Технические хлопковые фосфолипиды в качестве эффективных эмульгаторов смазывающих буровых растворов

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены основные результаты исследования эмульгируюшей способности технических хлопковых фосфолипидов при получении смазывающих буровых растворов. Установлено, что триглицериды сопутствующие фосфолипидам выполняют роль смазывающих реагентов долота и буровых установок. Показано, что хлопковые масла являются ценным сырьем для получения технических фосфолипидов т.е. эмульгаторов за счет присутствия в них госсипола и его производных.

ABSTRACT

This article presents the main results of the study of the emulsifying ability of technical cotton phospholipids in the production of lubricating drilling fluids. It was found that triglycerides accompanying phospholipids play the role of lubricating reagents for bits and drilling rigs. It has been shown that cottonseed oils are a valuable raw material for the production of technical phospholipids, i.e. emulsifiers due to the presence of gossypol and its derivatives.

Ключевые слова: смазывающие буровые растворы, технические хлопковые фосфолипиды, триглицериды, госсипол и его производные.

Keywords: lubricating drilling fluids, technical cotton phospholipids, triglycerides, gossypol and its derivatives.

На современном этапе развития добычи нефти и газа основное внимание уделяется эффективному использованию долота и бурового оборудования, особенно применяемых при глубоком бурении. В Узбекистане на масло-жировых предприятиях добывают хлопковые масла по традиционной технологии, где отсутствует процесс гидратации фосфолипидов и их выделение в качестве самостоятельного продукта. Это является следствием присутствия госсипола и его производных в получаемых фосфолипидах, которых можно использовать для технических целей.

В бурильных установках нефти и газа с увеличением глубины скважены необходимо осуществлять смазывание долота и других металлических поверхностей бурильной установки. В качестве смазывающего вещества чаще используют импортные смазки, получаемые по специальной технологии или же растительные жиры технического назначения.

Нами учитывая вышеизложенную проблему была исследована возможность применения технических хлопковых фосфолипидов для смазки движущих поверхностей буровой установки нефти и газа.

Известно, что фосфолипиды являются одним из важных сопутствующих триацилглицеридам компонентов растительных, в частности хлопковых масел. Их составы и свойства характеризуются наличием веществ, близких по своей природе, и зависящих от качества масличного сырья и изменений, происходящих как в процессе извлечения, так и при последующей переработке растительных масел.

Биологические и поверхностно-активные свойства фосфолипидов, в частности, получаемых из хлопковых масел, диктуют важность производства фосфатидного концентрата и его применения в различных отраслях экономики.

Важными свойствами фосфолипидов, обусловливающими их потребление как самостоятельного продукта являются их поверхностно-активные свойства, полярность, поляризуемость, а также способность к ассоциации и мицеллообразованию в неполярных и малополярных растворителях.

Они способны изменять фазовые и энергетические взаимодействия на поверхностях раздела полярной и неполярной фаз. Наличие такой активности для фосфолипидов обусловлено их химическим строением, полярностью и поляризуемостью, а также внешними факторами: температурой, характером среды (растворителя), концентрацией и особенностью (видом) на границе раздела фаз [1].

ПАВ – это органические соединения, содержащие в молекуле углеводородные радикалы, одну или несколько полярных (активных) групп [6, 7]. Особенностью состава и структуры молекул фосфолипидов является их углеводородная часть, которая состоит из одной (для лизоформ) или двух радикалов жирных кислот, отличающихся в основном молекулярной массой и степенью ненасыщенности, а полярные (активные) группы состоят из кислородсодержащих-эфирных, гидроксильных, карбоксильных; азотсодержащих - амино- и фосфорсодержащих групп, где могут быть и металлы [3].

Фосфолипиды, растворенные в малополярном растворителе, в частности в триацилглицеринах растительного масла, практически не проявляют поверхностной активности на границе раздела фаз: растворитель - воздух [4]. В неполярных растворителях их поверхностная активность ярко проявляется на границе раздела с водой. Эти свойства фосфолипидов в масле позволяют отнести их к группе ПАВ, образующих в маслах мицеллярные растворы [5].

