Способ получения эмульгатора для буровых растворов на углеводородной основе

Изобретение относится к области химических реагентов, а именно эмульгаторам, используемым при получении однородной смеси из несмешивающихся жидкостей, таких как нефть и вода, масло и вода и др., и применяющихся в нефте- и газодобывающей промышленности при бурении нефтяных и газовых скважин с использованием буровых растворов.

Для обеспечения эффективного и успешного выполнения буровых работ, традиционные буровые растворы должны иметь состав, обеспечивающий низкое поглощение бурового раствора пластом, совместимость различных добавок в буровых растворах, низкую эквивалентную плотность циркуляции и минимальную степень оседания барита. По сравнению с большинством растворов на водной основе, буровые растворы на углеводородной основе отличаются более стабильной вязкостью, термостойкостью и глиностабилизирующими свойствами, что обуславливает их применение при бурении скважин в условиях высокого давления и высокой температуры. На все перечисленные требования к буровым растворам оказывает большое влияние выбор эмульгатора. Поэтому в последнее время предъявляются особые требования при разработке и использовании буровых растворов к эмульгирующей основе.

Известен способ получения эмульгатора, заключающийся в нагревании и перемешивании при нормальном давлении смеси из жирных кислот таллового масла и многоатомного спирта (ТУ 6-143-1035-79 «Эмультал» Технические условия).

Нагревание осуществляют при температуре 155-165°С в течение 16 часов. В качестве жирных кислот используют олеиновую, линолевую и смоляную кислоты, входящие в состав талового масла, а в качестве многоатомного спирта – триэтаноламин.

В результате взаимодействия в основном ненасыщенных нормальных

жирных кислот С₈ – С₂₄, входящих в состав талового масла, с триэтаноламином протекает реакция этерификации с образованием смеси сложных триэтаноламиновых эфиров жирных кислот талового масла.

К недостаткам известного способа относится его энергоемкость и временная длительность. Кроме того, получаемый известным способом эмульгатор обладает низкой эмульгирующей и стабилизирующей способностью по отношению к гидрофобным жидкостям, а также высокими значениями показателя фильтрации (более 40 см³/30 мин при перепаде давления 0,1 МПа).

Известен способ получения эмульгатора, заключающийся в нагревании и перемешивании при нормальном давлении смеси из жирных кислот талового масла и многоатомного спирта (см. описание к патенту США №4 658 036, МПК C07D207/40,C07D209/48,C09K8/32, опубл.14.04.1987).

В известном способе нагревание смеси осуществляют в две стадии: на первой стадии при температуре 200° – 220°С и на второй стадии при температуре 220°-265°С в течение от 2 до 4-х часов и нормальном давлении. В состав смеси входит одна или несколько жирных кислот талового масла и акриловая кислота, малеиновый ангидрид или фумаровая кислота, с последующим взаимодействием с многоатомным спиртом - диэтилентриамином с получением инвертного эмульгатора.

Недостатками известного эмульгатора является отсутствие стабилизирующего действия в области практически приемлемых концентраций эмульгатора, высокий показатель фильтрации (17-36 мл/30 мин) и высокий показатель электростабильности.

Известен способ получения эмульгатора - стабилизатора, принятый в качестве прототипа, заключающийся в нагревании и перемешивании при нормальном давлении смеси из жирных кислот талового масла и многоатомного спирта и дизельного топлива (см. описание изобретения к патенту РФ №2201950 «Способ получения эмульгатора-стабилизатора гидрофобно-эмульсионных буровых растворов», С09К 7/06, опубл. 10.04.2003).

В качестве жирных кислот используют кубовый остаток производства синтетических жирных кислот, а в качестве многоатомного спирта - триэтаноламин, в соотношении кубовый остаток : триэтаноламин 4÷5:1, а нагревание проводят при температуре 120-150°С в течение 4-8 часов в среде растворителя. В качестве растворителя используют дизельное топливо или керосин.

Известный эмульгатор обладает комплексным действием, а именно одновременно и эмульгирующим и стабилизирующим, что выражается в высокой термостойкости и агрегативной устойчивости получаемых на его основе гидрофобно - эмульсионных буровых растворов.

