Механохимическая технология переработки природных материалов для тампонирования нефтяных скважин при производстве ремонтно-изоляционных работ

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Разработка энергоресурсоэффективных экологически безопасных технологий переработки природного сырья в настоящее время является перспективным направлением развития химико-технологического инжиниринга [1].

Одними из подобных подходов являются механохимические технологии, лежащие в основе извлечения минерального сырья, переработки возобновляемых ресурсов и получения новых материалов. Механохимия – это инициирование химических реакций механическими воздействиями. Так, механическая обработка полимеров при температуре жидкого гелия приводит к гомолитическому разрыву связи в полимерной цепи и образованию свободных радикалов. Следовательно, разрыв химической связи никак нельзя объяснить локальным повышением температуры в местах удара или в областях пластической деформации. Поэтому можно утверждать, что механическое воздействие, наряду с фотохимическим, термическим и электрохимическим, является еще одним способом инициирования химических превращений.

В более широком понимании механохимия – это раздел физической химии, изучающий химические превращения и физико-химические изменения веществ и материалов, которые происходят в результате механической нагрузки, приложенной к веществам или материалам. Механическая нагрузка прикладывается в виде удара (мельницы) или деформации растяжения – сдвига (растягивание, сжатие, прессование). Удар может быть свободным (дезинтегратор, струйные мельницы) или стесненным, протекающим между двумя поверхностями (шаровые, бисерные, планетарные, кольцевые мельницы, конусные дробилки). Механическое воздействие может передаваться через жидкую среду, как это имеет место в ультразвуковых или гидроимпульсных реакторах [2]. По причине сложности физических и физико-химических явлений, происходящих при механическом воздействии на твердые и жидкие тела, механохимия тесно сотрудничает со смежными дисциплинами (физика прочности твердых тел и жидкостей, физика измельчения, физико-химическая механика, сонохимия, физическая химия дисперсных систем, химия твердого тела, гетерогенный катализ и др.) и является по сути мульти- и междисциплинарной наукой [3].

Предварительная механическая активация твердых веществ и последующие химические превращения находят большое промышленное применение. Не менее интересные процессы с хорошим индустриальным потенциалом происходят в том случае, когда один из реагентов находится в жидком состоянии либо вообще реакция протекает в растворе (суспензии, эмульсии) под действием продольных механических волн (ультразвук) или интенсивных знакопеременных полей (превращения, происходящие под действием ультразвуковых волн или в гидроимпульсных устройствах, также относят к механохимическим процессам).

Исходя из вышесказанного, можно констатировать, что возможности применения механохимии в индустрии достаточно широки. Если в одних случаях это может быть только одна из стадий многостадийного технологического процесса (например, предварительное измельчение руды и последующее концентрирование, выщелачивание и выделение нужного химического соединения), то в других – удается провести синтез требуемого продукта непосредственно в механохимическом реакторе (мельнице) за одну технологическую операцию. Сначала механические воздействия приводят к дроблению и измельчению, накоплению дефектов в твердых телах и последующей активации процессов, перемешиванию вязких, хрупких и пластичных сред, затем, наконец – к собственно химической реакции.

В настоящей статье мы рассмотрим несколько примеров успешного применения механохимических технологий для производства материалов, которые используются при получении тампонирующих композиций в нефтедобыче. Предлагаемая технология является безотходной и экологически безопасной. Предназначенное для получения тампонажных составов оборудование может быть расположено вблизи нефтедобывающих скважин и, по мере надобности, перевозиться обычным автомобильным транспортом.

В зависимости от используемого сырья и технологии переработки, производятся органические, неорганические и органо-неорганические материалы с разными реологическими параметрами и различным назначением.

Цель настоящей работы – показать принципиальную возможность переработки природных материалов в компоненты тампонажных составов для производства водоизоляционных работ на скважинах с помощью механохимических и механоферментативных технологий.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Производство древесной муки по механоферментативной технологии. Древесная мука является крупнотоннажным продуктом и широко применяется при производстве фенопластов и биопластиков, лакокрасок, катализаторов, в качестве наполнителей в полимерных и композиционных материалах, в металлургической промышленности и во множестве других отраслей.

