авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Полимерсиликатные дисперсные системы, стабилизированные неионными олигомерными пав, для нефтедобычи, металлургии и очистки воды

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Беленко Евгений Владимирович

ПОЛИМЕРСИЛИКАТНЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ,

СТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ НЕИОННЫМИ ОЛИГОМЕРНЫМИ ПАВ, ДЛЯ НЕФТЕДОБЫЧИ, МЕТАЛЛУРГИИ И ОЧИСТКИ ВОДЫ

Специальность 02.00.11

«Коллоидная химия и физико-химическая механика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук

Москва – 2007 г.

Работа выполнена в Московской Государственной Академии Тонкой Химической Технологии (МИТХТ) им. М.В. Ломоносова, а также в Обществе с Ограниченной Ответственностью «Научно-Производственное Объединение «Полибент»

Официальные оппоненты:

Доктор химических наук, профессор,

член-корреспондент РАН

Зезин Александр Борисович

Доктор химических наук, профессор

Волков Виктор Анатольевич

Доктор технических наук, профессор

Чистяков Борис Евдокимович

Ведущее предприятие: Российский Государственный Университет

Нефти и Газа им. И.М. Губкина

Защита состоится 12.11.2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.212.120.04 при МИТХТ им. М.В.Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан 11 сентября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета д.х.н., профессор И.А. Грицкова

Актуальность проблемы.

Бентонит, относящийся к слоистым глинистым минералам группы смектитов, широко применяется для изготовления технологических жидкостей и материалов для различных отраслей промышленности: нефтедобычи, металлургии, очистки воды. Возможности бентонита, как исходного сырья для получения новых материалов многоцелевого назначения, далеко не исчерпаны. Высокое содержание в бентоните монтмориллонита, структурными элементами которого являются алюмосиликатные слои толщиной 1 нм, обеспечивает весьма значительный научно-технологический потенциал этого минерала. В настоящее время, в связи с утратой богатых монтмориллонитом месторождений Закавказья, актуальным является вовлечение в промышленное использование низкоактивных российских бентонитов и создание физико-химических основ получения и применения полимерсиликатных композиций с необходимым комплексом технологических свойств.

Важными компонентами суспензий бентонита, обеспечивающими их седиментационную устойчивость, являются полимерные, ионогенные и неионные ПАВ. Выбор подходящих ПАВ определяется особенностями технологии применения полимерсиликатных композиций. Так, при бурении нефтяных и газовых скважин в качестве буровых растворов применяют суспензии бентонита, устойчивость которых обеспечивают композиции карбоксиметилированных производных целлюлозы и водорастворимых олигомерных ПАВ. Придавая буровым растворам седиментационную устойчивость, ПАВ должны обеспечить высокую нефтепроницаемость продуктивных пластов. Еще одно важное свойство, которым должны обладать ПАВ, - это минимальная вспенивающая способность в водной среде, чтобы не влиять на плотность и вязкость бентонитовых суспензий (буровых растворов). Поэтому обычно используемые в промышленности ПАВ, характеризующиеся длинной гидрофобной и короткой гидрофильной частями, в этом случае не пригодны. Наиболее подходящими ПАВ являются вещества, имеющие статистическое распределение гидрофильных и гидрофобных групп в молекуле. Такое строение ПАВ предполагает наличие в их водных растворах ассоциатов молекул за счет образования водородных связей между функциональными группами. В этом случае стабилизация дисперсной фазы суспензии будет осуществляться за счет формирования структурно-механического фактора устойчивости. Согласно литературным и патентным данным такими свойствами обладают полиалкиленгликоли (ПАГ), которые и были выбраны в качестве основного объекта исследований.



Цель работы. Выявление механизма образования и стабилизации полимерсиликатных дисперсных систем для повышения технологической эффективности бурения нефтяных и газовых скважин, показателей качества металлургических процессов и создания экологически чистых ресурсо- и энергосберегающих технологий водоподготовки.

Научная новизна:

- Изучен механизм образования и стабилизации суспензий бентонита полиалкиленгликолями (ПАГ) с различной функциональностью (от 2 до 4) с молекулярной массой от 300 до 30000 с мольной долей оксиэтиленовых звеньев в молекуле полиэфира от 10 до 85 %, и показано, что эффективность применения таких ПАВ значительно возрастает при их совместном использовании с карбоксиметилированными производными целлюлозы. Определены оптимальные соотношения между олигомерными ПАГ и карбоксиметилированными производными целлюлозы для обеспечения седиментационной устойчивости суспензий бентонита.

