ВЫДЕЛЯЕМЫЕ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫЕ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ
PLANT DERIVED CELLULOSE COMPOSITIONS FOR USE AS DRILLING MUDS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к текучим средам для бурения скважин на водной основе, которые проявляют реологическую стабильность в пределах широкого температурного диапазона.
Уровень техники, предшествующий изобретению
Представляется хорошо известным в рамках данной области техники использование модификаторов реологических характеристик в составе буровых растворов при бурении скважин, таких, как для нефтяной и газовой промышленности. Такие жидкости, или «растворы», выполняют несколько функций в процессе бурения, в том числе: удаление бурового шлама, суспензии материала с высокой удельной плотностью и мелкого шлама, герметизация стенок ствола буровой скважины таким образом с целью сведения к минимуму потерь бурового раствора в формациях, обеспечение гидростатического напора с целью предотвращения прорывов жидкостей под высоким давлением в буровую скважину или через ствол буровой скважины на поверхность, создание поверхности с низким коэффициентом трения в буровой скважине с целью облегчения вращения и изъятия бурильной колонны, как того требует режим эксплуатации, охлаждение буровой коронки и ее смазывание с целью предотвращения прилипания бурильного трубопровода в процессе вращения.
Отличным справочным документом, обобщающим состав и использование буровых растворов, является статья авторов Remont, Larry J.; Rehm, William A.; McDonald, William M.; и Maurer, William C, «Evaluation of Commercially Available Geothermal Drilling Fluids», выпущенная компанией Sandia Laboratories, регулируемой Управлением по энергетическим разработкам и исследованиям США (от 1 ноября 1976 г.) (далее по тексту рассматриваемая как «Remont и сотр.»).
Буровые растворы для гашения скважин обычно представляют собой коллоидные суспензии глин и/или минералов в среде либо масла, либо воды. Различные химические вещества могут быть добавлены в их состав для изменения, усиления, влияния или модификации свойств суспензии, как известно в данной области техники. Например, утяжеляющая добавка, такая как сульфат бария, или «барит», может быть добавлена с целью увеличения плотности бурового раствора. Загустители могут быть использованы с целью повышения вязкости и прочности геля бурового раствора. Дефлокулянты, такие как лигносульфонаты, предотвращают образование частиц глины. Материалы регулирования водоотдачи, такие как растворимые полимеры или крахмал, добавляют с целью способствования образованию фильтрационной корки на стенках ствола буровой скважины таким образом, чтобы минимальный объем бурового раствора попадал в проницаемую формацию.
Поиск нефти и газа приводит к бурению более глубоких скважин в последние годы.
Из-за наличия температурного градиента в земной коре, более глубокие скважины характеризуются более высокими статическими температурами при забое.
Поэтому в данной области техники является широко признанным фактом то, что существует потребность в буровом растворе, который сохраняет реологическую стабильность во всем широком диапазоне температур для эффективного бурения данных более глубоких скважин.
По причине их лучшей термической стабильности, жидкости на масляной основе, как правило, использовались в высокотемпературных практических приложениях. Однако, вследствие воздействия на окружающую среду процесса утилизации данных отработанных суспензий и бурового шлама, выносимого данными суспензиями, жидкости на водной основе становятся все в большей и большей мере предпочтительными жидкостями в данной промышленной отрасли. Жидкости на водной основе являются также предпочтительными в практических приложениях с задействованием высокого давления, таких как глубинные скважины, потому как жидкости на масляной основе являются в большей мере сжимаемыми, чем жидкости на водной основе. Это позволяет улучшать результаты испытаний на сжимаемость, выражающиеся в увеличении вязкости.
Для того, чтобы буровой раствор должным образом функционировал в условиях забоя при высокой температуре, он должен являться реологически стабильным в пределах всего диапазона температур, воздействию которых он будет подвергаться. Данный диапазон, как правило, составляет в пределах от температуры окружающей среды до температуры при забое. Реологическая стабильность бурового раствора контролируется путем измерения его динамического напряжения сдвига и величины прочности геля бурового раствора в соответствии со стандартными испытаниями бурового раствора до и после подачи вниз по стволу буровой скважины. Данные стандартные испытания, которые включают в себя испытания динамического напряжения сдвига и прочности геля бурового раствора, хорошо известны в промышленности и описаны в стандарте «Recommended Practice Standard Procedure for Field Testing Water-Based Drilling Fluids», Recommended Practice 13B-1 (1-е изд., 1 июня 1990 г.), Американский Институт Нефти (далее по тексту упоминаемой как «RP 13B-1»).
Предшествующий уровень техники содержит несколько частичных решений трудностей, возникающих в ходе работ при высокой температуре. Одно из подобных решений включает в себя использование полимеров вместо глины в качестве загустителей. В настоящее время, гуаровая камедь, как правило, применяется для данной цели на практике. Данные полимеры, однако, являются неудовлетворительными в практических приложениях с температурой выше приблизительно 120°С.
В документе EP 0134084 приводится описание буровых растворов на основе паренхимной клеточной целлюлозы. Данный материал получают по способу, описанному в документе ЕР 0102829, в котором приводится разъяснение относительно технологического процесса, характеризующегося гидролизом растительной целлюлозы в любой сильной кислоте или сильном основании при высоких температурах в течение короткого периода времени при участии механического сдвига, с получением целлюлозных и гемицеллюлозных биополимеров без их чрезмерного разложения. Типичный технологический процесс включает в себя стадии суспендирования жома сахарной свеклы в кислой (рН<4,5) или щелочной (рН>10,0) водной среде; нагревание суспензии до температуры более 125°C (0,5 МПа); выдерживание суспензии при температуре более 125°С в течение периода времени 15 секунд - 360 секунд; подвергание нагретой суспензии механическому сдвигу в трубчатом реакторе с последующей быстрой разгерметизацией через мелкие отверстия в зоне, которая находится при атмосферном давлении; фильтрации суспензии и выделения нерастворимой фракции, которая содержит паренхимную целлюлозу, и растворимой фракции (фильтрата), который содержит гемицеллюлозу; обработки целлюлозной фракции при отбеливании гипохлоритом натрия и механической дефибрилляции с целью получения паренхимной целлюлозной пасты, образованной фрагментами клеточной стенки. Как видно из документа ЕР 0134084, хотя материалы, в принципе, обладают адекватными характеристиками для использования при бурении скважин, в общем случае, они не подходят для использования в бурильных операциях с задействованием очень высоких температур, например, более 160°C или 175°C, условия, которые становятся все более и более распространенным для бурения нефтяных скважин, как описывается выше.
В документе US 6348436 решаются данные недостатки материалов документов ЕР 0134084/EP 0102829. В соответствии с документом US 6348436, используются целлюлозные нанофибриллы, содержащие в своем составе определенный процент не являющихся целлюлозными кислых полисахаридов, содержащиеся на поверхности нанофибрилл, обладающие эффектом предотвращения их от ассоциации друг с другом. Данные нанофибриллы получают посредством технологического процесса, подробно описываемого в документе US 5964983. Данный технологический процесс включает в себя такие стадии, как гидролиз жома сахарной свеклы при умеренной температуре, составляющей 60-100°С, по меньшей мере, одно экстрагирование основанием с концентрацией менее 9% масс. и гомогенизация при высоком давлении и высокой температуре. Данный технологический процесс в результате приводит к разворачиванию нанофибрилл без их разрушения. Наблюдения данных материалов методом электронной микроскопии выявляет, что среднее поперечное сечение нанофибрилл составляет 2-4 нм и нанофибриллы составляют до 15-20 мкм в длину.
