Реагент-стабилизатор для минерализованного бурового раствора и способ его получения

(21) 40717 (22) 31.03 (46) 29.02 (71) Инсти мии воды и (72) В.А,Я 88, Бюл. У 8ут коллоидной химм. А.В. Думанскогоеменко, В.Ю.ТретиЛ.М. Амосова,нко и Л.А. Павлов3.144,3(088.8)кое свидетельствол. С 09 К 7/02, 1е свидетельство Сл. С 09 К 7/02, 1 и х Б,Д. Емчук Е.Н. Игнат (53) 622,2 (56) Автор В 998485,Авторск У 998484,СССР81. О,.(54) РЕАГЕ РАЛИЗОВАНН СПОСОБ ЕГО (57) Изобр гии бурени ния - повыш пящих свой следующие ношении, м ЗАТОР ДЛЯГО РАСТ МИН РА Инолои креержит соотл ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ Т-СТАВИЛИГО БУРОВО ВО ПОЛУЧЕНИЯтение относится кскважин. Цель изо ение солестойкости тв реагента. Он со ингредиенты при их с.Х: полиакрилонит 7-16; гидроксид щелочного металла8-12; лигносульфонат (ЛСФ) 4,0-14,0;нитрилотриметплфосфоновая кислота5-16; вода остальное. Для получения реагента производят щелочной гидролиз полиакрилонитрила в присутствииЛСФ в течение 45-60 мин. Вводят ЛФСв реакционную смесь в кол-ве 20-25%от общей массы ЛСФ, Оставшееся кол-воЛСФ предварительно смешивают с китрилотриметилфосфоновой кислотой при65-70 С в течение 30-45 мин. Затемполученную смесь вводят в реакционную смесь и продолжают ее гидролиэ35-45 мин. Реагент представляет собой темно-коричневую жидкость, Данный реагент и способ его получениямогут быть использованы для приготовления противофильтрационных компонентов на основе глинистых пород привозведении различного рода защитныхгидротехнических сооружений, 2 с,п.ф-лы, 1 з,п. р-лы, б табл.Изобретение относится ктехнологии бурения скважин, в частности ксоставам для бурения и способам получения реагентов при обработке бу 5ровых растворов, и может быть использовано в условиях действия повышенных температур и солевой агрессии.Цель изобретения - повышение солестойкости и крепящих свойств реагентов.Поставленная цель достигается предлагаемым реагентом, включающим полиакрилонитрил, гидроксид натрия, лигно сульфонат, нитрилотриметилфосфоновуюкислоту и воду, а также способом егополучения.Согласно предлагаемому способу гидролиз ПАН проводят первоначально при 20наличии 20,0-25,0 лигносульфонатовв течение 45-60,0 мин, а затем в гидролизную смесь вводят продукт взаимодействия при 65-70,0 С лигносульфонатов (75-80,0 ) и нитрилотриметилфосФоновой кислоты и дополнительно продолжают омыление еще 35-50,0 мин,П р и м е р. Реагент получали следующим образом,70,0 г предварительно измельченной 30полиакрилонитрильной ткани с размеромволокон 1-2 мм помещали в колбу-реактор с обратным холодильником, кудадобавляли 500,0 мл 16,0 -ного водногораствора гидроксида калия и 8,0 млсульфит-спиртовой барды ССБ (20,0 от общего количества), разбавляли260,0 мл дистиллированной водой (согласно расчета), подогревали до 95,0 Си перемешивали в течение 450 мин. щООстальную часть ССБ 32,0 мл (80,0 отобщего количества) обрабатывали в реакторе-смесителе при перемешиваниии 65,0 С нитрилотриметилфосфоновойкислотой в количестве 50,0 г. Через30,0 мин продукт взаимодействия лигносульфонатов с кислотой сливали вемкость-накопитель, откуда по истечение времени гидролиза (45,0 мин),сливали в первый реактор-смесительи продолжали дополнительно гидролизполиакрилонитрила ПАН при 95,0 С35,0 мин.