- Показано, что в ряду статистических сополимеров окиси этилена и окиси пропилена с молекулярной массой от 300 до 30000 с различной функциональностью наилучшими поверхностно-активными свойствами на границе их водных растворов с неполярной фазой обладают полиэфиры с функциональностью равной 4, причем с увеличением молекулярной массы полиэфиров с различной функциональностью различия в их поверхностной активности исчезают. Поверхностно-активные свойства ПАГ повышаются при увеличении мольной доли оксипропиленовых звеньев в молекуле ПАГ.

- Показано, что кратность и устойчивость пен, образующихся в водных растворах ПАГ, снижаются с увеличением содержания оксипропиленовых звеньев в молекуле. В ряду ПАГ с молекулярной массой от 300 до 6000 с различной функциональностью, пены наибольшей кратности образуются в водных растворах линейных полиэфиров, а наименьшей – в растворах ПАГ с функциональностью равной 3, в то время, как наиболее устойчивые пены образуют ПАГ с функциональностью 3, а наименее – ПАГ с функциональностью 4.

- Показано, что в водных растворах смесей ПАГ и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (NaКМЦ) происходит образование интерполимерных комплексов, в которых ПАГ, образуя краунподобные ассоциаты с катионами натрия, выступает в качестве поликатиона, электростатически взаимодействуя с карбоксилатными группами КМЦ.

- Установлено, что реологические свойства суспензии бентонита, стабилизированной смесью NaКМЦ и ПАГ с молекулярной массой от 15000 до 30000 и содержанием оксиэтиленовых звеньев не менее 80 %(мол.), существенно зависят от состояния воды в системе. Уменьшение времени спин-спиновой релаксации (Т2) протонов воды в системе при низкой концентрации ПАГ (менее 0,5 г/л) приводит к повышению пластической вязкости суспензии. Увеличение концентрации ПАГ в интервале 0,5 – 5,5 г/л приводит к повышению эффективной вязкости при одновременном снижении пластической вязкости системы. При увеличении концентрации ПАГ свыше 5,5 г/л происходит увеличение параметра Т2, что указывает на возрастание относительной гидрофобности поверхности частиц дисперсной фазы вследствие образования межмолекулярных ассоциатов ПАГ.

- Показано, что водные растворы смеси карбоксиметилированных производных целлюлозы, высших жирных кислот и ПАГ с молекулярной массой не менее 1000 и содержанием оксипропиленовых звеньев в макромолекуле не менее 80%(мол.) представляют собой устойчивые эмульсии. Образование устойчивых эмульсий обеспечивается совместным действием электростатического и структурно-механического факторов.

- Разработаны теоретические и технологические принципы использования комбинированных сорбционных колонн, сочетающих, как минимум, два гранулированных сорбента различной природы. Сформулированы основные требования к совмещаемым сорбентам: взаимная химическая индифферентность активных центров сорбции, технологически совместимые методы регенерации. Создана обобщенная математическая модель комбинированных фильтров, позволяющая вычислять гидравлические режимы работы фильтра (оптимальную производительность фильтра, время регенерации сорбентов).

- Созданы новые интерполимерные связующие, представляющие собой бинарные композиции поликатионов и полианионов, взятых в оптимальных соотношениях, применяемые в черной металлургии для получения железорудных гранул-окатышей оптимальных размеров и прочности. На основании данных систематического изучения влияния физико-химических свойств полимеров на гранулометрический состав и механическую прочность железорудных окатышей разработаны критерии выбора полимерных связующих, обеспечивающих заданные технологические характеристики железорудных гранул-окатышей. Составлен алгоритм расчета оптимальных свойств полимерного связующего (молекулярной массы, содержания ионогенных звеньев) для различных сортов железорудного концентрата, отличающихся влажностью и удельной поверхностью.

Практическое значение работы.

- Созданы новые высокоэффективные технологии производства и применения полимерсиликатных композиций, используемых в качестве:

- полимер-бентонитовых буровых растворов, содержащих полиалкиленгликоли;

- комбинированных сорбентов, представляющих собой композиции алюмосиликатных и ионитовых катионообменных материалов, взятых в оптимальных соотношениях;

- связующих, представляющих собой бинарные композиции поликатионов и полианионов, применяемые для получения железорудных гранул–окатышей определенных размеров.

- Разработана мобильная система управления технологическими свойствами полимер-бентонитовых буровых растворов. Разработан регламент приготовления экологически безопасного полимер-бентонитового бурового раствора для первичного вскрытия продуктивных пластов на месторождениях Сибири и Северного Кавказа с использованием, в качестве ПАВ, полиалкиленгликолей.