При использовании древесной муки в качестве наполнителя важно знать ее адгезионные свойства к наполняемой матрице. Поскольку древесина состоит из углеводных полимеров и макромолекул лигнина с различными функциональными группами, то можно ожидать хорошую адгезию такого материала как к гидрофобным, так и к гидрофильным матрицам. В данном случае разрушение клеточных стенок древесины увеличивает удельную поверхность и, тем самым, улучшает адгезию к полимерной или композиционной матрице; а для ограничения добычи воды при ремонте скважин важно такое свойство тампонирующих материалов, как набухаемость в воде. При применении древесной муки набухание клетки происходит только при сохранении целостности клеточных стенок.

При механической обработке, например, в молотковых мельницах стенки растительных клеток подвергаются пластической деформации и разрыву. Характерный размер растительных клеток составляет 10–100 микрон, а большинство древесных клеток имеет размер 50–60 микрон [4]. Следовательно, для эффективного применения древесной муки в данных технологиях размер частиц древесной муки не должен быть меньше указанных размеров.

Для минимизации разрыва растительных клеточных стенок при измельчении сырья нами была разработана технология измельчения, которая проводится в два этапа. Так, на первом этапе исходное сырье пропитывается водным раствором специально разработанного нами мультиэнзимного комплекса, который ослабляет связь между клетками в растительных тканях, не разрушая клеточную стену. После пропитки и выдерживания несколько часов измельчение проводится в мельницах свободного удара (например, в струйных мельницах или дезинтеграторах), в которых происходит преимущественно хрупкий разрыв растительных тканей по межклеточным стенкам. Кроме того, в подобных мельницах происходит сушка сырья. Такая технология была названа нами смарт-измельчение, или контролируемое измельчение, в соответствии с которой можно получать древесную муку с заданным размером частиц. Производство древесной муки по этой технологии является энергосберегающим: при одинаковом расходе энергии на измельчение выход фракции 50–80 мкм по технологии смарт-измельчения в 1.5–2 раза выше по сравнению с механохимической обработкой (табл. 1).

 

Таблица 1. Результаты измельчения растительного сырья и лигноцеллюлозных отходов после обработки мультиэнзимным комплексом

Растительное сырье, влажность 7–10%	Технология измельчения и доля фракции меньше 80 мкм, мас. %		Относительная эффективность измельчения при одинаково затраченной энергии
	механо- химическая	механо- ферментативная
Волокна пальмы (Elaeis guineensis)	58	88	1.5
Рисовая шелуха	42	92	2.2
Солома пшеницы	44	96	2.2

 

Если в рамках задач материаловедения необходимо получить древесную муку, содержащую частицы микронного и субмикронного размера, то проводится предварительная обработка раствором такого фермента, который разрушает стенку растительной клетки, и в таких случаях последующее измельчение приводит к возрастанию мелкой фракции в 5–40 раз. Так, субмикронные частицы были получены нами для использования в качестве наполнителя для тампонирующих материалов на основе торфа.

Методы механической активации и механохимическая технология получения тампонирующих композиций на основе песка. В нефтепромысловой практике достаточно широко известны изолирующие реагенты на основе растворов силиката натрия [5], алюмосиликатов, а также силикатов различной природы [6, 7], которые образуют гели при определенном рН раствора. В целях удешевления процессов добычи нефти нами предлагается использовать механохимические технологии получения щелочных силикатных растворов, а на их основе – получение гелеобразующих тампонирующих композиций. В качестве сырья для таких технологий нами был опробован песок, стеклянный бой, а также некоторые отходы химического производства. В основе данной механохимической технологии лежит метод механической активации твердых компонентов. Активация реагентов осуществляется в результате механической обработки, при которой происходят как уменьшение размера частиц и увеличение поверхности твердых реагентов, так и накопление дефектов в кристаллической решетке. Первый процесс, называемый диспергированием, успешно происходит в обычных шаровых мельницах и дезинтеграторах. Второй процесс – образование точечных и линейных дефектов, иначе дислокаций – в заметной степени протекает в следующем поколении машин, называемых активаторами. Хотя процессы измельчения и дефектообразования происходят параллельно, в разных аппаратах они идут в разной степени, и более глубокая активация веществ наблюдается именно при обработке в активаторах. Скорость твердофазных реакций, в которых один или несколько исходных компонентов находятся в твердой фазе, определяется как величиной поверхности раздела реагирующих фаз, так и удельной реакционной способностью реагирующих веществ.

