СОСТАВ ДЛЯ ВОДОИЗОЛЯЦИОННЫХ РАБОТ
COMPOSITION FOR WATER INSULATION WORKS

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к ограничению водопритоков в добывающих скважинах, и может быть использовано для выравнивания профилей приемистости и изоляции промытых зон нагнетательных скважин.
max
Одним из аналогов для заявляемого состава является состав, описываемый в [пат. США №834343, 1981 г.], предусматривающий использование натриевого среднемодульного жидкого стекла, концентрированной кислоты, в т.ч. соляной, и воды. При этом используют 40% силиката натрия, воду, содержащую 2% KCl, и 31, 45 вес.% хлористоводородную кислоту в количестве, необходимом для достижения рН=8-8,5. Следом за добавлением кислоты во время формирования геля его разбивают в течение 10 минут. Однако такая система имеет малое время гелеобразования (t=1 ч 18 минут при Т=20°С и 14 минут при 75°С), что может привести к загелеванию системы еще на поверхности до закачки в скважину.
3
4
2
4
Прототипом предлагаемого изобретения является гелеобразующий состав для ограничения притока вод в скважину [пат. РФ №2418030, С09К 8/512]., включающий в мас.%: силикат натрия 3,0-6,0, концентрированную кислоту (HPO или HCl или HSO) 0,1-0,6, акриловую кислоту 4,0-10,0, инициатор полимеризации 0,4-1,5. Недостатками такого состава являются низкая технологичность из-за малого времени гелеобразования (t max - 5,5 часа), низкие прочностные характеристики. Видимо, полиакриловый полимер, образующийся в ходе реакции, способствует снижению прочностных характеристик.
Целью данного изобретения является увеличение времени гелеобразования составов, увеличение прочностных и улучшение вязкостных характеристик образовавшегося геля.
Поставленная цель достигается тем, что состав для водоизоляционных работ, включающий силикат натрия, концентрированную кислоту: ортофосфорную, соляную, серную или уксусную и пресную воду, согласно изобретению дополнительно содержит моноэтаноламин, при следующем соотношении компонентов:
Силикат натрия
5,0÷12%
Указанная концентрированная кислота
0,65÷1,8%
Моноэтаноламин
0,17÷0,8%
Вода
остальное
Предлагаемый состав по сравнению с прототипом содержит новый продукт моноэтаноламин, поэтому заявляемое изобретение отвечает критерию «новизна».
Уксусная кислота, действующая в тех процентных соотношениях, как и указанные концентрированные кислоты, введена для расширения ассортимента применяемых доступных недорогих реагентов с тем, чтобы при необходимости (при срочности работ, недоступности других кислот) заменить вышеуказанные кислоты.
В предлагаемом изобретении при добавлении моноэтаноламина происходит увеличение времени гелеобразования и снижение вязкости в системе жидкое стекло - кислота.
Гелеобразование в системе жидкое стекло - кислота - это образование водородных связей между молекулами поликремниевых кислот после добавления к жидкому стеклу любого вида кислот (например, ортофосфорной, соляной или уксусной). Чтобы замедлить гелеобразование надо ввести конкурентный реагент, который будет блокировать центры (точки) образования водородных связей. Нами подобран (найден) такой реагент - моноэтаноламин (МЭА).
2
2
МЭА содержит в составе своей молекулы атом азота, имеющий неподеленную электронную пару, способную образовывать донорно-акцепторные связи, например, с протонами водорода. Поэтому, например, МЭА применяется в качестве легкорегенерируемого поглотителя кислых газов (HS, СО и другие). Учитывая вышесказанное можно предположить следующий механизм действия МЭА в качестве ингибитора гелеобразования. По-видимому, до добавления в систему кислоты происходит взаимодействие ОН-группы МЭА с кислородом, несущим отрицательный заряд полисиликат аниона:
2
2
2
n-1
2
2
2
-
NHCHCHOH…-O-(SiO-O-)SiO-O…HOCHCHNH
где n - силикатный модуль полисиликата натрия.
2
После добавления кислоты ионы водорода начинают взаимодействовать с группами NH. Образовавшаяся группа  увеличивает кислотные свойства ОН группы МЭА, что еще боле упрочняет ее связь с кислородом полисиликат аниона
Как было сказано выше, МЭА легко регенерирует поглощенный ион водорода, то есть основность его не такая высокая как полисиликат аниона. Очевидно, со временем происходит перенос иона водорода от группы  на кислород полисиликат аниона с образованием поликремниевой кислоты
Знак обратимости в приведенной реакции означает установление химического равновесия с определенной константной равновесия, зависящей от констант основности МЭА и полисиликат аниона.
Рецептуры образцов и их гелеобразующие параметры приведены в таблицах 1-4, вязкостные свойства отображены в таблицах 5-8.
Исходя из последней равновесной реакции легко сделать вывод, что увеличение концентрации МЭА в системе будет смещать равновесие в сторону образования его протонированного состояния (стрелка вверх), а снижение его сместит равновесие в сторону образования поликремниевой кислоты (стрелка вниз) (табл.1-4, образцы 3, 4, 5, 6).