Полученный таким образом реагентстабилизатор представляет собой однородную темно-коричневую жидкость судельным весом 1, 12 г/см следующегосостава, мас. .: полиакрилонитрил 7,0,гидроксид калия 8,0; ССБ 4,0, нитрилотриметилфосфоновая кислота 5,0, вода остальное,В соответствии с указанным примером были приготовлены различные варианты реагента, отличающиеся количественным соотношением ингредиентов 0и способами приготовления, результаты исследования которых изложены втабл. 1-6,В качестве ПАН использовали отходы трикотажного производства, обрезки тканевого материала на основеполиакрилонитрильных волокон, гидроокись щелочного металла (натрия иликалия), нитрилотриметилфосфоновуюкислоту, лигносульфонаты (ССБ, СДБ),бентонит Черкасского месторождения.Глинистый буровой раствор с удельным несом 1, 18-1, 19 г/см приготавлиьвали путем разбавления бентонитовойпасты дистиллированной водой и перемешивали на высокооборотной мешалкепри 3000,0 об/мин в течение 2 ч, После первого часа диспергирования всистему вводили 2,0 мас. , СаС 1 и20,0 мас,ИаС 1. По истечении срокаперемешивания такую композицию обрабатывали предлагаемым реагентом вколичестве 8,0-10,0 мас.и известным,после дополнительного диспергирования в течение 30,0-40,0 мин получалибуровую композицию, пригодную к лабораторным испытаниям.Эксплуатационные характеристикибурового раствора, водоотдачу (В,см /30 мин) измеряли на приборе ВМ,предельное статическое напряжениесдвига (СНС , , дПа) - на прибореСНС, условную вязкость (УВ,с) - настационарном вискозиметре СПВ, пластическую прочность образцов (Р ,Па),набухших в фильтрате стабилизированного бурового раствора, измеряли методом конического пластометра.Термообработку бурового раствора производили в автоклавах.Предварительное приготовление смеси ПАН и щелочи при ограниченном количестве лигносульфонатов вызвано необходимостью уменьшения термодеструктивного воздействия щелочной средына молекулярную цепь полимера и проведения гидролиза оптимального количества Функциональных групп. При большем содержании лигносульфонатов(табл. 1 п. 1-4) понижается гидрофильность полимерной составляющей, чтоприводит к уменьшению активности реа,метилфосфоновой кислоты (далее в тексте-кислота) на первом этапе модифицирования ПАН происходит падение рНсистемы, что затрудняет осуществление процесса гидролиза полимера. Водоотдача минерализованной дисперсии(п.1-4) (В, см /30 мин), обработаннойреагентом, полученным согласно данно го варианта, даже при нормальных температурах превышает в несколько раздопустимые пределы, Несколько лучшиерезультаты получены (табл. 1, п,5,6)при обработке реакционной массы через 1545-60,0 мин смесью лигносульфонатови кислоты, Однако, эффективность стабилизации дисперсий таким реагентомоказывается ниже (п.7,8) (УВ,с,В,см /30 мин, СНС, дПа) по сравнениюс реагентом, полученным согласнопредлагаемого способа. Только при таком варианте гидролиза ПАН предлагаемый состав реагента оказывается достаточно устойчив к коагулирующему 25действию солей при повышенных температурах (п, 11, 12),Буровой раствор, содержащий2,0 мас,7 СаС 1и 20,0 мас.7 ИаС 1(А-А) (табл. 2) и содержащий 5, О мас. Т 30РеС 1 и 20,0 мас.ИаС 1 (Б-Б)(табл.2),обработанный полученным реагентом указанного в примере состава в количестве8,0 мас,Е, характеризуется следующимипоказателями: (А-А) - водоотдача (В,см /30 мин) 8,0; вязкость (УВ,с) 27,0,(Р , Па) 76,0 (табл. 2 пп.