CC BY
19
УДК 544.032.72
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2022-1-2-83-87
СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ КОМПОЗИЦИЙ КРАХМАЛА И КАМЕДИ ДЛЯ ДИСПЕРСИОННЫХ СРЕД
SYNERGISTIC EFFECT OF STARCH AND GUM COMPOSITIONS FOR DISPERSION MEDIA
Логинова М.Е.1, Тептерева Г.А.1, Баулин О.А.1, Мовсумзаде Э.М.1, 2, Бабкина А.А.1, Четвертнева И.А.1, Чуйко Е.В.1, Ахтямов Э.К.1
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7077-8705, E-mail: ufamel@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2328-6761, E-mail: teptereva.tga@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6798-0205, E-mail: rector@rusoil.net ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7267-1351, E-mail: eldarmm@yahoo.com ORCID: http://orcid.org/0000-0002-1109-3850, E-mail: anna.babkina02@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6798-0205, E-mail: chetvrtnevaia@mail.ru E-mail: chuikoegor1997@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4167-4509, E-mail: erik-ah@mail.ru
2 Российский государственный университет им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), 117997, Москва, Россия
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7267-1351, E-mail: eldarmm@yahoo.com
Резюме: Статья посвящена особенностям совместного использования крахмала и камеди в биополимерных буровых растворах. Применением корреляционно-регрессионного анализа удалось выявить закономерности влияния данных реагентов на показатель фильтрации, индекс консистенции и показателя нелинейности как каждого отдельно реагента, так и их совместного действия. На основании расчетных данных были получены уравнения регрессии, с помощью которых была визуализирована зона, определяющая использование конкретных значений концентраций указанных реагентов при применении данных растворов.
Ключевые слова: крахмал, камеди, синергетический эффект, уравнение регрессии, модель уравнения, математический подход, псевдопластичные свойства, показатель консистенции, показатель нелинейности.
Для цитирования: Логинова М.Е., Тептерева Г.А., Баулин О.А., Мовсумзаде Э.М., Бабкина А.А., Четвертнева И.А., Чуйко Е.В., Ахтямов Э.К. Синергетический эффект композиций крахмала и камеди для дисперсионных сред // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2022. № 1-2. С. 83-87.
DOI: 10.24412/0131-4270-2022-1-2-83-87
Благодарность: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта по гранту № 1929-07471 мк.
Введение
Приоритетными направлениями по интенсификации добычи углеводородного сырья стали технологии, основанные на бурении горизонтальных скважин и боковых стволов из старого фонда скважин с горизонтальным окончанием [1-2]. Это направление с начала XXI века развивается весьма интенсивно, и конечный результат при бурении указанных скважин напрямую связан с наличием у применяемого бурового раствора повышенных псевдопластичных и стабилизирующих свойств.
Marianna E. Loginova1, Galina A. Teptereva1, Oleg A. Baulin1, Eldar M. Movsumzade1,2, Anna A. Babkina1, Irina A. Chetvertneva1, Egor V. Chuyko1, Eric K. Akhtyamov1
1Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7077-8705, E-mail: ufamel@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2328-6761, E-mail: teptereva.tga@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6798-0205, E-mail: rector@rusoil.net ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7267-1351, E-mail: eldarmm@yahoo.com ORCID: http://orcid.org/0000-0002-1109-3850, E-mail: anna.babkina02@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6798-0205, E-mail: chetvrtnevaia@mail.ru E-mail: chuikoegor1997@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4167-4509, E-mail: erik-ah@mail.ru
2 Kosygin Russian State University (Technology. Design. Art)117997, Moscow, Russia
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7267-1351, E-mail: eldarmm@yahoo.com
Abstract: The article is devoted to the peculiarities of the joint use of starch and gum in biopolymer drilling fluids. Using correlation and regression analysis, it was possible to identify patterns of influence of these reagents on the filtration index, consistency index and the nonlinearity index of both each reagent separately and their combined action. Based on the calculated data, regression equations were obtained, with the help of which a zone was visualized that determines the use of specific values of the concentrations of these reagents when using these solutions.