Измельчение растительных волокон до состояния отдельных клеток и растительных клеток до состояния целлюлозных волокон и нанофибрилл является интенсивным по энергетическим затратам процессом, требующим химического и механического воздействия на растительные клетки.
Нанофибриллизованные целлюлозные материалы, кроме того, как известно, крайне трудны в обращении. Системы развернутых целлюлозных нанофибрилл образуют гели при содержании твердых частиц не более 1-2% масс. в воде. При концентрировании таких композиций до больших величин содержания сухих твердых частиц данные системы, как правило, проявляют тенденцию к коллапсу в результате агрегации нанофибрилл. Для целей получения жидкостей, обладающих удовлетворяющими требованиям реологическими характеристиками, из данных концентрированных нанофибриллизованных материалов снова, в случае, если таковое в принципе представляется возможным, требуется интенсивная обработка, например, за счет сильного перемешивания. Это является серьезным недостатком, если имеется в виду применение в рамках практических приложений по бурению скважин, где потребляются значительные количества буровых растворов, из чего следует, что либо должны храниться и транспортироваться относительно большие объемы (воды), либо большие количества материалов должны проходить интенсивный курс обработки на участке бурения скважины. Не удивительно, что основные усилия в направления R&D в данной области техники до сих пор не приводят в результате к фактическому коммерческому использованию нанофибриллизованных целлюлозных материалов при бурении скважин.
Таким образом, все еще сохраняется потребность в материале для текучей среды для бурения скважин, который являлся бы удобным и экономичным при производстве в больших масштабах и мог бы использоваться в буровых работах, связанных с высокими температурами, например, более 175°C или 180°C.
Сущность изобретения
Неожиданным образом авторами настоящего изобретения обнаружено, что частицы на основе целлюлозы, которые включают в свой состав материал клеточных стенок, а также их сетчатые структуры на основе целлюлозных волокон и нанофибрилл могут быть использованы для получения суспензий, характеризующихся вязкостью и реологическими характеристиками, в частности, удовлетворяющими требованиям для использования в качестве бурового раствора. Разложение растительного жома до состояния такого рода частиц на основе целлюлозы подразумевает задействование более тонких и мягких технологических процессов, чем для разложения целлюлозы далее до состояния целлюлозных нанофибрилл, и, следовательно, настоящие частицы на основе целлюлозы могут быть произведены гораздо быстрее и при меньших издержках, чем полностью развернутые целлюлозные нанофибриллы. Представляется удивительным также, что буровые растворы могут быть получены с использованием данных дисперсных материалов на основе целлюлозы, обладающих реологическими характеристиками, в частности, термостабильностью, по меньшей мере, столь же хорошей, как в случае буровых растворов на основе целлюлозных нанофибрилл предшествующего уровня техники. Таким образом, путем выделения целлюлозы в форме частиц, содержащих в своем составе фрагменты стенок растительных клеток, но не путем полного разложения целлюлозы до состояния отдельных нанофибрилл, предпочтительные характеристики материала могут быть сохранены, в то время, как продолжительность производственного цикла и энергопотребление могут быть сокращены.
После того, как композиции, содержащие в своем составе целлюлозные компоненты, получают, зачастую представляется желательным повышение концентрации целлюлозных компонентов с целью уменьшения объема материала и, таким образом, сокращения издержек на хранение и транспортировку. Авторами настоящего изобретения обнаружено, что водные дисперсии частиц целлюлозных материалов согласно изобретению могут удовлетворяющим требованиям образом быть подвергнуты концентрированию до уровня содержания сухого вещества, по меньшей мере, составляющего 10% масс., например, до уровня 25% масс., с получением продукта, который является все так же легко (ре)диспергируемым в воде, с целью достижения содержание целлюлозы, необходимого для практических применений по бурению скважин.
Не делая привязок к какой-либо конкретной теории, предполагают, что организация целлюлозных фибрилл в том виде, в котором она присутствует в стенках паренхимных клеток, по меньшей мере, частично сохраняется в составе частиц на основе целлюлозы согласно настоящему изобретению, не смотря на то, что часть пектина и гемицеллюлозы удаляется из них. Таким образом, в отличие от описываемого выше известного уровня техники, нанофибриллы на основе целлюлозы являются не полностью развернутыми, т.е. материал, в первую очередь, состоит не из полностью развернутых нанофибрилл, но вместо этого, можно полагать, включает в свой состав, в качестве основного составного компонента, остатки паренхимной клеточной стенки, из которых удалена существенная доля пектина и гемицеллюлозы. Изобретателями выдвигается гипотеза относительно того, что по меньшей мере, некоторое количество гемицеллюлозы должно сохраняться в составе материала для поддержания структурной организации целлюлозы в частицах, например, путем введения дополнительной сеточной структуры. Подобные гемицеллюлозные сеточные структуры способны удерживать целлюлозные волокна вместе, тем самым обеспечивая структурную целостность и прочность целлюлозных частиц.
Настоящее изобретение относится к новым дисперсным материалам на основе целлюлозы, а также к их производству и методам использования при бурении скважин.
Подробное описание изобретения
Следовательно, один аспект настоящего изобретения относится к паренхимной целлюлозной композиции, содержащей в своем составе дисперсный целлюлозный материал, содержащий, в расчете на сухую массу дисперсного целлюлозного материала, по меньшей мере, 70% целлюлозы, менее 10% пектина и, по меньшей мере, 3% гемицеллюлозы, в которой дисперсный материал характеризуется средневзвешенным основным размером частиц, составляющим в диапазоне 25-75 мкм, предпочтительно, составляющим в диапазоне 35-65 мкм, что измеряется с помощью метода лазерной рентгеновской дифрактометрии.
6
10
5
n
Термин «целлюлоза», в контексте данного описания, относится к однородным длинноцепочечным полисахаридам, состоящим из β-D-глюкозных мономерных звеньев, описываемых формулой (CHO), а также их производных, как правило, обнаруживаемых в клеточных стенках растений в сочетании с лигнином и любой формой гемицеллюлозы. Паренхимная целлюлоза согласно настоящему изобретению может быть получена из различных растительных источников, содержащих паренхимные клеточные стенки. Паренхимные клеточные стенки, которые также могут обозначаться как «первичные клеточные стенки», относятся к мягкой или суккулентной ткани, которая является наиболее распространенным типом клеточных стенок в съедобных растениях. Основной технологический процесс согласно изобретению может быть описан, как получение нового и усовершенствованного волокнистого отработанного побочного продукта из цитрусовой фруктовой пульпы или волокна из сахарной свеклы, томатов, цикория, картофеля, ананасов, яблок, клюквы, винограда, моркови и т.п. (без учета стеблей и листвы). Например, в случае сахарной свеклы, паренхимные клетки представляют собой наиболее распространенную ткань, окружающую вторичные сосудистые ткани. Паренхимные клеточные стенки содержат относительно тонкие клеточные стенки (по сравнению со вторичными клеточными стенками), которые связаны друг с другом пектином. Вторичные клеточные стенки являются гораздо более толстыми, чем паренхимные клетки и связаны друг с другом лигнином. Данная терминология хорошо известна в данной области техники. Паренхимную целлюлозу в соответствии с изобретением предпочтительно получают из сахарной свеклы, картофеля, моркови и цитрусовых. В особенности предпочтительном варианте осуществления согласно настоящему изобретению, паренхимную целлюлозу получают из сахарной свеклы, например в качестве побочного продукта при производстве сахарозы.