З и 15).Как 40видно из приведенных данных, использование предлагаемого состава реагента позволяет в значительной степениповысить термостойкость бурового раствора, а также способность последнего 45укреплять породы, слагающих стенкискважин: водоотдача бурового раствора, минерализованного солями СаС 1 вколичестве 2,0 мас.Е и ИаС 1 20,0 мас.Ж(А-А) (табл. 2) и минерализованногосолями ГеС 1 з в количестве 5,0 мас.7.и ИаС 1 20,0 мас,Х (Б-Б) (табл. 2.п,п.1-4; 8-10; 14-16) в 1,5-2,4 разаниже водоотдачи такой же системы, ностабилизированной известным реагентом (табл. 2, пп.5-7; 11-13, 17-19;23-25), а вязкость и СНСпредлагаемой композиции по сравнению с известной больше на 17,0-22,07,Для обоснования граничных значений содержания компонентов предлагаемого состава реагента были проведены опыты, идентичные вышеописанным технологии и примеру. Зависимость технологических характеристикбурового раствора от количественногосостава компонентов реагента, вводимого. в буровой раствор, представлены в табл, 3, где приведены такжесравнительные результаты обработкиминерализованного бурового растворапредлагаемым реагентом и известным,Заявляемые граничные значения компонентов реагента, полученного попредлагаемому способу, выбраны изусловий его использования в буровыхрастворах, работающих при повышенныхтемпературах и солевой агрессии. Установлено, что добавки нитрилофосфоновой кислоты способствуют повышению уровня стабилизации предлагаемымреагентом буровой дисперсии за счетнейтрализации коагулирующего действия солей, особенно солей многовалентных металлов, понижают возможность проявления пенообразования системы, При недостатке нитрилофосфоновой кислоты (нитрилотриметилфосфоновой кислоты меньше нижнего предела,например, 3,0 мас.Е, табл. 3, п.10)уменьшается гидрофильность реагентав присутствии солей, что усложняетпроцесс регулирования технологических параметров таких буровых дисперсий. Верхний предел содержания нитрилофосфоновой кислоты (табл. 3 п.11)зависит от концентрации электролитав объеме раствора и обусловлен необходимостью сохранения щелочной среды суспензии, а также экономическойцелесообразностью,При содержании в реагенте ПАНменьше нижнего предела, например5,0 мас.7(табл, 3 п.4), получают продукт с пониженной стабилизирующейтиксотропностью, особенно при повышенных температурах. Повышение добавок ПАН сверх расчетного количества (табл. 3, п,5) затрудняет процессомыления полимера, что приводит кпонижению относительного количествагидролизуемых групп в цепи полимера и ухудшению эффекта стабилизации минерализованных дисперсий.Предлагаемые концентрации гпдроксидов натрия или калия необходимы для осуществления щелочного гидроли 1377288эа полимерного вещества. При недостатке в объеме гидроксида щелочногометалла, например 6,0 мас.% (табл,З,п.6), усложняется процесс омыленияФункциональных групп полимера и получения макромолекул реагента линейного строения. Избыток щелочи в реакционном объеме (более 14,0 мас. ,табл, 3, п, 7) увеличивает щелочность 10системы, что приводит к возрастаниюнабухания глинистых составляющих выбуренной породы, обусловливая увеличение вязкости промывочной жидкостии вероятность проявления прихватов.