Способ определения гидрофобизирующих свойств химреагентов
Использование: способы контроля гидрофобизации твердой поверхности природных и техногенных пористых сред при применении химреагентов-гидрофобизаторов, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в том числе нефтяной. Технический результат - упрощение определения гидрофобизирующих свойств химрагентов и повышение надежности их установления при обработке реагентами поверхности пористых сред. Сущность изобретения: способ определения гидрофобизирующих свойств химреагентов включает определение интенсивности процессов их адсорбции на поверхности образца пористой среды из водного раствора. Последовательно образец пористой среды приводят в контакт с водным раствором электролита, создают и поддерживают постоянный перепад давления между входом и выходом образца пористой среды, дожидаются стационарности процесса фильтрации и образования на поверхности пористой среды гидрофильного ионно-гидратного слоя, вносят на вход образца пористой среды химреагенты. Гидрофобизирующие свойства определяют по интенсивности процессов десорбции электроактивных компонентов гидрофильного ионно-гидратного слоя, электрохимически сопряженных с процессами его разрушения при адсорбции химреагентов на поверхности пористой среды. В качестве водного раствора электролита используют нефтепромысловую воду или ее модель. Контроль за достижением стационарности процесса фильтрации и образования на поверхности пористой среды гидрофильного ионно-гидратного слоя осуществляют по потенциалу течения. Интенсивность процессов десорбции электроактивных компонентов гидрофильного ионно-гидратного слоя определяют как потенциал течения электрометрически, прямым измерением разности потенциалов между входом и выходом образца пористой среды с использованием электродной пары из инертного металла. 3 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.
Изобретение относится к способам контроля гидрофобизации твердой поверхности природных и техногенных пористых сред при применении химреагентов - гидрофобизаторов, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в том числе в нефтяной.
Известны способы определения гидрофобизирующих свойств химреагентов путем определения скорости смачивания бентонитовой глины на приборе Жигача-Ярова [1]. Основным недостатком известного способа является то, что определение осуществляется на пробах глины, связано со скоростью ее набухания и не подходит для исследования реагентов на песчаных и карбонатных пористых средах. Известны способы оценки гидрофобизирующих свойств химреагентов путем определения краевого угла смачивания в системе жидкость - твердая поверхность [2] . Недостатком известного способа является то, что он непригоден для исследования гидрофобизирующих свойств реагентов в пористых средах. Наиболее близка по существу решаемой задачи заявляемого способа методика, основанная на измерении кинетики пропитки, которая позволяет определить среднюю скорость впитывания воды в исследуемом интервале времени и максимальную массу воды, впитавшейся в пористую среду за то же время [3], до и после контакта образца пористой среды с гидрофобизатором. Главный недостаток способа по прототипу заключается в необходимости использования весового метода измерения массы адсорбированной воды для каждой исследуемой концентрации реагента (опыт - "точка"), что связано с необходимостью многократного реального определения массы образца пористой среды до и после пропитки, в процессе которого его необходимо доводить до постоянной массы. Трудоемкость и недостаточная точность такого рода методов широко известна. Другим существенным недостатком использования гравиметрического метода в известном способе является "интегральность" показателя массы и несвязанность его напрямую с физико-химическими механизмами проявления гидрофильных и гидрофобных свойств поверхности. Энергетические и кинетические параметры адсорбционных процессов в этом случае не определяются. Указанные недостатки показывают недостаточную эффективность известного метода. Решаемой задачей заявляемого способа является повышение эффективности определения гидрофобизирующих свойств химреагентов по отношению к поверхности пористых сред. Ожидаемым техническим результатом изобретения является упрощение известного способа определения гидрофобизирующих свойств химреагентов и повышение надежности их установления при обработке реагентами поверхности пористых сред. Определение изменения гидрофильности и гидрофобности поверхности пористой среды проводят путем количественной оценки термодинамических и кинетических параметров создания и разрушения ионно-гидратного комплекса на поверхности пористой среды при адсорбции его компонентов из жидкой фазы (раствора электролита) и последующей десорбции в процессе контакта с химреагентами. В отличие от прототипа заявляемое техническое решение предполагает непрерывное непосредственное определение гидрофобизирующей способности химреагентов в зависимости от их концентрации в кинетическом режиме, по ходу испытания, без замены растворов и образца пористой среды для каждой концентрации. Заявляемый способ позволяет осуществить экономию кернового материала при использовании его применительно к нефтепромысловым пористым средам, т.к. позволяет определить гидрофобизирующую способность химреагентов по отношению к дезинтегрированным кернам на минимальных количествах последних, что объясняется особенностями их использования в качестве диафрагмы, разделяющей рабочую и приемную емкости электрохимической системы для измерения потенциала течения. Поставленная задача решается тем, что последовательно образец пористой среды приводят в контакт с водным раствором электролита, создают и поддерживают постоянный перепад давления между входом и выходом образца пористой среды, дожидаются стационарности процесса фильтрации и образования на поверхности пористой среды гидрофильного ионно-гидратного слоя, вносят на вход образца пористой среды химреагенты и их гидрофобизирующие свойства определяют по интенсивности процессов десорбции электроактивных компонентов гидрофильного ионно-гидратного слоя, электрохимически сопряженных с процессами его разрушения при адсорбции химреагентов на поверхности пористой среды. В качестве водного раствора электролита используют нефтепромысловую воду или ее модель. Контроль за достижением стационарности процесса фильтрации и образования на поверхности пористой среды гидрофильного ионно-гидратного слоя осуществляют по потенциалу течения. Интенсивность процессов десорбции электроактивных компонентов гидрофильного ионно-гидратного слоя определяют как потенциал течения электрометрически, прямым измерением разности потенциалов между входом и выходом образца пористой среды, с использованием электродной пары из инертного металла. Заявителю известен источник информации [4], автором которого исследуется кинетика сорбции ПАВ на угле. Полученные данные по изменению концентрации ПАВ автор пытается согласовать со свойствами двойного электрического слоя (ДЭС), которые, впрочем, аналитически не исследуются и не контролируются. Величина электрического потенциала (потенциала протекания) упоминается как фактор, способный оказывать влияние на свойства ДЭС. Принципиальное отличие заявляемого технического решения - в исследовании процессов формирования (и разрушения) не простого ДЭС, а гидрофильного ионно-гидратного слоя (ИГС), который, по мнению авторов, является "рабочим телом" для оценки гирофобизирующих свойств химреагентов. Создание ИГС на поверхности пористой среды контролируют по степени адсорбции его электроактивных компонентов, которая определяется как изменение их концентраций в процессе контакта электролита с пористой средой, что выражает в изменении потенциала течения, измеряемого в вольтах. При движении жидкости относительно твердой фазы или непосредственно примыкающего к ней неподвижного слоя жидкости происходит разделение зарядов и формируется разность потенциалов