Keywords: starch, gums, synergetic effect, regression equation, equation model, mathematical approach, pseudoplastic properties, consistency index, nonlinearity index.
For citation: Loginova M.E., Teptereva G.A., Baulin O.A., Movsumzade E.M., Babkina A.A., Chetvertneva I.A., Chuyko E.V., Akhtyamov E.K. SYNERGISTIC EFFECT OF STARCH AND GUM COMPOSITIONS FOR DISPERSION MEDIA. Transport and storage of Oil Products and hydrocarbons. 2022, no. 1-2, pp. 83-87.
DOI: 10.24412/0131-4270-2022-1-2-83-87
Acknowledgments: The reported study was funded by RFBR according to the research project No 19-29-07471 mk.
В этой связи биополимерные композиции, в состав которых входят камеди, являются наиболее эффективными из известных систем буровых растворов для горизонтального бурения [3]. Главная отличительная особенность этих систем - уникальность зависимости касательных напряжений системы (т) от градиента скорости (у) [4-8], описываемая уравнением Оствальда де Ваале:
т = Куп,
где К и п - показатели консистенции и нелинейности.
Уравнение характеризует псевдопластичные свойства раствора, благодаря которым обеспечивается качественная очистка горизонтального ствола скважины, более эффективный вынос выбуриваемого шлама [3].
При практическом применении композиции крахмала и камеди (в дальнейшем композиция К-2), в отличие от раздельного применения биополимеров крахмала или камеди, обнаружено, что композиция К-2 обеспечивает снижение фильтрационных характеристик (более 20%), повышение псевдопластичных свойств (24-26%). Можно предположить, что в зависимости от соотношения взятых компонентов изменяется конформация молекул камеди и крахмала, от которой зависит реакционная активность биополимерной композиции.
Метод исследования
С целью исследования обнаруженного эффекта авторами использовался метод корреляционно-регрессионного анализа [9], что позволило выявить закономерности влияния данных реагентов на фильтрационные (показатель фильтрации (ПФ), см3/30 мин) и псевдопластичные свойства (К, п) применительно к биополимерному раствору как для крахмала или камеди, так и для композиции К-2. Корреляционно-регрессионный анализ как метод стохастического моделирования позволяет на основании полученных уравнений регрессии (модель) выявить связи между исследуемыми величинами.
Принимаем, что вид функции Y = ^Х., Х2) является моделью, которая связывает изучаемый параметр со значениями факторов, лежащих в интервале между верхним и нижним уровнями. Эту функцию называют уравнением регрессии.
Результаты и их обсуждения
Тогда на основании результатов табл. 1-3 авторами были построены линейные модели для показателя фильтрации:
Таблица 1
Экспериментальные данные ПФ в растворе с применением различных концентраций крахмала
Крахмал,% ПФ, см3/30 мин
0,5 9
1 7,6
1,5 6,5
2 5
2,5
4,8
Таблица 2
Экспериментальные данные показателя фильтрации ПФ в растворе с применением различных концентраций камеди
Камеди, % ПФ, см3/30 мин
0,1 12
0,15 10,5
0,2 9,2
0,25 8,5
0,3
Таблица 3
Экспериментальные данные показателя фильтрации ПФ в растворе совместного применения различных концентраций крахмала и камеди
Крахмал,% Камеди, % ПФ, см3/30мин
0,5 0,1 7,5
1 0,15 6,4
1,5 0,2 5,5
2 0,25 4
2,5
0,3
3,2
|Рис. 1. Влияние реагентов на ПФ согласно уравнениям 1-2: а - крахмала, б - камеди
х2, %
| Рис. 2. Совместное влияние крахмала и камеди в растворе
и -
ПФ
■ ■ ■ ' влияние камеди +0,5% крахмала _ влияние только камеди на ПФ - ■ 1 влияние камеди +2,5% крахмала влияние камеди +1,5% крахмала
Y1 = 9,!