Дисперсный целлюлозный материал согласно данному изобретению содержит в своем составе частицы определенной структуры, формы и размеров, как объясняется выше в данном описании. Как правило, материал содержит в своем составе частицы, имеющие форму пластинок, содержащие целлюлозные паренхимные структуры или сетчатые структуры. Является предпочтительным, чтобы распределение дисперсного материала по размерам находилось в определенных пределах. В случае, когда распределение оценивают с помощью лазерного дифракционного анализатора размеров частиц, такого как Malvern Mastersizer или другого инструмента с равной или лучшей чувствительностью, данные по диаметрам, предпочтительно, обобщаются как распределение по объему. Таким образом, регистрируемое среднее значение для группы частиц будет являться средневзвешенным, при этом около половины частиц в объемном отношении характеризуются величиной диаметра, меньшей, чем средняя величина диаметра для всей группы. Как правило, средний основной размер частиц паренхимных целлюлозных композиций составляет в диапазоне 25-75 мкм. Более предпочтительно, средний основной размер частиц паренхимных целлюлозных композиций составляет в диапазоне 35-65 мкм. Как правило, по меньшей мере, около 90%, в расчете на объем, частиц характеризуется величиной диаметра, меньшей, чем приблизительно 120 мкм, более предпочтительно, меньшей, чем 110 мкм, более предпочтительно, меньшей, чем 100 мкм. Предпочтительно, дисперсный целлюлозный материал характеризуется средневзвешенным меньшим размером больше, чем 0,5 мкм, предпочтительно, больше, чем 1 мкм.
Композиции согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что большая часть целлюлозного материала присутствует в форме частиц, которые отличаются от нанофибриллизованной целлюлозы, описываемой в предшествующем уровне техники тем, что целлюлозные нанофибриллы по существу являются не развернутыми, как описывается ранее. Предпочтительно, менее 10%, или более предпочтительно, менее 1%, или менее 0,1% от массы сухой целлюлозы в составе композиции, представленной в форме нанофибриллизованной целлюлозы. Это представляется целесобразным, поскольку нанофибриллизованная целлюлоза отрицательным образом влияет на редиспергируемость материала, как отмечается ранее в данном описании. Под «нанофибриллами» имеются в виду фибриллы, образующие целлюлозные волокна, как правило, характеризующиеся шириной в нанометровом диапазоне и длиной, составляющей от 20 до мкм. Номенклатура, используемая в данной области техники на протяжении последних десятилетий была несколько непоследовательной в том отношении, что термины «микрофибрилла» и «нанофибрилла» использовались для обозначения того же материала. В контексте настоящего изобретения, два данных термина считаются полностью взаимозаменяемыми.
В соответствии с настоящим изобретением, паренхимные целлюлозные материалы растительного происхождения обрабатывают, модифицируют и/или же некоторые компоненты могут быть удалены, но целлюлоза моментально разлагается на отдельные микрофибриллы, таким образом, теряя структуру секций растительной клеточной стенки. Как упоминается ранее, целлюлозный материал согласно данному изобретению характеризуется пониженным содержанием пектина, по сравнению с материалом паренхимной клеточной стенки, из которого он получен. Удаление некоторой части пектина, как полагают, приводит к повышенной термической стабильности. Термин «пектин», в контексте данного описания, относится к классу гетерогенных полисахаридов в составе растительной клеточной стенки, которые могут быть извлечены путем обработки кислотами и хелатирующими агентами. Как правило, 70-80% пектина находится в виде линейноцепочечных α-(1-4)-связанных мономеров D-галактуроновой кислоты. Меньшая RG-I фракция пектина состоит из чередующихся (1-4)-связанной галактуроновой кислоты и (1-2)-связанной L-рамнозы, при этом существенным образом проявляются ответвления арабиногалактана, отходящего из остатков L-рамнозы. Прочие моносахариды, такие как D-фукоза, D-ксилоза, апиоза, ацеровая кислота, КДО, ДГК, 2-О-метил-D-фукоза и 2-о-метил-D-ксилоза обнаруживаются либо во фракции пектина RG-II (<2%), или в качестве незначительного составляющего фракции RG-I. Соотношение каждого из моносахаридов и D-галактуроновой кислоты варьируются в зависимости от индивидуального растительного источника и его микросреды, вида и периода в течение цикла роста. По тем же причинам, гомогалактуронан и фракции RG-I могут существенным образом различаться по своему содержанию метиловых эфиров, приходящихся на остатки Gal кислоты, а также содержание ацетиловых остатков сложных эфиров по отношению к С-2 и С-3 положениям Gal кислоты и нейтральных сахаров. Представляется предпочтительным, чтобы дисперсный целлюлозный материал согласно изобретению содержал в своем составе менее чем 5% масс. пектина, в расчете на сухую массу дисперсного целлюлозного материала, более предпочтительно, менее 2,5% масс. Наличие, по меньшей мере, какого-либо количества пектина в составе целлюлозного материала, тем не менее, представляется желательным. Не стремясь ограничиваться рамками какой-либо теории, предполагают, что пектин играет важную роль в электростатических взаимодействиях, имеющих место между частицами, содержащимися в составе материала и/или в процессе удерживания сетчатой целлюлозной структуры. Следовательно, представляется предпочтительным, чтобы дисперсный целлюлозный материал содержал в своем составе, по меньшей мере, 0,5% масс. пектина в расчете на сухую массу дисперсного целлюлозного материала, более предпочтительно, по меньшей мере, 1% масс.
Как упоминается ранее, целлюлозный материал согласно данному изобретению характеризуется определенным минимальным содержанием гемицеллюлозы. Термин «гемицеллюлоза» относится к классу полисахаридов растительных клеточной стенок, которые могут представлять собой любой из нескольких гомо- или гетерополимеров. Типичные примеры включают в себя ксилан, арабинан, ксилоглюкан, арабиноксилан, арабиногалактан, глюкуроноксилан, глюкоман, а также галактоманнан. Мономерные компоненты гемицеллюлозы включают в себя, но не ограничиваются: D-галактозу, L-галактозу, D-маннозу, L-рамнозу, L-фукозу, D-ксилозу, L-арабинозу и D-глюкуроновую кислоту. Данный класс полисахаридов обнаруживается практически во всех клеточных стенках вместе с целлюлозой. Гемицеллюлоза меньше по своей массе, чем целлюлоза и не может быть извлечена с помощью горячей воды или хелатирующих агентов, но может быть извлечена с помощью водного раствора щелочи. Полимерные гемицеллюлозные цепи связывают пектин и целлюлозу в сетчатой структуре сшитых волокон, образующих клеточные стенки большинства растительных клеток. Не стремясь ограничиваться рамками какой-либо теории, предполагают, что присутствие, по меньшей мере, небольшого количества гемицеллюлозы является важным для структурной организации волокон, формирующих дисперсный материал. Предпочтительно, дисперсный целлюлозный материал включает в свой состав, в расчете на сухой вес твердых частиц целлюлозного материала, 1-15% масс. гемицеллюлозы, более предпочтительно, 1-10% масс. гемицеллюлозы, наиболее предпочтительно, 1-5% масс. гемицеллюлозы.