Из растворимых силикатов самым доступным является силикат натрия, который традиционно получают энергозатратным способом из кремнеземсодержащего сырья сплавлением последнего с содой при температуре порядка 1200°С с получением силикат-глыбы. Далее силикат-глыбу растворяют в воде в автоклавах при 130–150°С и давлении до 1 МПа. Силикат натрия теоретически можно получить из песка согласно уравнению (1):

SiO₂ + 2NaOH (раствор) = Na₂SiO₃ + H₂O.                                                   (1)

Однако даже при кипячении песка в щелочи скорость реакции (1) ничтожно мала, и она существенным образом зависит от размера частиц диоксида кремния, концентрации структурных дефектов, степени аморфизации и его полиморфной модификации. Поэтому для получения силикатных растворов в достаточных для образования силикатного геля концентрациях мы в своих исследованиях использовали предварительную механическую активацию песка. Песок для этих целей (и для наработки опытных партий) был взят в пойме реки Обь и отмыт от глины. Для выбора технологического режима механическая активация проводилась в лабораторных дискретных и полупромышленных проточных мельницах.

Для дискретных лабораторных активаторов планетарного типа рабочими параметрами активации являются загрузка материала и скорость вращения барабанов, которая характеризуется расчетной величиной ускорения в точке отрыва шаров в объеме реактора (в барабанах) и выражается в единицах ускорения свободного падения вблизи Земли (g ≈ 9.81 м/сек²).

Для проточных мельниц непрерывного действия рабочими параметрами является частота колебаний реактора, скорость подачи песка и время его пребывания в реакторе.

При подведении механической энергии к песку происходит его измельчение, накапливаются структурные дефекты, и наблюдается образование разупорядоченной фазы, которая интерпретируется в литературе, как аморфная фаза [8]. Чем больше подведенная механическая энергия, тем больше внутренней энергии запасается в песке, и тем выше величина его растворимости в щелочи. Влияние параметров обработки на величину и скорость растворения песка приведено в табл. 2.

 

Таблица 2. Растворение песка в растворе щелочи в зависимости от условий механической обработки

Тип мельницы	Производи- тельность, кг в час	Время активации, мин	Удельная поверхность, м²/г	Доля аморфной фазы, %	Условие реакции		Растворимость, %
					Температура, °С	Время, ч
АГО-2 (20 g)	1–2	2	3.6	24	70	6	4.9
АГО-2 (60 g)	1–2	10	5.3	60	70	6	52
ЦЭМ 10–105	24–26	–	4.2	10	70	3	<1
					85	6	11

 

Приведенные в этой таблице удельная поверхность активированного речного песка измерялась по низкотемпературной адсорбции азота, доля аморфной фазы песка определялась методом рентгено-фазового анализа по калибровочным стандартам “песок – кварцевое стекло”.

Мельница-активатор АГО-2 (активатор с гидростатическими обоймами, вторая модель) представляет собой лабораторную планетарную шаровую мельницу дискретного типа с водяным охлаждением. Мельницы серии ЦЭМ (центробежно-эллиптическая мельница) являются проточными мельницами с производительностью от 10 до 1000 кг в час. Оба типа мельниц разработаны в Институте химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН (г. Новосибирск). Более подробно параметры мельниц приведены на сайте Института [9]. Мельница ЦЭМ 10, представленная на рис. 1, является мельницей полупромышленного типа для наработки укрупненных партий продукта в несколько сотен килограмм в день.

 

Рис. 1. Внешний вид полупромышленной мельницы ЦЭМ 10.

 

Общий вес мельницы с двигателем 11 кВт и питателем, установленным сверху, составляет 1 т. Мельницы ЦЭМ 300 и ЦЭМ 1000 со средней производительностью по песку соответственно 300 и 1000 кг/ч могут быть встроены в непрерывные технологические линии, обеспечивая производство различных продуктов в количестве от 3 до 15 т за рабочую смену.