Добавки лигносульфонатов способствуют увеличению адсорбционного взаимодействия в минерализованных растворахреагента с дисперсными частицами,увеличение содержания в композиции реагента лигносульфонатов вызывает приобработке бурового раствора усиленное ненообразование (табл, 3, п.9),тогда как недостаток ССБ (табл.З,п.8) приводит к понижению агрегативной 25 устойчивости дисперсной системы.Добавки лигносульфонатов на 1 этапе гидролиза в количестве 25,0 мас. позволяют обеспечить предподготовкумакромолекул ПАН к поликонденсационному взаимодействию последних с активированными лигносульфонатами (продукт взаимодействия ССБ или СДВ снитрилофосфоновой кислотой), а также уменьшить термодеструкцию полимера. Таким образом, удается защитить функ циональные группы ПАН от коагулирующего действия электролитов и повысить тем самым солестойкость реагента (табл. 4, п. 3,4,9, 10). При большем40 содержании лигносульфонатов (более 25,0 мас. ) проявляется действие стерических факторов, затрудняющих процесс омыления полимера и обусловливающих понижение его гидрофильности, что, как видно из полученных резуль 45 татов, ухудшает качество реагента (табл. 4, п. 5-8 11-14).Выбор пределов температурного режима обработки лигносульфонатов нитрилофосфоновой кислотой при 65,0- 50 70,0 С связан с необходимостью дополнительной активации молекул лигносульфонатов для повышения коагуляционной устойчивости межмолекулярного взаимодействия в объеме раствора при термосолевой агрессии, а также устранений проявления пенообразования. Верхнийо предел температуры выбран (70,0 С) из условий проведения процесса мягкого окисления ССБ, СДВ, тогда как при более низких, температурах, например 50,0 С, осуществление процесса затрудняется.Время дополнительного гидролиза в течение 50,0 мин обусловлено необходимостью завершения процесса омыления полярных групп полимера и последующего поликонденсационного связывания их с активированными молекулами лигносульфонатов (табл. 3, и. 2-4, 11-12). Дальнейшее увеличение времени гидро- лиза приводит к термодеструктивному разрушению полимерной составляющей и проявлениям пенообразования системы,,г что ухудшает качество получаемого продукта. Поэтому при обработке таким реагентом минерализованных дисперсий возникают затруднения в регулировании их технологических свойств и увеличивается расход реагента (табл.5, п, 5-10, 13-18).Верхние значения времени (45,0 мин) процесса взаимодействия лигносульфонатов и нитрилофосфоновой кислоты, атакже температуры процесса (70,0 С) определены из условий экономической целесообразности, поскольку дальнейшее увеличение времени процесса (табл.6, п,4,5;11,12), а также его температура (табл. 6,п. 6-9; 13-16) не способствуют повышению качества предлагаемого реагента.Исходя из полученных результатов (табл. 1-6) можно отметить, что состав и способ получения реагента обусловливают его высокое качество за счет низких значений водоотдачи минерализованных композиций при повышенных температурах. Реагент дает возможность также более эффективно регулировать вязкость и СНС буровых растворов, Пластическая прочность образцов твердой фазы, обработанных предлагаемым реагентом, на 25-28,0 больше аналогичных показателей дисперсий, обработанных известным. Таким образом, использование предлагае. мого реагента позволяет получать высококачественные буровые растворы при проводке нефтяных и газовых скважин в неустойчивых породах в условиях проявления солевой коагуляции и действия повышенных температур.