Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Мазмұны
|
Кіріспе |
2 бет |
|
|
1. |
Полимерлер туралы жалпылама мәліметтер |
3 бет |
|
1.1 |
Полимерлердің молекулалық құрылымдары және қасиеттері |
3 бет |
|
1.2 |
Полимерлерді алу түрлері |
11 бет |
|
2. |
Мұнай-газ кәсіпшілігіндегі полимерлердің атқаратын қызметі және маңыздылығы |
17 бет |
|
2.1 |
Мұнай-газ кәсіпшілігіндегі полимерлердің атқаратын қызметі және қолдану аясы |
17 бет |
|
2.2 3. 3.1 3.2 |
Мұнай-газ кәсіпшілігінде полимерлі суландыру технологиясы және оның маңыздылығы Термополимерлік суландыру және оның технологиялық әдістері Термополимерлік суландыру Жылулық өңдеудегі техника мен жабдықтар және ыстық полимерді қолдану Қорытынды |
23 бет 27 бет 27 бет 33 бет 41 бет |
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі 42 бет
КІРІСПЕ
Жоғары молекулалы қосылыстар немесе полимерлер (гр. πολύ- — көп, μέρος — бөлік, бөлігі) — молекула құрамында өзара химиялық немесе координаттық байланыстармен қосылған жүздеген, мыңдаған атомдары бар және өздеріне ғана тән қасиеттермен ерекшеленетін заттар тобы. Жоғары молекулалы қосылыстар көбіне молекулалары көп қайталанып отыратын мономерлер тізбегінен тұрады. Олардың ішіндегі ең қарапайымы — полиэтилен, оның мономері — этилен. Жоғары молекулалы қосылыстар табиғи (ақуыздар, нуклеин қышқылдары, табиғи шайырлар), жасанды (табиғи полимерді химиялық реактивтермен әрекеттестіру кезінде алынатын), синтетикалық (полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиамид, фенолды шайыр, т.б.) болып үш топқа бөлінеді. Табиғи полимерлер биосинтез барысында тірі организм клеткаларында түзіледі. Синтетикалық полимерлер мономерлерді поликонденсациялау, полимерлеу арқылы алынады. Олардың тізбектері ашық, бірінен соң бірі түзу сызық бойымен орналасқан мономер бөліктерінен, тарамдалған немесе тор тәрізді жоғары молекулалардан құралған (қ.Полимерлер). Жоғары молекулалы қосылыстар машина жасауда, құрылыста, ауыл шаруашылығында, электртехникада, медицинада, т.б. көптеген салаларда кеңінен қолданылады.
Қазіргі кезде адамзат ғарыштық биіктер мен өте терең бүрғылау ұңғымаларын бағындыра отырып, күрделі электронды есептегіш машиналардың микроскопиялық тетіктерінен бастап, үлкен каналдар мен су қоймаларының гидрооқшаулағыштарын жасауға дейінгі барлық жағдайда полимер бұйымдарымен жұмыс істейді. Сондықтан қолданылатын орнына, мақсатына, жұмыстың түріне қарай полимер материалдарын қасиеттеріне сай пайдалану қажет. Қазіргі кезде қолданылып жүрген полимер бұйымдарын жалпы қасиеттері мен олардан жасалатын заттардың түріне, сондай-ақ өндіру әдісіне қарай төрт типке бөледі:
Конструкциялық пластиктер. Оларды көбіне пластмассалар деп атайды. Басқа полимерлерден айырмашылығы мынадай: пластиктер — бөліну беріктігі 50—200 кг/см2 болатын қатты заттар.
Эластомерлер. Оған каучук, резеңке және осыларға ұқсас материалдар жатады. Эластомерлерге атына сәйкес жоғары (эластикалық) иілімділік, созылғыштық тән, деформациялығы қайтымды.
Талшықтар мен жіптер. Бұларға осы талшықтардан тоқылған маталар жатады. Бұл материалдардың қасиеттері молекулаларының үш өлшемінің қайсысын негізге алуға байланысты бір-бірінен айқын ерекшеленеді. Талшықты материалдардың беріктігі, иілімділігі, қаттылығы, кейде тіпті тығыздығы да анизотропиялық (дененің барлық немесе бірқатар физикалық қасиеттері әр бағытта әр түрлі) болады. Бұл бастапқы полимердің химиялық құрылымы мен жалпы қасиеттеріне байланысты.
Қабыршақтар, лактар, бояулар және басқа қорғағыш, әсемдегіш жабындар (пленкалар). Бұл заттарда қасиеттердің анизотропиялығы өте айқын байқалады. Лак, бояу материалдарының олар жабатын негізбен берік байланысында — адгезияның да маңызы зор. Сондай-ақ бұл типтегі материалдардың тағы бір ерекшелігі — алдын ала пішін жасауға болмайды. Оларды қорғалатын заттың бетіне жұқа қабатпен жағып, қолма-қол пайдаланады.
Полимер материалдарының осы негізгі төрт типінен басқа да қосымша түрлері бар. Мысалы, желімдеу, тығыздау үшін құйылатын қоспалар, газ толтырылған материалдар, т.б. Олардың барлығының да өзінің қолданылатын жері бар.
1.ПОЛИМЕРЛЕР ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ МӘЛІМЕТТЕР
1.1Полимерлердің молекулалық құрылымдары және қасиеттері
Полимердің жеке молекуласын макромолекула деп аталады. Макромолекуланың екі түрлі молекулалық құрылымы бар: конфигурация және конформация.
Макромолекуланың конфигурациясы. Конфигурация деп молекула құрайтын атомдардың немесе атомдық топтардың кеңістікте нақты орналасуын және жылулық қозғалыстың әсерінен өзгермеуін айтады. Бір конфигурациядан екінші конфигурацияға химиялық байланыстарды үзбей өтуге болмайды. Полимерлер бірнеше конфигурация деңгейлерін түзеді: буындар конфигурациясы, буындардың тізбекке қосылу конфигурациясы, үлкен блоктардың тіркелу конфигурациясы және тізбек конфигурациясы.
Буындар конфигурациясы. Бұл конфигурация негізгі тізбегінде қос байланыс бар полимерлерге (полидиендерге, полиацетилендерге) тән және орынбасарлардың қос байланысқа салыстырмалы түрде орналасуымен анықталады (1-сурет):
1-сурет.Полибутадиен
Цис-изомерде орынбасарлар қос байланыс кеңістігінің бір жағында, ал транс-изомерде – кеңістіктің екі жағында орналасқан.
Локальді (жергілікті) изомерия. Изомерленудің бұл түрі (2-сурет) винил, винилиден және диен полимерлеріне тән. Винил мономерінің молекуласын алайық:
2-сурет.Винил мономері
С (1) (басы) және (2) (соңы) атомдарындағы орынбасарлар әр түрлі болғандықтан, екі типті (3-сурет) қосылу болуы мүмкін:
3-сурет. Винил мономерінің екі типті қосылуы
Полиизопрен түзілгенде мономер молекулалары 1,4; 1,2; 3,4 орнымен қосылуы мүмкін. Соның салдарынан конфигурацияларында айырмашылықтары бар изомерлер түзіледі.
Бутадиен молекуласының құрылымы (4-сурет) симметрия түрінде болғандықтан, қосылу тек 1,4 және 1,2 - орны арқылы жүреді. Катализатор табиғатына және полимерлену шартына байланысты түзілетін полимерлердің конфигурациялық үлестері әр түрлі болады.
4-сурет. Бутадиен молекуласының құрылымы
Стереоизомерлер. Бұл изомерлер (5-сурет) мынадай синтетикалық винил полимерлеріне
5-сурет Синтетикалық винил полимері
және кейбір табиғи полимерлерге (белоктар, полисахаридтер, нуклеин қышқылдары) тән.
Стереоизомерлердің болуы X орынбасарлары бар көміртегі атомының тетраэдрлік конфигурациясының әр түрлі болуында.
-(-СН2 - СНХ-)-nбуынының қаңқасын кеңістікке орналастырайық. Көміртегі атомында орынбасар жалпақ сызықпен өрнектелсе, онда ол оқырманға бағытталған, ал жіңішке сызықпен белгіленсе, онда ол оқырманнан кері бағытталған (6-сурет).
6-сурет. Винил мономерінің стереоконфигурация түрлері
Буындардың немесе орынбасарларының кеңістікте ретті орналасуы полимерлердің конфигурациялық изомерлерін береді, оларға d және l(оптикалық) изомерлер жатады. Буындары мен орынбасарлары кеңістікте кеңістікте белгілі бір ретпен орналасқан полимерлер стереоарнаулы деп аталады.
Изотактикалық полимерлерде (7-сурет) макромолекуланың негізгі тізбегіне кіретін әрбір қарапайым буындарда кем дегенде бір асимметриялы атом болуы тиіс. Молекулалық тізбектің жеткілікті ұзын бөлігінде қайталанатын бір типті асимметриялы атомдар бірдей кеңістіктік конфигурацияда болуы керек (бәрі d немесе l). Изотактикалық полимерлердің жазық ирек конформациясындағы бір типті орынбасарлар (R) негізгі тізбек жататын жазықтықтың бір жағында, ал екінші типті орынбасарлар (Н) екінші жағында болады:
7-сурет. Изотактикалық полимерлер
Синдиотактикалық полимерлер (8-сурет) макромолекуласының негізгі тізбегіне кіретін әрбір қарапайым буындарда кем дегенде бір стереоизомерлікорталығынемесе псевдоассиметриялы атомы болуға тиіс, ол өте ұзын молекулалық тізбекте болады, албір типті псевдоасимметриялы атомдар жүйелі конфигурацияда орналасады.Синдиотактикалық полимерлердің жазық ирек конформациясындағы бір типтіорынбасарлар (R) негізгі тізбек жататын жазықтықтың жан-жағына кезек-кезекорналасады:
8-сурет. Синдиотактикалық полимерлер
Егер полимер тізбегіндегі орынбасарлардың орналасуында ешқандай зандылық болмаса, онда атактикалық құрылым (9-сурет) болады:
9-сурет. Атактикалық құрылым
Макромолекуланың конформациясы.Ішкі жылулық қозғалыс кезінде және көрші атомдардың әрекеттесуінен тізбекті макромолекула немесе оның бөліктері, байланыс ұзындығы мен валенттілік бұрышын өзгертпей, әр түрлі жағдайда орналасуы мүмкін. Тізбекті молекуланың бөліктерінің (атомдарының немесе атомдар топтарының) жылулық қозғалыстын әсерінен кеңістікте әр түрлі болып орналасуын конформация деп атайды. Конформацияның бір түрінен екінші түріне өтуі дара байланыс бойымен айналу, бұрылу немесе тербелмелі түрде жылулык қозғалыстың немесе сыртқы күштің әсерінен жүреді. Конформацияның бір түрінен екіншісіне өткенде химиялық байланыстар үзілмейді.
Сыртқы күштердің және жылулық қозғалыстардың жиілігінің бір-біріне қатынасына байланысты конформация әр түрлі болуы мүмкін (10-сурет):
10-сурет. Макромолекула конформациялары:
а - статистикалык шумақ; б - спираль; в - глобула; г - таяқша; д - катпарлы; е - бүгілмелі.