Композиция паренхимной целлюлозы согласно настоящему изобретению, как правило, может содержать в своем составе прочие материалы, помимо дисперсного целлюлозного материала, что является безусловным для специалистов в данной области техники. Подобные прочие материалы могут включать в себя, например, остатки (от обработки) исходного растительного источника клеточных стенок (кроме твердых частиц целлюлозного материала согласно изобретению) и какую-либо добавку, наполнитель, материал-носитель, и т.д., добавляемую, в целях придания формы, внешнего вида и/или предполагаемого практического применения композиции.
Композиции согласно настоящему изобретению, как правило, могут принимать форму водной суспензии или пастообразного материала, содержащего в своем составе в диспергированном состоянии дисперсный целлюлозный материал согласно данному изобретению. В одном варианте осуществления приводится водная мягкая твердообразная дисперсия, содержащая в своем составе, по меньшей мере, 10% дисперсного целлюлозного материала от общего содержание твердого вещества. Композиция может содержать в своем составе, по меньшей мере, 20% дисперсного целлюлозного материала от общего содержание твердого вещества. Композиция может содержать в своем составе, по меньшей мере, 30% дисперсного целлюлозного материала от общего содержание твердого вещества. В контексте настоящего изобретения, данные концентрированные дисперсии также могут упоминаться как «добавка в жидкость для бурения скважин». Данные добавки могут быть добавлены в небольших количествах к водной среде в целях получения жидкости для бурения скважин.
В одном варианте осуществления изобретения, поверхностно-активное вещество или диспергатор могут быть введены в состав данной добавки в жидкость для бурения скважин. Поверхностно-активное вещество или диспергатор могут вступать во взаимодействие с дисперсным материалом на основе целлюлозы в составе композиции и ингибировать образование соединений между пластинами и, следовательно, ингибировать агрегацию частиц на основе целлюлозы. Поверхностно-активное вещество или диспергатор может быть представлено продуктом марки Span 20, например.
Паренхимный целлюлозный материал, как описывается выше в данном контексте, может быть получен с использованием конкретного технологического процесса, причем данный технологический процесс включает в себя стадию мягкой щелочной обработки с целью гидролиза материала клеточных стенок с последующим интенсивным технологическим процессом гомогенизации, который, однако, не приводит к полному разворачиванию материала до состояния отдельных его нанофибрилл.
Соответственно, один аспект настоящего изобретения относится к способу приготовления паренхимной целлюлозной композиции, как описывается выше, причем указываемый способ включает в себя стадии:
а) получения растительного жома;
b) воздействия на растительный жом химической и/или ферментативной обработкой, что приводит к частичному разложению и/или экстракции пектина и гемицеллюлозы, в которой смесь подвергается гомогенизированию один или несколько раз посредством прикладывания небольшого сдвигового усилия в процессе и/или после указываемой химической и/или ферментативной обработки;
c) воздействия на материал, получаемый на стадии b), процессом с большим сдвиговым усилием, в котором размер частиц целлюлозного материала уменьшается таким образом, чтобы выход дисперсного материала характеризовался средневзвешенным средним основным размером, составляющим в диапазоне 25-75 мкм, что оценивается методом лазерной дифрактометрии;
d) удаления жидкости из массы, получаемой на стадии c).
Растительный жом, используемый в качестве исходного материала, как правило, содержит в своем составе водную суспензию, содержащую в своем составе пектин-содержащие растительные материалы, такие как цитрусовая кожура, свекловичный жом, остатки подсолнечника, яблочный жмых и т.д. В особенности предпочтительным представляется использование свежего, прессованного жома сахарной свеклы, из которого были извлечены сахара и который характеризуется содержанием сухих твердых веществ, составляющим 10-50% масс., предпочтительно, составляющим 20-30% масс., например, составляющим приблизительно 25% масс. Жом представляет собой отходы промышленности по производству сахарной свеклы. Более конкретно, жом представляет собой остатки сахарной свеклы после экстракции из нее сахарозы. Аппараты, обрабатывающие сахарную свеклу, обычно высушивают жом. Сухой жом сахарной свеклы может упоминаться как «обрезки сахарной свеклы». Кроме того, сухой жом сахарной свеклы или обрезки могут быть сформированы и спрессованы с получением «сахарносвекличных гранул». Данные материалы все могут быть использованы в качестве исходного материала, и в этом случае стадия а) будет включать в себя суспендирование материала сухого жома сахарной свеклы в водной жидкости, как правило, до достижения вышеупоминаемого уровня содержание сухих твердых веществ. Представляется предпочтительным, однако, чтобы использовался свежий влажный жом в качестве исходного материала.
Другим предпочтительным исходным материалом является силосованный жом сахарной свеклы. В контексте данного описания, термин «силос» относится к сохранению во влажном состоянии материалов растительного происхождения в результате подкисления, вызываемого анаэробной ферментацией углеводов, присутствующих в составе обрабатываемых материалов. Силосование осуществляется в соответствии с известными способами, при этом жомы, предпочтительно, содержат в интервале 15-35% сухого вещества. Силосование сахарной свеклы продолжается до тех пор, пока значение рН не будет составлять, по меньшей мере, менее, чем приблизительно 5, и больше, чем приблизительно 3,5. (См. документ US 6074856). Известно, что прессованный жом сахарной свеклы может быть подвергнут силосованию с целью защиты его от нежелательного разложения. Данный технологический процесс наиболее часто используется в целях сберегания данного скоропортящегося продукта, при этом другим альтернативным вариантом является сушка до 90% содержания сухого вещества. Данная сушка обладает тем недостатком, что является крайне энергоемкой. Процесс ферментации начинается самопроизвольно в анаэробных условиях, инициируемый присутствующими молочнокислыми бактериями. Данные микроорганизмы преобразуют остаточную сахарозу в составе прессованного жома сахарной свеклы в молочную кислоту, в результате чего понижается значение рН и, следовательно, формируется структура жома сахарной свеклы.
В одном из вариантов осуществления изобретения растительный жом промывают во флотационной моечной машине до проведения химической или ферментативной обработки с целью удаления песка и частиц глины и, в случае, когда силосованный жом сахарной свеклы используется в качестве исходного материала, в целях удаления растворимых кислот.
В соответствии с настоящим изобретением, химическая и/или ферментативная обработка приводит в результате к разложению и/или извлечению, по меньшей мере, части гемицеллюлозы и пектина, присутствующих в составе растительного жома, как правило, до состояния моносахаридов, дисахаридов и/или олигосахаридов. Тем не менее, как указывается выше, наличие по меньшей мере, некоторого количества не разложенного пектина, например, по меньшей мере, 0,5% масс., а также некоторого количества не разложенной гемицеллюлозы, такого, как 1-15% масс., является предпочтительным. Таким образом, стадия b), как правило, включает в себя частичное разложение и/или экстракцию пектина и гемицеллюлозы, предпочтительно, до такой степени, что, по меньшей мере, остается 0,5% масс. пектина и, по меньшей мере, 1% масс. гемицеллюлозы. В пределах стандартных способностей специалистов в данной области техники находится задача по определению правильной комбинации условий проведения реакции и ее продолжительности для достижения данной цели.
