ПРИВИТОЙ СОПОЛИМЕР КАК ИНГИБИТОР ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ
GRAFT COPOLYMER AS GAS HYDRATE INHIBITOR

Объектом настоящего изобретения являются привитые сополимеры на основе полиамида, а также их применение.
Водорастворимые, пригодные к биодеградации сополимеры на основе полиамида и их применение известны из публикации немецкого патента DE 10314354 А1. Описанные в этом тексте сополимеры включают в себя по меньшей мере одну привитую боковую цепь, сформированную из альдегидов и содержащих серу кислот, а также, при необходимости, по меньшей мере из одного соединения из ряда кетонов, ароматических спиртов, производных мочевины и амино-s-триазинов. В качестве предпочтительных полиамидных компонентов приведены натуральные полиамиды, как то: казеины, желатины и коллагены. Описанные в этом тексте сополимеры применяют, в частности, как агенты текучести или средства удерживания воды для органических вяжущих агентов и пигментов.
Патент США US 6,840,319 в числе прочего касается составов и пригодных к биодеградации добавок для контроля потери жидкости (fluid loss) при цементировании зон подземных формаций. Эта добавка представляет собой продукт конденсации желатина, формальдегида, сульфита натрия и ацетона, а также замещенной этиленоксидом гидроксиэтилцеллюлозы.
Объектом патента США US 6,681,856 является способ цементирования подземных зон, при котором обращаются к диспергирующим агентам, пригодным к биодеградации. В каждом случае диспергирующие агенты включают в себя привитой полимер на основе полиамида, который содержит по меньшей мере одну боковую цепь, имеющую в основе альдегид и содержащие серу кислоты или их соли.
В неопубликованной немецкой заявке на патент DE 102006038809.7 описано применение сополимеров на основе полиамида, содержащих по меньшей мере одну привитую боковую цепь, построенную этилен-ненасыщенными соединениями, в области химии строительства, а также при освоении, эксплуатации и комплектовании подземных нефтяных и газовых месторождений, а также при глубоком бурении.
Таким образом, привитые сополимеры, а в особенности таковые на основе полиамида, прекрасно известны из соответствующего уровня техники, а в частности также в контексте освоения, эксплуатации и комплектования подземных нефтяных и газовых месторождений. Помимо цементирования буровых скважин, управления поведением водных систем стройматериалов в подземных формациях и снижения поступления воды при добыче нефти и газа, в контексте освоения, эксплуатации и комплектования подземных нефтяных и газовых месторождений имеются также накопившиеся со временем проблемы, для которых до сих пор не удается найти оптимальных технических решений.
Конкретный пример такой проблемы - формирование так называемых газовых гидратов, образующихся при транспортировке по трубопроводам нефтяных или природных газовых смесей, содержащих воду.
Газовые гидраты в общем случае представляют собой кристаллические соединения в виде включений газовых молекул, например, метана, этана или пропана, в воде. Эти соединения, напоминающие лед, образуются при низких температурах и высоких давлениях и в зависимости от конкретных показателей давления и состава газа существовать при температурах, значительно превышающих точку замерзания воды - отчасти вплоть до 25°С. Газовые гидраты могу также встречаться в содержащих воду нефтяных или природных газовых смесях и вызывать заторы в перекачивающих устройствах и трубопроводах при транспортировке нефти или природного газа.
Для предотвращения этого применяют кинетические ингибиторы образования газовых гидратов, которые замедляют кристаллообразование или препятствуют ему.
В качестве кинетических ингибиторов газовых гидратов можно применять множество различных веществ. Так, например, в европейской заявке ЕР 1450004 А1 описано применение в качестве ингибитора газовых гидратов определенных четвертичных соединений аммония, в то время как в немецкой заявке DE 10163259 А1 обсуждают использование модифицированных поливиниловых спиртов, а в патенте США US 6,331,508 - полиоксиалкилендиаминов.
