Способ получения водорастворимого полиэлектролита-стабилизатора глинистых суспензий

(51) 01 17/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ растворов, которые необходимы в осуществлении глубокого бурения при поиске нефти и газовых месторождений. Способ получения водорастворимого полиэлектролит-стабилизатора глинистых суспензии осуществляется путем радикальной сополимеризации итаконовой кислоты ИК с амидом акриловой кислоты АА при мольном соотношении 1,06,0-8,0 в присутствии фосфата 34, карбоната 23 или силиката 23 натрия, взятого при соотношении к амиду акриловой кислоты АА 0,81,0 моль, выдерживанием при температуре 50 С в течение 4-х часов и последующим гидролизом продукта сополимеризации при температуре 97-99 С в течение 45 минут. Стабилизирующее действие ВРПЭ полученного предлагаемым способом 5,0-10,0 раза выше по сравнению УНИФЛОК и ВРПЭ полученный с известным способом прототип и может применяться в качестве стабилизатора глинистых суспензии используемые в изготовлении промывочных жидкостей, тампонажных и буровых растворов,которые необходимы в осуществлении глубокого бурения при поиске нефти и газовых месторождений.(72) Асанов Аманкайт Асанович Айтекова Анар Рапильбековна(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Таразский государственный университет им. М.Х. Дулати Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМОГО ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТА-СТАБИЛИЗАТОРА ГЛИНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ(57) Изобретение относится к области коллоидной химии, а именно к получению водорастворимых полиэлектролитов ВРПЭ путем гидролиза продукта сополимеризации итаконовой кислоты ИК и амидом акриловой кислоты - акриламидом АА при их мольных соотношениях 1,06,0, 1,08,0 обладающих стабилизирующим действием на глинистые растворы, может найти применение в изготовлении промывочных жидкостей, тампонажных и буровых Изобретение относится к области коллоидной химии, а именно, к получению водорастворимых полиэлектролитов путем гидролиза продукта сополимеризации, итаконовой кислоты (ИК) и амидом акриловой кислоты - акриламидом (АА) при их мольных соотношениях 1,06,0, 1,08,0 обладающих стабилизирующим действием на глинистые растворы, может найти применение в изготовлении промывочных жидкостей,тампонажных и буровых растворов, которые необходимы в осуществлении глубокого бурения при поиске нефти и газовых месторождений. Известен способ получения водорастворимого полимера (ВРП) УНИФЛОК, осуществленный путем омыления полиакрилонитрила (ПАН) в присутствии гидроксида натрияв водноспиртовой среде, предложенного к использованию в качестве стабилизатора в приготовлении глинистых растворов, применяемых в процессе бурения, в поиске и разведке нефте-газовых месторождений Сатаев И.К., Бейсенбаев , и др. Способ получения порошкообразного полиэлектролита. А.с. 4744848/05 (СССР) от 10.05.1991 - аналог,(Сатаев И.К., Бейсенбаев , и др. Способ получения порошкообразного полиэлектролита. А.с. 4744848/05 (СССР) от 10.05.1991). Недостатком данного способа является невысокое стабилизирующее действие, применение дорогостоящего,огнеи взрывоопасного органического растворителя (пропилового или бутилового спирта), отрицательно влияющего на окружающую среду, плохая растворимость и образование микрогетерогенной системы из-за неодинакового композиционного состава и неравномерного распределения ионизируемых карбоксидных и слабоионизируемых амидных групп вдоль цепи макромолекулы продукта гидролиза,который приводит снижению стабилизирующего действия. Наиболее близким по технической сущности предлагаемому изобретению является способ получения водорастворимого полиэлектролита(ВРПЭ) путем сополимеризации итаконовой кислоты//Узб. хим. ж., 1968 1 .38). По данному способу,сополимеризация итаконовой кислоты ИК с АК или МАК мономерами осуществляется в запайных ампулах в водном растворе соляной кислоты (НС 1) в присутствии персульфата калия 228 при температуре 40 С в течение 8 суток. При этом выход продукта не превышает 81,5. К недостаткам этого способа относятся применение соляной кислоты , который приводит в определенной мере к уменьшению выхода продукта, к увеличению продолжительности процесса сополимеризации и усиливает агрессивность реакционной среды, а также невозможность использования продукта сополимеризации без его обязательного выделения 2 из реакционной массы. Поэтому согласно Аскаров М.