- На базе ОАО «Нижнекамскнефтехим» организовано опытное производство технологически эффективных полиалкиленгликолей для использования при бурении и заканчивании нефтяных и газовых скважин (Патент РФ 2163615.-1999 г., Патент РФ 2163616.-1999 г.).

- Организовано промышленное производство композиции для первичного вскрытия продуктивных пластов «СК полиэфирный+», содержащей полиалкиленгликоли с функциональностью равной 3 и с мольной долей оксипропиленовых звеньев не менее 80% (Патент РФ 2169753.-2000 г.).

- Созданы новые полимер-бентонитовые буровые растворы на основе полиалкиленгликолей: POLYXAN-Н - для бурения горизонтальных стволов и POLYXAN-L для строительства наклонных и пологих стволов. Разработан технологический регламент и инструкция на приготовление и применение буровых растворов POLYXAN-L и POLYXAN-Н. Буровые растворы POLYXAN-L и POLYXAN-H были использованы при бурении нефтяных скважин, а также включены в качестве базовых при составлении проектов на строительство нефтяных и газовых скважин на следующих предприятиях: ООО «Центр инженерного сервиса в бурении» (г. Москва), ЗАО ЗапСибНИПИ «Нефтяные Горизонты» (г. Нижневартовск), ООО ЗСКБК «Пионер» (г. Радужный), ООО «Мегионское УБР» (ОАО «Славнефть - Мегионнефтегаз») (г. Мегион), ООО «ТюменНИИгипрогаз» (ОАО «Газпром»), ГЦСС «Нефтепромхим» (г. Казань), ООО «ИПЦ ИНТЕХ» (г. Уфа), ООО «СБР» (г. Москва).

- Разработан алгоритм расчета технологических параметров полимер-бентонитовых буровых растворов, содержащих ПАГ, на основании анализа физико-химических свойств их фильтратов. На основании данного алгоритма была создана прикладная компьютерная программа «MUD-АНАЛИЗ», которая была успешно внедрена в ООО «Компания Полибент» при бурении более 100 нефтяных скважин на Аригольском, Тайлаковском и Ачимовском месторождениях ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз».

- Разработана технология и организовано производство высокоэффективных смазочных добавок к буровым растворам «Глитал» и «Политал» (Патент РФ 2212429.-2003 г, Патент РФ 2163616.-1999 г.). Разработана техническая документация на производство смазочной композиции «Лубринол», предназначенной для строительства наклонных и пологих скважин. Данные смазочные добавки содержат композиции ПАГ с высшими жирными кислотами.





- Разработана комплексная технология очистки промышленных сточных вод и составлен технологический Регламент на применение бентонита для очистки сточных вод.

- Разработана новая технология промышленной водоподготовки с применением комбинированных сорбционных колонн. Создана и нашла широкое промышленное внедрение прикладная компьютерная программа «MEGACHEM», позволяющая производить расчеты водоподготовительных станций любой сложности и оптимизирующая работу проектных организаций. Технология комбинированных сорбционных колонн и прикладная программа «MEGACHEM» были внедрены на водоподготовительных станциях ряда крупных предприятий Краснодарского края и Кемеровской области: ЗАО «Агрофирма Мысхако», ОАО «Фанагория», КОАО «Азот», ОАО «Угольный комбинат Кузбассуголь», ОАО «Мысхако» и др.

- Предложены критерии оценки качества полимерного связующего для железорудных гранул-окатышей и создана специализированная компьютерная программа «ПОЛИМЕР-СИНТЕЗ», позволяющая прогнозировать эффективность процесса грануляции (окомкования) железорудного концентрата. Разработаны новые высокоэффективные интерполимерные связующие (ИПС). Успешные промышленные испытания ИПС проводились на следующих горно-обогатительных комбинатах: ОАО «Оскольский Электро-Металлургический Комбинат» (г. Старый Оскол), ОАО «Лебединский Горно-Обогатительный Комбинат» (г. Губкин), ОАО «Ванадий» (г. Качканар).

