Научная статья на тему 'Гелеобразующие органосиликатные материалы'

Гелеобразующие органосиликатные материалы Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
292
46
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РАСТВОР ЩЕЛОЧНОГО СИЛИКАТ / ГЕЛЕОБРАЗУЮЩИЕ ОРГАНОСИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Кудина Елена

Авторами проведен ряд исследований процессов модифицирования раствора щелочного силиката натрия органическими реагентами, которые позволили из широкого круга органических компонентов выделить ряд таких, введение которых в ВРС приводит при определенных технологических приемах к формированию высокоэластичных композиционных гелей.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Кудина Елена

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Gel-forming organosilicate materials

The paper deals with the materials used in remedial cementing. It's shown that one of the prospective ways of creating new backfill materials is modifying alkali silicates solutions with organic reagents. A short overview of the fields of applying gel-forming materials is also presented, and the structure and properties of organosilikate gel-forming compositions and gels produced on their basis are investigated.

Текст научной работы на тему «Гелеобразующие органосиликатные материалы»

Гелеобразующие

органосиликатные

материалы

Развитие современного материаловедения связано с созданием композиционных материалов с улучшенными характеристиками и новыми функциональными возможностями. Актуальное направление исследований представляет разработка технологий для нефтедобывающей отрасли с целью проведения ремонтно-изоляционных работ (РИР) в эксплуатационных условиях. В связи с этим интенсивно создаются материалы герметизирующего, водоизолирующего или уплотняющего назначения.

Интенсифицирование разработок в данной области обусловлено тем, что в последние годы поддержание уровня добычи нефти в основном обеспечивается введением в эксплуатацию ранее построенных скважин и проведением капитального ремонта уже действующих объектов [1, 2]. Положительная суммарная динамика добычи нефти определяет требования к техническому состоянию трубопроводных систем, поддержанию их работоспособности и безопасности. Поэтому вырос спрос на гелеобразующие или самоотверждающиеся композиционные материалы, позволяющие проводить экспресс-ремонт трубопроводов с получением (при отверждении соответствующих растворов) прочных водонепроницаемых покрытий. Формирование геля или твердого материала из раствора может также обеспечить устранение коррозионно-техноло-гических дефектов трубопроводов в эксплуатационных условиях.

Интерес к данным разработкам проявляют как частные инвесторы, так и мировые гиганты нефтедобывающей промышленности. Появление большого количества водоизоляционных материалов и технологий [3] вызвано, прежде всего, высокой окупаемостью инвестиций, обеспечивающих создание новых соединений для проведения всего комплекса РИР.

Таким образом, разработка новых герметизирующих или уплотняющих композитов и технологий проведения водоизо-ляционных работ в эксплуатационных условиях востребована и является перспективным научно-техническим направлением.

Один из путей решения проблемы базируется на внедрении химических способов ограничения водопритока. Их суть состоит в закачке в скважины водоизоли-рующих композиций, селективно образующих в высокопроницаемых обводненных участках порового пространства пласта тампонажных (закупоривающих)

Елена Кудина,

ведущий научный сотрудник отдела Института механики металлополи-мерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси, доктор технических наук, доцент

материалов, создающих герметичный барьер на пути фильтрации воды. В мировой практике для проведения РИР применяется широкая номенклатура водоизо-лирующих композиций, отличающихся составом, особенностями приготовления, механизмами образования изоляционного материала [4]. По общепринятой классификации в РИР используются:

■ смеси на базе минеральных вяжущих веществ (тампонажный портландцемент ПЦТ-100, шла-копортландцементы типа ШПЦС, цементно-зольные смеси, шлаки, гипс и их модификации);

■ полимерные тампонажные материалы - тампонирующие смеси на базе органических вяжущих материалов (фено-лоформальдегидные смолы с полиэтилен-полиамидом (типа «Ремонт-Н» (ТСД-9)), карбамидные смолы М-19, вязкоупругие составы на основе сшитых полимеров

и др.);

■ цементно-полимерные растворы - тампонажные растворы, приготовленные на базе минеральных вяжущих материалов (СПВС-ТР, ТЭГ, ТС-10, аэросил и др.);

■ гелеобразующие водоизоля-ционные материалы (силикатные и полимерные гели (ГВМ, АКОР, РИТИН-10, СОФЭКСИЛ-20К, продукты 119-204, 119-296, ВТС-1, ВТС-2, ВТОКС и др.)).