– статистикалық шумақ, яғни әр түрлі дәрежеде бүктелген конформация, сызықты полимерге тән;
– спиральді конформация, белоктарға және нуклеин қышқылдарына тән;
– глобулалық конформация - қатты бүктеліп, пішіні тығыз шарға айналған конформация. Мүндай конформация ішкі молекулалық әрекеттестігі күшті макромолекулаларда болады, мысалы фтор атомдары бар полимерлер (политетрафторэтилен);
– таяқша конформация;
– қатпарлы конформация, кристалды полимерлерге тән;
– бүгілмелі конформация, мысалы, полибензамидке тән;
Құрылым буындарына қарай ЖМҚ екіге бөлінеді: құрылым буындары бірдей болса, полимер, әр түрлі болса, сополимер деп аталады.
Полимерлер мономерлерден синтезделеді, полимердің қайталанып отыратын ең кіші бөлігін құрылым буыны, ал олардың санын полимерлену дәрежесі деп атайды.
ЖМҚ молекулалық массаларына байланысты кіші молекулалы Мг<500, олигомерлер (500<Мг<5000), үлкен молекулалы М >5000 деп шартты түрде бөлінеді.
Жоғары молекулалы қосылыстардың жалпы ортақ қасиеттері болады. Бірақ оны классикалық үлгідегі химия тұрғысынан түсіндіру қиын. Сондықтан полимерлердің қасиеттерін қарастыру үшін тиісті жаңа түсініктерді енгізуге тура келеді.
Полимерлердің молекулалық массасы әр түрлі және құрылымының айрықша сипаты болуына байланысты, олардың қасиеттерінің кіші молекулалы заттардың қасиеттерінен айтарлықтай өзгешелігі болады. Кіші молекулалы заттар, әдетте, өздеріне тән балқу, қайнау температураларымен және басқа да тұрақты шамалармен, яғни константалармен сипатталады.
Жоғары молекулалы қосылыстардың бірінші ерекшелігі — мүлде жаңа орташа молекулалық масса түсінігінің болуы. Кіші молекулалы заттар қасиеттерінің тұрақты болуы, олардың молекулалық массаларының тұрақтылығында, ал жоғары молекулалы қосылыстардың молекулалық массасы құрылым буындарының санына байланысты өзгеріп отырады. Осыған сәйкес қасиеттері де елеулі түрде өзгереді. Ұзындықтары әр түрлі, бірақ бірдей химиялық буындардан тұратын макромолекулалар полимергомологтар деп аталады.
Жоғары молекулалы қосылыстардың молекулалық массалары үлкен болған сайын, әр түрлі полимерлердің қасиеттеріндегі айырмашылықтар да азая береді, тіпті жеке зат ретінде айырмасы болмай қалады. Сондықтан полимергомологтарды жеке химиялық зат ретінде бөлу әдісі жоқ деуге болады. Полимергомологтардың қоспасын молекулалық массалары бір-біріне жуық шамадағы фракцияларға бөліп қарастырады.
Орташа молекулалық масса. Осыдан жоғары молекулалы қосылыстардың молекулалық массасы орташа статикалық шама ретінде қарастырылып, орташа молекулалық масса түсінігі енгізілген. Молекулалық масса жөніндегі жаңа түсініктің мәні химиялық қосылысты сипаттауға жеткіліксіз. Себебі полимердің массасы өзгерген сайын өзіне тән физикалық қасиеттеріне орай маңызды көрсеткіштері мәнін жоғалтады. Сондай-ақ орташа молекулалық масса бірдей болғанымен, полимергомологтар қоспасындағы әрбір полимердің сандық қатынастары да қасиеттердің әр түрлі болуына апарады. Полимергомологтар қоспасындағы жеке полимерлердің таралу мөлшерін полидисперстік дәрежесімен сипаттайды.
Жоғары молекулалы қосылыстардың молекулалық массасы өскен сайын, физикалық қасиеттерінің өзгеруіндегі тағы бір ерекшелік — оларды қыздырғанда, ерекше булану құбылысы (ұшқыштығы) байқалмайды. Одан әрі қыздыра берсе, белгілі бір температурада термиялық айырылу процесі жүреді. Жоғары молекулалы қосылыстар — мүлде ұшпайтын, газ күйіне ауыспайтын заттар.
Кіші молекулалы қосылыстар үш түрлі: газ, сұйық, қатты агрегаттық күйде бола алады, ал жоғары молекулалы қосылыстар үшін екі түрлі күй ғана белгілі — қатты және сұйық.
Полимерлерді қыздырғанда болатын өзгерістер олардың құрылым ерекшеліктеріне де байланысты болады.
Қыздырғанда байқалатын өзгерістеріне байланысты полимерлік материалдар термопласты және термореактивті деп бөлінеді.
Полимерлер көпшілік жағдайда ерімейді. Алайла түзу құрылымды полимерлерді кейбір ерекшеліктерінде аздап болса да ерітуге болады.
Бұл ерітінділер өте тұтқыр болады. Ал кеңістіктік полимерлер ерімейді. Кейбіреулері, мысалы, резеңке еріткіштерде тек қана ісінеді. Тармақты полимерлердің химиялық құрамы, молекулалық массалары бірдей болғанымен, сызықтық полимерлерге қарағанда ерігіштігі жоғары болады. Оның себебі, сызықтық полимерлерде байланыстардың екі түрлі типі (химиялық валенттік байланыстар және молекулааралық химиялық байланыстар) өзара әсерлесу нәтижесінде энергетикалық сипаттамасының әр түрлі болуы, еру мен балқу мүмкіндігін анықтайды. Торлы құрылымды полимерлердің макромолекулалары арасында берік химиялық байланыс болатындықтан, еріткіштерде ерімейді, тек ісінеді.
Полимердің беріктігі.Полимердің келесі маңызды қасиеті — олар механикалық берік келеді, әсіресе кеңістіктік құрылымды полимерлер ерекше берік болады. Беріктік қасиет полимерлердің тармақталу дәрежесі мен типіне байланысты. Тіпті молекулааралық байланыстар үлкейген сайын заттың қаттылығы да арта түседі, серпімділік модулі артып, салыстырмалы деформациялығы азаяды. Торлы құрылымды (кеңістіктік) полимердің қасиеттері алмаз тәрізді кристалл заттардың қасиеттеріне жақындайды. Сонымен полимерлердің беріктігіне әсер ететін факторлар қатарына: молекулалық массасы, табиғаты, макромолекулалардың бағдарлануы, құрылымдарының сипаты, тізбектерінің тігілу дәрежесі және т.б. жатады.
Қандай да бір заттың балқуы, буға айналуы немесе еріп кетуі үшін қыздыру арқылы немесе еріткіштің әсерімен оның молекулалары арасындағы өзара тартылыс күшін жеңу керек. Кіші молекулалы заттардың молекулалары арасындағы өзара тартылыс күші оншалықты мықты болмайды. Сондықтан олардың молекулаларын бір-бірінен ажыратып бөлу қиынға соқпайды. Ал үлкен молекулалы заттардың молекулаларының өзара әсері анағұрлым күшті, өйткені олар толып жатқан бунақтары арқылы бірін-бірі тартып тұрады. Сондықтан ондай молекулалы затты буға айналдыру немесе балқыту үшін едәуір қыздыру керек. Сонда кейбір заттардың молекулаларындағы атомдар арасындағы байланыстар үзіле бастап, зат айырылады. Ондай макромолекулаларды еріткіш молекулаларының әсері арқылы ыдырату мүмкін емес.
Сызықтық құрылымды полимер мен кеңістіктік құрылымды полимерлердің қасиеттеріндегі айырмашылық, каучук пен резеңке қасиеттерінен айқын байқалады. Сызықтық құрылымды молекулалардан құралған, вулканизацияланбаған каучук, сұйық көмірсутектерде ериді және механикалық беріктігі онша жоғары болмайды. Ондай каучукты созып тартса, үзіліп кетеді. Ал сызықтық молекулалардың арасы күкірт атомдары арқылы қосылған вулканизацияланған каучук (резеңке) еріткіштерде ерімей, тек ісінеді және бұлар едәуір берік болады.
Полимердің электр өткізгіштігі. Полимердің электр өткізгіштігі, әдетте, өте нашар. Олардың электрлік қасиетіне оған электр өрісін бергенде көрсететін қасиеттері сияқты диэлектриктер, жартылай өткізгіштер және электр өткізгіштер болып бөлінеді.
Көптеген полюсті және полюссіз полимерлер диэлектриктерге жатады. Диэлектриктерге өте ұсақталған электр өткізгіш толтырғыштар (техникалық көміртек-графит, ұсақталған металдар) енгізілсе, электр өткізгіш материалдар алынады.
Жартылай өткізгіштерге қосарланған байланысы бар және заряд тасымалы бар кешенді жүйелер жатады.
Полимерлердің электрлік қасиеттеріне электр өткізгіштік, электрлік беріктілік, диэлектрлік шығын, диэлектрлік өтімділік, электр-реттік эффект, термополюссіздену жатады. Осындай қасиеттеріне байланысты полимер материалдар техниканың маңызды салаларында қолданылады. Полимерлердің жылу өткізгіштігі. Полимерлердің жылу өткізгіштігі нашар. Жылуөткізгіштік дегеніміз — жылудың полимердің жылырақ бөлігінен суығырақ жеріне тасымалдануынан температураның теңесу процесі.
Полимерлердің қолдану аясын кеңейте түсуге мүмкіндік беретін қасиеттерінің қатарына жеңілдігін, химиялық тұрақтылығын, әсемдігін және т.б. жатқызуға болады.
Қазіргі кезеңде жобаланған қасиеттері бар синтездік полимер материалдар алу үшін ғылыми негізделген өңдеу тәсілдері қажет, яғни полимерлердің беріктігін арттыратын, морттығын төмендететін, созылғыштығын жоғарылататын молекуланың қолайлы құрылымын қалыптастыру тәсілдері қажет. Полимерлердің қызмет ету мерзімін арттыру үшін оларға жылу төзімділігін, динамикалық беріктігін және т.б. негізгі қасиеттерін арттыратын арнайы қоспалар қосады.
Полимерлердің маңызы зор. Сондықтан оларды өндіру мен тиімді пайдалану — халық шаруашылығын дамытудағы негізгі бағыттардың бірі.
Құрылым буындары бірдей, бірақ ұзындықтары әр түрлі (яғни, полимерлену дәрежесі әр түрлі) макромолекулалар полимергомологтпар деп аталады.
Полимергомологтар қоспасындағы жеке полимердің таралу мөлшері полидисперстік дәрежесі деп аталады.
ЖМҚ екі түрлі — қатты және сұйық күйде болады. Полимерлердің қасиеттері тұрақты болмайды, дегенмен маңызды сипаттаушы қасиеттеріне орташа молекулалық массасы, температураға әсері, беріктігі, еріткіштерге әсері, электрөткізгіштігі, т.б. жатады.