Кроме того, предлагаемый реагент и способ его получения могут быть использованы для приготовления протиТаблица Технологические свойства бурового раствора мияервлнзоввиыого солями ХвС 1 25 О мвс,2 СвС 1 2 О мас,2обработанного 80 мвс.1 предлагаемого реагента, в зависимости от вариантов добавок в гидролнзыунснес лигиосулвфоивтов н нитрилофосфоиовой кислоты Состав ревгента мас,2 Технологические свойства бурового р-рвМаОИ ВодеВарианты добавок ССБ ислота УВ, с В, см/30 СИСи. Р, 10; Падпв 53,0 8,0 76,0 Добавки ССБ и кислоты вначале 4,0 гидролиэа 1 7,0 5,0 25,0 35/Ьб 2 16,0 2,0 42,0 Добавка ССБ вначале гнлоолизв 14,0 кислоты через 45-60 0 мин 16,0 320 27,0 40/54 57,0 61,0 3 70 8,0 760 4 6,0 120 42,0 23,0 5,0 29,0 37./56 4,0 16,0 35,0 4/5 У го,о 64,0 39/52 5 7,0 6 16,0 8,0 76,0 Добавка продукта вэаинолест,0 вия ССБ н кислоты через512,0 42,0 60,0 мин гидролнзв 140 5,0 27016,0 29,0 23,0 6 У,О 18,0 40/58 69 О 7 7,0 8,0 8 16,0 120 33/52 76,0 Добавки 20-252 ССВ вначалегидролиэа, а через 45-60 мии 42,0 продукт вэвимодст. ССБ - икислоты 4,0 5,0 27,0 7,0 71,0 770 14,0 16,0 . 29 О 35/5 У 5,0 28,0 36/43 После термоствтирования .лрн 175-180,0 С 9 7,0 8,0 76,0 Согласно п.5 10 16,0 2,0 420 Согласно п.б 11 7,0 8,0 76,0 Согласью п.7 12 60 12,0 42,0 Согласно п,8 5,0 30,0 4,0 650 14,0 16,0 340 230 38/49 бб,О 9,0 4,0 5,0 25,0 35/58 74,0 14,0 г16,0 27,0 7,0 37/54 750 вофильтрационных компонентов на основе глинистых пород при возведении различного рода защитных гидротехнических сооружений (пруды-шламонако 5 пители,-отстойники,-испарители и др) с целью предохранения подземных водных источников от загрязнения отходами промьппленных предприятий,Формула изобретения 1 О 1. Реагент-стабилизатор для минерализованного бурового раствора,включающий полиакрилонитрил, гидрооксид щелочного металла, лигносульфонат и воду, отличающийся тем, 15 что, с целью повышения солестойкости и крепящих свойств реагента, он дополнительно содержит нитрилотриметилфосфоновую кислоту при следующем соотношении ингредиентов, мас,/.:Полиакрилонитрил 7-16Гидроксид щелочногометалла 8-12Лигносульфонат 4-14Нитрилотриметилфосфоновая кислотаВода 2, Способ получения реагента-стабилизатора для минерализонанного бурового раствора, включающий щелочной гидролиз полиакрилонитрила в присутствии лигносульфоната и нагрев реакционной смеси, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения соле- стойкости и крепящих свойств реагента, щелочной гидролиз полиакрилонитрила в присутствии лигносульфоната ведут в течение 45-60 мин, причем лигносульфонат вводят в реакционную смесь в количестве 20-257. от общей массы лигносульфоната, а оставшееся количество лигносульфоната предварительно смешивают с нитрилотриметилфосфоновой кислотой, затем полученную смесь вводят в реакционную смесь и продолжают ее гидролиз в течение 35- 45 мин. 3. Способ по п. 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что смешение лигносульфоната и нитрилотриметилфосфоновой кислоты проводят при 65-70 С в течение 30-45 мин.После термостатированин при 175-180,0 С +7,0 29,0 13,0+9,0 30,0 25,0 После термостатирования при 175-180,0 С +7,0 -- 28,0 11,0 26/34 43,0 29/46 68,0 38/59 76,0 41/63 78,0 26/31, 52,0 26/39 57,0 23/32 64,01377288 таблнла 3Теялолотнчеснке свойства бтвового РаствоРа, кнпевалнеованного солакн аС 1 20,0 касЛ н СаС 1 т 2,0 нес,2стабнляаярованного 8,0 кас.