СИНТЕЗ МНОГОСЛОЙНЫХ СШИТЫХ ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается синтез многослойных сшитых полимеров для повышения термоустойчивости и эффективности буровых растворов. Основное внимание уделено выбору мономеров и условий полимеризации, а также исследованию характеристик синтезированных полимеров, таких как вязкостные, термические и структурные свойства. Оптимальные условия синтеза включают рН 7-8 и температуру 70-75ºС. Результаты исследования показали, что введение нано-SiO₂ значительно улучшает физико-химические характеристики полимеров, включая термостабильность и вязкость, что делает их перспективными для применения в буровых растворах при высоких температурах и давлениях. Полученные данные подтверждают высокую эффективность синтезированных полимеров для повышения стабильности и эффективности буровых операций.

ABSTRACT

This article examines the synthesis of multilayer crosslinked polymers to enhance the thermal stability and efficiency of drilling fluids. The focus is on the selection of monomers and polymerization conditions, as well as the investigation of the properties of the synthesized polymers, such as viscosity, thermal stability, and structural characteristics. Optimal synthesis conditions include a pH of 7-8 and a temperature of 70-75ºC. The research results showed that the introduction of nano-SiO₂ significantly improves the physicochemical properties of the polymers, including thermal stability and viscosity, making them promising for use in drilling fluids at high temperatures and pressures. The obtained data confirm the high efficiency of the synthesized polymers in enhancing the stability and efficiency of drilling operations.

Ключевые слова: сшитые полимеры, буровые растворы, термостабильность, вязкость, нано-SiO₂, полимеризация, реологические свойства.

Keywords: crosslinked polymers, drilling fluids, thermal stability, viscosity, nano-SiO₂, polymerization, rheological properties.

Введение

В условиях современного бурения значительное внимание уделяется разработке буровых растворов, способных выдерживать высокие температуры и экстремальные условия эксплуатации. Многослойные сшитые полимеры представляют собой перспективное направление в этой области, так как они обладают рядом уникальных свойств, позволяющих существенно улучшить термоустойчивость буровых растворов.

Органические полимеры природного или синтетического происхождения являются наиболее развитыми. Эти полимеры получают путем химической обработки природных макромолекулярных соединений или синтеза из низкомолекулярных веществ. М.М. Дардир и его коллеги предложили использовать синтетический реагент (эфир) в составе бурового раствора, который обладает высокой биоразлагаемостью и низкой токсичностью [1] Полисахариды, лигносульфонаты, танины и гуматы являются природными полимерами; целлюлозный эфир является полусинтетическим, а синтетические полимеры включают нефтехимические производные, такие как этиленоксид и акриловые полимеры [2]. Ф.Т.Г. Диас и его коллеги показали возможность использования модифицированного крахмала в неводных буровых растворах [3]. Полимерные реагенты часто улучшаются дополнительной обработкой. В работе представлена формула солевого раствора на основе аттапульгита, обработанного полиакриламидом, который улучшает как реологические, так и фильтрационные показатели [4].

Целью данного исследования является синтез многослойных сшитых полимеров и изучение их характеристик для повышения термоустойчивости и эффективности буровых растворов.

Материалы и методы

Материалы

Современные технологии бурения предъявляют высокие требования к стабильности и эффективности буровых растворов, особенно в условиях высоких температур и давлений (HTHP). Традиционные буровые растворы часто сталкиваются с проблемами, связанными с ухудшением их реологических и фильтрационных характеристик при экстремальных условиях.

В качестве исходных реагентов для синтеза сшитых полимеров, предназначенных для улучшения характеристик буровых растворов, были выбраны следующие мономеры: акриламид (АА), акриловая кислота (АК), акрилонитрил (АН) и N-гидроксиэтилакриламид (ГЭАА). Эти мономеры обеспечивают формирование полимерных цепей с необходимыми функциональными группами, способствующими улучшению термической стабильности и реологических свойств буровых растворов.

Методы

Синтез сшитых полимеров был проведен методом эмульсионной полимеризации. В начале процесса 1 г октадецилтриметиламмоний бромида (ОДТМАБ) добавлялся к 300 мл деионизированной воды и перемешивался до получения однородного раствора. Затем вводили нано-SiO2 (от 0.5 до 3 г), диспергированного с помощью ультразвука (20 кГц) в течение 5 минут. После этого последовательно добавлялись акриловая кислота, акриламид, акрилонитрил и N-гидроксиэтилакриламид.

Содержание ГЭАА в системе смеси мономеров менялось от 0.9 до 2%, а остальных мономеров от 0 до 99% для формирования стабильной эмульсии. Смесь переносилась в трехгорлую колбу и нагревалась в водяной бане. Для создания инертной атмосферы и удаления воздуха в реакционную среду вводили азот, после чего температуру повышали до 50°C. Затем медленно добавляли персульфат аммония для инициации реакции. Температуру продолжали увеличивать до 75°C и поддерживали на этом уровне в течение 6 часов.

Исследование характеристик синтезированных полимеров включало анализ их вязкостных, термических и структурных свойств. Вязкость измерялась при различных рН и температурах. Термическая стабильность оценивалась с помощью термогравиметрического анализа (ТГА) и дифференциально-термического анализа (ДТА).