1.2 ПОЛИМЕРЛЕРДІ АЛУ ТҮРЛЕРІ
ЖМҚ алудың негізгі әдістері — полимерлену және поликонденсациялану реакциялары.
Полимерлену реакциясы радикалды немесе иондық механизммен тізбекті процесс түрінде жүреді, ал поликонденсациялану реакциясы сатыланып жүреді және кіші молекулалы қосылыс бөлінеді.
Полимердің макромолекуласы түзілу үшін мономерлердің өзара бірігуі үш түрлі әдіспен жүзеге асырылады: қос байланыстардың түзілуі, эфирлік байланыстар мен амидтік байланыстардың түзілуі.
Сополимерлену, яғни әр түрлі мономерлерді біріктіріп полимерлеу арқылы "егу, тігу" әдістерін қолдана отырып, қасиеттері алдын ала болжанған сапалы, бағалы полимерлер алынады.
Жоғары молекулалы қосылыстарды алудың негізгі әдістері — поликонденсациялану және полимерлену реакциялары. Кіші молекулалы мономерлердің жоғары молекулалы полимер молекулаларына бірігуінің үш түрлі әдісін атауға болады: қанықпаған көмірсутектердің еселі байланысының үзілуі немесе тұйық тізбектердің ашылуы есебінен; эфирлік байланыстардық түзілуі — С — О — С — есебінен; функционалдық топтар арқылы амидтік байланыстардың түзілуі — С — N — есебінен.
Поликонденсация реакциялары. Поликонденсация реакцияларына, әдетте, қосфункциялы (бифункциялы) немесе көпфункциялы мономерлер катысады. Олар бір-бірімен әрекеттескенде, қарапайым кіші молекулалы затты (көбіне суды) бөле отырып бірігеді. Мысалы, адипин қышқылының гексаметилендиаминмен поликонденсациялануы негізінде полиамидтік материал — найлонның (11-сурет) алынуы:
11-сурет. Найлонның алыну реакциясы
Поликонденсация процесі сатылап жүреді: бір молекуладан кейін келесісі қосылып жалғасады. Аралық өнімдері — тұрақты қосылыстар, әрі қарай процесс барысында олардың үнемі белсенділігін арттырып отыру қажет. Ол үшін, көбіне температураны жоғарылатады. Сонда әрекеттесуші заттарды біртіндеп қыздырғанда, молекулалық массасы да өседі.
Полимерлену реакциясы.Полимерлену реакциясы еселі (қос, үш) байланыстардың есебінен немесе тұйық тізбектердің ашылу салдарынан жүзеге асады. Мономерде реакцияға қабілетті бір топша болса жеткілікті. Полимерлену инициатордың әсерінен тізбекті процесс түрінде жүреді.
Инициатор ретінде бос радикалдарға жеңіл айырылатын заттар қолданылады. Радикалдар мономер молекулаларын радикалдық түрге айналдырып, полимерленудің тізбекті реакцияларының басталуына себепші болады. Мысалы, стирол бензоил пероксидінің әсерінен полистиролға айналады.Инициатордың (тізбек бастаушы (12-сурет)) түзілуі:
12-сурет. Инициатордың түзілуі
Тізбекті полимерлену қопарылыстың жылдамдығындай жоғары жылдамдықпен өтеді. Оны төменгі температурада жүргізуге де болады.
Полимерленудің аралық өнімдері — тұрақсыз бөлшектер (біздің мысалымызда — радикалдар), сондықтан тізбектің өсуі мономер түгел жұмсалып біткенше немесе тізбек үзілгенше жалғасады. Тізбек екі радикал өзара кездескенде, сондай-ақ радикал басқа молекула әсерінен немесе ыдыс қабырғасына соқтығысып жойылған кезде үзіледі.
Полимерлену реакциясы радикалдық механизмнен басқа, иондық механизммен де жүреді. Бұл кезде белсенді бөлшектер қызметін оң иондар (катионды полимерлену) немесе теріс иондар (анионды полимерлену) атқарады.
Біз, жоғарыда стиролды полимерлеп полистирол алу реакциясын қарастырдық. Реакцияның жүруі өте қарапайым және жеңіл жүретін сияқты болып көрінеді. Шындығында, полимерлену реакциясының жүруі күрделі, әрі қиын процесс. Полимерлену тізбегі мен полимерлердің салыстырмалы молекулалық массасы шексіз өсе бермейді.
Жоғарыда айтылғандай, реакциялық қоспада қатар өсіп келе жатқан екі тізбек өзара кезігіп, өсуі, тоқтауы мүмкін, онда молекулалық массаның өсуі де тоқтайды. Полимердің молекулалық массасы — оның қасиеттерінің маңызды сипаттамасы болып табылады.
Табиғи және әр түрлі синтездік каучуктардың макромолекулалары өте иілгіш, әрі серпімді болады. Олар молекуласында екі қос байланысы бар мономерлерден алынады. Оған мысал ретінде, бутадиенді полимерлеу арқылы синтездік каучук алуды қарастырайық. Реакция нәтижесінде ұзын, иілгіш, серпімді тізбектер алынады. Бутадиенді каучук полимері тізбегінің құрылысы, этиленнің қатты полимерінен өзгеше болады. Бутадиен полимерленгенде, көміртек атомдары арасында әлі де қолданылмаған қос байланыстар, яғни әрбір құрылымдық буында бір-бірден қос байланыс қалады.
Бұл қалдық қос байланыстар, әрі қарай маңызды практикалық мәні бар реакцияларды жүргізу үшін өте қажет. Егер осындай каучукты күкірт қатысында өңдесе, онда каучуктағы қос байланыстар есебінен күкірт каучуктың макромолекулалары арасында көпіршелер түзіп, көлденеңінен "тігілген" полимер алынады. Бұл процесс, яғни шикі каучуктан берік және серпімді резеңке алу вулканизация (вулкандау (13-сурет)) деп аталады:
13-сурет. Резеңке алу вулканизациясы
Полимер тізбектерін "тігу" арқылы олардың беріктігі мен балқу температураларын жоғарылатады. Мысалы, 110—130°С-та жұмсаратын полиэтиленнің тізбегін, радиация көмегімен "тіккеннен" кейін ол 150°—200°С-та ұзақ уақыт электр сымдарын оқшаулауға пайдалануға жарайтын болады.
Полимерлерді тек көміртек атомдары арасындағы қос байланыс емес, молекуладағы кез келген қос байланыс есебінен алуға болады. Мысалы, өздеріңе белгілі формальдегид, ацетальдегид сияқты заттар да қос байланыс есебінен полимерленеді.
Қазіргі кезде бірге полимерлеу, яғни сополимерлеу кең қолданылады. Ол арқылы химиялық табиғаты әр түрлі молекулаларды полимерлеуге болады. Мысалы, ацетиленге НС=СН хлорсутекті HCL қосу арқылы газ тәріздес хлорвинилді Н2С=СНСL алып, оны полимерлеу арқылы поливинилхлоридке (—Н2С—CHCL—)n айналдырады. Ацетиленге сірке қышқылын СН3СООН қосып, винилацетат алады. Ол мөлдір, серпімді винилацетат полимерін (14-сурет) түзеді:
14-сурет. Винилацетат полимері
Егер хлорвинил мен винилацетатты қосып полимерлесе, жаңа сополимер (15-сурет) алынады:
15-сурет. Сополимерлер
Бұл сополимер мөлдірлігімен, серпімділігімен және беріктігімен ерекшеленеді. Олар матаны, сымдарды қаптауға қолданылады. Сополимерлеу әдісі арқылы полимер материалдарының алуан түрлерін алу мүмкіндігі ашылды. Қазіргі кезде "егу" арқылы сополимерлеу әдісі кең дамып келеді. Бұл әдісте, алынған полимер тізбегіне басқа заттың мономерін, бүйір тізбекке өсіру (егу) жүзеге асырылады. Осы әдіс арқылы бүйір тізбектегі құрылым буындарының санын реттеп, полимерлердің қасиеттерін өзгертуге болады. Мысалы, жоғары молекулалы полиэтиленге бүйір тізбек етіп полистиролды "тіккенде", сополимердің балқу температурасы жоғарылап, жылуға әсері тұрақтанды. Көбіне бір полимерді басқа полимерге химиялық тігу арқылы полимердің беріктігін, серпімділігін арттырады. Қатты, морт қасиеті бар полистиролды каучукпен сополимерлеп, соққыға төзімді, берік, шеге қақканда жарылып кетпейтін материал алынды. Соққыға төзімді полистирол техникада, әсіресе тоңазытқыш жасауда кең қолданылады.
Құрамында металлорганикалық қосылыстары бар жаңа жүйелер ашылғаннан кейін, стереоарнайы полимерлеу белгілі болды.
Катализдік жүйені пайдаланып, полимер молекуласындағы негізгі тізбекке қарағанда бүйір топшалардың орналасуын реттейді. Төменде орынбасушылардың (X) орналасуының (16-сурет) үш түрлі типі көрсетілген:
16-сурет. Орынбасушылар орналасуының үш түрлі типі
Егер орынбасушылар тәртіппен орналасқан болса, стереореттелген деп аталады және бас тізбектегі орынбасушылардың кеңістікте өзара қалай орналасқандығымен ерекшеленеді. Оған изотактикалық (1) және синдиотактикалық (2) полимерлер жатады. Егер орынбасушылар ретсіз орналасқан болса, ондай полимерлер атактикалық (3) деп аталады.
Полимерлердің қасиеттері орынбасушылардың макромолекуладағы орналасу ретіне байланысты болады. Стереореттелген полимерлер тығыз орналасатын болғандықтан, олардың балқу температуралары жоғары және кристалдануға бейім болады. Олар ыстыққа төзімді, беріктігі жоғары қабыршақтар (пленка) алу және талшықтар жасау үшін өте маңызды өнім. Мысалы, инициатор ретінде бензоил пероксидін пайдаланып алынатын полистирол атактикалық (3) құрылысты болады және 80°С-та балқиды. Егер полимерлеуді (изо- С4Н9)3 А1+ТІС14 катализаторын қолданып жүргізсе, изотактикалық полимер алынады. Ол 230°С-та ғана балқиды. Бұл мысалдар, қазіргі кезде полимерлеу процесін бақылау мен бағыттаудың кең дамығандығын көрсетеді. Яғни, берілген қажетті қасиеттері бар, анықталған құрылысты полимерлер алу әдістері табылды. Бұл өз кезегінде бағалы техникалық қасиеттері бар пластмассалар, каучуктар, талшықтар жасауға мүмкіндік берді.