■ 2,2*.
^ = 13,76 - 20,8х,
2
Y3 = -19,44х1 ■
2
172,4*
2
(1) (2) (3)
где Y1, Y2, Y3 - функция показателя фильтрации для различной модели (1 - линейная модель для крахмала, 2 - линейная модель для камеди, 3 - линейная модель совместного действия), *1 - концентрация крахмала, х2 - концентрация камеди. Данные уравнения были проверены на адекватность с помощью критерия Фишера.
Анализируя уравнения 1-3, можно заметить, что увеличение концентраций данных реагентов в растворе ведет к понижению ПФ (отрицательное влияние), о чем говорит знак минус во всех уравнениях. Однако при совместном влиянии этих реагентов указанное влияние существенно и свидетельствует о численной величине коэффициента при переменных.
При использовании зависимостей 1-2 авторами были построены графики (рис. 1, 2).
Анализируя рис. 2, например при использовании 0,1% камеди, получаем ПФ = 11,8 см3, при добавлении 0,5% крахмала показатель фильтрации снижается на 40-42% (ПФ = 7 см3). Для 0,25% камеди показатель фильтрации снижается не более чем на 27-28% (ПФ = 8,5 см3).
Таким образом обнаружена зона непредпочтительного сочетания данных реагентов (например, при 0,25% камеди + 1,5% крахмала ПФ = 14 см3).
Аналогично были построены модели Y4 и Y5 для коэффициентов нелинейности (п) и показателя консистенции (К) для крахмала х1, Y6 и Y7 - для коэффициента нелинейности и показателя консистенции для камеди х2, а также Y8 и Yg для совместного влияния крахмала х1 и камеди х2 по результатам экспериментальных данных табл. 4-6.
Получены следующие зависимости:
Y4 = 0,7082 - 0,05X1
Y5 = 0,13 - 0,68X1 Y6 = 0,3934 - 0,248х2;
Y7 = 2,94 - 19,6*
2
(4)
(5)
(6) (7)
Таблица 4
Экспериментальные данные показателя нелинейности п и показателя консистенций К в растворе с применением различных концентрации крахмала
Крахмал, % п К
0,5 0,684 0,45
1 0,658 0,8
1,5 0,630 1,2
2 0,612 1,5
2,5 0,582 1,8
1 Таблица 5 1 Экспериментальные данные показателя нелинейности 1 п и показателя консистенции К в растворе с применением различных концентраций камеди
Камеди, % п К
0,5 0,367 4,4
1 0,354 6,2
1,5 0,352 7,3
2 0,328 8
2,5 0,318 8,4
1 Таблица 6
Экспериментальные данные показателя нелинейности п и К в растворе совместного применения различных концентраций крахмала и камеди
Крахмал, % Камеди, % п К
0,5 0,1 0,362 5,2
1 0,15 0,349 7,1
1,5 0,2 0,337 8,6
2 0,25 0,315 9,7
2,5 0,3 0,294 10,7
-0,7468х1 + 7,388х2 - 0,074286х1х2; (8)
Yg = -0,68х1 +59,2х2 - 7,4286х1х2;
(9)
Интерпретация полученных зависимостей показала, что в исследуемых моделях влияние концентрации крахмала х1 и камеди х2 на показатель нелинейности в моделях Y6) имеет обратное, а на показатель консистенции К в моделях Y7) прямое воздействие, о чем говорит знак при соответствующем х.
Причем влияние концентрации камеди х2 намного существеннее на показатель консистенции, о чем говорит численная величина коэффициента при х2 в уравнении 7. Однако при использовании К-2 (уравнение 9) положительного влияния концентрации крахмала на К (уравнение 5) уже не наблюдается, что оценивается как синергетический эффект, при котором наблюдается выраженная интеграция свойств двух реагентов К-2.