Термин «моносахарид», используемый в контексте данного описания, имеет свое стандартное научное значение, и относится к мономерной углеводородной единице. Термин «дисахарид», используемый в контексте данного описания, имеет свое стандартное научное значение и обозначает углевод, состоящий из двух ковалентно связанных моносахаридов. Термин «олигосахарид», используемый в контексте данного описания, имеет свое стандартное научное значение и обозначает углевод, состоящий из трех-десяти ковалентно связанных моносахаридов.
Предпочтительно, химическая обработка, как указывается на стадии b) указываемого выше способа, включает в себя:
i) смешивание жома из материала растительного происхождения с 0,1-1,0 М гидроксидом щелочного металла, предпочтительно с 0,3-0,7 М гидроксидом щелочного металла; и
ii) нагревание смеси жома из материала растительного происхождения и гидроксида щелочного металла до температуры в диапазоне 80-120°С в течение не менее 10 минут, предпочтительно, по меньшей мере, в течение 20 минут, более предпочтительно, по меньшей мере, в течение 30 минут.
Было обнаружено, что использование гидроксидов щелочных металлов, в частности гидроксида натрия, входе указываемого выше способа, является необходимым для удаления пектина и гемицеллюлозы из целлюлозы до требуемой степени. Гидроксид щелочного металла может представлять собой гидроксид натрия. Гидроксид щелочного металла может представлять собой гидроксид калия. Гидроксид щелочного металла может содержаться в концентрации, по меньшей мере, составляющей 0,2 М, по меньшей мере, составляющей 0,3 М, или, по меньшей мере, составляющей 0,4 М. Гидроксид щелочного металла, предпочтительно содержится при концентрации, составляющей менее, чем 0,9 М, составляющей менее, чем 0,8 М, составляющей менее, чем 0,7 М или составляющей менее, чем 0,6 М.
Использование относительно низких температур в данном химическом технологическом процессе позволяет обрабатывать жом из материала растительного происхождения с использованием меньшего количества энергии и, следовательно, при более низкой стоимости, чем по способам, известным в данной области техники, в которых задействуются более высокие температуры. Кроме того, использование низких температур и давлений обеспечивает получение целлюлозных нановолокон с наименьшими размерами. Присутствие целлюлозных нановолокон влияет на вязкость композиции и делает более затруднительным повторное увлажнение композиции после ее дегидратации. Жом из материала растительного происхождения может нагреваться, по меньшей мере, до 80°С. Предпочтительно, жом из материала растительного происхождения нагревают, по меньшей мере, до 90°С. Предпочтительно жом из материала растительного происхождения нагревают до менее 120°С, предпочтительно, до менее 100°С. Как ясно представляется специалистам в данной области техники, использование более высоких температур, в пределах указываемых диапазонов, способно приводить к сокращению продолжительности обработки, и наоборот. Является задачей рутинной оптимизации нахождение правильного набора условий для конкретной ситуации. Как упоминается выше, температура нагрева, как правило, поддерживается в диапазоне 80-120°С в течение не менее 10 минут, предпочтительно, по меньшей мере, в течение 20 минут, более предпочтительно, по меньшей мере, в течение 30 минут. В случае, если температура нагрева на стадии ii) составляет в интервале между 80-100°C, продолжительность нагревания может составлять по меньшей мере, 120 мин. Предпочтительно, стадия ii) включает в себя нагревание смеси до температуры 90-100°С в течение 120-240 минут, например, до температуры приблизительно 95°С в течение приблизительно 180 минут. В другом варианте осуществления изобретения, смесь нагревают до температуры выше 100°С, и в данном случае продолжительность нагревания может быть значительно короче. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения стадия ii) включает в себя нагревание смеси до температуры 110-120°С в течение 10-50 минут, предпочтительно в течение 10-30 минут.
Альтернативно или дополнительно, по меньшей мере, часть пектина и гемицеллюлозы может подвергаться разложению путем обработки растительного жома соответствующими ферментами. Предпочтительно, используется комбинация ферментов, хотя также представляется возможным обогащение ферментного препарата одним или несколькими специфическими ферментами с целью получения оптимального результата. В общем случае используется сочетание ферментов с низкой активностью целлюлазы по отношению к пектинолитической и гемицеллюлолитической активности. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения подобная комбинация ферментов, характеризуется следующим действием, выражающимся в процентах от общей активности в сочетании:
- активность целлюлазы 0-10%;
- пектинолитическая активность 50-80%; а также
- активность гемицеллюлазы, по меньшей мере, 20-40%.
Ферментативная обработка в общем случае проводится в мягких условиях, например, при значении рН 3,5-5 и при температуре 35-50°С, обычно в течение 16-48 часов, с использованием ферментативной активности, например, составляющей 65000-150000 ед./кг субстрата (по сухому веществу). В пределах стандартных возможностей специалистов в данной области техники находится задача определения правильной комбинации параметров для достижения желаемой скорости и степени разложения пектина и гемицеллюлозы.
Перед, в процессе или после проведения стадии b) смесь гомогенизируют один или несколько раз с применением низкоэнергетического сдвигового усилия. Низкоэнергетическое сдвиговое усилие может применяться с использованием стандартных методов и оборудования, известных специалистам в данной области техники, таких как стандартные смесители или блендеры. Предпочтительно, этап гомогенизации при низкоэнергетическом сдвиговом усилии проводят в течение не менее 5 минут, предпочтительно, в течение не менее 10 минут, предпочтительно, по меньшей мере, в течение 20 минут. Как правило, смешивание при низкоэнергетическом сдвиговом усилии проводится, по меньшей мере, один раз в течение стадии b), предпочтительно, по меньшей мере, два раза, более предпочтительно, по меньшей мере, три раза. В предпочтительном варианте осуществления перемешивание при низкоэнергетическом сдвиговом усилии выполняется, по меньшей мере, в течение одной четверти от общей продолжительности стадии b), предпочтительно, по меньшей мере, в течение одной трети от общей продолжительности стадии b), более предпочтительно, по меньшей мере, в течение половины от общей продолжительности. Обнаружено, что представляется целесообразной гомогенизация при низкоэнергетическом сдвиговом усилии на данной стадии, поскольку это помогает разрушать жом до состояния отдельных клеток, которые затем, в свою очередь, в процессе обработки на стадии с), разрушаются до состояния целлюлозных пластинок.
Проведение стадии с), как правило, включает в себя обработку при высокоэнергетическом сдвиговом усилии массы, получаемой на стадии b), которая, как правило, приводит в результате к образованию целлюлозных пластинок которые, например, меньше, чем полу-размер родительских клеток, предпочтительно, менее чем на одну треть от размера родительских клеток. Как упоминается ранее, авторами обнаружено, что представляется крайне важным сохранение части структуры в целлюлозных частицах с целью обеспечения проявления композицией преимущественных характеристик, описываемых в данном документе. Как будет ясно из изложенного далее, технологическая обработка на стадии d) не должна приводить к полному или значительному разворачиванию нанофибрилл.