Фосфолипиды хлопковых масел в основном состоят из лецитина (36-38%) и кефалина (61-62%). Кроме того, в составе фосфолипидов имеется небольшое количество (1,5-2%) инозитолфосфатидов [2, 6].

Лецитин – это эфир глицерина, в котором два гидроксила этерифицированы жирными кислотами, третий - фосфатидной кислотой. Одна валентность фосфорной кислоты этерифицирована холином. Структурную формулу лецитина можно представить в следующем виде (1) [2, 6]:

       (1)          (2)

лецетин                                            кефалин

где:   R₁ и R₂ – насыщенные и ненасыщенные углеводородные остатки жирных кислот.

Известно, что лецитин считается природным поверхностно-активным веществом (ПАВ) и поэтому имеет хорошую эмульгирующую способность, а кефалин, вместо холина в фосфорной кислоте имеет валентность этерифицированого коламина. Структурная формула кефалина (2) показано выше [7].

Кефалин способен предотвращать окисление ненасыщенных жирных кислот в маслах. Поэтому для предохранения масел от окисления рекомендуется сохранять его в среднем в количестве 0,2% от массы масла.

К гидратируемым фосфолипидам относятся: фосфатидилхолины и их лизопроизводные, фосфатидилэтаноламины, фосфатидилинозитолы, фосфатидные и полифосфатидные кислоты, а к негидратируемым-фосфорсодержащие вещества нелипидного характера, кислые формы фосфатидов (фосфатидные и полифосфатидные кислоты), липопроизводные соединения (липофосфатидные кислоты, липофосфатидилсерины, лизофосфатидилэтаноламины), сложные гликолипиды, соли кислых форм фосфатидов с металлами соединения фосфатидных и полифосфатидных кислот со стеринами и алифатическими спиртами [8].

По степени гидратируемости основные виды фосфолипидов располагаются в следующий убывающий ряд: лецитины → кефалины → фосфатидилсерины → фосфатидилинозитолы. [8].

Жирно-кислотный состав негидратируемых фосфатидов отличается от такого состава гидратируемых фракций большим содержанием насыщенных жирных кислот [3].

Негидратируемые фосфатиды характеризуют значительно большим содержанием золы, что свидетельствует о наличии в них соединений, обладающих кислыми свойствами и активно вступающих во взаимодействие с металлами. Суммарное содержание щелочных металлов в гидратируемых и негидратируемых фосфолипидах составляет 0,47-0,54%. Причем из металлов, присутствующих в негидратируемой фракции фосфолипидов, значительная доля приходится на кальций и магний [6].

Из вышеизложенного видно, что основным компонентом эмульгирования бурового раствора при использовании фосфатидов является лецитин, который содержится более 75% от общей массы фосфолипидов.

Учитывая это, нами изучено влияния содержания хлопкового лецитина в фосфолипидах на эмульгирующую способность, получаемого бурового раствора. В графической форме полученные результаты представлены на рис. 1.

Рисунок 1. Изменение эмульгирующей способности (Э.С.) глинистого бурового раствора в зависимости от содержания лецитина (Л) в фосфолипидах и температуры масляной эмульсии

Из рис. 1 видно, что с увеличением содержания лецитина в фосфолипидах, эмульгирующая способность фосфатидов повышается, что также подтверждается с увеличением температуры от 60 до 180°С.

Известно, что эмульсионные растворы в процессе бурения скважины наряду с выносим пластовой воды в наружу выносят высокодисперсные механические примеси, которые образуются на данных объектах. Учитывая это, нами изучено влияние содержания лецитина на вынос механических примесей вместе с пластовой водой скважины. На рис. 2 представлены изменения содержания механических примесей в зависимости от содержания лецитина в фосфолипидах и температуры масляной эмульсии.

Рисунок 2. Изменение содержания механических примесей (М.П.) в зависимости от содержания лецитина (Л) в фосфолипидах и температуры масляной эмульсии (Т₁-Т₃)

Из рис. 2 видно, что лецитин как хороший эмульгатор способен увеличивать вынос механических примесей из дна скважины вместе с пластовой водой, что положительно влияет на качество буровых работ.