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на Международной конференции «Поверхностно-активные вещества и препараты на их основе» (Белгород.-2000 г.); на Всероссийском Симпозиуме «Наночастицы в природе» (РАЕН, 7 июня 2005 г.); Четвертой Международной конференции «Освоение шельфа Арктических морей России – RAO-99» (г. Санкт-Петербург, июль 1999 г.); V Международной конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-99» (г. Нижнекамск, 1999 г.); Третьем международном семинаре «Горизонтальные скважины» (Москва, 29-30 ноября 2000 г.); Международной конференции «Геоэкология и современная геодинамика нефтегазоносных регионов» (Москва,.24-26 октября 2000 г.); Межотраслевой конференции «Техника и технология заканчивания и ремонта скважин в условиях АНПД» (Анапа, 20-24 мая 2002 г.); Межотраслевой конференции «Основные принципы выбора технологии, технических средств и материалов при строительстве и ремонте скважин» (Анапа, 1 – 5 октября 2001 г.); Межотраслевой конференции «Новые технологии, технические средства и материалы в области промывки при бурении и ремонте нефтяных и газовых скважин» (Анапа, 28-31 марта 2001 г.); Межотраслевой конференции «Бурение и ремонт скважин малого диаметра с применением гибких труб» (Анапа, 27-30 сентября 1999 г.); V международном Симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (С-Петербург, 11-15 июня 2005 г.); Конференции специалистов ОАО «Лебединский ГОК» (г. Губкин, 2 февраля 2005 г.); Конференции специалистов ОАО «Карельский окатыш» (г. Костомукша, 5 марта 2005 г.), Конференции специалистов ОАО «Михайловский ГОК» (г. Железногорск, 7 декабря 2005 г.), Конференция специалистов ОАО «Оскольский Электро-Металлургический Комбинат» (г. Старый Оскол, 6 июля 2006 г.).

Личный вклад диссертанта

Личный вклад диссертанта состоит в формулировке научной проблемы, выявлении важнейших областей применения полимерсиликатных композиций, установлении механизма образования и стабилизации полимерсиликатных дисперсных систем, исследовании коллоидно-химических свойств полиалкиленгликолей, выявлении закономерностей влияния гидрофильно-олеофильных свойств полимерсиликатных композиций на их структурно-механические свойства. Это позволило разработать состав и технологии получения полимерсиликатных композиций, позволяющих усовершенствовать технологические процессы бурения нефтяных скважин, очистки воды, производства железорудных гранул-окатышей. Диссертант непосредственно принимал участие в опытно-промышленной проверке разработанных им материалов и технологий, а также реализации этих технологий в крупном промышленном масштабе.

Автор защищает:

1. Применение для стабилизации суспензий бентонита олигомерных полиалкиленгликолей (ПАГ) со статистическим распределением оксипропиленовых и оксиэтиленовых звеньев, формирующих сорбционно-сольватный и структурно-механический факторы устойчивости.

2. Результаты исследований поверхностно-активных свойств статистических сополимеров окиси этилена и окиси пропилена с молекулярной массой от 300 до 30000 и различной функциональностью на границе их водных растворов с неполярной фазой.

3. Закономерности адсорбции на поверхности бентонита индивидуальных ПАГ и смесей ПАГ из их водных растворов.

4. Выявленные закономерности влияния ПАГ на структурно-механические характеристики суспензии бентонита. Связь между реологическим поведением суспензии бентонита, стабилизированной ПАГ, и гидрофильно-гидрофобными свойствами системы.

5. Наличие интерполимерного комплексообразования в водных растворах смеси ПАГ и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы и его влияние на реологическое поведение суспензии бентонита.

6. Способ формирования устойчивых эмульсий, суть которого состоит в предварительном получении концентрированного раствора одного из карбоксиметилированных производных целлюлозы с последующим добавлением к нему смеси ПАГ с высшими жирными кислотами.

7. Комбинированные сорбенты для водоподготовки, представляющие собой композиции алюмосиликатных и ионитовых катионообменных материалов, взятых в оптимальных соотношениях. Условия совместимости гранулированных сорбентов.

8. Новые интерполимерные связующие, представляющие собой бинарные композиции поликатионов и полианионов, взятых в оптимальных соотношениях, применяемые в черной металлургии для получения железорудных гранул–окатышей оптимальных размеров и прочности.

9. Разработанные технологии получения и применения полимер-бентонитовых буровых растворов, бентонитовых глин для очистки промышленных сточных вод, интерполимерных связующих для грануляции (окомкования) железорудного концентрата, а также проектное моделирование сорбционных колонн с комбинированным сорбентом, используемых для целей водоподготовки.

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 2 монографии, 55 статей, 10 тезисов докладов и 6 патентов РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 150 источников и трех приложений. Общий объем работы 214 страниц, в том числе 24 таблицы и 103 рисунка.

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и задачи исследований.

В главе 1 дана характеристика устойчивости водных суспензий бентонита, стабилизированных анионными производными полисахаридов и оксиэтилированными ПАВ.

В главе 2 рассмотрены методы исследования и характеристики веществ.

В главе 3 приведены и обсуждены данные по физико-химическим свойствам ПАГ с молекулярной массой от 300 до 30000 общей формулы:



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.