Способ получения требуемых характеристик размеров частиц целлюлозного материала на стадии с) не ограничивается особым образом и многие удовлетворяющие требованиям способы известны специалистам в данной области техники. Примеры технических приемов по уменьшению размеров, которые могут быть использованы, включают в себя измельчение, дробление или микрофлюидизацию. Примерами технических приемов по разделению, которые могут быть использованы, являются фракционирование на ситах, использование циклонных установок и центрифугирование. Данные способы могут использоваться по-отдельности, или в ином случае, два или более из них могут комбинироваться. Предпочтительно, размер целлюлозных частиц уменьшается перед тем, как проводится разделение по размерам частиц. Предпочтительно, технологический процесс проводится в режиме влажных процессов, как правило, путем подвергания водной жидкости после стадии b), которая может, например, содержать в своем составе в интервале 1-50% целлюлозного материала, измельчению, дроблению и подобным техническим приемам, известным в данной области техники. Предпочтительные способы измельчения включают в себя: измельчение с помощью перемешивающих лопастей, таких как однонаправленные роторные, многоосевые роторные, противоположные обратные вертикального движения, роторного и вертикального движения, а также поточных систем лопастного перемешивания, таких как портативные смесители, твердые смесители и латеральные смесители; измельчение с использованием системы реактивного перемешивания с использованием, например, линейных смесителей; измельчение с использованием гомогенизаторов высокоэнергетического сдвигового усилия, гомогенизаторов высокого давления, ультразвуковых гомогенизаторов и т.п.; роторно-экструзионных систем измельчения с пластификаторами; а также методом измельчения в консолидированной среде со сдвиговым усилием, например, на роликовых мельницах, шаровых мельницах, вибрационных шаровых мельницах и бисерных мельницах. Данные способы могут быть использованы по отдельности или в сочетании. Удовлетворяющий требованиям способ дробления включает в себя систему конусного шлифования с использованием, например, конических шлифовальных поставов и молотковых мельниц; систему конусного сдвигового дробления на основе вращающихся лезвий с использованием, например, флэш-мельниц; систему воздухоструйного дробления с использованием, например, реактивных мельниц метода измельчения в консолидированной среде со сдвиговым усилием с использованием, например, роликовых мельниц, шаровых мельниц, вибрационных шаровых мельниц, а также бисерных мельниц; а способ измельчения в системе с перемешивающими лезвиями. Данные способы могут быть использованы по отдельности или в сочетании. Наиболее предпочтительные примеры высокого сдвигового оборудования для использования на стадии c) включают в себя дробилки растирающего действия, такие как супермассколлоидер производства Фирмы Masuko; гомогенизаторы высокого давления, такие как гомогенизаторы производства Фирмы Gaulin, смесители высокоэнергетического сдвигового усилия, такие как типа модели Silverson FX; поточные гомогенизаторы, такие как поточные гомогенизаторы моделей Silverson или Supraton; а также микрофлюидизаторы. Использование данного оборудования для целей достижения требуемых свойств частиц согласно настоящему изобретению, является стандартным вопросом для специалистов в данной области техники.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, нагревание прекращают после стадии с) и масса может быть оставлена охлаждаться между стадиями c) и d), или она может быть переправлена непосредственно в гомогенизатор, в котором не предусматривается дополнительный нагрев. В предпочтительном варианте осуществления стадия с) проводится при температуре окружающей среды.
Задача удаления воды в ходе стадии d) может иметь двойственный смысл. С одной стороны, удаление воды предусматривает удаление значительной фракции растворенного органического вещества, а также фракции нежелательного диспергированного органического вещества, т.е. характеризующегося размером частиц, значительно меньшим диапазона размеров частиц дисперсного целлюлозного материала. С другой стороны, является предпочтительным, чтобы содержание сухого твердого вещества целлюлозы в составе композиции было выше определенного минимального уровня по практическим соображениям.
Принимая во внимание первую цель, является предпочтительным не прибегать к использованию способов, опирающихся на выпаривание, что является понятным, поскольку это не позволяет удалять любую из растворенных солей, пектин, белки и т.д., которые являются как раз теми компонентами, подлежащими вымыванию в ходе данной стадии. Предпочтительно, стадия d) не включает в себя стадию сушки, такой как выпаривание, вакуумная сушка, сушка вымораживанием, высушивание распылением и т.д. В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, масса может быть подвергнута микрофильтрации, диализу, декантацией после центрифугирования или прессованием.
2
2
В особенности предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, стадия d) включает в себя спрессовывание композиции, что обуславливает расширение композиции в поперечном направлении с целью уменьшения содержания воды в составе композиции. Обнаружено, что расширение композицию в поперечном направлении при текущих условиях под сдавливающим усилием делает возможным реориентацию целлюлозных пластинок в пределах композиции таким образом, что структура целлюлозных пластинок не повреждается или видоизменяется в процессе спрессовывания при первичном сдавливании. Считается, что это является гарантией того, что композиция может быть легко повторно диспергирована в водной среде при сдавливании. Смесь на стадии с) может сдавливаться до концентрации более 10% твердого вещества. Предпочтительно, стадия d) включает в себя спрессовывание композиции, что делает при этом возможным расширение композиции в поперечном направлении при первичном сдавливании в течение периода, по меньшей мере, составляющего десять минут; а затем сдавливание композиции при втором, более высоком давлении в целях дополнительного уменьшения содержание влаги в составе композиции. Предпочтительно, первое давление, при котором сжимается композиция, составляет менее 2 кг/см. Первое давление, при котором сжимается композиция, может составлять менее, чем 1,5 кг/см. Композиция может быть вдавлена в лист толщиной менее 5 мм. Предпочтительно, композиция вдавлена до достижения толщины менее 2 мм.
Как будет ясно специалистам в данной области техники, могут быть включены несколько этапов обработки для достижения оптимальных результатов. Например, предусматривается вариант осуществления, в котором стадия d) дополнительно содержит в себе стадию проведение микрофильтрации смеси, ее диализа, декантации после центрифугирования и т.д. с последующей стадией спрессовывания композиции, делая при этом возможным расширение композиции в поперечном направлении, как описывается выше.
Предпочтительно, по прошествии стадии d), композицию добавляют к водной среде и целлюлозные частицы в составе композиции подвергаются регидратации и равномерно суспендируются в водной среде при перемешивании с низкоэнергетическим сдвиговым усилием. Регидратация при перемешивании с низкоэнергетическим сдвиговым усилием является гарантией того, что энергозатраты на регидратацию являются низкими и что целлюлозные пластинки не повреждаются, или что значительная часть целлюлозных пластинок не повреждается в процессе смешивания.
После того, как композиции, содержащие в своем составе целлюлозные компоненты, были произведены, зачастую представляется желательным повышение концентрации целлюлозных компонентов в целях уменьшения объема композиции, и, таким образом, сокращения издержек на хранение и транспортировку. Таким образом, способ в соответствии с настоящим аспектом изобретения позволяет производить композицию с целлюлозными пластинками, которая является концентрированной, по меньшей мере, до 5% масс., предпочтительно, по меньшей мере, до 10% масс. содержания твердого вещества, которая может затем быть добавлена в небольших количествах в водную среду с целью модификации свойств указываемой среды. Высокая концентрация композиции позволяет композиции занимать меньший объем, чем прочие подобные же композиции, и, следовательно, сокращать издержки на хранение и транспортировку композиции.
Как упоминается ранее, композиция может быть подвергнута повторному диспергированию в водной среде при перемешивании с низкоэнергетическим сдвиговым усилием. Например, композиция может быть подвергнута регидратации и повторному диспергированию в водной среде с использованием лопастной мешалки, вращающейся с окружной скоростью конца лопасти, составляющей 1,3 м/с, с целью получения жидкости для бурения скважин в соответствии с настоящим изобретением.
Таким образом, еще один аспект настоящего изобретения относится также к текучей среде для бурения скважин, содержащей в своем составе водную среду, а также к паренхимной целлюлозной композиции согласно любому из предшествующих пунктов, диспергированной в указываемой водной среде.