Е - потенциал потока (течения);
р - давление;
D - диэлектрическая проницаемость (


Решая уравнение относительно Е и раскрывая D =



где







Измеренный таким образом потенциал течения позволяет однозначно констатировать образование гидрофильного ИГС по его толщине, превышающей толщину ДЭС, потенциал которого определяется по уравнению Нернста. Разбавлением исходного раствора на порядок получают нормированное (приведенное к единице) значение потенциала течения. Такое значение следует из условия автонормировки для десятичного логарифма перед отношением активностей (концентраций). После нормировки получают выражения, аналогичные для нернстовского потенциала:
EX~


где EX - текущее измеряемое значение ЭДС, ЕN - нормированное значение ЭДС до начала опыта. EX/EN =


С учетом соотношения СX/СN=10 из условия автонормировки (lg10=1) следует равенство коэффициента перед Na, аналогичного изменению мольной доли X, выражению ЕX/ЕN, из которого в свою очередь однозначно следует возможность применения ЕX, ввиду фиксированного значения EN, в качестве показателя изменения суммарного количества носителей заряда в жидкой фазе в процессе их адсорбции на пористой среде. Изложенный подход позволяет использовать стандартные выражения для энергии Гиббса (изобарно-изотермический потенциал) и энергии активации:

где

R - универсальная газовая постоянная,
Т - заданная абсолютная температура,
К - константа равновесия. Энергию активации можно также вычислить из непосредственного соотношения констант скоростей, минуя определение концентрации в какой-либо форме. С учетом стандартных условий, созданных в начале эксперимента, следует, что потенциал течения в данном случае будет непосредственно зависеть от адсорбции ионов и может быть назван потенциалом адсорбции (создания ионно-гидратного слоя).

Энергию активации находят по формуле.