Результаты и обсуждение

Исследование характеристик синтезированных полимеров

Одной из ключевых задач исследования было определить влияние состава реагирующей смеси на вязкостные характеристики синтезированных полимеров. В частности, исследовалось влияние АА, АК, АН и ГЭАА на вязкость получаемых растворов. Было установлено, что наилучшие вязкостные характеристики наблюдаются при рН 7-8 и температуре синтеза 70-75ºС. Эти условия позволяют достичь максимальных значений вязкости, что свидетельствует о высокой молекулярной массе и структурной целостности полученных полимеров.

Синтезированные полимеры, содержащие нано-SiO₂, показали значительно лучшие результаты по сравнению с полимерами без этого компонента. Введение нано-SiO₂ способствует улучшению термостабильности и вязкости, что делает такие полимеры перспективными для использования в качестве стабилизаторов буровых растворов при высоких температурах.

Анализ изменений вязкости растворов стабилизаторов в зависимости от температуры реакционной системы показан на рис. 1 при различных соотношениях мономеров AA, АН, АК и ГЭАА.

Рисунок 1. Изменение вязкости растворов 0,5% стабилизаторов в зависимости от температуры реакционной системы при соотношении АА:АН:АК:ГЭАА: 1) 50:10:10:1; 2) 60:10:10:1; 3) 50:20:10:1; 4) 50:10:5:1. (70ºС, продолжительность 5 ч)

Изучение зависимости вязкости синтезированных полимеров от температуры и рН реакционной среды показало, что низкие значения рН (ниже 4) и высокие значения (выше 9) негативно влияют на вязкость. Это связано с дестабилизацией полимерной сетки и уменьшением молекулярной массы полимеров. Оптимальные значения вязкости достигаются при рН 7-8 и температуре синтеза 70-75ºС.

Термическая стабильность синтезированных полимеров была исследована с использованием термогравиметрического анализа (ТГА) и дифференциально-термического анализа (ДТА). Результаты показали, что полимеры с нано-SiO₂ имеют более высокие температуры начала разложения и меньшие потери массы при нагревании по сравнению с полимерами без нано-SiO₂. Это подтверждает, что нано-SiO₂ улучшает термическую стабильность полимеров.

Таблица 1 показывает результаты термического анализа образцов, где полимер на основе акриламида, акрилонитрила, акриловой кислоты, гидроксиэтилакриламида и нано-SiO₂ (АНКГК) демонстрирует наибольшую термостабильность среди исследованных образцов, что делает его перспективным для применения в условиях высоких температур и давлений.

Таблица 1.

Результаты термического анализа образцов

Примечание: АНК- полимер на основе акриламида, акрилонитрила, акриловой кислоты; АНКГ-полимер на основе акриламида, акрилонитрила, акриловой кислоты, гидроксиэтилакриламида; АНКГК - полимер на основе акриламида, акрилонитрила, акриловой кислоты, гидроксиэтилакриламида и нано-SiO₂

Заключение

Исследование характеристик синтезированных многослойных сшитых полимеров показало, что введение нано-SiO₂ значительно улучшает их физико-химические характеристики, включая термостабильность и вязкость. Оптимальные условия синтеза включают рН 7-8 и температуру 70-75ºС, что позволяет достигать максимальных значений вязкости и структурной целостности полимеров. Полученные результаты подтверждают высокую эффективность синтезированных полимеров для применения в качестве стабилизаторов буровых растворов при высоких температурах и давлениях, что способствует повышению эффективности и безопасности буровых операций.

Список литературы:

1. Dardir, M.M. Ibrahime, S., Soliman, M., Desouky, S.D., Hafiz, A.A. Preparation and evaluation of esteramides as drilling fluidsand evaluation of some esteramides as synthetic based drilling fluids. Egypt. J. Petrol. 2014, 23, 34-43.
2. Vipulanandan, C., Mohammed, A.S. Hyperbolic rheological model with shear stress limit for acrylamide polymer modified bentonite drilling muds. J. Pet. Ence Eng. 2014, 122, 38-47.
3. Dias, F.T.G., Souza, R.R., Lucas, E.F. Influence of modified starches composition on their performance as fluid loss additives in invert-emulsion drilling fluids. Fuel 2015, 140, 711-716.
4. Shettigar, R.R., Misra, N.M., Patel, K. CTAB grafted PAM gel and its application in drilling fluid. J. Pet. Ence Eng. 2018, S0920410517308197.
5. Blinov, P.A. Dvoynikov, M.V. Rheological and filtration parameters of the polymer salt drilling fluids based on xanthan gum. J. Eng. Appl. Ences 2018, 13, 5661-5664. 
6. Menezes, R.R., Campos, L., Ferreira, H.S., Marques, L.N. Use of statistical design to study the influence of CMC on the Theological properties of bentonite dispersions for water-based drilling fluids. Appl. Clay Sci. 2010, 49, 13-20. 
7. Morenov, V., Leusheva, E., Martel, A. Investigation of the fractional composition effect of the carbonate weighting agents on the rheology of clayless drilling mud. Int. J. Eng. 2018, 31, 1152-1158.
8. Zheng, M., Jiang, G., Liu, T., Ning, F., Zhang, L., Chikhotkin, V.F. Effect on the performance of drilling fluids at downhole rock surfaces at low temperatures. J. Earth Ence 2016, 27, 856-863. 
9. Hamed, S.B., Belhadri, M. Rheological properties of biopolymers drilling fluids. J. Pet. Ence Eng. 2009, 67, 84-90. 
10. Grigoriev, B.S., Eliseev, A.A., Pogarskaya, T.A., Toropov, E.E. Mathematical modeling of rock crushing and multiphase flow of drilling fluid in well dilling. J. Min. Inst. 2019, 235, 16-23.