Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0121

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0121
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт технической химии Уральского отделения Российской академии наук
Название доклада
Исследование акрилатных сополимеров и разработка на их основе импортозамещающих смазочных добавок для буровых растворов
Докладчик
Стрельников Владимир Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Исследование и разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание импортозамещающего универсального понизителя трения на сополимерной акрилатной основе, применяемого в качестве добавки для буровых растворов, обеспечивающих повышение эффективности эксплуатации оборудования при бурении нефтяных и газовых скважин в сложных горно-геологических условиях.
Актуальность и новизна исследования
В мировой практике в качестве смазочных добавок для снижения гидродинамического сопротивления турбулентных водных потоков широкое распространение получили реагенты на основе сополимеров акриламида с ионогенными и неионогенными мономерами. Возросшие технико-экономические требования к проведению работ в нефтедобывающей отрасли, связанные со сложными горно-геологическими условиями бурения, обусловили необходимость увеличения стойкости сополимеров, являющихся активным компонентом смазочных добавок, к повышенным температурам и минерализации. Показано, что свойства сополимера определяются типом и соотношением звеньев в его цепи. Так, увеличение термостойкости сополимеров получают путем введения в их состав звеньев акрилонитрила, достижение требуемой стойкости в кислых средах – сополимеризацией акриламида с 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислотой, растворимость в водной фазе обеспечивается использованием акриламида. Однако введение различных функциональных звеньев может привести к росту жесткости цепи акрилатного сополимера, что, в свою очередь, негативно скажется на снижении гидродинамического сопротивления водного потока данными сополимерами. Данные зависимости необходимо учитывать при разработке способов получения акрилатных сополимеров для буровых смазочных добавок, характеризующихся способностью снижать гидродинамическое сопротивление водных потоков в условиях термической, кислотной и солевой агрессий.
Описание исследования

Объектами исследования в настоящей работе были выбраны сополимеры акриламида [АА], нитрила акриловой кислоты [НАК] и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты [АМПСК] с мольным соотношением мономеров (мол. %) в диапазоне [АА]:[НАК]:[АМПСК] = 50-100: 0-20: 0-30, синтезированные по разработанной на первом этапе проекта методике радикальной сополимеризации в водных растворах. 

Химический состав акрилатных сополимеров рассчитывали по данным термического, элементного анализа на серу и ИК-Фурье спектроскопии. Термический анализ сополимеров проводили термогравиметрическим методом. Устойчивость к гидролизу сополимеров оценивалась методом ИК-Фурье спектроскопии образцов после выдержки в автоклавах при 180 ˚С в течение 5 ч. Термосолестойкость акрилатных сополимеров исследовалась фотометрически по изменению коэффициента светопропускания при добавлении хлорида кальция.

Молекулярно-массовые характеристики исследуемых сополимеров определялись исходя из их характеристической вязкости на основании уравнения Марка-Куна-Хаувинка, а так же методом динамического светорассеяния в сильноразбавленных водных растворах..

Способность сополимеров снижать гидродинамическое сопротивление течению потока жидкости оценивалась на разработанном в ходе выполнения проекта Индустриальным партнером лабораторном турбулентном реометре капиллярного типа. Гидродинамическую эффективность сополимеров оценивали по относительной величине снижения гидродинамического сопротивления.

Результаты исследования

Разработана методика синтеза акрилатных сополимеров на основе акриламида [АА], нитрила акриловой кислоты [НАК] и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты [АМПСК] с мольным соотношением мономеров (мол. %) в диапазоне [АА]:[НАК]:[АМПСК] = 50-100: 0-20: 0-30.

Показано, что образцы сополимеров с мольным соотношением мономеров [АА]:[НАК]:[АМПСК] = 50-100: 0-20: 0-30 являются устойчивыми к термической деструкции в атмосфере воздуха до 200 ˚С. В температурном интервале 200−320 ˚С термическая стабильность сополимеров повышается с увеличением содержания в них звеньев АМПСК.

Установлено, что в гидротермальных условиях 180 ˚С в течение 5 ч устойчивость тройных сополимеров АА-НАК-АМПСК к гидролизу повышается с увеличением содержания в них звеньев АМПСК, что обусловлено проявлением электростатического эффекта.

Определено, что сополимеры с мольным соотношением мономеров [АА]:[НАК]:[АМПСК] = 50-100: 0-20: 0-30 устойчивы к растворам CaCl2 с концентрацией до 7 масс %. Показано, что устойчивость тройных сополимеров, подвергшихся гидротермальной обработке при 180 ˚С в течение 5 ч, к добавкам CaCl2 с концентрацией до 7 масс % сохраняется при содержании звеньев АМПСК свыше 20 моль %.

Увеличение содержания AMПCК в исходной мономерной смеси от 5 до 30 мол% приводит к уменьшению значений среднемассовой молекулярной массы сополимеров.

Разработан и создан лабораторный стенд для исследования эффективности снижения потерь давления на трение сополимерами и универсальными смазочными добавками при высоких скоростях потока жидкости в нормальных условиях, условиях повышенных температур, кислотной и солевой агрессий.

Максимальное значение эффекта снижения гидродинамического сопротивления DRmax для полученных сополимеров находится в интервале 70 – 80 %.

Увеличение содержания в сополимере звеньев АМПСК c 5 до 30 % приводит к увеличению оптимальной концентрации сополимера Сопт, обеспечивающей DRmax, в 4-5 раз. . Увеличение оптимальной концентрации напрямую связано с уменьшением среднемассовой молекулярной массы сополимеров, а так же с повышением жесткости цепи акрилатного сополимера.

Практическая значимость исследования
Мировая практика показала, что наиболее эффективными компонентами, снижающими гидравлическое сопротивление являются полиакриламиды. Существенным недостатком данного класса полимеров является то, что они утрачивают свои свойства при увеличении температуры среды свыше 100 oС, при значении рН ниже 5, а также в солевых растворах. Все эти недостатки приводят к невозможности использовать данный класс полимеров в качестве понизителя трения в буровых растворах для сложных условий бурения. Проведенные исследования показали, что сополимеры акриламида и его неионогенных производных, сульфопроизводных акриламида, акрилонитрила и акриловой кислоты способны проявлять свои свойства в условиях термосолевой и кислотной агрессии среды. Однако на сегодняшний день подобный класс материалов не производится в РФ и отсутствуют технологии по их производству. Кроме того, в ходе патентных исследований было показано, что основная масса синтезированных на западе сополимеров полиакриламида способно качественно решить только одну из задач (например, повысить термостойкость раствора сополимера), не решая при этом комплексной проблемы. В связи с выше перечисленным, на сегодняшний день остро стоит задача по разработке и созданию отечественных универсальных смазывающих добавок для буровых растворов для бурения в обычных и сложных горно-геологических условиях. Разработка комплексного подхода к исследованиям конкурентоспособных импортозамещающих технологий в области смазывающих добавок позволит существенно повысить эффективность проведения эксплуатационного и разведочного бурения скважин на нефть и газ в сложных горно-геологических условиях, а также снизить техногенную нагрузку на окружающую среду в регионах добычи.