Исходя из полученных зависимостей 4-9, авторами были построены графики для композиции К-2, а именно влияние
8
|Рис. 3. Влияние совместного содержания камеди и крахмала в растворе на показатель нелинейности
Хт %
-0,5 %крахмала — ■ ■ 1.5 %крахмала
- - 2,5 %крахмала
|Рис. 4. Влияние совместного содержания камеди и крахмала в растворе на индекс консистенции
* J / У
** / У
s /
У / у
У / - г
* / > *
* / s / *
// *
/
/ / ■W*
0 0, 1 o, Xv % 2 0
0,5 %крахмала- -1.5 %крахмала
2,5 %крахмала
концентрации реагентов (х1, х2) на показатель нелийности п (рис. 3) и индекс консистенции К (рис. 4).
По нашему мнению, при установленных оптимальных соотношениях происходит изменение пространственных конформаций макромолекул, что может быть связано как с разным порядком гликозидных связей, так и с особенностями характера межмолекулярных взаимодействий.
Выводы
1. Получены аналитические зависимости показателя фильтрации ПФ, показателя нелинейности п, показателя консистенции К для водной дисперсионной среды с
использованием крахмала и камеди как отдельно, так и в составе композиции К-2.
2. Выявлен и математически обоснован синергетический эффект при применении исследованной биополимерной композиции К-2, которая в практическом аспекте позволяет снизить расход дорогостоящего компонента (камедь), стоимость которого превышает более чем в 3-4 раза стоимость крахмала.
3. Визуализирована зона совместных концентраций крахмала и камеди в составе К-2 реагентов для показателей фильтрации, консистенции и нелинейности, составившая для камеди 0,1-0,3%, для крахмала - 0,5-2,5%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ибатуллин В.В., Логинова М.Е., Дихтярь Т.Д. Синтетические промывочные жидкости для бурения скважин в сложных горно-геологических условиях // Сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. «Современные технологии в нефтегазовом деле - 2019». Уфа: Изд-во УГНТУ. С. 328-331.
2. Гирфанов В.Т., Логинова М.Е. Исследование реологических свойств бурового раствора // Тез. III науч.-практ. конф. c междунар. участием «Нефтегазовый комплекс: проблемы и инновации - 2018». Самара: Изд-во СГТУ. 2018. С. 54.
3. Четвертнева Н.А., Каримов О.Х., Тептерева Г.А., Акчурин Х.И. Практические аспекты применения буровых реагентов на основе природных полимеров на месторождениях Башкортостана // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 1. С. 42-47.
4. Голубев А.Е., Нешитова А.Н., Кувшинова С.А., Бурмистров В.А. Реологические свойства растворов пластифицированного диацетата целлюлозы // Изв. вузов: Химия и хим. технология. 2016. Т. 59. Вып. 2. С. 46-51. https://doi.org/10.6060/tcct.20165902.5303
5. Macosko C.W. Rheology: Principles, Measurements and Applications. VCH. NY. 1994. 487 p.
6. Ono Y., Ida D. A monte carlo study of the intrinsic viscosity of semiflexible ring polymers. Polymer J. 2015, vol. 47, no. 7, pp. 487-492.
7. Chakrabarty A., Teramoto Y. Recent advances in nanocellulose composites with polymers: a guide for choosing partners and how to incorporate them. Polymer J., 2018, no. 10(5), p. 517.
8. Maji S., Urakawa O., Inoue T. Viscoelastic properties and birefringence of phenolic resins. Polymer J., 2014, vol. 46, no. 5, pp. 272-276.
9. Гусейнзаде М.А., Калинина Э.В., Добкина М.Б. Методы математической статистики в нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра, 1979. 340 с.
REFERENCES
1. Ibatullin V.V., Loginova M.YE., Dikhtyar' T.D. Cinteticheskiye promyvochnyye zhidkosti dlya bureniya skvazhin v slozhnykh gorno-geologicheskikh usloviyakh [Synthetic flushing fluids for drilling wells in complex mining and
geological conditions]. Trudy mezhd. nauch.-tekhn. konf. «Covremennyye tekhnologii v neftegazovom dele - 2019» [Proc. of the International sci.-tech. conf. "Modern technologies in the oil and gas business - 2019"]. Ufa, 2019, pp. 328-331.