Следует отметить, что эффект повышения вязкости и/или термостойкости паренхимной целлюлозной композиции в соответствии с изобретением представляет собой значительное улучшение, по сравнению с полисахаридными композициями, используемыми в настоящее время на практике. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, рассматривается также раствор для бурения скважин, как определяется в контексте настоящего документа, в котором раствор для бурения скважин характеризуется своей способностью поддерживать стабильную вязкость по меньшей мере, составляющую 40 отн. ед. в течение, по меньшей мере, 16 часов при температуре 175°С, что регистрируется считывающим устройством производства Фирмы Fann при 100 оборотах в минуту с использованием шкалы, в которой 2 отн. ед. составляют 3,5 ppb (фунт на баррель = г/350 мл).
Содержание паренхимной целлюлозы в составе бурового раствора может варьироваться в широком диапазоне. Тем не менее, оно преимущественным образом составляет в интервале 0,05-2%, по отношению к общей массе жидкости, и, предпочтительно, в интервале 0,05-1%.
Помимо паренхимной целлюлозной композиции, жидкость для бурения скважин согласно настоящему изобретению может содержать в своем составе одну или более стандартных добавок для бурения скважин, что будет ясно специалистам в данной области техники. Подобные добавки вводятся в целях придания различных конкретных функциональных характеристик. Некоторые стандартные добавки включают в себя понизители вязкости или диспергирующие агенты, смазочные материалы, агенты стабилизации сланцевых пород, агенты контроля уровня рН, агенты сокращения уровня инфильтрата, антипоглощающие добавки, ингибиторы коррозии, поглотители кислорода и утяжеляющие агенты.
Диспергаторы/дефлокулянты или понизители вязкости, известные для использования в нефтяной отрасли, могут представлять собой, например, бурый уголь, каустифицированный лигнит, каустифицированный лигнит калия, лигнит хрома, лигносульфонат хрома, феррохромлигносульфонат, и лигносульфонат, не содержащий хром, таннин и модифицированный хромом таннин, низкомолекулярные полиакрилаты, тетрафосфат натрия, пирофосфат натрия, и сульфированные синтетические полимеры. Примеры удовлетворяющих требованиям смазочных материалов включают в себя гликоли, асфальты, сложные эфиры, а также их смеси. Примеры агентов, стабилизирующих сланцевые породы, включают в себя частично гидролизованные полиакриламиды (ЧГПА), хлорид калия, ацетат калия, карбонат калия, гидроксид калия, сульфированный битум, окисленный битум, гильсонит, полигликоли, полиаминокислоты, поверхностно-активные вещества, катионные полимеры и смешанные гидроксиды металлов (СГМ). Примерами поглотителей кислорода могут являться, например, гидроксиламины, гидразин, сульфиты, бисульфиты, гидросульфиты и боргидриды. Примерами ингибиторов коррозии являются добавки на основе аминов или на основе неорганического тиоцианата. Антипоглощающие добавки включают в себя водорастворимые или набухающие в воде полимеры, такие как эфиры целлюлозы (КМЦ, ПАЦ, ГЕЦ, КМОЭЦ, катионная КМЦ), крахмал и его производные, гуаровая камедь и ее производные, ксантановая камедь, смолы, осмоленный лигнит, синтетические полимеры и сополимеры акриламида, акриловой кислоты, 2-акриламид-2-метилпропансульфоновой кислоты (АМПС) и полигликоли. Агентами сокращения уровня инфильтрата могут являться, к примеру, целлюлозные вещества, полиакриламиды, высокомолекулярные полиакрилаты, сукциногликаны, натуральный крахмал или его производные и древесный уголь. Утяжеляющие агенты обычно выбирают из щелочноземельных металлов, сульфатов, силикатов или карбонатов, например, из бария, карбоната кальция и силикатов калия и натрия. Примерами агентов контроля уровня рН для использования в буровых растворах являются гидроксид натрия, оксид магния, бикарбонат натрия, оксид кальция, гидроксид калия, а также их смеси.
В зависимости от природы пробуриваемой формации и подбираемой композиции бурового раствора, многие другие функциональные добавки могут быть добавлены к буровому раствору в целях выполнения определенных функций.
Количества, в которых любая из данных добавок должна быть использована, зависит от конкретных технических требований и желательных эксплуатационных характеристик в рамках данного практического применения. Выбор соответствующих добавок и их количеств для данного практического применения представляет собой стандартную задачу для специалистов в данной области техники.
Как уже упоминалось в предшествующем тексте, паренхимная целлюлозная композиция в соответствии с настоящим изобретением в особенности хорошо удовлетворяет требованиям для использования при бурении скважин, где она используется в качестве бурового раствора или «промывочного раствора для глушения скважин». В этом отношении, любой тип бурения может являться удовлетворяющим требованиям, независимо от того, представляет ли он собой вертикальное, горизонтальное или наклонное бурение, такое как те виды бурения, которые осуществляются на морских платформах. Более того, предусматривается использование настоящей паренхимной целлюлозной композиции в качестве жидкости для закрепления трещин.
Следовательно, один аспект настоящего изобретения относится к применению паренхимного целлюлозного материала согласно любому из вышеуказываемых определений в качестве агента повышения вязкости в составе текучих сред для бурения скважин или промывочных растворов для глушения скважин, в особенности при бурении нефтяных скважин. Кроме того, один из аспектов настоящего изобретения относится к применению паренхимного целлюлозного материала, как указывается в любом из вышеизложенных определений, в качестве агента повышения вязкости в составе жидкостей для гидроразрыва.
Таким образом, описание изобретения приводится со ссылкой на некоторые конкретные варианты осуществления, описываемые выше. Следует иметь в виду, что данные варианты осуществления допускают различные модификации и альтернативные формы, хорошо известные специалистам в данной области техники.
Многочисленные модификации, в дополнение к тем, которые описываются выше, могут быть осуществлены применительно к структуре и техническим приемам, описываемым в контексте данного описания, без отступа от сущности и объема настоящего изобретения. Соответственно, хотя описываются конкретные варианты осуществления, они только являются примерами и не ограничивают объем настоящего изобретения.
Более того, для правильного понимания данного документа и его пунктов формулы изобретения, следует понимать, что глагол «включать в свой состав» и его спряжения используется в его не ограничивающем значении для обозначения того, что элементы, следующие за данным словом, включаются в состав, но компоненты, не упоминаемые конкретным образом, не исключаются. Вдобавок к этому, отсылка к элементу с использованием неопределенного артикля «один» не исключает возможность того, что присутствует более одного элемента, если в контексте ясно не требуется, наличие одного и только одного из элементов. Неопределенный артикль «один», таким образом, как правило, обозначает «по меньшей мере, один».
Все патенты и литературные ссылки, цитируемые в данном описании, включаются в данном документе посредством ссылки во всей своей полноте.
Следующие примеры представлены только для иллюстративных целей и не предназначаются для ограничения объема настоящего изобретения каким-либо образом.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
Получение паренхимной целлюлозной композиции, содержащей в своем составе дисперсный целлюлозный материал
Свежезаготовленный жом сахарной свеклы, полученный с предприятия Suikerunie Dinteloord (Нидерланды), промывают во флотационной моечной машине с целью удаления песка, камней и т.п.