Производство тампонирующих органо-неорганических материалов на основе речного песка, торфа и шелухи риса. В настоящее время в качестве тампонирующих гелей для увеличения нефтеотдачи пласта используются преимущественно или дорогостоящие полимерные системы, или неорганические системы на основе силикатов натрия, обладающие низкой сдвиговой устойчивостью [10]. Поэтому существует необходимость получения дешевых, простых в производстве и экологически чистых реагентов, которые после использования могут быть утилизированы, а в процессе использования обладали бы высокой механической прочностью и контролируемыми параметрами.

Учитывая вышесказанное, можно утверждать, что использование в производстве комплексных гидрогелевых композитов смесей торфа и речного песка, являющихся наиболее доступным сырьем в Западно-Сибирском регионе, позволяет сократить затраты на транспортировку реагентов и эффективно использовать местные природные материалы. Кроме того, вводимая в состав тампонирующих материалов рисовая шелуха является крупнотоннажным отходом в Краснодарском крае и в КНР, и этот факт также является весьма привлекательным с экономической точки зрения.

Особенность рисовой шелухи заключается в том, что в ее состав входят аморфный кремнезем биогенного происхождения (10–22%) и целлюлоза (30–35%), из которых можно получить неорганический полимер (в виде силикагеля) и органический полимер (на основе целлюлозы или эфиров целлюлозы), а при механохимической обработке создается гибридный органо-неорганический материал. На рис. 2 представлены реологические кривые таких органо-неорганических гелей и их композиций.

 

Рис. 2. Реологические кривые органо-неорганических гелей и их композиций: 1 и 2 – гелевые композиции песок-рисовая шелуха и песок-торф соответственно; 3 – гель на основе речного песка и рисовой шелухи, 4 – гель на основе песка и торфа.

 

Органо-неорганические гели, полученные на основе речного песка, рисовой шелухи и торфа, сочетают в себе упругие свойства неорганических гелей и пластичные свойства органических гелей. Регулируя состав и протокол гелирования, можно получить разнообразные тампонирующие композиции для решения актуальных задач при проведении ремонта скважин.

Гидромеханические процессы и механоферментативные технологии. Многие механохимические процессы эффективно проходят в жидкой среде в гидромеханических или ультразвуковых реакторах. В этих случаях сложное гидродинамическое движение механических узлов в жидкостях приводит к возникновению знакопеременных механических полей, воздействие которых на твердое вещество – дисперсную фазу – передается через жидкость и приводит к проникновению дисперсионной среды через поры и каналы в твердые частички, их разрушению, увеличению реакционной границы и, в конечном счете, ускорению химических и физико-химических процессов (растворение, выщелачивание). По классификации Романенко П.Г., процессы в гидромеханических реакторах относятся как к внутренним, так и внешним задачам гидродинамики [11]. Наряду с хорошо известными ультразвуковыми реакторами и связанными с ними технологиями, гидромеханические или гидроимпульсные реакторы в последнее время широко внедряются в мало- и среднетоннажные химические производства в пищевой, лакокрасочной, микробиологической и других индустриях. Особенность гидромеханических реакторов состоит в том, что они позволяют производить переработку веществ и материалов в вязких и высоковязких (до 10⁴–10⁵ сСт) средах с производительностью до нескольких тонн в час.

 

Рис. 3. Технологическая гидромеханическая линия по переработке растительных материалов и природных ресурсов.

 

На рис. 3 приведена линия по получению и обработке высоковязких суспензий и эмульсий, механо-ферментативной переработки зерна, лигноцеллюлозного сырья и отходов, дешевых минеральных ресурсов, таких как торф и песок [12]. На таком устройстве производительность процесса получения гибридных органо-неорганических материалов на основе торфа и песка составляет 2–6 т/ч.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Реологические характеристики снимали на ротационном вискозиметре Haake Viscotester iQ. Измерения проводили с использованием геометрии коаксиального цилиндра типа СС25 DIN/Ti. Предел обнаружения вязкости для данного цилиндра – 0.002332-174932 Па·с при скорости сдвига 0.01294–1941.0 с^–1. Для изучаемых образцов определяли зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига, по которой рассчитывалась эффективная вязкость при изменении скорости сдвига в диапазоне от 0.1 до 300 с^–1.