К недостаткам известного эмульгатора-стабилизатора относятся высокие значения показателя фильтрации даже при небольшом перепаде давления 0,1 МПа (18-32 см³/30 мин), большие затраты времени на операции, связанные с разогревом и растворением компонентов указанного эмульгатора (время реакции составляет 4-8 часов при температуре 120-150°С), и, как следствие, сложность проведения этих операций в промысловых условиях.

Технической задачей и результатом предлагаемого способа является получение эмульгатора для буровых растворов на углеводородной основе, обладающего наряду с высокой электростабильностью высоким значением показателя фильтрации.

Технический результат достигается тем, что в способе получения эмульгатора для буровых растворов на углеводородной основе, заключающимся в нагревании и перемешивании при нормальном давлении смеси из жирных кислот, многоатомного спирта и дизельного топлива, имеются отличия, а именно в качестве жирных кислот используют кислоты растительного масла, в качестве многоатомного спирта используют диэтаноламин, при этом вначале смесь из жирных кислот растительного масла и диэтаноламина подогревают до 130°С-140°С, затем дополнительно добавляют фталевый ангидрид и при указанной температуре перемешивают в течение 2-2,5 часов до полного растворения фталевого ангидрида, после чего добавляют топливо дизельное и перемешивают еще 30 мин до достижения однородности смеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Способ получения эмульгатора для буровых растворов на углеводородной основе реализуют следующим образом.

В трехгорлый реактор, снабженный мешалкой, обратным холодильником и термометром загружают жирные кислоты растительных масел и диэтаноламин и смешивают. После чего полученную смесь подогревают до 130°-140°С, затем в смесь добавляют фталевый ангидрид и при указанной температуре перемешивают в течение 2-2,5 часов до полного растворения фталевого ангидрида. Затем добавляют дизельное топливо и перемешивают еще 30 мин до однородности смеси.

В качестве основного компонента в предлагаемом эмульгаторе используют жирные кислоты растительных масел, имеющие по ТУ 9145-005-50973386-2009 «Жирные кислоты растительных масел» следующие физико-химические характеристики:

внешний вид - коричневая прозрачная жидкость;

массовая доля влаги и летучих не более 1,0%;

кислотное число не менее 60мг КОН/г;

содержание жиров не менее 99%.

В качестве растворителя используют топливо дизельное СТО 00044434-006-2005 с изм. № 1 "Бензины автомобильные ЭКТО", а также фталевый ангидрид по ГОСТ 7119-77«Ангидрид фталевый технический. Технические условия» и диэтаноламин по ТУ 2423-003-78722668-2010 «Диэтаноламин. Технические условия», используемые в качестве стабилизатора, поставщика катионов для образования кальциевых мыл.

Кислотное число определяли по ГОСТ 598579 «Нефтепродукты. Метод определения кислотности и кислотного числа».

Эксплуатационные характеристики предлагаемого эмульгатора-стабилизатора определяли следующим образом:

- электростабильность определяли по ГОСТ 33697-2015 (ISO 10414-2:2011) после термостатирования при 65,6°С в течении 16 часов;

- статическую фильтрацию определяли по ГОСТ 33697-2015 (ISO 10414-2:2011) после термостатирования при 65,6°С в течении 16 часов;

Способ получения эмульгатора для буровых растворов на углеводородной основе поясняется следующими примерами.

Пример 1

В трехгорлый реактор, снабженный мешалкой, обратным холодильником и термометром загружают 240 г жирных кислот растительных масел и 6 г диэтаноламина и перемешивают. После чего полученную смесь подогревают до 130°С, добавляют 30г фталевого ангидрида и перемешивают при указанной температуре в течение 2,5 часов до полного растворения фталевого ангидрида. Затем добавляют 24 г топлива дизельного и перемешивают еще 30 мин до достижения однородности смеси.

Полученный эмульгатор имел кислотное число 97 мг КОН/г.

Приготовленный гидрофобно-эмульсионный раствор компонентного состава, на основе полученного эмульгатора имел следующие показатели:

Электростабильность 370 В;

фильтрация 18 мл/30 мин.