Особой эффективностью в роли кинетических ингибиторов газовых гидратов обладают синтетические полимеры, несущие в боковых группах циклические (остатки пирролидона или капролактама) или ациклические амидные структуры. Такие полимеры описаны, например, в патенте США US 6,451,892, международных заявках WO 2004/042190 А1 или WO 96/41784 А1.
Кроме того, известны также различные привитые полимеры, содержащие эти амидные структуры. Так, например, в немецких заявках DE 19935063 А1 и DE 102005053064 А1 описаны привитые полимеризаты на основе полиалкиленгликоля.
Недостаток описанных ингибиторов газовых гидратов состоит в том, что эти продукты в недостаточной степени пригодны к биодеградации. Однако, по очевидным причинам как пользователи, так и законодатели и компетентные ведомства все более настойчиво требуют пригодности к биодеградации.
Привитые сополимеры, так называемые графтсополимеры N-винилпирролидона (NVP) и желатина в качестве полиамидного компонента известны, например, из публикаций J. Appl. Polym. Sci. 68 (1998) 1485-1492, J. Appl. Polym. Sci. 55 (1995) 1291-1299 и J. Photographic sci. 40 (1992) 248-251. Прививка NVP на желатин, а также применение этих привитых сополимеров в качестве плазмозаменителей описаны также в Eur. Polym. J. 21 (1985) 195-199. В J. Appl. Polym. Sci. 12 (1968) 1557-1565 изложено фотохимическое прививание NVP на коллаген и другие фибриллярные белки.
Гидрогели, которые в числе прочего применяют при изготовлении контактных линз, описаны в международной заявке WO 83/00339 А1. Эти гидрогели получают прививанием различных мономеров, к которым относятся также NVP и N-винилкапролактам (NVC) на коллаген или желатин как полиамидную основу. В немецкой заявке DE 19936476 А1 описана покровная смесь, которую применяют при изготовлении бумаги, пригодной для запечатывания. Описанная в этом тексте покровная смесь содержит в числе прочего привитые сополимеры желатина и NVP либо же NVC. Аналогичные сополимеры, которые дополнительно обладают еще и поперечной сшивкой, приведены в немецкой заявке DE 10238176 А1.
Пригодные к биодеградации суперабсорберы, которые можно изготавливать посредством реакции натурального полимера с синтетическим, описаны в международной заявке WO 2005/084724 А1. Среди натуральных полимеров упомянуты в том числе желатин и коллаген, а в качестве компонента синтетического полимера приведены NVP и NVC.
Из представленных недостатков нынешнего уровня техники сформировалась задача для настоящего изобретения: представить новые привитые сополимеры на основе полиамида, прошедшего реакцию с ангидридом малеиновой кислоты и содержащего по меньшей мере одну винил-ненасыщенную боковую цепь, причем с точки зрения применения на первом плане находится, в частности, применимость их в качестве ингибиторов газовых гидратов. В связи с этим особенным применением следует предоставить, в частности, привитые сополимеры, пригодные к биодеградации. Кроме того, необходимо, чтобы новые привитые сополимеры можно было изготавливать по относительно недорогой и простой технологии и с применением легкодоступных исходных материалов.
Эту задачу решают посредством того, что привитые сополимеры согласно изобретению на основе полиамида содержат в качестве привитой боковой цепи по меньшей мере одно соединение, выбранное из группы, которую образуют а) N-винилкапролактам и/или b) N-винилпирролидон.
При этом реакция полиамида с ангидридом малеиновой кислоты, проходящая перед собственно прививкой, представляет собой значительное преимущество привитых сополимеров согласно изобретению в сравнении с нынешним уровнем техники, поскольку благодаря такому способу работы можно добиться особо эффективной и полной прививки NVC и/или NVP.
Также было неожиданно обнаружено, что привитые сополимеры согласно настоящему изобретению не только можно изготавливать в хорошем качестве и простым способом, как того требует поставленная задача, но также и что эти привитые сополимеры прекрасно пригодны к применению в качестве кинетических ингибиторов газовых гидратов, при этом, как правило, очень хорошо поддаются биодеградации, причем эти привитые сополимеры можно хранить вплоть до собственно применения, и они демонстрируют чрезвычайную стабильность при хранении и транспортировке.