Осцилляционные эксперименты проводились на реометре НААКЕ МАRS III c испытываемым образцом, размещенным между дисками диаметром 60 мм и зазором между ними 1 мм. При частоте 1 Гц со сканированием (sweep) по касательному напряжению τ определялись модуль упругости Gʹ и модуль потерь Gʺ. Полученные данные позволяют выделить линейный диапазон измерений, соответствующий интервалу напряжений от нуля до τ, на котором модуль упругости Gʹ(τ) не начинает значительно уменьшаться (это значение τ_L выдается в интерфейсе реометра).

Определение коэффициента набухания дисперсных частиц проводили с использованием прибора ПКН-2 (Жигача-Ярова).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Предыдущими нашими исследованиями технологических свойств сшитого полиакриламида с дисперсными наполнителями [13] было установлено, что добавка дисперсий механоактивированной рисовой шелухи улучшает прочностные характеристики тампонажного материала.

В настоящей работе мы оценили вклад механоактивированной рисовой шелухи в вязкоупругие свойства известного гидрогеля [14] на основе силиката натрия (4.5%), полиакриламида марки А345 (0.05%) и ацетата хрома (1.9%). Методом осцилляционной реометрии изучались вязкоупругие свойства гидрогеля с добавкой рисовой шелухи в количестве 0.15, 0.25 и 0.5%.

 

Рис. 4. Результаты осцилляционных испытаний (сканирование по τ, частота 1 Гц) составов при различных концентрациях рисовой шелухи.

 

Результаты проведенных измерений показывают небольшие изменения Gʹ и Gʺ (рис. 4) и значительное увеличение линейного диапазона измерений (τ_L), а также сдвиг точки пересечения кривых Gʹ и Gʺ (точка кроссовера τ_Cr) в сторону больших значений напряжения сдвига.

Необходимо отметить, что в осцилляционных измерениях точка кроссовера τ_Cr является предельным напряжением сдвига. На данном рисунке значения напряжения, соответствующие границе линейного диапазона τ_L, обозначены вертикальным отрезком, пересекающим линию Gʹ. Точке кроссовера (τ_Cr) соответствует вертикальный отрезок при пересечении линий Gʹ и Gʺ. Для образцов гидрогелей с шелухой риса и без нее до точки кроссовера τ_Cr упругое поведение преобладает над вязким; при дальнейшем увеличении значения напряжения τ гель начинает разрушаться, превращаясь в высоковязкую жидкую среду. Сравнение значений τ_Cr (рис. 4) для образцов без шелухи (τ_Cr = 104 Па) и с шелухой 0.5% (τ_Cr = 128 Па) показывает, что с увеличением концентрации рисовой шелухи гидрогели становятся более устойчивыми к увеличению напряжения (приблизительно на 20%).

Такая же тенденция проявляется для величины линейного диапазона измерений; так, увеличение концентрации рисовой шелухи однозначно приводит к росту τ_L. В линейном диапазоне у гидрогелей на порядок преобладают упругие свойства Gʹ > Gʺ. Графическое представление τ_L от концентрации рисовой шелухи выявляет линейную зависимость (рис. 5).

 

Рис. 5. Зависимость величины линейного диапазона измерений гидрогелей от концентрации рисовой шелухи.

 

Гидрогель проявляет высокие вязкоупругие свойства за счет образования ионно-координационной связи в трехмерной сетчатой структуре частично гидролизованного ПАА, ацетата хрома и силиката натрия. При добавлении дисперсных частиц рисовой шелухи в гидрогель происходит дополнительное упрочнение его структуры за счет флокуляции высокомолекулярными соединениями частичек рисовой шелухи; то есть, кроме химической сшивки макромолекул ПАА ионами Cr³⁺, образуется вторая флокуляционная сетка из полимера и дисперсного наполнителя. Все это ведет к появлению неких конгломератов структурных элементов гидрогеля и взвешенных частиц, которые и обеспечивают водоизоляционному материалу необходимые технологические (вязкоупругие) свойства, линейно зависящие от концентрации рисовой шелухи.