"Комбинированным" подходом возможно отыскание непосредственных переходных коэффициентов между методами концентрационной цепи и потенциалом течения. Что касается "изобретательского уровня", то соответствие ему заявляемого технического течения определяется тем, что для определения гидрофобизирующих свойств химреагентов по отношению к пористой среде используется "потенциал течения", определяемый в системе "раствор-реагент-пористая среда" с помощью электрохимической системы "открытого" типа, имеющей "рабочую" и "приемную" емкости, между которыми создается перепад давления. "Неожиданность" технического решения по предлагаемому способу заключается в том, что непосредственное измерение разности потенциалов между "рабочей" и "приемной" емкостями при фильтрации жидкости через образец пористой среды, разделяющей емкости, позволяет определить термодинамические и кинетические параметры процесса гидрофобизации гидрофильной поверхности пористой среды. В противоположность прототипу заявляемый способ поддается автоматизации путем контроля процессов адсорбции и десорбции электроактивных компонентов ионно-гидратного слоя в форме записи электрического сигнала самопишущим прибором или осциллографом, непосредственно подключенным к выходу электрометра, измеряющего разность потенциалов между "рабочей" и "приемной" емкостями (потенциал течения), что соответствует входу и выходу образца пористой среды. В отличие от прототипа заявляемое техническое решение предполагает непрерывное непосредственное определение гидрофобизирующей способности химреагентов в зависимости от их концентрации в кинетическом режиме по ходу испытания, без замены растворов и образца пористой среды для каждой концентрации. Способ осуществляют в следующей последовательности операций. 1. Отбор образца нефтепромысловой воды. 2. Подготовка образца породы продуктивного пласта (дезинтегрированного керна). 3. Приведение в контакт керна и нефтепромысловой воды. 4. Создание и поддержание постоянного перепада давления между входом и выходом образца керна. 5. Электрометрическое определение достижения стационарности процесса фильтрации и образования на поверхности пористой среды гидрофильного ионно-гидратного слоя. 6. Внесение на вход образца керна химреагентов и электрометрическое определение интенсивности процессов десорбции электроактивных компонентов ионно-гидратного слоя с поверхности пористой среды путем прямого измерения разности потенциалов между входом и выходом образца пористой среды. Оценка гидрофобизирующих свойств химреагентов возможна непосредственно по пунктам 1-6 перечисленной последовательности операций, без пересчета по пункту 7. Осуществление способа предполагает использование проточной электрохимической системы (фиг. 1), состоящей из двух идентичных термостатируемых ячеек 1 и 2 ("рабочая" и "приемная" емкости) с электродами из инертного металла 3, 4 и электрометра 5 для измерения разности потенциалов. Образец пористой среды 6 расположен в капилляре 7, соединяющем рабочую и приемную полость, и служит диафрагмой, относительно которой возникает потенциал течения. Капилляр снабжен поперечными стекловолоконными фильтрами 8, 9, удерживающими образец пористой среды. Ниже представлено описание последовательности осуществления способа в автоматизированном режиме с использованием аппаратурного обеспечения на базе субблоков серийно выпускаемого отечественного титратора Т8. Ход эксперимента. Электрохимическую ячейку 1 (рабочая емкость) заполняют исследуемым раствором электролита в объеме до 20 см3, в ячейку 2 вносят небольшое количество (до 1 см3) того же раствора, после чего обе ячейки термостатируют при заданной температуре. Навеску образца дезинтегрированного керна вносят в капилляр. Постоянный перепад давления создают посредством плунжеров, являющихся одновременно рабочими инертными электродами 3, 4. Достижение стационарности процесса фильтрации контролируют, например, электронным расходомером. Разность потенциалов "снимают" непосредственно со штоков плунжеров на вход высокоомного вольтметра. После достижения стационарных значений разности потенциалов проводят расчет показателей адсорбции при создании гидрофильного ионно-гидратного слоя как потенциала течения. Концентрацию сорбированных ионов определяют в форме относительной доли от исходных значений. После стабилизации потенциала течения проводят исследование влияния химреагентов гидрофобизаторов, для чего их последовательно вносят в рабочую ячейку. О завершенности эксперимента судят по степени выхода ионов из пористой среды в раствор, т.е. по постепенному возвращению системы к исходному значению потенциала течения. Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и прототипа позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "новизна". В отличие от прототипа заявляемое техническое решение предполагает прямое непрерывное непосредственное определение гидрофобизирующей способности химреагентов в зависимости от их концентрации в кинетическом режиме по ходу испытаний, без дискретного отбора проб. Способ иллюстрируется следующими примерами
Пример 1. Определение физико-химических характеристик гидрофильного ионно-гидратного слоя на поверхности пористой среды при адсорбции электролита. В реальных нефтепромысловых средах смачивание пород осуществляется растворами электролитов различного ионного состава. Наличие в нефтепромысловых водах электроактивных компонентов (ионов) позволяет использовать заявляемый способ для оценки адсорбционной "емкости" исследуемой пористой среды (породы) при смачивании ее минерализованной водой. На фиг. 2 представлена кинетика адсорбции модели пластовой воды на дезинтегрированном песчанике пласта БС10 Мамонтовского нефтяного месторождения. В табл. 1 представлены значения свободной энергии Гиббса (изобарно-изотермического потенциала)

1. В. Д. Городнов. Физико-химические методы предупреждения осложнений в бурении. - М.: Недра, 1984. 2. О.Н. Григоров, И.Ф. Карпова, З.П. Козьмина и др. Руководство к практическим работам по коллоидной химии. -М.-Л.: Химия, 1964, с.133-141. 3. И.И. Минаков, Е.О. Серебрякова, В.Д. Москвин, А.Т. Горбунов. Лабораторные испытания по оценке гидрофобизирующих свойств химических продуктов и их композиций. Нефтепромысловое дело, 3-4, 1996. 4. Дочкал М. Исследование кинетики сорбции ПАВ на угле, VIII Международный конгресс по обогащению полезных ископаемых. - Л.: Изд-во института Механобр, 1969, т. 2, с.379-384. 5. Л. И. Антропов. Теоретическая электрохимия. - М.: Высш. шк., 1984 - 519 с.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение
Прежний патентообладатель:
ООО "Центр исследований и разработок ЮКОС"
(73) Патентообладатель:
Интерсино Инвестментс Лимитед (SC)
Договор № РД0002462 зарегистрирован 30.09.2005
Извещение опубликовано: 20.11.2005 БИ: 32/2005