Если ввести МЭА в жидкое стекло до кислоты, то при последующем вводе кислоты, содержащую протоны произойдет «захват» части протонов моноэтаноламином. Но со временем в результате хаотического броуновского движения при случайных близких столкновениях эти протоны перейдут к более сильным кислородным центрам силикатов, с образованием водородных связей и пространственных структур. Таким образом, пролонгируется (замедляется) время сплошного гелеобразования в системе жидкое стекло-кислота.
В предлагаемом решении при добавлении моноэтаноламина также происходит снижение вязкости системы. Очевидно, это происходит из-за замедления (торможения) процессов структурного гелеобразования в результате «вклинивания» протонированного МЭА между молекулами силикатов. В таблицах 5-8 приведены примеры снижения вязкости при добавлении МЭА.
Таблица 5
Компоненты, мас.%
№ опытов
1
2
3
4
Силикат натрия
11
11
11
11
Серная кислота
1,5
1,5
1,5
1,5
Моноэтаноламин
-
0,25
0,5
0,7
Вода
87,5
87,25
87,0
86,8
Вязкость, мПа*с
2,4
1,81
1,53
1,4
Таблица 6
Компоненты, мас.%
№ опытов
1
2
3
4
Силикат натрия
11
11
11
11
Соляная кислота
1,65
1,65
1,65
1,65
Моноэтаноламин
-
0,25
0,5
0,7
Вода
87,35
87,1
86,85
86,65
Вязкость, мПа*с
2,5
1,95
1,6
1,4
Таблица 7
Компоненты, мас.%
№ опытов
1
2
3
4
Силикат натрия
9,0
9,0
9,0
9,0
Уксусная кислота
1,5
1,5
1,5
1,5
Моноэтаноламин
-
0,25
1,5
1,5
Вода
89,5
89,25
89,0
88,8
Вязкость, мПа*с
2,0
1,8
1,5
1,3
Таблица 8
Компоненты, мас.%
№ опытов
1
2
3
4
Силикат натрия
9,06
9,06
9,06
9,06
Ортофосфорная кислота
1,6
1,6
1,6
1,6
Моноэтаноламин
-
0,25
0,5
0,7
Вода
89,34
89,09
88,84
88,64
Вязкость, мПа*с
1,920
1,780
1,430
1,300
Состав готовится следующим образом.
3
На первом этапе разбавлением от товарного 40%-ного жидкого стекла с модулем 2,9-3,1, плотностью 1470-1500 кг/м разбавлением водой готовится раствор жидкого стекла с расчетной концентрацией силиката натрия. Затем добавляется расчетное количество моноэтаноламина, смесь перемешивается в течении 15 минут на миксере «Воронеж» при 3000 об/мин. Смесь выдерживается в покое 30 минут, далее к смеси прибавляется расчетное количество кислоты.
Наиболее важными эксплуатационно-технологическими характеристиками заявляемого состава являются время гелеобразования (или потери текучести), пластическая вязкость и вязкостные свойства, характеризующие прокачиваемость, особенно по пласту. Моделирование температуры пласта проводили в водяном термостате.
За время гелеобразования принимали время, когда образец при наклонении пробирки переставал течь.
Вязкость составов определяли на вискозиметрах ВПЖ.
Прочность гелей измеряли конусами Ребиндера с углами 30 и 60° по глубине их внедрения в исследуемые образцы.
3
Моноэтаноламин выпускаемый по ТУ 2423-159-00203335-2004 представляет собой бесцветную или желтоватого цвета прозрачную жидкость с плотностью 1015-1018 кг/м при 20°С.
Как видно из таблиц 1-4, введение МЭА в систему жидкое стекло - кислота увеличивает время гелеобразования от 10 минут до 500 минут (табл.1-4, образцы 1, 3, 4, 5, 6). Увеличение содержания МЭА выше 0,7% экономически нецелесообразно, т.к. из-за смещения равновесия по реакции 1 и усиления протонирования время гелеобразования резко увеличивается до 36-38 часов, что технологически недопустимо (табл.2, образец 6, табл.4, образец 6), а снижение ниже 0,17% - резко сокращает это время (табл.1-4, образец 11).
Увеличение содержания силиката натрия выше 12%, также нецелесообразно, т.к. не происходит улучшения свойств. При снижении содержания силиката натрия ниже 5% - снижается и время гелеобразования и прочность (табл.1-4, образцы 4, 13).
При уменьшении кислоты ниже 0,65% не наблюдается загелевания, а выше 1,8% - идет резкое уменьшение времени процесса загелевания (табл.1-4, образцы 9, 10).
2
2
Заявляемый состав отличается от прототипа тем, что имеет большее время загелевания - 500 минут, против 330, большую пластическую прочность 140 кН/м против 14,6 кН/м.
Заявляемый состав вследствие длительного времени загелевания может применяться для широкомасштабного заводнения с глубоким проникновением по водоносным каналам и большим радиусом охвата.