А., Семенова Л.Н., Бабаджанова Э.Н.//Узб. хим. ж., 1968 1 .38), полученный продукт осаждают и выделяют из реакционной среды использованием дорогостоящих, малодоступных,огнеопасных органических соединении-ацетон и высушивают, а затем вновь растворяют в воде, что приводит не только к увеличению себестоимости и усложнению процесса получения, но и к снижению стабилизирующего эффекта конечного продукта. Задачей данного изобретения является упрощение процесса,уменьшение времени сополимеризации,установление оптимальных соотношений мономерных звеньев, содержащих карбоксидные, амидные функциональные группы,увеличение выхода и молекулярный массы,улучшение стереорегулярности звеньев в цепи макромолекулы продукта сополимеризации и его растворимости в воде,повышение стабилизирующего действия,последующим гидролизом продукта сополимеризации с добавлением фосфата 34, карбоната 23 или силиката 23 натрия, а также введения в состав водорастворимого полиэлектролита (ВРПЭ) различные анионы РО 4-3,О 4-3,3-2,положительно влияющих на процесс стабилизации глинистых суспензии. Поставленная задача достигается путем сополимеризации итаконовой кислоты ИК с амидом акриловой кислоты - алриламидом АА при мольном соотношении мономеров 1,06,0, 1,08,0, в водной среде с добавлением персульфата калия 22 О 8 в присутствии фосфата 3 О 4, карбоната 2 О 3 или силиката 2 О 3 натрия, взятого при соотношении к АА 0,81,0, с удалением кислорода путем продувания реакционной смеси инертным газом и выдерживанием при температуре 50 С в течение 4-х часов и последующим гидролизом продукта сополимеризации при температуре 97-99 С в течение 45 минут до образования оптимального количества карбоксидных, амидных, имидных функциональных групп в цепи макромолекулы ВРПЭ. Отличительными признаками данного способа являются ведение процесса сополимеризации ИК и АА при оптимальных соотношениях 1,06,0-8,0 моль в присутствии необходимого количества фосфата 3 Р 4, карбоната 2 О 3, или силиката 2 О 3 натрия взятого при соотношении АА 0,81,0,выдерживанием при температуре 50 С в течение 4-х часов и последующим гидролизом продукта сополимеризации при температуре 97-99 С в течение 45 минут, создает условия для объединения процессов сополимеризации и частичного гидролиза амидных групп до образования нужном количественном соотношении карбоксидных,амидных и имидных групп. Оптимальное соотношение компонентов сополимеризации и количество фосфата 3 О 4, карбоната 2 О 3, или силиката 2 О 3 натрия необходимого для осуществления гидролиза, позволяет повысить выход и регулировать молекулярную массу продукта сополимеризации и сократить время процесса гидролиза, обеспечить непрерывность процесса и высокий стабилизирующий эффект ВРПЭ, а также использовать полученный конечный продукт без выделения из реакционной массы. Причинно-следственная связь заключается в том,что осуществление процесса сополимеризации при оптимальных соотношениях мономеров ИК и АА в присутствии необходимого количества фосфата 3 О 4, карбоната 2 СО 3, или силиката 2 О 3 натрия,способствует улучшению радикалобразующих свойств мономеров, ускорению процесса сополимеризации, повышению выхода и позволяет регулировать молекулярную массу, а осуществление частичного гидролиза до образования оптимального соотношения карбоксидных,амидных и имидных функциональных групп,отличающиеся расположением и чередованием вдоль цепи макромолекулы,приводят к образованию водорастворимого полиэлектролита(ВРПЭ),содержащего различные анионы положительно влияющие на процесс стабилизации глинистых суспензий. Кроме того, подбор оптимального соотношения компонентов сополимеризации, а также проведения процесса в водной среде упрощает способ и исключает стадию выделения продукта сополимеризации с использованием дорогостоящих органических соединений, а последующий гидролиз продукта сополимеризации дает возможность усилить стабилизирующий эффект. Наряду с этим,гидролиз продукта сополимеризации в присутствии натриевых солей слабых неорганических кислот фосфата 3 О 4, карбоната 2 О 3, или силиката 2 О 3 натрия приводит не только к улучшению растворимости, но и к усилению стабилизирующего