلفة مثل منع تسرب المياه، وعزل المناطق، وعمليات الحفر الجانبي، وغيرها من التطبيقات المشابهة. ولكن على الرغم من مقدرة هذا النوع من اللدائن على تقليل التكاليف وزيادة الإنتاجية بشكل كبير، إلا أن فشلها قد يؤدي إلى خسائر فادحة. ومن هذا المنطلق فإن سلامة وموثوقية اللدائن المتورمة تحت الظروف الميدانية المختلفة يمثل مصدر قلق كبير، إذ أن التحقيق في تغيرات سلوك المادة خلال فترة زمنية محددة من التورم هو خطوة أولى ضرورية لتقييم أداء هذا النوع من مواد العزل. وتستند الدراسة الحالية إلى إجراء دراسة تجريبية تهدف إلى تحليل التغيرات في سلوكيات هذه المواد بسبب التورم لتشمل أشكالها الهندسية وخصائصها الميكانيكية (مثل : الصلابة، وقوتي الشد والضغط، وكذلك معامل تغير الحجم). وقد أجريت الاختبارات قبل و بعد مراحل مختلفة من التورم حيث وضعت العينات في المياه المالحة (بتركيز 0.6% و12%) عند درجة حرارة 50 درجة سيليزية وقد استغرقت فترة الدراسة لهذه المجموعة مدة شهر واحد. وقد تم إجراء التجارب الخاصة بدراسة التورم، والصلابة والضغط ومعامل تغير الحجم باستخدام عينات على شكل أقراص في حين استخدمت عينات على شكل حلقات دائرية لإجراء تجارب الشد. كما تم تصميم وتشييد جهاز اختبار صغير التحديد معامل نغير الحجم، حيث تم الحصول على منحنيات الإجهاد والاستطالة لحالات الشد والضغط ومعامل تغير الحجم وذلك لعينات تم تعريضها لاختبارات التورم على فترات زمنية مختلفة. ونظرا لطبيعة التورم السريع لهذا النوع من اللدائن، فقد كانت هناك تغييرات حادة في الخصائص الميكانيكية في غضون الأيام القليلة الأولى من عملية التورم (لكل من تركيزات المياه المالحة). حيث أظهرت النتائج بأن معامل المرونة (من اختبارات الشد والضغط) قد أظهر انخفاضا بمقدار 90% في الأيام القليلة الأولى، في حين أظهرت النتائج بأن معامل التغير في الحجم قد أظهر بعض التذبذب في التغير مع زيادة فترة التورم. أما تركيز الملوحة فقد أظهر تأثيرا قليلا خلال 5 أو 6 أيام الأولى فقط.