2. Girfanov V.T., Loginova M.YE. Issledovaniye reologicheskikh svoystv burovogo rastvora [Investigation of the rheological properties of drilling fluid]. Trudy III nauch.-prakt. konf. s mezhd. uchastiyem «Neftegazovyy kompleks: problemy i innovatsii, 2018» [Proc. of III scientific-practical. conf. with int. participation "Oil and gas complex: problems and innovations, 2018"]. Samara, 2018, p. 54.
3. Chetvertneva N.A., Karimov O.KH., Teptereva G.A., Akchurin KH.I. Practical aspects of the use of drilling reagents based on natural polymers in the fields of Bashkortostan. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2020, no. 1, pp. 42-47 (In Russian).
4. Golubev A.Ye., Neshitova A.N., Kuvshinova S.A., Burmistrov V.A. Rheological properties of solutions of plasticized cellulose diacetate. Izv. vuzov: Khimiya i khim. tekhnologiya, 2016, vol. 59, no. 2, pp. 46-51 (In Russian).
5. Macosko C.W. Rheology: principles, measurements and applications. VCH. NY. 1994. 487 p.
6. Ono Y., Ida D. A monte carlo study of the intrinsic viscosity of semiflexible ring polymers. Polymer J., 2015, vol. 47, no. 7, pp. 487-492.
7. Chakrabarty A., Teramoto Y. Recent advances in nanocellulose composites with polymers: a guide for choosing partners and how to incorporate them. Polymer J., 2018, no. 10(5), p. 517.
8. Maji S., Urakawa O., Inoue T. Viscoelastic properties and birefringence of phenolic resins. Polymer J., 2014, vol. 46, no. 5, pp. 272-276.
9. Guseynzade M.A., Kalinina E.V., Dobkina M.B. Metody matematicheskoy statistiki v neftyanoy i gazovoy promyshlennosti [Methods of mathematical statistics in the oil and gas industry]. Moscow, Nedra Publ., 1979. 340 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Логинова Марианна Евгеньевна, к.ф.-м.н., доцент кафедры бурения нефтяных и газовых скважин, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Тептерева Галина Алексеевна, д.т.н, проф. кафедры общей, аналитической и прикладной химии, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Баулин Олег Александрович, к.т.н., ректор, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Мовсумзаде Эльдар Мирсамедович, д.х.н., профессор, советник ректора, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство). Бабкина Анна Андреевна, бакалавр, кафедра разработки и эксплуатации нефтяных и газонефтяных месторождений, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Четвертнева Ирина Амировна, к.т.н., доцент кафедры бурения нефтяных и газовых скважин, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Чуйко Егор Валерьевич, аспирант, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Ахтямов Эрик Касимович, помощник президента, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Marianna E. Loginova, Cand. Sci. (Ph.-m.), Assoc. Prof. of the Department of Oil and Gas Well Drilling, Ufa State Petroleum Technological University. Galina A Teptereva, Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of General, Analytical and Applied Chemistry, Ufa State Petroleum Technological University.
Oleg A. Baulin, Cand. Sci. (Tech.), Rector, Ufa State Petroleum Technological University.
Eldar M. Movsumzade, Corresponding Member RAE, Dr. Sci. (Chem.), Prof., Adviser to the Rector, Ufa State Petroleum Technological University, Kosygin Russian State University (Technology. Design. Art). Anna A. Babkina, Bachelor, Department of Development and Operation of Oil and Gas-Oil Fields, Ufa State Petroleum Technological University. Irina A. Chetvertneva, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Oil and Gas Well Drilling, Ufa State Petroleum Technological University. Egor V. Chuyko, Postgraduate Student, Ufa State Petroleum Technological University.
Eric K. Akhtyamov, President "s assistant, Ufa State Petroleum Technological University.