2. МҰНАЙ-ГАЗ КӘСІПШІЛІГІНДЕГІ ПОЛИМЕРЛЕРДІҢ АТҚАРАТЫН ҚЫЗМЕТІ ЖӘНЕ МАҢЫЗДЫЛЫҒЫ
2.1МҰНАЙ-ГАЗ КӘСІПШІЛІГІНДЕГІ ПОЛИМЕРЛЕРДІҢ АТҚАРАТЫН ҚЫЗМЕТІ ЖӘНЕ ҚОЛДАНУ АЯСЫ
Полимерлердің мұнай-кәсіпшілік тәжірибиесінде қолданылуының үш саласы бар:
Полимерлерді, әдетте әлсіз концентрациядағы сулы ерітінділер түрінде пайдаланады, оларды қабат қысымын ұстап тұру жүйесіне жібереді. Ол кезде мұнайбергіштік коэфициенті артады.Судың полимерлік қоюлану әдісін қолдану кезінде сумұнайлық жанасудың бір қалыпты қозғалуына жағдай жасалынады және өнімді қабаттың соңғы мұнайбергіштігі артады.Мұнайды ығыстыру үдерісін тәжірибиеде жүзеге асырғанда, өнімді қабатта жиектер жасау үшін алғашқы сатыда қоюланған судың аздаған мөлшерін айдаған пайдалы. Содан соң кәдімгі суды айдайды, ол жиекті өнімді қабаттың тереңдігіне қарай итереді. Мұнайбергіштікті арттыру үшін әртүрлі полимерлер қолданылуы мүмкін, алайда қазіргі түсініктер бойынша белгілі бір тиімдірек болатын түрлеріне: полиэтилен-оксидтер, полисахаридтер, акриламид негізіндегі полимерлер т.б. жатады. ТМД және шетелдерде көп қолданылатындары полиакриламидті реагенттер: түйіршіктелген және гель тәрізді полиакриламидтер ПАА (ТМД), Пушер-500 (АҚШ), CS-6 реагенті (Жапония) және т.б.
Түйіршіктелген ПАА-суда еритін, бөлшектерінің шамасы 8 мм-ге дейін болатын ақ, жасыл немесе қоңыр түсті, балқу температурасы 120°с болатын түйіршіктер. 40°с температура кезінде суда еру жылдамдығы 48 сағаттан аспайды. Сол кездегі ерімейтін қалдықтың мөлшері 5%-дан аспайды. Реагенттің екі сорты шығарылады. Тауарлы ПАА «А» сортының құрамында 50%-дан кем емес акриламид полимері және 38%-дан көп емес аммоний сульфаты болады. Реагенттің «Б» сортында полимердің мөлшері 45%-дан көп, ал аммоний сульфатының мөлшері 40%-дан кем болмауы керек. Өнімнің ылғалдылығы екі сортта да 16-20%-дан көп болмауы керек. Реагент іс жүзінде металға, ауадағы оттекке және суға химиялық активтілік көрсетпейді. Ұсақтағанда, еріткенде және қозғалғанда электірлендіру үдерісі болмайды.Түйіршіктелген ПАА-өртке, жарылысқа қауіптілігі жоқ улы емес заттар.
Импорттап алатын Пушер-500 және CS-6 реагенттері тығыздығы-1.05-1.1 г/см3, сусымалы массаасы-0.6 г/см3, түйіршіктерінің шамасы-0.25-1.6 мм, еру жылдамдығы жоғары, ақ түсті ұнтақ тәрізді зат. Пушер-500 реагентінің 20°С температура кезіндегі еру жылдамдығы 0.5 сағ-қажуық, ал CS-6 реагенттінікі-1 сағ-тан аспайды. Екі өнім де тауарлық күйінде құрамында базалық акриламид полимерінің мөлшерінің жоғары болуымен (90% көп), аздаған ерімейтін тұнбалардың мөлшерімен (0.3% аз) және аммоний сульфатының болмауымен сипатталады. Пушер-500 және CS-6 реагенттерінің ылғалдылығы 10%-ға жуық, гигроскопиялық емес, жемірліксіз және іс жүзінде қысылмайды, пайдалану үдерісі кезінде электрленбейді, улы емес және жарылыс, өрт қауіптілігі жоқ.
Гель тәрізді ПАА акрил қышқылының нитрилін техникалық күкірт қышқылымен сабындап, одан әрі қарай сабынданған өнімді аммиак суымен немесе ізбеспен бейтараптандырып, алынған акриламидтің ерітіндісін сілтілік ортада тотығу-тотықсыздану инициаторлары көмегімен полимерлеп алады. Техникалық гель тәрізді ПАА-сүтті-ақ түстен сары түске дейін болатын түссіз коллоидтар, ал аммиакты ПАА ашық-сары, көкшіл немесе жасыл болады.
Полиэтиленоксидтер ПЭО-сызықты құрылымды, молекулалық массасы жоғары, химиялық формуласы (-СН2-СН2-О) болатын балауыз тәрізді термопластикалық гомополимерлер. Бұл этилен оксидінің түрлі катализаторлар көмегімен полимерлену өнімдері. ПЭО негізгі кемшіліктері-уақытқа байланысты тұрақсыздығы және полиакриламидтерде болатын қосымша кедергі эффектісінің болмауы. Дегенмен метас, комета, т.б. сияқты ПЭО белгілі бір жағдайларда өнімді қабаттардың мұнайбергіштігін арттыру үшін қолданылуы мүмкін.
Метас-метакрил қышқылы (шамамен 53%) мен метакрил-амидтің (шамамен 45%) сополимері, ақ түсті кристалдық ұнтақ түріне шығарылады. Полимерлердің молекулалық массасы 2*106 тең. Метас бейтарап және қышқыл орталарда нашар ериді.
Комета-метакрил қышқылы мен оның натрий тұзының сополимері, өнеркәсіпте екі түрде шығарылады: қышқылдық және тұздық. Полимердің бейтараптанған, яғни тұзды модификациясы суда жақсы ериді де, тұтқырлығы өте жоғары ерітінділер түзеді. Кеуекті ортада аққанда бұл ерітінділер псевдопластикалық қасиеттер көрсетеді.
Гипан-гидролизденген полиакрилонитрил-акрил қышқылының нитрилін сулы конденсат еріткіші ортасында статикалық полимерлер, одан әрі оны күйдіргіш натриймен гидролиздеу әдісімен алынатын реагент. Полимерлердің (17-сурет) химиялық формуласы:
(-СН2-СН-СН2-СН-СН2-СН-)
( СОNН2 СОNа СN )n
17-сурет. Полимерлердің химиялық формуласы
Егерде тұтқырлығы жоғары суды пайдаланса, онда әртекті коллекторлардан мұнайды қысып шығару тиімді болуы мүмкін. Бұнда су мұнай контактісінбіфр келкі жылжытуға және қабаттың ақтық мұнайбергіштігін өсіруге жағдай жасалады. Суды қоюландыру үшін әртүрлі суда ерітілетін полимерлер пайдаланады, олардың арасынан ең кең тараған және жақсы нәтижелерге қол жеткізген гидролизданған полиакриламид ПАА болып есептеледі. Бұл полимер суда жақсы ерітіледі және оның суда шамалы қоюлықтармен тұтқырлығы жоғары ерітінділерді дайындауға болады. Тәжірибеде мұнайды қысып шығару процесін іске асыруда бірінші кезекте жиектеу (оторочканы жасауға) және шамалы қоюлатқан суды қабатқа айдау ең тиімді. Сонымен жиекті қабаттың ішіне тереңдікке итеру үшін әдеттегі суды айдау қажет. Тұтқырлығы жоғары жұмыс істеу агенті ретінде аэрацияланған суды 0.2-1.0% көбіктенуші заттарды қосып пайдалуға болады. Көбіктің тұтқырлығы 5-10 есе судың тұтқырлығынан артық, сондықтан көбіктен жасалған жиек (оторочка) сумен мұнай қабатының ішіне ( 18-сурет) итеріледі.
18-сурет. Көбіктен жасалған жиектің сумен мұнай қабатына итерілуі
Процесс механизмі. Мұнайды ығыстыратын су тұтқырлығынан, мұнай мен су тұтқұрлықтарының ара-қатынастарынан біртекті емес қабаттардың суландыруын қамту елеулі тәуелді болатындығын көрсеткенбіз.
Полимердің негізгі және ең қарапайым қасиеттері суды қоюландырумен қорытындалады. Олардың 0,01-0,1% ерітіндісіндегі концентрация кезіндегі оның тұтқырлығы 3-4МПа*с дейін ұлғаяды. Бұл қабаттағы су мен мұнайдың тұтқырлықтарының арақатынастарының осындай төмендеуіне және тұтқырлықтардың айырмашылықтарымен немесе қабаттың біртектілік еместігімен ескерілген, судың жарып өту жағдайларының қысқаруына алып келеді. Полимерлік ерітінділерді ұсақ саңлаулы орта арқылы сүзгілеу процесінде олар көрінетін тұтқырлыққа ие болады, бұл тұтқырлық висозиметрмен өлшенген тұтқырлықтан 10-20 есе жоғары болуы мүмкін. Сондықтан полимерлік ерітінділер біртекті емес қабаттарда, сондай ақ оларды суландырумен қамтуды жоғарлату мақсатында мұнайдың жоғарыланған тұтқырлығы кезінде ең көп қолданылады.
Бұдан басқа, полимерлік ерітінділер, жоғарылаған тұтқырлыққа ие бола отырып, тек қана мұнайды ғана емес, сол сияқты ұсақ саңлаулы ортадан тұтқырланған қабаттық суды да өте жақсы ығыстырып шығарады.
Сондықтан, олар ұсақ саңылаулы ортаның қаңқасымен яғни жыныспен және цементтейтін затпен өзара әрекетке түседі. Бұл полимерлер молекулаларының адсорбциялық алып келеді. Полимер молекулалары ерітіндіден ұсақ саңылаулы ортаның бетіне келіп түседі және каналдарды жабады немесе ондағы судың сүзгілеуін нашарлатады, ал ығыстыру майданында бұл кезде белсенді емес судың күшті толқыны пайда болады. Полимерлік ерітінді жоғары өтімді қабаттарға жақсырақ келіп түсетіндіктен, онда осы екі эффектердің –ерітінді тұтқырлығының жоғарлауымен ортаның өткізгіштігінің төмендеуі –есебінен сұйықтар ағындарының динамикалық біртектілік еместігінің елеулі төмендеуі болады және соның салдарынан, қабаттардың суландырумен қамтуының жоғарлауы болады. 20°с астам 90°с -қа дейінгі қабат температурасы, тұтқырлықтар қатынасына аз әсер етеді. Сондай ақ полимерлік ерітінділер тұтқырлы пластикалық немесе ньютондық емес деп аталатын қасиеттерге ие, соның салдарынан оның сүзгілері жылжудың алғашқы градиентін өткеннен кейін ғана мүмкін және сүзгілеу жылдамдығы мен полимердің молекулярлық массасына тәуелді жақсаруы немесе нашарлауы мүмкін.
Полимерлік ерітінділердің осы қасиеттерінің мұнайды ығыстыру тиімділігіне әсері әлі де нашар зерттелген. Бірақ сүзгілеу жылдамдығының жоғарлауымен және ұсақ саңлаулық каналдардың төмендеуімен полимерлік ерітінділердің елес тұтқырлығы ұлғаятыны анықталған, яғни ерітінді сүзгілеуінің ұсақ саңылаулық ортасының кедергісі өседі. Бұл құбылыс ұсақ саңылаулы ортаның полимерді ұстап қалуымен және суда ерітілген полимердің иілгіштік қасиеттерімен ескеріледі.