Наиболее перспективными представляются гелеобразую-щие материалы, получаемые на основе минерального вяжущего

водного раствора силиката натрия (ВРС) [5, 6]. Сейчас интерес к применению последнего возрос благодаря его низкой стоимости, доступности, негорючести, нетоксичности и соответствию требованиям экологической безопасности реагента. Кроме того, водные растворы щелочных силикатов являются крупнотоннажными промышленно выпускаемыми продуктами отечественного производства.

В нефтедобывающей отрасли водорастворимые щелочные силикаты используются начиная с 1930-х гг. как добавка к цементным растворам, защитным покрытиям и др. [7]. Применение одного исходного раствора щелочного силиката не обеспечивает приемлемого сочетания физико-механических характеристик формируемого материала. К тому же широкое практическое применение ВРС сдерживается ввиду их плохой совместимости с органическими компонентами, хрупкости и низкой влагостойкости получаемых на их основе материалов, а также недостаточной изученности процессов коагуляционной стабильности многокомпонентных смесей и сложности получения композиций, оптимальных по времени гелеобразования и эксплуатационным свойствам. Следует отметить, что получаемый из ВРС гель достаточно прочен, однако разрушается под действием нагрузки. Поэтому в настоящее время исследования в данной области направлены преимущественно на устранение недостатков путем модифицирования ВРС органическими полимеробра-зующими реагентами, которые в процессе гелеобразования формируют эластичные сетки. Модифицирование растворов щелочного силиката натрия органическими реагентами позволяет получать гибридные продукты, обладающие высокими химической стойкостью и механической прочностью в сочетании с оптимальными теплофизическими характеристиками. Кроме того, при определенном сочетании

Базовый состав рН Время гелеобразования, ч

состава стандартные условия Т=75±2 °С

ВРС - органическая кислота 4 10,0-12,0 1,5-3,5

ВРС - органическая кислота -органический спирт 10 15,0-17,0 1,5-2,3

ВРС - АК(,) - Инр(2) 5 13,5-25,0 0,7-2,5

ВРС - АК - минеральная кислота - Инр 5-6 15,0-36,0 3,0-5,0

ВРС - АК - минеральная соль - Инр 6 45,0-50,0 6,0-6,5

ВРС - АА(3) - минеральная кислота - Инр 11 336,0-350,0 3,0-4,0

ВРС - АА - минеральная соль - Инр 10-11 420,0-450,0 2,5-3,0

АКОР-БНЮ2(4! (аналог, производство РФ) 1 стабилен 4,0-5,0

Примечания: (1)- мономер акриловой кислоты; (2) - инициатор реакции; (3) - мономер акриламида; (4) - коммерческий органосиликатный продукт на основе тетраэтоксисилана (РФ).

органических и неорганических компонентов можно получить высокоэластичные органоси-ликатные гели [5, 8]. Поэтому органосиликатные композиты являются перспективным классом материалов.

Физико-химическая сущность процессов, протекающих при модифицировании ВРС, заключается в том, что при взаимодействии реагентов образуется золь кремниевой кислоты, переходящий со временем в гель, или органосиликатный гель, в котором сформированы химически связанные полимерные силикатная и органическая матрицы. Таким образом, эффективность применения композиций на основе ВРС обусловлена двумя факторами: низкой вязкостью водных растворов композиций, позволяющей максимально заполнять объем порового пространствa, и формированием высокоэластичного водонепроницаемого геля, обеспечивающего закупоривание высокопроницаемых пропластков в водонасыщенной части пласта или «залечивание» поверхностных дефектов.

Тампонажным композициям на основе ВРС присущ ряд физико-химических свойств, позволяющих решать большой круг вопросов при проведении РИР:

■ широкая область регулирования сроков отверждения водного раствора силиката натрия с применением органических и неорганических отвердителей;

■ хорошая фильтруемость в поры пласта; способность

образовывать гомогенные смеси с глинистыми растворами, гипа-ном, полиакриламидом;

■ растворимость получаемой гелеобразной тампонирующей массы в водных растворах щелочей.

Важными предпосылками для широкого применения ВРС в эксплуатационных условиях являются: возможность разбавления коммерческого ВРС пресной водой в любом соотношении без осложняющих факторов и приготовления композиции непосредственно перед использованием, а также применение реагента в водоизоляционных работах в условиях высоких температур.

Нами проведен ряд исследований процессов модифицирования раствора щелочного силиката натрия органическими реагентами, которые позволили из широкого круга органических компонентов выделить ряд таких, введение которых в ВРС приводит при определенных технологических приемах к формированию высокоэластичных композиционных гелей. Разработанные органосиликатные композиции и получаемые на их основе гели обладают более высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению с широко используемым в настоящее время кремнийорганиче-ским изоляционным материалом зарубежного производства. В табл. 1 приведены свойства агрегативно устойчивых растворов композиций на основе ВРС, модифицированных органическими реагентами, которые

Таблица 1.