Предпочтительный полиамидный компонент, представляющий собой основу привитых сополимеров согласно настоящему изобретению, - это по меньшей мере одно соединение из ряда натуральных полиамидов, а особо предпочтительный - казеины, желатины, коллагены, глютиновые (костяные) клеи, альбумины крови, соевые белки, и продуктов их разложения, получаемых окислением, гидролизом или деполимеризацией. Кроме того, в той же мере применимы синтетические полиамиды, и - в этом случае также - продукты их разложения, получаемые окислением, гидролизом или деполимеризацией, а также вообще смеси предложенных вариантов полиамидов.
Особо целесообразны оказались варианты привитых сополимеров согласно изобретению, в которых доля полиамидного компонента составляет 10-95% масс., а предпочтительно - 50-70% масс. Что касается боковых цепей, настоящее изобретение также включает в себя особые варианты, причем особый интерес представляют привитые сополимеры, содержащие мономеры боковых цепей а) и b) - независимо друг от друга и в каждом случае в расчете на весь привитой сополимер - в количествах от 5 до 90% масс., предпочтительно - от 15 до 60% масс., а особо предпочтительно - от 30 до 50% масс.
Как уже многократно упомянуто при оценке наиболее близкого технического уровня, при преодолении известных недостатков особое внимание обращали на то, чтобы получение привитых сополимеров согласно настоящему изобретению было легким и особо экономичным. По этой причине изобретение предусматривает привитые сополимеры, которые можно изготавливать, а) вводя в полиамидный компонент по меньшей мере одну реакционноспособную двойную связь, и b) затем полимеризуя мономеры боковых цепей а) и/или b) с присоединением их по меньшей мере к одной введенной двойной связи.
Особо предпочтительным следует считать осуществление этапа процесса а) посредством реакции полиамидного компонента по меньшей мере с 1% масс. ангидрида малеиновой кислоты.
В общем случае на изготовление привитых сополимеров не налагаются какие-либо особые ограничения, а также нет необходимости следить за какими-либо особыми параметрами процесса. Тем не менее, в рамках настоящего изобретения рекомендуется проводить этапы а) и/или b) при температурах от -10°С до 250°С, предпочтительно - от 0 до 100°С, и вне зависимости от выбранной температуры реакции - в присутствии растворителя, а в частности - полярного растворителя, как то: воды или диметилсульфоксида.
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>M</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>n</mi></msub></mrow>
В качестве еще одного варианта настоящее изобретение включает в себя возможность дополнительно проводить поперечную сшивку привитого сополимера после реализации этапов а) и b), что можно осуществлять, в частности, с помощью этилен-ненасыщенных соединений с несколькими функциональными группами, как то: диметакрилатов или триметакрилатов. Получаемые в числе прочего таким образом привитые сополимеры согласно настоящему изобретению отличаются молярной массой
, превышающей 5000 г/моль, а в особенности - превышающей 10000 г/моль.
Еще одним положительным свойством привитых сополимеров согласно изобретению следует считать их водорастворимость, и связанную с этим пригодность к биодеградации. Каждый из этих признаков сам по себе представляет собой предпочтительное свойство, которое тоже охвачено настоящим изобретением.
Помимо свойств новых привитых сополимеров и способа их изготовления, настоящее изобретение отличается также спектром их применения:
Так, описанные привитые сополимеры можно применять, в частности, в области химии строительства, а также при освоении, эксплуатации и комплектовании подземных нефтяных и природных газовых месторождений, а также при глубоком бурении.
Еще один полезный аспект - применение описанных привитых сополимеров при добыче и транспортировке нефти или газа, а в этом контексте, в частности - как ингибиторы газовых гидратов, причем особо целесообразным следует считать использование в качестве кинетических ингибиторов газовых гидратов, пригодных к биодеградации.