Увеличение концентрации рисовой шелухи до 0,5% приводит к возрастанию τ_L до 82% (по сравнению с гидрогелем без рисовой шелухи). Отмеченное обстоятельство свидетельствует, что у водоизоляционной системы возрастает устойчивость к сдвиговой деформации при увеличении количества шелухи риса в ней. Таким образом, осцилляционные тесты показывают увеличение линейного диапазона измерений гидрогеля и предельного напряжения сдвига при росте содержания дисперсий рисовой шелухи.

В статье [15] нами установлено, что полимерные гидрогели, сшитые ковалентными связями с дисперсным наполнителем, лучше сопротивляются сдвиговым нагрузкам в трещиноватых средах, чем гидрогели, образующие сетчатую структуру за счет ионно-координационных связей; тем не менее, в разных горно-геологических условиях свою нишу находят оба вида изоляционных материалов [16].

Получив механоактивированные дисперсии растительного происхождения, в частности, древесную муку, рисовую шелуху и гидролизный лигнин, мы провели сравнение времени гелеобразования и предельного напряжения сдвига с использованием базовых составов, применяющихся в промысловых условиях и показывающих хорошую эффективность водоизоляции [17]. В этих составах мы меняли только мелкодисперсную составляющую, и при этом они выглядят следующим образом. Для сравнения были взяты базовый состав № 1 (полиакриламид марки А523 – 1.75%; резорцин – 0.2%; параформ – 0.2%; полипропиленовая фибра D-6 – 0.15%) и базовый состав № 2 (полиакриламид марки А345 – 0.05%; ацетат хрома – 1.9%; жидкое стекло – 4.5 %). В базовом составе № 1 в качестве мелкодисперсной составляющей использовался хризотил (1.5%), а в составе № 2 – рисовая шелуха (0.5%). Результаты экспериментов, проведенных при 25°С, представлены в табл. 3.

 

Таблица 3. Параметры водоизоляционных базовых составов № 1 и № 2

Рецептура	Время гелеобра- зования, ч	Предельное напряжение сдвига среднее, Па
Базовый состав № 1	2.5	190
Базовый состав № 1 (лигнин)	32	241
Базовый состав № 1 (древесная мука)	18.5	348
Базовый состав № 1 (рисовая шелуха)	10	253
Базовый состав № 2	2.5	168
Базовый состав № 2 (древесная мука)	2.5	176

 

Из этой таблицы видно, что замена базовой дисперсии хризотила на древесную муку, рисовую шелуху и гидролизный лигнин заметно увеличивает предельное напряжение сдвига и время гелеобразования в составе № 1, что делает изоляционный материал более устойчивым к сдвиговым нагрузкам и более технологичным. Время гелеобразования базового состава № 1 – всего лишь 2.5 часа (это является минимально необходимым), а в случае использования древесной муки, рисовой шелухи и лигнина время гелеобразования увеличивается до 18.5, 10 и 32 часов соответственно.

Время гелеобразования связано с возможностью добавок смещать водородный показатель воды в кислую или в щелочную область. Суспензия хризотила в базовом составе № 1 сдвигает pH среды в щелочную сторону, тем самым приводя к существенному ускорению гелеобразования за счет каталитической активации реакции сшивки между ПАА, параформом и резорцином. Мелкодисперсные составляющие для базового состава можно расположить в ряд следующим образом в зависимости от их влияния на pH водных суспензий: хризотил >> рисовая шелуха > древесная мука > лигнин, что обуславливает зависимость времени сшивки от водородного показателя. В технологическом процессе это дает возможность влиять на важный параметр гелеобразования – время сшивки, не только за счет температурного фактора, но и регулирования кислотно-щелочного баланса воды, путем введения разных по природе дисперсных наполнителей.