Свойства

разработанных

гелеобразующих

композиций

о х

X

5

X

о

X X

5

X

Базовый состав Свойства геля Стоимость 1 м3

прочность, кПа состояние раствора, долл.

ВРС - органическая кислота 22,0 вязкотекучий ~25

ВРС - органическая кислота -органический спирт 13,5 вязкотекучий ~80

ВРС - АК(,) - Инр(2) 14,9 эластичный ~210

ВРС - АК - минеральная кислота - Инр 60,0-400,0 эластичный ~240

ВРС - АК - минеральная соль - Инр 160,0-265,0 эластичный ~230

ВРС - АА(3)- минеральная кислота - Инр 77,5-80,3 эластичный ~100

ВРС - АА - минеральная соль - Инр 120,0-150,0 эластичный ~90

АКОР-БН102(4) (аналог, производство РФ) 14,9 хрупкий ~565

Примечания: (1)- мономер акриловой кислоты; (2) - инициатор реакции; (3) - мономер акриамида; (4) - коммерческий органосиликатный продукт на основе тетраэтоксисилана (РФ)

Таблица 2.

Свойства

разработанных

органосиликатных

гелей

Рис. 1.

Структура гелей на основе модифицированного ВРС

(номера составов приведены согласно табл.1)

образуют нерастворимые в воде высокоэластичные герметизирующие материалы.

В табл. 2 приведены сравнительные физико-механические характеристики гелей, полученных из разработанных стабилизированных гелеобразующих композиций и кремнийорганиче-ского изоляционного материала АКОР-БН102.

Полученные гели имеют сложную структуру (рис. 1), определяемую типом модификатора, нерастворимы в воде и обладают высокой водопоглощающей способностью (рис. 2).

После полного высушивания они могут сорбировать воду до полного восстановления первоначальной формы и эластичных свойств. Такая особенность сохраняется до 10 циклов процесса сорбция«десорбция.

Разработанный раствор композиции, закачанный в пласт с целью ограничения водоприто-ка, образует высокоэластичный гель, который обеспечивает по сравнению с исходным значением увеличение градиента давления до ~112 раз и снижение проницаемости модели пласта в ~121 раз (максимальное снижение

составляет 98,5%) [5]. Разработанная гелеобразующая композиция создает при пластовой температуре в модели достаточно прочный тампонажный материал, обладающий высокой водоизоли-рующей способностью, и по своим техническим характеристикам не уступает составу АКОР-БН102 (Россия).

Органосиликатные гелеобра-зующие растворы не токсичны и обладают низкой коррозионной активностью. По отношению к стали коррозионная активность разработанных органосиликат-ных композиций в 1,2-17,5 раза ниже в сравнении с широко применяемым в нефтедобывающей промышленности гелеобразу-ющим изоляционным раствором на основе тетраэтоксисилана АКОР-БН102. Сформированные гели не оказывают разрушающего действия на строительные материалы, а способствуют их упрочнению (рис. 3).

При контакте строительных материалов с гелеобразующи-ми композициями происходит упрочнение тампонажного цемента в 2,6 раза; красного кирпича - в 2,0; силикатного кирпича - в 1,2; кладочного це-

Viïfii ' ^ '

:Л ч^г/,...'.

Состав 1

Состав 2

Состав 3

■ * „А .. -'-», гл • ^

■ц V *r • ТИьл , ,

Состав 4

мента - в 1,3 раза по сравнению с материалом АКОР-БН102. Помимо этого, гелеобразующие органоси-ликатные композиции позволяют повышать до 55% адгезионную прочность соединений материал/ гель/материал, где в качестве материала могут быть использованы металл (алюминий, титан и др.), сталь, полипропилен, дерево. Сочетание высокой адгезии разработанных гелей и низкой коррозионной активности по отношению к металлам предопределяет возможность их использования в качестве герметизирующих материалов в металлических конструкциях.