Кроме того, настоящее изобретение охватывает применение привитых сополимеров на основе полиамида и образованных по меньшей мере из одной боковой цепи, содержащей этилен-ненасыщенные соединения, в общем и без дополнительных конкретных структурных характеристик, при добыче и транспортировке нефти и газа. В этом контексте опять же чрезвычайно целесообразным следует считать применение в качестве ингибитора газовых гидратов.
Только что описанное применение конкретных привитых сополимеров отличается, в частности, тем, что привитой сополимер содержит в качестве полиамидного компонента по меньшей мере одно соединение из ряда натуральных полиамидов, а особо предпочтительно - казенны, желатины, коллагены, глютиновые (костяные) клеи, альбумины крови, соевые белки, и продуктов их разложения, образуемых окислением, гидролизом или деполимеризацией. В этом случае также возможно применять и синтетические полиамиды и опять же продукты их разложения, получаемые окислением, гидролизом или деполимеризацией. Можно, разумеется, применять и любые пригодные для этой цели смеси указанных компонентов.
Эти привитые сополимеры также обладают благоприятными свойствами и действием в особенности в тех случаях, когда доля полиамидного компонента составляет 10-95% масс., а предпочтительно - 50-70% масс.
Кроме того, следует считать весьма целесообразным, чтобы все описанные привитые сополимеры настоящего изобретения содержали в качестве этилен-ненасыщенного соединения по меньшей мере одно соединение из ряда виниловых эфиров в O-, S-, Р- или N-формах, а предпочтительно - в виде N-виниламида, например, N-винилкапролактам, N-винилпирролидон или N-метил-N-винилацетамид, акриловой кислоты, метакриловой кислоты, 2-этилакриловой кислоты, 2-пропилакриловой кислоты, винилуксусной кислоты, кротоновой и изокротоновой кислот, малеиновой кислоты, фумаровой кислоты, итаконовой кислоты, цитраконовой кислоты, а также их амидов, винилфосфоновой кислоты, винилсульфоновой кислоты, винилалкоксисиланов, металлилсульфоновой кислоты и стиролов.
Согласно изобретению особые преимущества наблюдаются, в случае если привитые сополимеры представляют собой привитые сополимеры на основе полиамида, прошедшего реакцию с ангидридом малеиновой кислоты и содержащего по меньшей мере одну винил-ненасыщенную боковую цепь, причем в этом случае привитая боковая цепь представляет собой по меньшей мере одно соединение, выбранное из группы, которую образуют а) N-винилкапролактам и/или b) N-винилпирролидон.
Все описанные в рамках настоящего изобретения привитые сополимеры водорастворимы и, кроме того, пригодны к биодеградации и применяются в контексте добычи, хранения и транспортировки нефти и природного газа, и в этом случае, в частности - для предотвращения образования газовых гидратов.
Описанные же пути синтеза обеспечивают возможность особо эффективной прививки на полиамидную, а в частности - на желатиновую основу, причем этот способ работы значительно менее чувствителен к загрязнениям или колебаниям качества сырья, чем прямая прививка ("графт") этилен-ненасыщенных соединений на натуральные или синтетические полиамиды, а в особенности желатин.
Нижеследующие примеры подчеркивают преимущества настоящего изобретения.
Примеры
Пример изготовления 1:
65 г гидролизата желатина (РВ Gelatines) растворили в 130 г воды. Затем раствор нагрели до 70°С и добавили 1,5 г ангидрида малеиновой кислоты с 9,8 г 20%-ного NaOH, так что значение pH установилось на уровне ок. 8,5. После 2 ч прохождения реакции при 70°С добавили 36,6 г N-винилкапролактама в 126 г 2-пропанола. После этого ввели 1,4 г тетраэтиленпентамина и 0,03 г додецилсульфата натрия и запустили полимеризацию посредством добавления 0,7 г Wako V50. После прохождения реакции в течение 1 ч реакционную смесь выпарили на ротационном испарителе. Получили желтоватое кристаллическое твердое вещество.