й нредлагаекого реагента н невестек Теннологнчеснне свойства б оного летно Составагента кос 2 2 а ВодаУВ, с В, ск/ЭО СВСн,лЛа Р 10 ЦаП 4 Я Наой ССВаслота 4,0У,О 8,0 5,0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 б Ь В В 9 9 1 О 1 О 1 11 76,0 28,0 32/49 У 4,0 9,0 2 0 6,0 1 б О 14,0 6,0 35/55 77,0 42,0 ЗО 0 9,0 11 е 5 О 0 Э 2/56 76,0 28,0 8,0 0,5 59,0 65,5 9,0 0,0 5,0 36,0 25,0 28/36 64,0 51/65 72,0 38/60 65,0 18,0 10,0 9,0 10,5 21,0 63,0 29,0 15,6,011,5 4,0 26,0 9 О 10,5 1,О 47/У 2 6 Э,О 19,0 Э 5/54 70,0 9,0 3/,О 10,5 55,0 115 10020 10,5 27,0 66,011,5 10,015 16,0 28/ЗЭ 10,5 52,0466,5 25,0 14,О 56,0 ЗЗ 0 27/47 5 З О 9,0 3,0 26,0 28;О 60 33/59 77,0 9,0 8,0 515Восле теркостатнрованнн прн 17580 с 7,0 8,0 Зфо 1 О Э 5/57 Узко 8,0 40/61 Уб,о 10,0 37/63 Уб,о 76,0 Э 2,0 . 2 1 13 2 14 3 4,0ЗЗ,О 16,042,0 16,0 2,0 14 ео 9,0 10,5Врровой раствор, обработавна нааабтаж 31,05 15 2 ВеО ЗэО 16 13 12 го 10,0 85,0 35,0 21/34 81,0.28, О 26/31 57,0 26,0 2,0 28,0 6 Э,О 15,0 Ж После теркостатнровавнн прн 175-180;0 С40,0 12/19 61, О 17 12 Вео, 50 2,0 19,0 36,0 18/30 58,0 12,0 1 О,О 63,0 12,0 18 13 Таблица 4 тав реагента, насЛ "вода остально Технологические свойства буроаОН Кислот центрация Са ВХИ ДБ ясдоба)4,0 30,0 -йф 8;0 5,0 12,0 16,0 8,0 5,0 15,0 6,2 5 1,06 1601 1,0 25,0 12,46 7,0 0 Оа 21,0 26 2 6 О,О Техиологичесхие свойства бурового раствора, минерализованного солями КаС 120,0 мас.Х и СаС 1 2,0 масД и обработанного 8,0 мас.й предлагаемого реагента в зависимости от концентрации лигносульфонатов наэтапе гидролиза ПАВ14 1377288 13 10 Па 4 ь 4 23,0 18 После термостатирова при 175-180,0 С 25,0 9,0 27,0 7,0 0 14,0 19/36,0 32,0 ц а соляииеагентоидролит ства бурового раствора,2,0 иас.Еь обработан в зависимости от времен4мииерализованног го предлагаеицм дополнительного Технологические сво аС 1 20,0 мас.7 и СаС различной модификации ол УВьс Вьси 1/30 С дП Добавки реагента, месье ре интел ьногогидролиза,мин 3,0 24 ный сост 0 О Рр 8,0 8/ 0 3 Р-р 4 Р 9,66,0 25/39 27/35 25,0 60, 60 7 68,5,0 6 Р-р 30/4,О 12,0 1 + 9,0 1 + 7,0 2 ь 9,0О 65,7,0 990 4/37 21,0 70 5-80,0 осле термостатироваиия приО 50,06 1377288 Продолжение табл,5 Р 10,Па 60,0 20,0 22,0 И/З 6 65,0 15 Р"р 1+ 9,0 16 Р-р 1+ 7,0 70,0 15,0 гз,О 13/ЗО 56,0 17 Рр 1+80 17/З 4 59,0 70 О 15,0 25,0 7 О,О 19,0 гЗ,О 21/37 61) 0 Таблица 6 18 Рр 1+90 Влияние температуры и времени получения продукта взаимодействия лигносульфонатов и нитрилофосфоновой кислоты на стабилизирующую способность предлагаемого реагента (при обработке бурового раствора, минерализованного солями ИаС 1 20,0 мас.7. и СаС 1 2,0 мас7) Р Концентрация Темпера- Время, УВ,с В, см /30 СНС ,дПа Р 10 Пазп/п раствора, мас.7 тура, С мин 26/34 24 уО 40 эО 43,0 38/59 45,0 27,0 8,0 8,0 70,0 76,0 41/68 45,0 9,0 45,0 31,0 60,0 29,0 60,0 26,0 45,0 30,0 45,0 25,0 6,0 78,0 32/57 8,0 70,0 15,0 70,0 36/48 13,0 9,0 70,0 66,0 27/36 19,0 8,0 80,0 62,0 34/49 9,0 80,0 16,0 65,0 25/34 24,0 60,0 80,0 8,0 56,0 19,0 27/40 90800 600 210 22,0 60,0 После термостатирования при 175-180,0 С 45,0 30,0 42/67 9,0 10 70,0 7,0 75,0 60,0 23,0 24,0 8,0 29/42 70,0 64,0 12 27/40 9,0 70,0 60,0 21,045,0 1,О 21,0 63,0 25/45 36,0