Ұсақ саңылаулы орта полимерінің абсорбциясы. Ерітілген заттың жыныспен және қабаттық сумен өзара әрекеттесуі ерітіндідегі полимер концентрациясының азаюына және полимер майданының алдында қабаттық судың, содан кейін полимердің бір бөлігінен айырылған судың күшті толқынының пайда болуына алып келеді.
Полимердің әдеттегі концентрацияларында (0,03-0,05%) кәсіптік мәліметтер бойынша полимерлік заттын адсорбциясын бағалау полимер адсорбциясы жыныстың 30-150г/см3 немесе ұсақ саңлаулық ортаның 0,15-0,75кг/м3 құрауы мүмкін екенін көрсетеді. Бұл жуық шамамен ұсақ саңлаулы ортадағы иогенді емес ББЗ-дың адсорбциясына қарағанда 15-30 есе кем. Әдетте полимерге ұсынылатын негізгі талаптардың бірі- ұсақ саңлаулы орта бетіндегі олардың минималды адсорбциясы болып табылатын, себебі бұл оның жоғалтулары мен шығынын азайтады. Бірақ та бұл полимерлік ерітіндімен мұнайды ығыстыру тиімділігі туралы қарапайымдалған көзқарас.
Бүкілодақ мұнай газ ғылыми-зерттеу институтында жүргізілген сандықтан есептеулер, бұл мәселенің едәуір күрделі екенін көрсетті. Біртекті мен қатпарлы қабаттардан полимерлік ерітінділермен мұнайды ығыстыру кезінде, суландырудың ең жақсы көрсеткіштеріне сәйкес келетін адсорбцияның тиімді диапазоны болады.
Полимерді қолданудан нөлдік адсорбция кезінде минимальді эффект алынады. Бұл құрамында тұтқырланған суы бар, мұнаймен қаныққан ұсақ саңылаулы ортада адсорбцияланған емес полимерлік ерітіндінің қозғалысы кезінде, полимерлік ерітінді онымен араласады да, қирайтындығымен, ал оның тұтқырлығы кемитіндігімен түсіндіріледі. Нәтижесінде полимер майданының алдында белсенді емес судың аумағы пайда болады және тиімділігі төмендейді. Атап өткендей, полимерлік ерітінді сүзгілерінің негізгі спецификасы тек қана су тұтқырлығын жоғарылатуда ғана емес, сол сияқты оның жылжымалылығын төмендетуде, ерітінді сүзгіленуінің аз жылдамдықтарында ұсақ саңлаулы ортада кедергі себепкерінің төмендеуінде болады, оның себебі ұсақ саңылаулы ортадағы полимер адсорбциясы болып табылады. Полимер адсорбциясының төмендеуі, су үшін қабат кедергісінің себепкерін және қабатты суландырумен қамтуды төмендетеді.
Үлкен адсорбция кезінде қабаттың мұнай беруінің төмендеуі, полимер майданы сумен мұнайды ығыстыру майданынан қатты қалып қоятындығымен түсіндіріледі. Осының салдарынан мұнайдың едәуір бөлігі белсенді емес сумен ығыстырылады, ол қабаттың аздау мұнай беруіне алып келеді.
Сондықтан полимерлік ерітіндімен мұнайды тиімді ығыстыру үшін, қабаттағы полимердің тиімді адсорбциясына ие болу керек.
Полимер молекуласының деструкциясы. Полимерлік молекулалар, су ерітіндісінде әр түрлі себепкерлердің әрекетінен, олардың деструкция немесе деградация салдарынан қайтымсыз қирауы мүмкін. Деструкция полимердің молекулярлық массасын және салдары ретінде қоюландыру қабілеттілігін – ығыстыру агенті ретінде оны қолдану тиімділігінің негізін кемітеді.
Деструкция химиялық, термиялық, механикалық немесе жылжымалық және микробиологиялық болуы мүмкін. Химиялық деструкция ауа оттегінің полимерлік молекулалармен өзара әрекеттесу салдарынан болады. Сондықтан, полимерлік ерітіндіні дайындау үшін пайдаланатын суда, оттегі болмауы керек. 130°с -дан жоғары температурада термиялық деструкция басталады. Механикалық деструкция полимердің макромолекулаларының немесе қозғалыстың жоғары жылдамдықтарында, яғни, полимерлер ерітінділерінің құбырлар, сораптар және қабаттың түп маңы аумағындағы қозғалысы кезінде, оның агрегаттарының ажырауымен ескеріледі. Полимерлік молекулалардың микробиологиялық деструкциясы, аэробтық бактериялар әрекетінен болуы мүмкін, олар қабатта мұнайдың тотығу салдарынан , оларды сумен айдау кезінде дамиды.
Полимерлер, сонымен қатар тасымалдау жүйелерінің (құбырлар, сорғылар, т.б.) элементтерінің гидравликалық сипаттамаларын реттеу үшін де қолданылады. Яғни, мұндағы негізгі бағыт болып- мұнай-газ кәсіпшілігінде полимерлерден тасымалдау, сорап компрессорлық құбырлар (СКҚ) жүйесін т.б. құбырларын (яғни, мұнай-газ кәсіпшілігінің негізгі мәселелерінің бірі болып табылатын) жасау болып табылады. Ал, бұл құбырлар полимер негізіндегі пластмасса түріндегі-пласмассалық құбырлар жүйесіне жатады. Оған себеб біреу, яғни полимерлер көмегімен ( осы құбырлар жасау түріне қарай, синтетикалық полимерлер қолданылуына байланысты) мұнай-газ кәсіпшілігіне қатысты- басқа материалдардан жасалған құбырлар жинағына қарағанда (мысалы, әртүрлі қасиеті берік металдан жасалған құбырларға қарағандағы) тиімділігі мол, оңтайлылығы басымырақ құбырлар жинағын жасау болып табылады. Жалпылағанда бұл полимерлерден жасаған құбырлардың тиімділігі мен оңтайлылығы неде десек:
Осыған байланысты тиімділіктерді сараласақ-ол, қазіргі кездегі мұнай-газ кәсіпшілігіндегі әлі де ғылыми ізденістермен ғылыми зерттеулерді талап ететін иірілімді сорап компрессорлық құбырларының қолданылуында және иірілімді тасымалдау құбырларының пайдалануында т.б. полимерлерден жасалған пластмассалық құбырларды пайдалану болып табылады.
Полимерлерден жасалған иірілімді сорап компрессорлық құбырлары (ИСКҚ)-жалпы ешқандай жалғанусыз және бағаналы жалғанусыз, тұтастай ұзын қалпында катушкаға оралған, арнайы көтеріп-түсіру операцияларында ұтымды жұмыс түрімен сипатталатын және басқа сорап компрессорлық құбырларға қарағанда (арзан, көтеріп-түсіру операцияларына ыңғайлы (жеңіл және жұмыс көтеріп-түсіруде жұмыс уақтысының аз кетуіне байланысты), ұзақ уақыт қолданыста болуына байланысты (коорозияға шыдамдылығымен т.б. сипатталатын) қолданыстағы ауқымды тиімділігімен көрініс табатын құбырлар жүйесі. Тағы айта кетсек, ол-полимерлерден жасалынатын тасымалдау құбырлары және т.б. құбырлар. Олар да жоғарыда айтылғандай ИСКҚ секілді ерекшеліктерімен сипатталады және ИСКҚ-ға қарағандағы айырмашылықтары, олар бір-біріне резьбалы кигізіліп жалғануы мүмкін. Қорыта келсек, полимерлерден жасалған құбарлар жүйесін мұнай-газ кәсіпшілігінде пайдалануды арттырудың маңызы өтө зор.
Тағы да бір айта кетер жәйт, ол-полимерлер көмегімен бұрғылау және оқшауландырғыш сұйықтықтарды дайындау. Полимерлер көмегімен бұрғылау және оқшауландырғыш сұйықтықтарды дайындаудың ерекшеліктері аз емес. Айта кетсек:
2.2 МҰНАЙ-ГАЗ КӘСІПШІЛІГІНДЕ ПОЛИМЕРЛІ СУЛАНДЫРУ ПРОЦЕСІНІҢ ТЕХНОЛОГИЯСЫ ЖӘНЕ ОНЫҢ МАҢЫЗДЫЛЫҒЫ
Процесстің технологиясы. Полимерлік ерітінділер, әдетте өлшемі саңлаулар көлемінен 40-50%-ға дейін жұрындар түрінде қолданылады. Жұрын өлшемдері, ерітінді концентрациясын және полимердің типі қабаттың бір текті еместігінің, ұсақ саңлаулы ортаның микробіртекті еместігінің және қабаттық (байланысқан) судың тұздық құрамының негізінде талдалуы қажет. Полимерлік ерітінділерді қабаттық тұзды сумен араластыру кезінде, ерітінді (молекула) құрылымының қирауы және оның тұтқырлығының төмендеуі болады. Судың жоғары минералдануы жағдайында ерітінді концентрациясы 2-3 есе жоғары болуы керек. Полимерлік ерітіндіні қысып толтырудың қысымы, әдеттегі суландыруға қарағанда, әрқашан елеулі жоғарырақ болғанын талап етеді. Ол ығыстырылатын агенттің тұтқырлығының ұлғаюы және ұсақ саңлаулы ортаның қосымша кедергісінің пайда болу салдарынан, сондай-ақ су үшін фазалық өткізгіштігінің төмендеуіне ұқсас (эффект бойынша), ерітіндінің елестік тұтқырлығының пайда болу салдарынан өңдемелердің қажетті немесе ұқсас қарқындарын қамтамасыз ету қажет. Осының себебінен полимерлік суландыру әлсіз өткізгішті қабаттарда техникалық іске асырылмайтын болуы мүмкін. Полимерлік суландыру үшін ұңғымаларды орналастыру жүйесі, егер қажетті қысып толтыру қысымы, қысым градиенттері және мұнайды іріктеу қарқындары қамтамасыз етілмесе, әдеттегі суландыру жүйесінен ерекшеленбеуі мүмкін. Бірақ полимерлік суландыру үшін ұңғымалардың тығыздау торларын қолдану әбден қисынды, ол әрине тек қана ішкі контурлық болуы керек.
Іске асырылатын жобалар. Қабаттардың мұнай беруін ұлғайту үшін, полимерлік ерітінділерді сынау бірнеше кен орындарында: Куйбишев облысында, Башқұртстанда, Татарстанда және Қазақстанда өткізіледі. Бірақ олардың ішіндегі ең көрнекілері: Орлян кен орны мен Арлан кен орнының Жаңа-Хазан алаңындағы тәжірибиелер болып табылды.
Орлян кен орны. Куйбышев облысындағы Орлян кен орнында полимерлік ерітіндіні тәжірибиелі- өнеркәсіпті айдау 1966жылы басталған еді.