Мы предположили, что прочностные характеристики водоизоляционных композитов зависят от степени набухания растительной дисперсии. Для проверки высказанного предположения мы определили коэффициент набухания данных дисперсий на приборе Жигача-Ярова. Оказалось, что максимальное значение коэффициента набухания наблюдается у рисовой шелухи, равное 1.55. У лигнина и древесной муки коэффициент набухания составил 1.08 и 1.19 соответственно. Сопоставление величин предельного напряжения сдвига композитных материалов и степени набухания их дисперсных составляющих не позволяет однозначно выявить корреляцию между данными параметрами, что требует дополнительного изучения на большем количестве примеров. Увеличение времени гелеобразования позволяет размещать водоизоляционный экран на заданном расстоянии от ствола скважины, расширяя тем самым спектр решаемых задач по изоляции водопритока. Что касается состава № 2, то замена дисперсии рисовой шелухи на древесную муку не приводит к существенным изменениям технологических параметров: время гелеобразования не меняется, а предельное напряжение сдвига для состава с древесной мукой лишь незначительно превышает этот показатель для рисовой шелухи.

Необходимо отметить, что в базовом составе № 1 применялась полипропиленовая фибра D-6. Ранее при выборе волокнистого компонента мы провели сравнение состава № 1 с полипропиленовой и базальтовой фиброй. Дисперсным наполнителем в обоих случаях был выбран хризотил. Как выяснилось, композит с полипропиленовой фиброй имеет близкие прочностные характеристики с композитом с базальтовой. Предельные напряжения сдвига составляют 192 и 190 Па соответственно. При этом время гелеобразования гидрогеля с полипропиленовой фиброй составляет 2 ч 30 мин, а с базальтовой – существенно меньше: всего 1 ч 20 мин, что явно недостаточно для проведения ремонтно-изоляционных работ на скважинах. Учитывая, что древесная мука по своей природе имеет сродство как к гидрофильному материалу – базальтовой фибре, так и к гидрофобному – полипропиленовой фибре, мы в базовом составе № 1 заменили хризотил на равное количество древесной муки, а в качестве волокнистого материала взяли равную смесь базальтовой и полипропиленовой фибры по процентному содержанию, соответствующую индивидуальному фиброволокну. При этом, благодаря связующим свойствам древесной муки, удалось получить сверхэффект по предельному напряжению сдвига, которое оказалось равным 392 Па. Время гелеобразования полученного композита – 15 ч, что является вполне комфортным при производстве ремонтных работ на скважинах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, нами показана принципиальная возможность переработки природного возобновляемого сырья, а также промышленных и бытовых отходов в тампонажные водоизоляционные составы с использованием методов механохимической и механоферментативной технологий. По эффективности при проведении ремонтных работ на скважинах разработанные композиты сопоставимы с известными, получаемыми методами химического и нефтехимического синтеза, а по ресурсо- и энергоэффективности значительно их превосходят. При изучении реологических свойств композиционных водоизоляционных составов обнаружены антагонистические и синергетические проявления между слагающими их компонентами. Композит с наибольшим значением предельного напряжения сдвига, равным 392 Па, на основе полимерного связующего, древесной муки, базальтовой и полипропиленовой фибры оказался на уровне лучших мировых образцов.

***

Исследования финансировались в рамках Государственного задания ИХТТМ СО РАН № 122011700261-3.

 

ОБОЗНАЧЕНИЯ

Gʹ     модуль упругости;

Gʺ    модуль потерь;

g      ускорение свободного падения (≈ 9.81 м/с²);

τ_Cᵣ    точка кроссовера

作者简介

В. Мешалкин

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: LenchenkovaL@mail.ru
俄罗斯联邦, Москва; Москва

A. Политов

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН; Новосибирский государственный университет

Email: LenchenkovaL@mail.ru
俄罗斯联邦, Новосибирск; Новосибирск

Л. Ленченкова

Уфимский государственный нефтяной технический университет

编辑信件的主要联系方式.
Email: LenchenkovaL@mail.ru
俄罗斯联邦, Уфа, Россия

A. Фахреева

Уфимский Институт химии УФИЦ РАН

Email: LenchenkovaL@mail.ru
俄罗斯联邦, Уфа

E. Гусарова

Уфимский Научно-Технический Центр

Email: LenchenkovaL@mail.ru
俄罗斯联邦, Уфа

A. Телин

Уфимский Научно-Технический Центр

Email: LenchenkovaL@mail.ru
俄罗斯联邦, Уфа

参考

补充文件