Состав для получения криопеногеля с теплоизолирующими свойствами и способ его формирования

Состав для получения криопеногеля с теплоизолирующими свойствами и способ его формирования

Реферат

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к разработке оптимального компонентного состава и способа получения криопеногелей - вспененных материалов, которые могут быть использованы при строительстве и обустройстве нефтяных и газовых скважин в районах Севера, при рекультивации земель в районах криолитозоны, в технологических процессах добычи и транспорта нефти.

Процесс криотропного гелеобразования протекает при отрицательных температурах в многокомпонентных композициях на основе водных растворов поливинилового спирта. После замораживания водных растворов поливинилового спирта (ПВС) при отрицательной температуре и последующего их оттаивания при положительной температуре образуются упругие полимерные тела, называемые криогелями [В.И.Лозинский. Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применений. Успехи химии Т.71, №6, 2002 г].

Известен способ получения криопеногеля путем замораживания-оттаивания взбитых механическим способом водных растворов ПВС [В.И.Лозинский, Л.Г.Дамшкалн. Journal of Applied Polymer Science, vol.82, 1609-1619 (2001)].

Недостатком этого способа является нестабильность исходных пен и, как следствие, плохая воспроизводимость свойств получаемых криопеногелей.

Наиболее близкой к предлагаемому решению является композиция для получения криогеля поливинилового спирта и способ получения криогеля (пат. РФ №2190644, опубл. 10.10.2002, БИ №28). Получение пористого полимерного материала проводят путем приготовления исходного полимерного раствора с последующим замораживанием полученного раствора и удалением исходного растворителя из системы. Удаление растворителя из замороженной системы осуществляют промыванием водой для замены исходного растворителя на водную среду. Однако физико-механические и теплофизические свойства полученного продукта недостаточны, что не позволяет использовать его в нефтедобывающей промышленности.

Задача настоящего изобретения - разработать оптимальный состав композиции и способ получения из него криопеногеля с теплофизическими и механическими свойствами, необходимыми для теплоизоляции устья добывающих скважин и предотвращения выпадения в них парафиновых отложений.

Технический результат достигается тем, что состав содержит поливиниловый спирт, хлорид натрия, сажу, глицерин и воду при следующих соотношениях, мас.%:

Поливиниловый спирт	- 5-16
Хлорид натрия	- 5-10
Сажа	- 3-7
Глицерин	- 5-50
Вода	- Остальное

Хлорид натрия способствует увеличению модуля упругости и повышению температуры плавления криопеногеля. Глицерин, являясь пластификатором, придает эластичность криопеногелям, а также препятствует высыханию и разрушению образцов. Сажа увеличивает модуль упругости и, обладая гидрофобными (флотационными) свойствами, повышает устойчивость исходных пен, способствует структурно-механическому упрочнения стенок газовых ячеек, генерированных механическим способом, т.е. путем пропускания воздуха через пористый фильтр в гелеобразующую композицию.

Способ формирования криопеногеля с теплоизолирующими свойствами заключается в том, что в исходный водный раствор состава для получения криопеногеля вводят газовую фазу и проводят цикл замораживание-размораживание состава.

Стандартный способ получения двухкомпонентных криогелей описан в примере 1. Физические свойства образующихся криогелей зависят от концентрации полимера (примеры 1 и 2) и условий проведения цикла замораживания-размораживания.

Для улучшения теплоизоляционных свойств криогелей (для уменьшения коэффициента теплопроводности) в гомогенный двухкомпонентный раствор ПВС необходимо ввести газовую фазу и из образовавшейся пены после цикла замораживания-размораживания получить криопеногель. Вследствие того, что коэффициент теплопроводности пены существенно ниже коэффициента теплопроводности полимерного раствора, процесс охлаждения и последующего замораживания газонасыщенной жидкости протекает значительно медленнее, чем полимерного раствора, и сопровождается разрушением пены. Поэтому для получения стабильных криопеногелей требуются исходные пены, устойчивые во времени. Газонасыщенные композиции различной кратности формируются путем барботажа воздуха через пористый фильтр в водные растворы поливинилового спирта (от 5 до 10%). После измерения времени оседания полученных пен было установлено, что их устойчивость возрастает с увеличением концентрации полимера в растворе. Но даже у концентрированного раствора (10% ПВС) время разрушения пены составляет менее получаса (1500 с), что явно недостаточно для завершения процесса полного замораживания вспененного образца до его разрушения. Поскольку дальнейшее повышение концентрации полимера в растворе нецелесообразно вследствие резкого возрастания вязкости и технологической сложности получения мелкодисперсной пены, то необходимо вводить добавки, повышающие устойчивость пены.