Таким образом, в результате проведенных исследований разработаны гелеобразующие органосиликатные композиции, обладающие высокими водоизолирующими свойствами и отвечающие основным технико-эксплуатационным требованиям, предъявляемым к реагентам, предназначенным для ограничения водопритока в нефтяные скважины (низкая вязкость (менее 5 мПа^с), совместимость с пластовыми водами, приемлемое время гелеобразо-вания (2,3-6,5 ч) при пластовой температуре, высокие деформационно-прочностные характеристики гелей (до 400 кН/м2)), при существенно более низкой стоимости продукта (в 2-5 раз ниже коммерческого аналога). Гелеобразующие органосиликат-ные материалы могут эффективно применяться для проведения РИР независимо от вида и степени минерализации изолируемых вод при обводнении добывающих скважин в нефтегазодобывающей промышленности, создании водоизоляционных герметизирующих экранов в зонах с высокой

Состав 6

Состав 8

425 I 420

80

Состав 4 Состав 6 Состав 8

Рис. 2. Водопоглощение органосиликатных гелей, //, %

и низкой проницаемостью, при проведении гидроизоляции подземных сооружений (тоннелей, магистральных трубопроводов и др.), «залечивании» дефектов конструкций. Органосиликаты могут представлять перспективный класс материалов на основе широко распространенных, дешевых и экологически чистых коммерческих растворов силикатов в решении ряда материало-ведческих задач.

20 г

20

21,3 20,8

Initial Состав 4 Состав 6 Состав 2 Состав 8

50 40 30 20 10 0

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Initial Состав 4 Состав 6 Состав 2 Состав 8

34,7 36,4 36,8 35,2 36,6 35,7

Initial Состав 4 Состав 6 Состав 2 Состав 8

Initial Состав 4 Состав 6 Состав 2 Состав 8

Литература

1. Эффективность новых технологий ограничения водопритока, опробованных на нефтяных месторождениях РУП ПО «Бе-лоруснефть» в 2002-2003 гг. / В.В. Пирожков [и др.] // Сб. «Поиски и освоение нефтяных ресурсов Республики Беларусь» в 2 ч. - Гомель, 2004. Вып. 5. Ч. 2.

2. Диагностика и ограничение водопритоков / Б. Бейли [и др.] // Нефтегазовое образование. 2001, №1. С. 44-67.

3. Лазюк В. C чего начинается скважина / В. Лазюк // Нефтяник. 2010, №9. С. 3-4.

4. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Дадыка В.И. Материалы и реагенты для ремонтно-изоляционных работ в нефтяных и газовых скважинах. - М., 2004.

5. Гелеобразующая композиция на основе жидкого стекла для ограничения водопритока в скважины / Е.Ф. Кудина [и др.] // Вопросы химии и химической технологии. 2009, №2. С. 125-130.

6. Рогова Т.С. Обоснование технологии выравнивания профиля приемистости нагнетательных скважин на нефтяных месторождениях композициями на основе щелочных силикатно-полимерных гелей/ Автореф. дис. к-та техн. наук: ОАО «ВНИИнефть». - М., 2007.

7. Манырин В.Н. Физико-химические методы увеличения нефтеотдачи при заводнении / В.Н. Манырин, И.А. Швецов. -Самара, 2000.

8. Kudina E.F., Pechers ky G.G. Nanostructured Organosilicate Composites: Production, Properties, Application / E.F. Kudina, G.G. Pechersky // Resin Composites: Properties, Production and Application / Editor Deborah B.Song. - New York, 2011, Ch. 3. Pp. 101-128.

Рис. 3. Влияние

гелеобразующих

композиций

на прочность

минеральных

строительных

материалов:

а - цемент

тампонажный;

б - кирпич

керамический;

с - цемент

кладочный;

д - кирпич

силикатный

40

30

0

10

0

Конкурс совместных белорусско-вьетнамских проектов

25 ноября текущего года Государственным комитетом по науке и технологиям Республики Беларусь и Министерством науки и технологий Социалистической Республики Вьетнам объявлен совместный конкурс научно-технических проектов прикладного характера на 2015-2016 гг. Он проводится по следующим тематическим б направлениям: информационные технологии; лазерные технологии и лазерная техника; микроэлектроника; 1 нанотехнологии; биотехнологии; химические технологии; новые материалы; машиностроение; агротехнологии; Л медицина, фармация; беспилотные авиационные комплексы; энергетика и энергосбережение; технологии по ° охране окружающей среды. Н

Для участия в конкурсе необходимо представить в ГКНТ заявку на участие в совместном проекте, а также

комплект заявительных форм. Порядок подачи и рассмотрения документов будет осуществляться в соответствии §

с Положением о научно-технических проектах, выполняемых в рамках международных договоров Республики о

Беларусь, утвержденным постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 13.08.2003 г. №1065. I

Документы на конкурс принимаются до 7 марта 2014 г. |

ИринаЕМЕЛЬЯНОВИЧ

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.