В перемешиваемый резервуар (с рабочим объемом 70 л) обогреваемый паром), загружают 16,7 кг промытого жома сахарной свеклы, характеризующегося содержанием сухого вещества в интервале 15% СВ (2,5 кг СВ в одной партии), и заливают водопроводную воду до общего объема 70 л. Массу нагревают паром и когда температура достигает 50°C, добавляют 1200 г NaOH. Нагревание продолжают до конечной температуры 95°С. По прошествии 45 минут при 95°C, смесь подвергают действию небольшого сдвигового усилия в течение 30 минут (с помощью устройства модели Silverson BX со шлицованным конусом). По прошествии совокупного периода в 3 часа при 95°С вновь применяют небольшое сдвиговое усилие в течение 60 минут (с использованием устройства модели Silverson ВХ с эмульгирующим экраном с прорезями в 1,5 мм), в течение которых температуру поддерживают на уровне приблизительно 95°C.
Измельчение частиц осуществляют с помощью гомогенизатора высокого давления производства Фирмы Gaulin, функционирующего под давлением 15 МПа (150 бар) (на первой стадии, для второй стадии - 0 МПа). Смесь подвергают гомогенизации 6 раз. Данную стадию проводят при температуре окружающей среды. Смеси дают остыть до комнатной температуры перед тем, как подвергнуть гомогенизационной обработке под высоким давлением.
Подвергнутую гомогенизации массу впоследствии вводят в смесительный бак и нагревают до температуры 80-85°С, в котором после этого проводится стадия микрофильтрации с использованием керамической мембраны с размером пор 1,4 мкм. Пермеат заменяют деминерализованной водой. При достижении проводимости ретентата отметки 1 мСм/см, микрофильтрацию останавливают. Содержание сухого твердого вещества составляет в интервале 0,5-1%.
В дальнейшем данный конечный продукт подвергают концентрированию в фильтровальном пакете, имеющем 100 мкм поры, с целью достижения величины содержания сухого твердого вещества 2%.
Материал анализируют с помощью прибора модели Malvern Mastersizer, подтверждающего средний (средневзвешенный) основной размер частиц, содержащихся в составе материала, равным 43,65 мкм, при этом приблизительно 90% материала (в расчете на объем), характеризуется размером частиц менее 100 мкм.
Пример 2
Получение паренхимной целлюлозной композиции, содержащей в своем составе дисперсный целлюлозный материал
Свежезаготовленный жом сахарной свеклы (320 кг, 24,1% СВ), полученный с предприятия Suikerunie Dinteloord (Нидерланды), промывают во флотационной моечной машине с целью удаления песка, камней и т.п.
Промытый жом сахарной свеклы переправляют в перемешиваемый резервуар (на 1000 л) и разводят до достижения концентрации СВ 8% (800 кг). Добавляют продукт марки Multifect pectinase FE (производство Фирмы Genencor, 139 ед./г СВ) и нагревают суспензию до 45°С. После 48 ч суспензию отжимают с использованием мембранного фильтр-пресса (производство Фирмы TEFSA) и выделяют полученный твердый материал, содержащий целлюлозный материал (216 кг, 12% СВ).
Часть получаемого целлюлозного материала (20 кг) вносят в перемешиваемый резервуар (с рабочим объемом 70 л) и заливают водопроводной водой до общего объема 70 л. Смесь нагревают до 95°С и подвергают действию небольшого сдвигового усилия в течение совокупного периода времени, составляющего 3 часа, при 95°С (с помощью устройства модели Silverson BX со шлицованным конусом). Затем применяют низкоэнергетическое сдвиговое усилие в течение еще 60 минут (с использованием устройства модели Silverson ВХ с эмульгирующим экраном с прорезями в 1,5 мм), в течение которых температуру поддерживают на уровне приблизительно 95°C.
Измельчение частиц осуществляют с помощью гомогенизатора высокого давления производства фирмы Gaulin, функционирующего под давлением 15 МПа (150 бар) (на первой стадии, для второй стадии - 0 МПа). Смесь подвергают гомогенизации 6 раз. Данную стадию проводят при температуре окружающей среды. Смеси дают остыть до комнатной температуры перед тем, как подвергнуть гомогенизационной обработке под высоким давлением.
Подвергнутую гомогенизации массу впоследствии вводят в смесительный бак и нагревают до температуры 80-85°С, где после этого проводится стадия микрофильтрации с использованием керамической мембраны с размером пор 1,4 мкм. Пермеат заменяют деминерализованной водой. При достижении проводимости ретентата отметки 1 мСм/см, микрофильтрацию останавливают. Содержание сухого твердого вещества составляет в интервале 0,5-1%.
В дальнейшем данный конечный продукт подвергают концентрированию в фильтровальном пакете, имеющем 100 мкм поры, с целью достижения величины содержания сухого твердого вещества 2%.
Материал анализируют с помощью прибора модели Malvern Mastersizer, подтверждающего средний (средневзвешенный) основной размер частиц, содержащихся в материале, равным 51,03 мкм, при этом приблизительно 90% материала (в расчете на объем), характеризуется размером частиц менее 100 мкм.
Пример 3
Реологические характеристики паренхимного целлюлозного материала
Рецептуры бурового раствора, содержащие материал, получаемый в примере 1, изготовляют путем смешивания следующих ингредиентов с использованием смесителя модели Hamilton Beech, функционирующего при средней скорости:
Чистая вода:
350
мл
NaCl:
14
г
NaHCО<sub>3</sub>:
1
г
Стандартная глина:
35
г
Волокна (2% масс СВ):
2 или 3,5
г
Крахмал:
3,5
г
Буровые растворы, получаемые подобным образом, подвергают различным испытаниям с целью установления их применимости в качестве текучей среды для бурения скважин. Более конкретно, водную жидкость, содержащую 2% масс. материала на основе целлюлозы, получаемую в примере 1, подвергают термической обработке путем горячей прокатки в автоклаве, выполненном из инконели, в течение 16 часов при температурах, указываемых в приводимых ниже таблицах. Реологические характеристики буровых растворов до и после термической обработки определяют с использованием ротационного вискозиметра модели Fann 35 при указываемой скорости в об/мин.
Результаты данных испытаний приводятся в нижеследующей таблице
Высокотемпературные испытания на волокнах из сахарной свеклы при стат. погрешности измерений в отн. ед. 50 +/- 2%
Показания считывающего устройства Fann при скорости вращения
Водоотдача
Дозировка (ppb)
Темп. прокатки (°С)
ДГП
ПГП
600
300
200
100
6
3
мл
2
комн. темп.
Х
80
69
64
57
34
30
14,8
“
121
Х
79
67
62
54
34
30
20
“
150
Х
63
49
43
36
21
18
46
175
Х
67
57
52
46
24
22
100
3,5
комн. темп.
Х
279
253
239
212
127
112
31,2
“
150
Х
151
134
121
104
62
54
46,6
“
175
Х
146
128
119
104
57
47
100
Способ: добавление в рецептуру бурового раствора API 13A 4% NaCl, 3,5 ppb крахмала.Ppb = фунт на баррель= г/350 мл.ДГП = до горячей прокатки.ПГП = после горячей прокатки.
Данные результаты в явной форме подтверждают, что материал согласно данному изобретению может удовлетворять требованиям для использования при производстве текучих сред для бурения скважин, обладающих требуемыми реологическими характеристиками и, в частности, термостойкостью.