2
Реакцию полностью проводили в инертной газовой атмосфере (N).
Пример изготовления 2:
65 г гидролизата желатина (РВ Gelatines) растворили в 130 г воды. Затем раствор нагрели до 70°С и добавили 1,5 г ангидрида малеиновой кислоты с 14,4 г 20%-ного NaOH, так что значение pH установилось на уровне ок. 8,5. После 2 ч прохождения реакции при 70°С добавили 36,6 г N-винилкапролактама в 126 г этиленгликоля. Затем добавили 0,04 г додецилсульфата натрия, довели значение pH серной кислотой примерно до 7,6 и запустили полимеризацию добавлением 1,45 г Wako V50. После прохождения реакции в течение 1 ч ее завершили и довели pH до 9,5 с помощью NaOH. Получили желтоватый мутный раствор с вязкостью 860 мПа·с.
2
Реакцию полностью проводили в инертной газовой атмосфере (N).
Пример изготовления 3:
65 г гидролизата желатина (РВ Gelatines) растворили в 130 г воды. Затем раствор нагрели до 70°С и добавили 1,5 г ангидрида малеиновой кислоты с 12,5 г 20%-ного NaOH, так что значение pH установилось на уровне ок. 8,5. После 2 ч прохождения реакции при 70°С добавили 20,3 г N-винилкапролактама и 16,2 г N-винилпирролидона в 126 г этиленгликоля. Затем добавили 0,04 г додецилсульфата натрия, довели значение pH серной кислотой примерно до 7,6 и запустили полимеризацию добавлением 1,45 г Wako V50. После прохождения реакции в течение 1 ч ее завершили, разбавили реакционную смесь 182 г воды и довели pH до 9,5 с помощью NaOH. Получили прозрачный раствор с вязкостью 11300 мПа·с.
2
Реакцию полностью проводили в инертной газовой атмосфере (N).
Пример изготовления 4:
65 г гидролизата желатина (РВ Gelatines) растворили в 130 г воды. Затем раствор нагрели до 70°С и добавили 1,5 г ангидрида малеиновой кислоты с 12,8 г 20%-ного NaOH, так что значение pH установилось на уровне ок. 8,5. После 2 ч прохождения реакции при 70°С добавили 21,4 г N-винилкапролактама и 15,2 г N-метил-N-винилпирролидона в 128 г этиленгликоля. Затем добавили 0,04 г додецилсульфата натрия, довели значение pH серной кислотой примерно до 7,6 и запустили полимеризацию добавлением 1,45 г Wako V50. После прохождения реакции в течение 1 ч ее завершили и довели pH примерно до 9,5 с помощью NaOH. Получили прозрачный раствор с вязкостью 540 мПа·с.
2
Реакцию полностью проводили в инертной газовой атмосфере (N).
Пример изготовления 5:
70 г гидролизата желатина (РВ Gelatines) растворили в 139 г воды. Затем раствор нагрели до 70°С и добавили 1,6 г ангидрида малеиновой кислоты с 13,8 г 20%-ного NaOH, так что значение pH установилось на уровне ок. 8,5. После 2 ч прохождения реакции при 70°С добавили 21,7 г N-винилкапролактама в 95 г этилен гликоля. Затем добавили 0,04 г додецилсульфата натрия, довели значение pH серной кислотой примерно до 7,6 и запустили полимеризацию добавлением 0,86 г Wako V50. После прохождения реакции в течение 1 ч ее завершили и довели pH примерно до 9,5 с помощью NaOH. Получили желтоватый, слегка мутный раствор с вязкостью 190 мПа·с.
2
Реакцию полностью проводили в инертной газовой атмосфере (N).