действия за счет регулирования конформации в связи с переходом макромолекулы от относительно свернутого состояния к более развернутому, которое приводит к увеличению количества активных функциональных групп, расположенных вдоль цепи макромолекулы. Пример 1. В трехгорлую колбу емкостью 250 см 3 снабженную мешалкой, термометром и обратным холодильником, помещают раствор, состоящий из 3,51 частей итаконовой кислоты ИК и 11,49 частей амида акриловой кислоты АА (соотношение ИКАА 1,06,0 моль) и инициатора-персульфата калия 228 в количестве 0,06 от веса мономеров,85,0 частей воды и 21,23 частей фосфата натрия 3 О 4, (которое необходимо для осуществления гидролиза) соотношении АА 3 О 4 1,00,8 моль соответственно. Реакционную смесь перемешивают и при температуре 50 С продувают азотом в течение 5 минут и герметизируют, а затем реакцию проводят в течение 4-х часов. Полученный продукт сополимеризации разбавляют водой, а затем с помощью 0,1 н соляной кислотойдоводят до значения 2,0-2,5, после этого добавляя ацетон или диоксан, осаждают, высушивают продукт до постоянного веса в вакуумном шкафу при 40 С. Определяют выход, содержание азота (,) и кислотное число (КЧ.). На основании содержания азотаи (КЧ.) устанавливают состав продукта сополимеризации. Выход продукта сополимеризации составляет 99,82, а состав сополимера соответствует исходному соотношению мономеров,взятых для сополимеризации. Молекулярная масса продукта сополимеризации 4,25105. Соотношение ИК и АА в составе продукта сополимеризации составляет 1,06,0 моль. Продукт сополимеризации условно обозначают ИКАА-43 О 4. Пример 2. Все как в примере 1, за исключением того,что для осуществления процесса сополимеризации и гидролиза брали 2,79 частей ИК и 12,11 частей АА, соотношение ИКАА 1,08,0 моль, 22,37 частей фосфата натрия 3 О 4 соотношении АА 3 О 4 1,00,8 моль соответственно. Выход 99,88, соотношение ИК и АА в составе продукта сополимеризации составляет 1,08,0 моль. Продукт сополимеризации условно обозначают ИКАА-5-3 О 4. Пример 3. Продукты сополимеризации,полученные в примере 1, при перемешивании подвергаются гидролизу на водяной бане при температуре 97-99 С в течение 45 минут. Продукт гидролиза условно обозначают ИКААГ-4-3 О 4. Пример 4. Продукты сополимеризации,полученные в примере 2, при перемешивании подвергаются гидролизу на водяной бане при температуре 97-99 С в течение 45 минут. Полученный образец условно обозначают ИКААГ 5-3 О 4. Пример 5. Процесс осуществляют все как в примере 1 и 3, за исключением того, что сополимеризацию проводят в присутствии 13,72 частей карбоната натрия 2 О 3, соотношении 2 О 3 1,00,8 моль. Продукт сополимеризации условно обозначают ИКАА-4-2 О 3, а продукт гидролиза ИКААГ-4-2 О 3. Пример 6. Все как в примере 2 и 4, за исключением того, что процесс сополимеризации осуществляют в присутствии 14,46 частей карбоната натрия 2 О 3 соотношении 2 О 3 1,00,8 моль соответственно. Продукт сополимеризации условно обозначают ИКАА-5-2 О 3, а продукт гидролиза ИКААГ-5-2 О 3. Пример 7. Все как в примере 1 и 3, за исключением того, что процесс сополимеризации осуществляют в присутствии 15,79 частей силиката натрия 2 О 3, соотношении 2 О 3 1,00,8 моль соответственно. Продукт сополимеризации условно обозначают ИКАА-4-2 О 3, а продукт гидролиза ИКААГ-4-2 О 3. Пример 8. Все как в примере 2 и 4, за исключением того, что процесс сополимеризации осуществляют в присутствии 16,64 частей силиката натрия 2 О 3 соотношении 2 О 3 1,00,8 моль соответственно. Продукт сополимеризации условно обозначают ИКАА-5-2 О 3, а продукт гидролиза ИКААГ-5-2 О 3. Во всех случаях при гидролизе продукта сополимеризации обязуется гомогенная 3 высоковязкая, быстрорастворимая в воде масса,отличающаяся соотношением мономерных звеньев и составом сопутствующих анионов, не требующая выделения из реакционной массы при практическом использовании. При получении сополимера было установлено,что оптимальное соотношение ИК и АА является 1,06,0-8,0 моль. Уменьшение количество АА приводит к некоторому увеличение времени сополимеризации и гидролиза, а так же снижение молекулярной массы и выхода. Увеличение АА звена в составе реакционной смеси так же нежелательно, так как при этом уменьшается количества и плотность карбоксидных функциональных групп расположенных в