Пример 1. Водный раствор ПВС, массовое содержание полимера, в котором составляет 5%, заливают в цилиндрическую кювету и ставят на 20 часов в холодильную камеру при температуре (-20°С). После окончания замораживания из цилиндра вынимают ледяной жесткий образец и размораживают при комнатной температуре (+20°С) в течение 4 часов. После размораживания образец переходит из кристаллического в эластичное (каучукоподобное) состояние. Характеристики полученного двухкомпонентного криогеля (модуль упругости G, температура плавления Т_пл и коэффициенты теплопроводности λ) приведены в таблице 1.

Примеры 2-3. По методике, описанной в примере 1, готовят и исследуют криогели с содержанием полимера 10 и 16%. Результаты измерений физических характеристик приведены в таблице 1. Увеличение концентрации полимера в криогеле повышает модуль упругости и практически не влияет на коэффициент теплопроводности.

Примеры 4-5. В двухкомпонентную систему, состоящую из ПВС - 5% и воды - 90% вводят глицерин 5 и 50%. После цикла замораживания-размораживания приготовленной композиции образуется криогель. Результаты измерений физических характеристик приведены в таблице 1. Небольшие концентрации глицерина не влияют на модуль упругости криогеля и лишь высокие концентрации глицерина (50%) существенно повышают модуль упругости криогеля.

Примеры 6-8. Варьируя концентрации компонентов, готовят композиции, содержащие ПВС, хлорид натрия, сажу, глицерин и воду. Аналогично примеру 1 проводят цикл замораживания-размораживания и определяют физические характеристики сформированных криогелей (таблица 1). Многокомпонентные криогели по сравнению с двухкомпонентными обладают повышенной упругостью и температурой плавления.

Примеры 9-11. Барботируя воздух через пористый фильтр, вспенивают жидкие многокомпонентные композиции с различным содержанием сажи. Затем для получения криопеногеля из пены, содержащей равные объемы жидкой и газовой фазы (кратность 2), аналогично примеру 1 проводят цикл замораживания-размораживания. Результаты измерений физических характеристик полученных пенокриогелей приведены в таблице 1. Полученные криопеногели имеют заметно меньшие коэффициенты теплопроводности по сравнению со сплошными двухкомпонентными криогелями и практически не уступают последним в упругости (в интервале концентраций от 5 до 10% ПВС).

Пример 12. Введение в многокомпонентную композицию двух объемов газа на один объем жидкой фазы (кратность 3) и последующее замораживание-размораживание сопровождается дальнейшим понижением коэффициента теплопроводности у образующегося криопеногеля.

Таким образом, предложенный состав и способ его получения позволяют получать стабильный материал с улучшенными механическими и теплоизоляционными свойствами.

Таблица 1.
№	Состав исходной композиции	Кратность пены	G, кПа	λ, Вт/К·м	Тпл, °С
1	ПВС - 5%;вода - 95%	1	4	0.334	73
2	ПВС - 10%; вода - 90%	1	30	0.332	73
3	ЛВС - 16%; вода - 84%	1	123	0,331	73
4	ПВС - 5%; глицерин - 5%; вода - 90%	1	11	0,341	73
5	ПВС - 5%; глицерин - 50%; вода - 45%	1	110	0,263	77
6	ПВС - 5%; хлорид натрия - 10%; сажа - 7%; глицерин - 5%; вода - 73%	1	60	0.339	110
7	ПВС - 10%; хлорид натрия - 10%; сажа - 7%; глицерин - 5%; вода - 68%	1	68	0.338	110
8	ПВС - 5%; хлорид натрия - 5%; сажа - 7%; глицерин - 5%; вода - 78%	1	31	0.339	97
9	ПВС - 5%; хлорид натрия - 10%; сажа - 7%; глицерин - 5%; вода - 73%	2	58	0.261	110
10	ПВС - 5%; хлорид натрия - 10%; сажа - 5%; глицерин - 5%; вода - 75%	2	25	0.262	110
11	ПВС - 5%; хлорид натрия - 10%; сажа - 3%; глицерин - 5%; вода - 77%	2	6	0.264	110
12	ПВС - 5%; хлорид натрия - 10%; сажа - 7%; глицерин - 5%; вода - 73%	3	25	0.251	110

1. Состав для получения криопеногеля с теплоизолирующими свойствами, содержащий поливиниловый спирт и растворитель - воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хлорид натрия, сажу и глицерин при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Поливиниловый спирт	5-16
Хлорид натрия	5-10
Сажа	3-7
Глицерин	5-50
Вода	Остальное

2. Способ получения криопеногеля с теплоизолирующими свойствами, заключающийся во вспенивании воздухом исходного водного раствора состава по п.1 и последующем проведении цикла замораживания-размораживания состава.