1-кесте Суландыруға А4 және А3 қабаттары тартылған
|
Қабат |
А4 |
А3 |
|
Коллекторлар |
Әк тас |
Құмдақ |
|
Саңлаулық , % |
19 |
24,5 |
|
Өткізгіштік, мкм2 |
0,5 |
0,4 |
|
Бастапқы мұнай қанығулық |
0,85 |
0,73 |
|
Қабаттық жағдайларда мұнай тұтқырлығы, МПа с |
8,6 |
12,2 |
А4 және А3 қабаттарының құрылымдық жоспарлары меридиональдық бағытта созылған және екі күмбезбен (солтүстік пен оңтүстік) күрделенген симметриялы брахиантиклиналды бүрме болып табылады. Екі бүрме де ортасында қысып толтыратын өндіру ұңғымалардың шоғырланған қатпарлармен бұрғыланған. Өндіріп алу қатарларының радиустары 400 және 800м. Қабаттар бір бөлігін А4 және А3 қабаттары бірігіп немесе біруақытта бөлек пайдаланады.
Оңтүстік күмбезді өңдеу, 1962 жылдан бері іске асырылады, қарапайым суды айдау 1964 жылдың соңында басталады. А4 және А3 қабаттарына барлығы 5610 мың м3 сұйықтық айдалған, соның ішінде 2830 мың м3 орта концентрациясы 0,014% полимер ерітісі. Полимер шығыны 100% -дың өнімге есептегенде 420-430т құрады.
Арлан кен орнының Жаңа-Хазан алаңы. Экперимент 1975 жылдың сәуірінде тәжірибиелік пен екі бақылау, тор тығыздығы 12 га/ұңғ, өрістер орналасқан. Полимерлік ерітіндіні айдау, төрт қысып толтыру ұңғымалары арқылы арқылы іске асырылды. Бақылау өрістерге алғашында сегіз мұнай ұңғымалары кірді. 1977 жылдың басында төрт жаңа мұнай ұңғымалары бұрғыланып, пайдалануға енгізілді. Тәжірибелік пен бақылау өрістері арасындағы шекара сұйықтық үшін өтіледі. Полимердің орташа концентрациясы 0,05%-ды құрады, жұрып өлшемі саңлаулар көлемінен 20%-ңа жеткен. 7%-дың гель түрінде жеткізілетін полиакриламид орнында 0,02-0,06% концентрацияға дейін ериді және сілтілік гидролизге тартылады.
Технологиялық пен экономикалық тиімділік. Орлян кен орнында полимерлік суландырудың тиімділігін бағалау, Гапро–Шығыс мұнайда кәсіпшілік мәліметтер бойынша, мұнайдың жинақталған өндіруінің, сұйықтық жинақталған іріктеу логорифіміне тәуелділіктер талдамасымен жүргізілген.
Арлан кенорнының Жаңа-Хазан алаңында, осы әдістің технологиялық тиімділігін бағалау, тәжірибиелі мен бақылау өрістерінде мұнайды өндіру көрсеткіштерін салыстырумен жүргізілген. Бұл кезде өндірілетін өнімдегі мұнай мөлшерінің іріктелген сұйықтық көлеміне тәуелділік қисығын пайдаланған. Бұл салыстыру, мұнайдың ағынды өндіруі 12-13 %-ға өскенін, тәжірибиелі ұңғымалардың сулануы, бақылаулыққа қарағанда, баялау жүретінін көрсетті. 1т құрғақ полимерге ағынды қосымша өндіру 2,5 жылда 600т-ға жуық болды.
Қабаттардың ақырғы мұнай беруінің ұлғаюы, сірә кен орындарын өңдеудің бастапқы сатысынан қолданудың ең қолайлы жағдайларында 7-8%-дан аспайтын болады. Шетелде тәжірибиелік жұмыстарды жүргізу кезінде бірқатар сәтсіздіктер бар екендігі көрініп тұр. 1т 100%-дық полимерге мұнайдың қосымша өндіруі-170-600т құрайды. Барлық жүргізілген тәжірибиелі – өнеркәсіптік жұмыстар негізінде, полимерлік суландыру кезінде мұнайдың орташа сенімді меншікті қосымша өндіруі ретінде, 200-300т полимерді қабылдауға болады.
Мұнайдың мұндай меншікті қосымша өндіруі мен әлемдік нарықта 1т мұнайдың қосымша өндіруіне, 4500-500 дол/т полимер құны кезінде химиялық реагенттердің шығындары 15-25 долларды құрайды. Жалпы шығындар орналастыру мен пайдалану есебінен одан да көп болады, бірақ оларды қазіргі заман жағдайларында, тек көп рентабелді деп есептеу керек.
Полимерлік суландыру, мұнай қабаттарының мұнай беруін жоғарлатудың перспективалық әдістерінің бірі болып табылады. Оның мүмкін қолдану облысы өте кең.
Бірақ та, әдісте оның кең қолдануын шектейтін үлкен де кемшіліктері бар. Әдістің негізгі кемшілігі, түп маңы аумақтарында, елестік тұтқырлықтың күр өсу салдарынан қысып толтыру ұңғымаларының өнімділігі төмендейтіндігімен қорытындылады, бұны полимер молекулаларын дестрациядан қысып толтыру қысымын жоғарлату мен әрқашан орнын толтыру бола бермейді. Сондықтан, аз өткізгіштік коллектормен (0,100мкм2) қатталған және жоғары температураға (90°с -дан жоғары) ие болатын терең жатқан қабаттар үшін полимерлерді пайдалану қазіргі уақытта мүмкін емес.
Елеулі эффекті аз тұтқырлы мұнайы бар (5МПа*с аз) салыстырмалы бір текті қабаттарға полимерлерді айдаудан да күтуге болмайды. Бұл әдістің, сондай-ақ өңдеудің кешеуілдеп қалған сатысында болатын кен орындары үшін және полимерлік ерітінді құрылымын қирататын, тұздардың үлкен мөлшері бар қабаттар үшін, тиімділігі аз.
Өнеркәсіпте қолдану үшін, полимерлік ерітінділерді дайындауға арналған және суды сәйкес дайындауға арналған жұмыста іргені сенімді және қарапайым қондырғыларды (смесительдерді, дозаторларды, фильтрлерді, деаэраторларды және басқаларды) дайындау талап етіледі. Бірақта бұл техникалық мәселе, әсіресе суды дайындау мәселесі, әлі толық шешілмеген.
Сүзгілеу сипаты мен Батыс Сібір мен Маңғышлақтың көптеген кен орындары үшін тән, коллекторларынан полимерлер ерітінділерімен мұнайды ығыстыру механизміне қатысты, ерекшеліктер жеткілікті зерттелмеген. Алғашқы нәтижелер, осы жағдайларда полимерлерді қолдану мақсатына сай еместігін көрсетеді.
Кен орындарының әр түрлі нақты геология-физикалық жағдайларында полимерлік ерітінділердің, келешекте олардың қолдануын сенімді жоспарлау үшін, тиімділігі туралы нақты мәліметтер, қазіргі кезде өте аз.
Әдістің болашағы. Болашақта полимерлік суландыру әдісін қолдану- мұнай өнеркәсібі үшін, суда еритін полимерлердің әсіресе тұзға тұрақтылардың, өндіріс көлемімен анықталатын болады. Қабаттардың мұнай беруін ұлғайту үшін, полимерлердегі қажеттілік ондаған мың тонналармен көрсетіледі. Зерттеулер көрсеткендей, полимерлерді қабаттардың мұнай беруін ұлғайтудың басқа әдістерімен (сілтілік суландыру, мұнайды бумен, ыстық сумен, ББЗ-мен, көмірқышқыл газбен ығыстыру) үйлесте пайдалану перспективті болып көрінеді, ол ең жақсы эффектке жетуге мүмкіндік береді.
Полиакриламидтерге қарағанда, мұнай саласында талап етілетін қасиеттермен үлкен мөлшерде ие болатын жаңа типтегі полимерлік материалдарды (микроорганизмдер көмегімен өндірілетін биополимерлер) құрудан үлкен эффекті күтуге болады. Бұл полимерлер деградацияға қарсы тұрақты, суда жеңіл еритін, тұздардың әрекетіне аз сезімталды болу керек, судың жылжымалылығын елеулі төмендетуі қымбат емес болуы керек.
Полимерді қолданудың ерекше кең тараған облысы, мицеллярлық ерітінді технологиясының құрама элементі ретінде жылжымалық буферді құру үшін, оларды пайдаланумен байланысты сараланады, ол төменде қарастырылған. Полимерлік суландырудың болашағы көптеген жағдайда полимерлер құнына тәуелді болады, оның елеулі төмендеуі талап етіледі. Осы мақсатта болашақта, мүмкін, қабат ішіндегі полимерлер қолданылады, ал қабаттарға белгілі қысымдар мен температурада сәйкес катализаторы бар мономерлер айдалады және әрине, полимерлік суландыруды қолдану масштабтары мұнайға бағалардан тәуелді болады. Бұл әдіс, қымбатырақ болатындықтан, оны қолданудың экономикалық тиімділігі-мұнайдың жоғары бағасы кезінде ғана мүмкін болаалады.
Сонымен қатар, полимерлердің мұнай-газ өндірісіне деген маңызын ескере отырып, оны өндіріске қолданбастан бұрын (яғни, өндірісте полимерлі суландыру процесін жүргізбес бұрын), ең алдымен оның экономикалық жағынан тиімділігін анықтап алған жөн. Сол себебті, Мұнай-газ өндірісіндегі полимерлерді қолданудағы экономикалық тиімділіктерді қарастырсақ:
3.ТЕРМОПОЛИМЕРЛІК СУЛАНДЫРУ ЖӘНЕ ОНЫҢ ТЕХНОЛОГИЯЛЫҚ ӘДІСТЕРІ
3.1 ТЕРМОПОЛИМЕРЛІК СУЛАНДЫРУ
Мұнайының тұтқырлығы жоғары кенорындарды қарапайым суландыру әдістерімен игеру, әсіресе ол коллектор жарықшақты болса, ереже бойынша мұнайды өндірудің төмен коэффициенттеріне алып келеді.
Мұнайды сумен ығыстыру механизмін теориялық тұрғыдан да эксперимент жолдары арқылы ВНИИ мен ИГиРТИ де мұнайының, тұтқырлығы жоғары шоғырларды суландырудағы мұнай өндірудің ағымдағы және ақырғы коэффициенттерінің төмен болуы, ең алдымен су мұнай фронттарының біркелкі қозғалмауында.
Суландыру басталғаннан, тұтқырлық орнықсыздығы құбылысы дами бастайды. Яғни, су әртүрлі пішіндегі және өлшемдегі тілшелер түрінде қабаттың мұнайлы бөлігіне енеді де, ығыстыру фронтының артында мұнайдың үлкен көлемдерін түртпей тастап кетеді. Су мұнай контактісінің біркелкі орнықты қозғалуына мұнайдың тұтқырлығы мен қабатқа айдалатын агенттің қатынасын төмендету арқылы жүзеге асыруға болады. Қатынасты төмендетудің бір амалы, қабатқа айдалатын судың тұтқырлығын жоғарылату. Ол үшін полимерлер қолданылады.
Тұтқырлығы жоғары мұнайы бар қабаттардан, мұнайдың алынуын жоғарылату үшін қолданылатын полимер ерітінділер, коллектор терригенді болса және карбонатты коллекторларда жарықшақтығы көп болса ғана жақсы нәтиже береді.