транссостоянии в цепи макромолекулы, который приводит к снижению стабилизирующего действие конечного продукта. Если температура реакции сополимеризации ниже 45 С то реакция сополимеризации протекает не до конца, а если выше 50 С,то образуется относительно низкомолекулярный продукт. Выбранное оптимальное соотношение фосфата 34,карбоната 23, или силиката 23 натрия к АА 0,81,0 моль обеспечивает проведение гидролиза в течение 45 минут, и позволяет получить наиболее эффективный и устойчивый во времени хорошо растворимый стабилизатор глинистых суспензии. Уменьшение количества ниже оптимального приводит к замедлению процесса гидролиза, в следствии чего не только увеличивается время гидролиза, но и уменьшается стабилизирующее действие конечного продукта. Увеличение количества фосфата Р 4, карбоната 23, или силиката 2 О 3 натрия выше указанного оптимального соотношения также не желательно,из-за затруднения регулирования процесса гидролиза, а также уменьшение устойчивости конечного продукта по химическому составу,который приводит к ослабеванию стабилизирующего эффекта продукта гидролиза. Стабилизирующее действие исследуемых ВРПЭ оценивали по изменению объема осадкаи толщины жидкости (ж) над осадком, а также по относительной скорости фильтрации(отн) гидросуспензии бентонита (ГСБ), измеряемой на приборе Оствальда Григорев О.Н., Карпова И.Ф., и др. Руководство к практическим работам по коллоидной химии. - М. -Л. Химия. 1964 г. с.267,(Григорев О.Н., Карпова И.Ф., и др. Руководство к практическим работам по коллоидной химии. - М. Л. Химия. 1964 г. с.267). Полученные результаты свидетельствуют (табл.),что изменение объема , толщины слоя жидкости ж и относительной скорости фильтрации отн гидросуспензии бентонита ГСБ в зависимости от концентрации добавляемого ВРПЭ различно. Если в исследованном интервале концентрации стабилизирующее действие УНИФЛОК проявляет при добавлении 0,25-ного раствора, то такой же стабилизирующий эффект ВРПЭ полученного предлагаемым способом достигается при добавлении 0,025-ного раствора, а для ВРПЭ,полученного способом прототипа, примерно такой же эффект стабилизации наблюдается в присутствии 0,50 раствора. Таблица Изменение объема осадка ос, толщины слоя жидкости ж и скорости относительной фильтрации отн 5 ГСБ в зависимости от концентрации ВРПЭКонцентрация ВРПЭ в смеси, 1 2 1 0,000 2 0,005 3 0,010 4 0,025 5 0,050 6 0,100 7 0,250 8 0,500 Например при концентрации 0,10 ВРПЭ полученного предлагаемым способом объема осадка, относительная скорость фильтрации отн и толщина жидкости ж над твердой фазой системы,соответственно равны 48,3, 0,14 и 1,7, а в присутствии УНИФЛОК при концентрации 0,50 раствора эти параметры,соответственно,составляют 45,0, 0,16 и 5,0. Это свидетельствует о более высоком стабилизирующем действии образцов ВРПЭ полученных предлагаемым способом, по сравнению с ВРПЭ УНИФЛОК и ВРПЭ, полученным известным способом прототип. Проявления высокого стабилизирующего действия образцов ВРПЭ полученных предлагаемым способом, связанно с наличием в составе оптимального количества ионизируемых карбоксидных, слабоионизируемых амидных групп расположенных равномерно при определенной количественной соотношении и плотности, а так же чередуемости в цепи макромолекулы, которые обеспечивают выгодное конформационное состояние макромолекул, растворимость полимера в широком интервале концентрации и , которое обусловливают проявление более высокого стабилизирующего действия по сравнению ВРПЭ полученного известным способом аналог УНИФЛОК. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения водорастворимого полиэлектролита - стабилизатора глинистых суспензий,включающий сополимеризацию итаконовой кислоты с акриловыми мономерами в среде растворителя в присутствии персульфата калия 228, с предварительным вытеснением воздуха инертным газом, отличающийся тем, что сополимеризацию итаконовой кислоты ИК с амидом акриловой кислоты - АА осуществляют при мольным соотношении мономеров 1,06,0, 1,08,0, в присутствии фосфата 3 О 4, карбоната 2 О 3 или силиката 2 О 3 натрия взятого при мольном соотношении к амиду акриловый кислоты, АА равном 0,81,0 выдерживанием при температуре 50 С в течение 4-х часов и последующим гидролизом продукта сополимеризации при температуре 97-99 С в течение 45 минут.