Пример изготовления 6:
65 г гидролизата желатина (РВ Gelatines) растворили в 130 г воды. Затем раствор нагрели до 70°С и добавили 1,5 г ангидрида малеиновой кислоты с 12,9 г 20%-ного NaOH, так что значение pH установилось на уровне ок. 8,5. После 2 ч прохождения реакции при 70°С добавили 36,6 г N-винилкапролактама в 126 г этиленгликоля. Затем добавили 0,04 г додецилсульфата натрия и 5,0 г гипофосфита натрия, довели значение pH серной кислотой примерно до 7,6 и запустили полимеризацию добавлением 1,45 г Wako V50. После прохождения реакции в течение 1 ч ее завершили и довели pH до 9,5 с помощью NaOH. Получили желтоватый прозрачный раствор с вязкостью 100 мПа·с.
2
Реакцию полностью проводили в инертной газовой атмосфере (N).
Пример изготовления 7:
65 г гидролизата желатина (РВ Gelatines) растворили в 130 г воды. Затем раствор нагрели до 70°С и добавили 1,5 г ангидрида малеиновой кислоты с 12,5 г 20%-ного NaOH, так что значение pH установилось на уровне ок. 8,5. После 2 ч прохождения реакции при 70°С добавили 30,5 г N-винилкапролактама и 6,1 г N-винилпирролидона в 126 г этиленгликоля. Затем добавили 0,04 г додецилсульфата натрия, довели значение pH серной кислотой примерно до 7,6 и запустили полимеризацию добавлением 1,45 г Wako V50. После прохождения реакции в течение 1 ч ее завершили, разбавили реакционную смесь 211 г воды и довели pH до 9,5 с помощью NaOH. Получили прозрачный раствор с вязкостью 900 мПа·с.
2
Реакцию полностью проводили в инертной газовой атмосфере (N).
Пример применения (1) для ингибирования газовых гидратов:
Изготовленный согласно примеру изготовления привитой сополимер растворили в деионизированной воде до концентрации 9000 ppm. 120 мл этого раствора поместили в чистый и сухой стальной автоклав емкостью 300 мл. Во время всего теста раствор перемешивали магнитной мешалкой в тефлоновой оболочке со скоростью 500 оборотов в минуту.
2
2
Пространство над водным раствором в течение примерно 1 мин продували при комнатной температуре газом Mungo-2 (состав газа Mungo-2: 1,75 моль-% N; 1,36 моль-% CO; 79,29 моль-% метана; 10,84 моль-% этана; 4,63 моль-% пропана; 0,62 моль-% изобутана; 1,12 моль-% н-бутана; 0,2 моль-% изопентана; 0,19 моль-% н-пентана). После этого раствор охладили при атмосферном давлении и в атмосфере газа Mungo-2 до 4°С.
Затем газ Mungo-2 нагнетали до давления 30 бар (избыточное давление), ожидали 10 мин. и снова задавали внутреннее давление на уровне 30 бар с целью в основном компенсировать потерю давления, обусловленную растворением газа в холодном растворе под давлением 30 бар.
В заключение автоклав полностью закрывали и непрерывно измеряли внутреннее давление при неизменной внутренней температуре и постоянном перемешивании. При этом мерой длительности ингибирования был промежуток времени, в течение которого внутреннее давление падало до величины менее 29 бар. Чем больше длительность ингибирования, тем выше эффективность как ингибитора газовых гидратов.
Ингибитор газовых гидратов
Длительность ингибирования
Нулевое значение без добавления ингибитора (контроль)
1 ч 20 мин.
Привитой сополимер по примеру изготовления 1 (изобретение)
35 ч
Привитой сополимер по примеру изготовления 3 (изобретение)
174 ч
Привитой сополимер по примеру изготовления 4 (изобретение)
более 360 ч
Пример показывает, что добавление привитого сополимера согласно изобретению существенно задерживает образование газовых гидратов.
Пример применения (2) для ингибирования газовых гидратов:
Проводили аналогично примеру применения (1) с той разницей, что вместо газа Mungo-2 использовали метан под давлением 60 бар.
Ингибитор газовых гидратов
Длительность ингибирования
Привитой сополимер по примеру изготовления 2 (изобретение)
более 350 ч