Бірақ тұтқырлығы жоғары мұнайдың орасан зор қоры, осы карбонатты коллекторларда болады. Бұл коллекторларда қуыста (ковернозность) жарықшақтар жақсы дамыған болуы керек.
Кен орынның сипаттамасы.
Бұл әдіс алғаш рет Удмуртиядағы Қаламқас кенорнының турней ярусындағы (жік қабаты) черпет горизонтында қолданылған. Мұнай шоғыры жарықшақты – кеуекті карбонатты коллекторлары бар қабатқа шоғырланған. Қабат жағдайындағы мұнайдың тұтқырлығы 78МПа*с, яғни тұтқырлығы жоғары. Пурней ярусындағы мұнай шоғырынын жалпы қалыңдығы 36м-ді құрайды. Коллекторлардың өткізгіштігі 0,213мкм2, кеуектілігі -16,4%, бастапқы мұнайға қанығу -88,0%. Мұнай ауыр жоғары тұтқырлы, мұнайдың құрамындағы парафин мөлшері 6%, шайыр мен асфальтиндер 20,5-25%. Мұнайдың қанығу қысымы 9,5МПа, газдық фактор 7м3/т. қабат жағдайындағы мұнайдың орташа тығыздығы 0,91г/см3. Бастапқы мұнай қоры (геологиялық қор) 43,6 млн.т.. бекітілген мұнайбергіштік коэффициенті 0,39. Қабаттың жату тереңдігі -1500м.
Қаламқас мұнай кенорнының игеру жүйесін талдау негізінде және ғылыми зерттеулер негізінде жасалып, жаңадан тиімділігі жоғары аралас әдіс – термополимерлік әсер ету технологиясы енгізілді.
Бұл технология 1976 жылы өндірісте енгізіліп Удмуртиядағы Қаламқас кенорнының черпет горизонтында осы күнге дейін қолданылып келеді.
Термометрлік әсер ету технологиясын қолдану кезіндегі мұнайдың шығу механизмі келесі түрде жүзеге асады:
Алдымен карбонатты коллекторлардағы табиғи түзілген жарықшақтар жүйесіне енеді, содан сон ары қарай қабаттың түбіне қарай кетеді.
Сонымен, шоғырдың бір бөлігі ыстық ерітіндімен қамтылады. Ыстық полимер жарықшақты кеуекті коллектордың матрицасындағы мұнайдың тұтқырлығының теөмендеуіне алып келді. Ыстық полиакриламид ерітіндісінің қабаттағы жарықшақтар бойымен қозғалуына қарай ол біртіндеп суи бастайды. Бұл кездегі ерітіндінің тиімді тұтқырлығы 10-15 МПа*с ге дейін жоғарлайды. Тұтқырлықтың жоғарылауымен бірге, қабаттың жалпы гидравликалық кедергісі де өседі. Осыған байланысты жарықшақтан матрицаға келіп құйылатын ерітінді үлесі көбейді, яғни қабаттың негізгі сиымдылық бөлігі жер бетінен айдалған ерітіндінің әсерімен қамтылады.
Қабаттың қыздырылуы, мұнайдың тұтқырлығының төмендеуі және ерітіндіде полиакриламидтің болуы, кеуекті ортаның сулануын жақсартады. Яғни, матрицаның капилярлық процессінің белсенділігін арттырады. Егер қабаттағы жарықшақтар жүйесі жеткілікті мөлшерде тармақталған болса, онда қабатқа айдалатын полиакриламид ерітіндісінің ыстық ерітіндісі, ыстық су айдаумен салыстырғанда біршама жоғары болады. Өйткені, ыстық су мұнайды, тек макрожарықшақтар бойымен ғана ығыстырады.
Термополимерлік әсер ету әдісінің артықшылығы-қыздырылатын жұмысшы ерітіндісінің жалпы мөлшерінің шектелуі. Өйткені, «жылумен қамту» процесін жүзеге асыру үшін қарапайым ыстық су айдаумен салыстырғанда, қабатқа айдалатын жылу тасымалдағыштың үлкен мөлшері қажет емес. Төменде (сурет-19), Қаламқас кенорнындағы мұнайдың тұтқырлығының өзгеру тәуелділігі келтірілген. Өздеріңіз көргендей, температураның 60°с-ге дейін жоғарлауында, оның тұтқырлық сипаттамасын біршама төмендетеді.
19-сурет. Қаламқас кенорнының мұнайының тұтқырлығы (1) мен тығыздығының (2) температураға тәуелділігі .
Полимердің су негізіндегі ерітіндісінің температура мен ерітіндідегі полиакриламид концентрациясына тәуелділігі берілген. Осы тәуелділіктерді сәйкестендіру арқылы мұнай мен полиакриламид ерітіндісінің температураларының мәнін анықтауға мүмкіндік береді. Мұнай мен су тұтқырлықтарының қатынасы М0 шектік мәндерден аспауы қажет (М0=10-15) М0-дің мәні бұл шамадан үлкен болғанда ығыстыру режимі біртекті орта үшін де жұмыс істемей, орнықтылығын жоғалтады және ығыстырушы агенттің тілшелерінің түзілуімен сипатталады, яғни тұтқырлық орнықсыздығы орын алады (20-сурет).
20-сурет. Су мен полиакриламид ерітіндісі тұтқырлығының температураға тәуелділігі (әр түрлі концентрацияда) 1-су 2-5-0,03; 0,05; 0,10; және 0,20 концентрациялары сәйкес ПАА ерітіндісі.
Төмендегі суретте (21-сурет), қабатқа әсер етудің әр түрлі технологияларға қатысты, тәуелділіктері келтірілген. Суретте, термополимерлік әсер ету технологиясының салқын полимермен әсер ету мен қарапайым суландыруға қарағандағы тиімділігі көрсетілген. Бірақ термополимерлік әсер ету технологиясы, алдында суландыру жүргізілген қабаттарда тиімділігі арта түседі екен.
21-сурет. Кеуектерге айдалған сұйықтық мөлшерін мұнай бергіштік коэффициентінің тәуелділігі.
Модельдік зерттеулер негізінде, полиакриламид ерітіндісінің қажетті көлемі қабаттағы кеуектер көлемінің кемінде 20%-ын құрауы қажет.
Термополимерлік әсер етудің зерттелген механизмі негізінде, алдымен тек жарықшақтарға енетін полимердің ыстық ерітіндісі, ыстық су мен салыстырғанда өзінің тұтқырлығын біршамаға жоғарылататындығы анықталды. Осының нәтижесінде, ығыстыру аймағындағы гидравликалық кедергі, полимер ерітіндісі үшін, ыстық суға қарағанда үлкен болып шығады. Ал, бұл гидравликалық кедергі қабатты қамту коэффициентін жоғарлатады.
Теориялық және эксперименттік зерттеулер нәтижелері көрсеткендей термополимерлік әсер ету әдісінің ақырғы мұнай алу өсімі, өңделмеген су айдау мен салыстырғанда 15-20%-ды құрайды.
Термиялық әсер ету әдісінің қолданылу шарттары мен критерийлері былай бөлінеді:
а) геологиялық-физикалық;
б) технологиялық;
Термополимерлік әдісті пайдаланудағы ең басты геологиялық критерийлердің біріне-қабат жағдайындағы мұнайдың тұтқырлық шамасы саналады. Бұл шама 50МПа*с тан көп болуы қажет. Қабат мұнайының тұтқырлық шамасының ең жоғарғы шегі 500МПа*с. Термополимерлік технологияның қолданылуы, жарықшақты кеуекті коллекторлардағы матрицаның өткізгіштігіне тәуелді. Матрица өткізгіштігі 3*102 мкм2 тан аз болса, капилярлық сіңірілудің төмен жылдамдығынан әдіс тиімділігін азайтады. Бұл әдістің ең үлкен тиімділігі, жарықшақты кеуекті жүйелерде жақсы байқалады.
Терммополимерлік суландыру үшін өнімді қабаттардың жату тереңдіктері қабат температурасының шамасымен шектеледі. Қабат температурасы 90°с-ден төмен болуы керек. Егер қабат температурасы 100°с-ге жақындаса полимерлік ерітіндінің деструкциясы, яғни ыдырау процессі басталады. Термополимерлік суландыру әдісін қабатқа пайдаланудан тиімді нәтиже алу үшін, өнімді қабатта табан сулары болмауы қажет.
Термополимерлік суландырудың әдісін, ұңғымаларды қатарлы орналастыруда да (контур ішілік), алаңдық орналастыруда да қолдануға болады. Ең жоғарғы нәтижелер, шоғырды игерудің бастапқы сатысынан қолданғанда жүзеге асырылады. Термополимерлік әсер етудегі басты міндетті технологиялық шарт, ыстық полимер ерітіндісін үнемі айдап тұру қажет. Оған қоса үнемі айдау температуралық режимді сақтау қажет.
Термополимерлік әсер ету технологиясы үшін суда еритін полимерлер қажет. Ол үшін полиакриламид типтілер дұрыс болады. Бірақ қандай полимер болса да (ұнтақ тәрізді, түйіршікті, гель күйінде), оның міндетті түрде сапасы мен термоорнықтылығын тексеру қажет.
Термополимерлік әсер ету технологиясының сәтті орындалуы, көп жағдайда полимерлік ерітіндіні дайындау сапасына тәуелді. Ол үшін мына талаптарды орындау қажет:
Термополимерлік әсер ету технологиясының бір артықшылығы, оны қолдану кезінде арнайы жабдықтың қолданылуын қажет етпейді. Полимердің су негізіндегі ерітіндісін дайындау үшін УДПП-1,5 типті блокты қондырғылар қолданылады. Полимерлердің су негізіндегі ерітіндісін қыздыру үшін ПБ-160/100 типті пештер қолданылады. Айдау ұңғымаларының орналасуы қарапайым қатарлы немесе алаңдық жүйемен суландыру кезіндегі орналасудан еш айрықшаланбайды. Осы технология бойынша әсер ету тізбектілігі, алдымен сумен ығыстыруға негізделген. Ыстық полимерді ыстық сумен ығыстыру нұсқасы да бар, бірақ ол үшін технология экономикалық тиімді болуы қажет. Ыстық полимер ерітіндісінің мөлшері, өнімді қабаттың кеуекті кеңістігінің 20-30% құрауы қажет.
Полимерлік ерітіндінің тұтқырлық қасиеттері, сол шоғырдың термобаралық және фильтрациялық сипаттамаларына қарай есептеледі. Қаламқас кенорнында полимерлік ерітіндінің температурасы, айдау ұңғымасының сағасында 90-950С ұсталынып тұрады.
Полимер ерітіндісінің концентрациясы алынатын полимерлік реагенттің қасиеттеріне тәуелді және айдаудың есептік температурасына байланысты. Орташа алғанда бұл шама 0,05-0,2% шамасында.