Из литературы известно, что буровые растворы особенно эмульсионные способны образовать пену в больших количествах, что затрудняет процессы бурения скважины и ухудшают экологическую обстановку в промысле. Поэтому, нами изучена роль фосфолипидов на пенообразующую способность эмульсионных глинистых буровых растворов, результаты которых представлены на рис. 3.

Рисунок 3. Изменение пенообразующей способности (П.С.) в зависимости от содержания хлопковых фосфолипидов в растворе (Ф) и температуры буровой эмульсии (1-3)

Из рис. 3 видно, что увеличение содержания фосфолипидов в буровых растворов от 0,0 до 8,0% способствует повышению пенообразующей способности эмульсии от 40 до 57-83% при различных температурах (Т₁-Т₃). Это связано с тем, что с повышением температуры вязкость буровых растворов снижается, а поглощение раствором воздуха увеличивается.

Одним из важных показателей эффективности буровых растворов, в частности эмульсионных является их моющая способность (М.С.), которая характеризует удаление из скважины дисперсных механических примесей, солей и др. Поэтому, данному показателю на практике уделяют особое внимание. Результаты наших экспериментальных исследований по изучению моющих способностей буровых растворов в зависимости от содержания в них фосфолипидов (Ф) и температуры эмульсионного раствора (Т₁-Т₃) представлены на рис. 4.

Рисунок 4. Изменение моющей способности (М.С.) в зависимости от содержания хлопковых фосфолипидов в растворе (Ф) и температуры буровой эмульсии (1-3)

Из рис. 4 видно, что фосфолипиды положительно влияют на моющую способность (М.С.) получаемых буровых растворов, а повышение их температур (Т₁-Т₃) от 60 до 180°С позволяет повысить моющую способность эмульсии от 35 до 63%.

Таким образом, проведенные исследования позволяют количественно оценить роль технических хлопковых фосфолипидов на эффективность смазывания установки и других показателей (эмульгирующая, пенообразующая, и моющая способности) буровых растворов. Такая комплексная оценка качества смазывающего бурового раствора позволяет сделать выводы о их пригодности по соответствующим глубинам разрабатываемых скважин для нефти и газа.

Список литературы:

1. Арутюнян Н.С. Состав и свойства фосфолипидов подсолнечного масла. – Масложировая промышленность, 1974, №3, с. 11-15.
2. Сагдуллаева Д.С., Салиханова Д.С., Тураев А.С., Абдурахимов С.А., Ходжаев С.Ф., Уринов С.Н. Технология получения фосфолипидов из растительных масел и их применение // Монография, - Ташкент, «Tafakkur», 2020. 184 c.
3. Волотовская С.Н., Койфман Т.Ш., Криштофович С.Н. Рафинация подсолнечного масла без применения раствора щелочи. – Масло-жировая промышленность, 1980, №3, с. 25-28.
4. Корнена Е.П., Пономарева Н.А., Арутюнян Н.С. Изучение структуры фосфолипидов соевых масел методом ИК-спектроскопии. – Известия вузов СССР. Пищевая технология, 1984, №3, с. 19-21.
5. Абрамзон А.А. Поверхностно-активные вещества, свойства и применение. – Л.: Химия, 1975. – 246 с.
6. Сагдуллаева Д.С., Уринов С.Н., Абдурахимов С.А., Тураев А.С. Применение технического фосфолипидного ПАВ при получении антикоррозионных буровых растворов // Universium: Технические науки. ‑ Москва. 2019 г. № 10 (67). –С. 72-75.
7. Химия жиров / Б.Н.Тютюнников, З.И.Бухштаб, Ф.Ф.Гладкий и др. - – М.: 3-е изд., перераб. и доп. – Колос, 1992. – 448 с.
8. Urinov S., Sagdullaeva D., Turaev A., Abdurakhimov S. // Advantages of Use of Technical Phospholipides of Cotton Oils for Producinga Lubricant and Anticorrosion Drilling Mix // International Journal of Advanced Research Science, Еngineering and Technology. ‑ India. Volume 7, Issue 1 January 2020, Р. 12444-12448.