Пример 2

В трехгорлый реактор, снабженный мешалкой, обратным холодильником и термометром загружают 210 г жирных кислот растительных масел и 15 г диэтаноламина и перемешивают. После чего полученную смесь подогревают до 140°С, добавляют 30 г фталевого ангидрида и перемешивают при указанной температуре в течение 2 часов до полного растворения фталевого ангидрида. Затем добавляют 45 г топлива дизельного и перемешивают еще 30 мин. до достижения однородности смеси.

Полученный эмульгатор имел кислотное число 83 мг КОН/г. Приготовленный гидрофобно-эмульсионный раствор компонентного состава, на основе полученного эмульгатора имел следующие показатели:

Электростабильность 479 В;

фильтрация 10 мл/30 мин.

Пример 3

В трехгорлый реактор, снабженный мешалкой, обратным холодильником и термометром загружают 180 г жирных кислот растительных масел и 9 г диэтаноламина и перемешивают. После чего полученную смесь подогревают до 140°С, добавдяют 25,5г фталевого ангидрида и перемешивают при указанной температуре в течение 2 часов до полного растворения фталевого ангидрида. Затем добавляют 85,5 г топлива дизельного и перемешивают еще 30 мин в среде растворителя до достижения однородности смеси.

Полученный эмульгатор имел кислотное число 80 мг КОН/г.

Приготовленный гидрофобно-эмульсионный раствор компонентного состава, на основе полученного эмульгатора имел следующие показатели:

Электростабильность 575 В;

фильтрация 4,4 мл/30 мин.

Пример 4

В трехгорлый реактор, снабженный мешалкой, обратным холодильником и термометром загружают 150 г жирных кислот растительных масел и 12 г диэтаноламина и перемешивают. После чего полученную смесь подогреваютдо 137°С, добавдяют 18г фталевого ангидрида и перемешивают при указанной температуре в течение 2,5 часов до полного растворения фталевого ангидрида. Затем добавляют 120 г топлива дизельного и перемешивают еще 30 мин до достижения однородности смеси.

Полученный эмульгатор имел кислотное число 60 мг КОН/г.

Приготовленный гидрофобно-эмульсионный раствор компонентного состава, на основе полученного эмульгатора имел следующие показатели:

Электростабильность 350 В;

фильтрация 16 мл/30 мин.

Для наглядности показания полученных результатов сведены в таблицу.

Приведенные примеры показывают, что эмульгатор, получаемый по предлагаемому способу во всем диапазоне условий получения имеет существенно высокие эксплуатационные характеристики.

Приведенные данные экспериментов указывают на то, что в сравнении с известными эмульгаторами предлагаемый эмульгатор имеет электростабильность выше в 1,5-2 раза (до 575В против 340В) и высокие значения показателя фильтрации.

Предлагаемый эмульгатор обладает совместимостью с другими добавками для буровых растворов на нефтяной основе. Предлагаемый эмульгатор эффективен в применении при малых концентрациях, и добавляется непосредственно в буровой раствор.

При температуре ниже 130°С образуется продукт с плохими эксплуатационными характеристиками (такие как, статическая фильтрация и электрическая стабильность), поскольку реакция этерификации с образованием смеси сложных диэтаноламиновых эфиров жирных кислот протекает при этой температуре крайне медленно.

Температура нагрева ограничена сверху тем, что при температуре выше 140°С возрастает взрывопожароопасность процесса, также могут ухудшаться физико-химические характеристики целевого продукта. При температуре выше 140°С возрастает температура застывания, что создает технологические трудности, связанные с необходимостью разогрева эмульгатора.

Если перемешивать меньше указанного времени, то мы заметим неоднородность и непостоянство состава целевого продукта. Если проводить перемешивание больше двух с половиной часов, то тогда потребуются большие затраты времени на операции, что приведет к сложности проведения получения целевого продукта в промысловых условиях.

Все сказанное позволяет сделать вывод, что приемлемой температурой для ведения процесса получения эмульгатора, является 130-140°С, когда выход целевого продукта достаточно высокий, а технологические свойства находятся на достаточно высоком уровне.

Таблица