Полимер концентрациясының нақты шамасы, мұнай мен ығыстырушы агенттің тұтқырлықтарының қатынасына байланысты есептік тәсілмен және зертханада тікелей өлшеу арқылы анықталады. Сонымен бірге, бұл қатынас 10-нан аспауы қажет, яғни мұнай тұтқырлығы мен ығыстырушы агент тұтқырлығының қатынасы 10-нан аспауы қажет. Мұндай қатынаста тұтқырлық, тұтқырлық орнықсыздығы сияқты құбылыс байқалмайды.
Полимерлік ерітіндіні айдау қарқындылығы, қабат жүйесіндегі ығыстырушы сүзілудің (фильтрация) тиімді жылдамдығымен анықталады және ньютондық емес сұйықтарға жататындығын ескеріп, қозғалыс жылдамдығымен айнымалы тұтқырлық арасындағы байланыс бар екендігі байқалады.
Термополимерлік ығыстыру технологиясын жобалаудағы негізгі принцип- құрамында тұтқырлығы жоғары мұнайы бар, жарықшақты кеуекті коллектор жағдайында процесстің ең жоғарғы технологиялық тиімділігін қамтамасыз ету.
Қоршаған ортаға кететін жылу жоғалтуды төмендету мақсатында, жылу тасымалдағыштың ұңғыма оқпанымен қозғалуына қатысты жылулық есептеулер орындалады. Оның негізіне ұңғыма түбіндегі технологияға қажетті температура алынады. Ол кездегі айнымалы параметрлерге, ұңғыма сағасындағы жылутасымалдағыштың температурасы мен жылу тасымалдағышты қабатқа айдау режимі саналады.
Қаламқас кенорнының айдау ұңғымасының түбіндегі температураның шамасын анықтау бойынша жүргізілген есептеулер, нақты мәліметтерге сәйкес келді. Қаламқас кенорнында қабатқа айдалған ыстық полимер ерітіндісінің температурасы 80°с, қабаттың жату тереңдігі 1500м. Қабат температурасы 32°с. Пайдалану тізбегінің сыртқы диаметрі 126мм, ал СКҚ-ның диаметрі 63мм. ( термооқшауы жоқ).
3.2 ЖЫЛУЛЫҚ ӨҢДЕУДЕГІ ТЕХНИКА МЕН ЖАБДЫҚТАР ЖӘНЕ ЫСТЫҚ ПОЛИМЕРДІ ҚОЛДАНУ
Жылулық өңдеудегі техника. Бұл жерде арнайы техникамен жабдықтар қолданылады. Жұмысшы қысымы 17 МПа және максимальді бу өндірістілігі 4 т/сағ ПАГУ-4/120М парогенераторлық қондырғы, сағалық арматура АП60-150; АП-50-150лубрикатор, тізбек басы ГКС; 1ПТГМ-248-120-325 термоорнықты пакерлер; ЧТО-2000, УТО-300 (термоскопиялық құрылғы) ұңғымалық компенсатор. Бу генераторлық қондырғылар буды өндіру үшін арналған.
Сағалық арматура ұңғыма сағасымен бу құбырын байланыстыру үшін және оның ішінде лубрикаторды орнату .үшін арналған .
Қабатқа айдалатын будың жоғарғы температурасы есебінен (300°с-ға дейін және одан да көп) СКҚ мен шеген тізбектерінің ұзаруы кіреді. Ал, бұл өз кезегінде цементті сақинаның бұзылуына және барлық саға арматурасының қымтамалылығының бұзылуына алып келуі мүмкін.
Ұңғымалық компенсатор, түпке пакерді орнатпай немесе пакерді телескопиялық құрылғысыз қолданып қабатқа буды айдау кезінде, СКҚ тізбегінің температуралық ұзаруын компенсациялау үшін қызмет етеді.
Лубрикатор термометр мен және монометрмен ұңғыма сағасындағы және СКҚ-дағы қысыммен температураны өлшеуге мүмкіндік береді.
ҚТА термогазохимиялық әсер ету,электр желісімен түсірілетін, порохты зарядты, оның жану уақыты реттеледі және ол бірнеше минуттан бірнеше секундтарға дейін созылуы мүмкін.
Порохты заряд тез жанғанда түптегі қысым 30-100 МПа-ға дейін жетеді, және бұл кезде қайтымсыз деформациялардың және жаңа жарықшақтардың түзілуіне алып келуші, қабатқа механикалық әсер етуші жүзеге асады. Қабат жарылысы порохтық газдардың қысымымен жүреді. Өңдеу пакерсіз өтеді.
Қысқа мерзімді жарылыс кезінде, түп үстіндегі сұйықтық бағанының инерциясы, жарылыс қысымын құруға мүмкіндік береді. Процестің жүруі кезінде, ұңғыма қабырғаларындағы температура 110-250°с-ді құрайды. Жану өнімдерін құрамында азот тотығы, көмірқышқылгаз, тұз қышқылы, су, хлорлы қосылыстар болады.
Көмірқышқылгаз мұнайда ери отырып, оның тұтқырлығын төмендетеді, қышқылдар коллектор жынысымен реакцияға түсіп, парафиндер мен асфальтенді шйырлы шөгінділердің еруі жүреді.
Сонымен, термохимиялық әсер ету кезінде, түпмаңы аймағында еріткішпен, тұзқышқылымен, температурамен, қысыммен кешенді өңдеу жүргізеді. Порохтық газдармен қабатты жару үшін АДС-100 МПа-ға дейінгі ұңғымалық аккумуляторлар мен қысымы 250 МПа дейін жететін ПТД-БК қысымның тұлғасыз, порохтық генераторлары қолданылады. ТХД тәсілі, кенорнында кең тарала алмады. Бұл тәсілдің көп таралмауы, жүзеге асыру үшін кеткен шығындардың өзін-өзі ақтамауымен, әсерінің ұзақ еместігімен -13 күн түсіндіріледі.
Ыстық полимер айдау. Ыстық су айдау технологиясы, Өзен кенорнының тиімділігінде, оны игеру ерекшеліктерінде анықталды. Кенорынды игеру процесінде, оның күрделі геологиялық құрылымы туралы қосымша мәліметтер алу шамасы бойынша және жобалау игеруді талдау негізінде мұнай бергіштікті жоғарылатудың әртүрлі технологияларын енгізді.
Бірінші жоба құжатында – 1965 жылы желтоқсанда бекітілген «Өзен кенорнын игерудің басты сызбасында» өнім қабаттарына ыстық су айдау жолымен кенорынды игеру басынан қабат қысымы мен қабат температурасын сақтау қарастырылды. Негіз болып, айдау ұңғымалары қатарлары арқылы, блоктарға кенорынды қию табылды.
Блоктық суландыруды, қабат қысымын сақтаусыз, табиғи тәртіпте пайдалану объектілерін игеруден 3-6 жылдан кейін енгізе бастады.
1975 жылға дейін, игерудің бастапқы кезеңінде максимал мәнге мұнай өндіруді жоғарылату байқалды. 1976 жылдан қолданылған қабат қысымын сақтау жүйесінің төмен тиімділігіне негізделген мұнай өндірудің қарқынды төмендеуі басталды.
Өзен кенорнында, мұнай бергіштікті жоғарылату технологиясы ретінде келесілер қолданылды: ыстық су айдау, сатылы термалды суландыру, пішінді, аудандық, циклдік және ошақты суландыру, сулы ерітінділерді, беткі-әрекетті заттарды және т.б. айдау.
Бірінші жобалы құжаттарда, қабаттарға ыстық су айдау жолымен игеру басынан, кенорын кеніштерінде қабат температурасын сақтау қажеттілігіне сүйенеді. Мұндай шешімнің қажеттілігі қабат мұнайының парафинмен және оның жоғары құрамымен қаныққанымен түсіндіріледі. ХІІІ горизонт үшін мұнайдан парафиннің бөліну температурасы 57-650С-ға тең, ал бастапқы қабат температурасы 58-660С болды.
Белгіленген температуралардың мұндай қатынасында, игерудің бастапқы кезеңінде біріншілік қабат шарттарының өзгеруі, парафиннің қуысты ортада бөлінуіне, қабат-коллекторларда фильтрационды кедергілердің жоғарылауына, скважина өнімділігінің күрт төмендеуімен мұнай өндірудің азаюына әкелді.
Қабатқа жылумен әсер етуші жабдықтар. мұнайды іріктеудің қарқының үлкейту және мұнайбергіш коэффициентін көтеру үшін, қабатқа термиялық әсер етуді қолданады. Бұл біркелкісіз қабаттардағы жоғары тұтқырлы мұнайдың тиімділігіне ықпал жасайды, суды ендіру тиімді болмайды. Термиялық әдісті көбінесе мұнайды қабаттан шығара алмаған кезде қолданады. Қабатқа жылулықпен әсер ету әдісінің ерекшілігі, оның мұнайбергіш коэффициентінің жоғарылауы.
Мұнай қабаттарына буды айдаудың сағалық және ұңғы ішіндегі жабдықтары. Қабатқа әсер етуге жинақталған жабдықтар қолданылады: ұңғыма сағасының арматурасы, сальник тізбегінің басы, қызуға беріктілік пакері, сораптық компрессорлық құбырының (СКҚ) колоннасының ұңғы ішіндегі компенсаторын ұлғайту.
Сағалық арматура АП-65-150 (22-сурет)- сораптық компрессорлық құбыр тізбегінің (колонна) алқасын қамтамасыз ету үшін қабаттарды жылулықпен өңдеген кезеңінде ұңғы сағасын герметизациялау, ұңғы оқпанымен түптегі ізденіс жұмыстарын жүргізу және оны ұлғайғанына компенсация жасалынады. Құрылысы: ысырма (задвижка), мөлшер реттеуіш (вентиль), фитинглі - төртжақты (фитинг-крестовик), үшжақты, катушкадан және колоннаны жылулықты ұлғайту компенсациялық құрылымнан, әкелуші буқұбырынан тұрады.
22-сурет. Сағалық арматура АП-65-150
Сағалық арматура ұңғыда бужылулық процесінің алдында және процесс аяқталғаннан кейін оны көрсетіледі.
Арматура – төртжақтыдан, ол құбырдың артында мөлшер реттеуішпен 5 шегендеу құбырларының тізбегіне орнатылады. Корпуста орналасқан СКҚ тізбегінің телескопиялық құбыр сальнигімен қосылады немесе катушкада орналастырылады.
Тұлға (корпус) 4 мен құбырдың 2 арасындағы тесікті асбесті манжеттермен 3 тығындалады. Телескопикалық құбыр фланецінде торап (узел) 1 қондырылады, ол топса ысырмасынан және үшжақтыдан тұрады. Сағалық топса (шарнир) құрылғысы үш топсадан тұрады, ол СҚК-ның жылулық кеңейту компенсациясын қамтамасыз етеді және буқұбырының жолын әкеледі. Оқпан (ствол) топсасы тізбектің бұрыштық деформациясын қамтамасыз етеді. Үшжақтыда термометр және манометр датчиктері орнатылған, ал аспаптар (прибор) аспап шитінде қондырылған. Бұл аспап топтары орталық каналдың қысымын және температурасын өлшейді, аспаптар төртжақтыға қосылып, - құбырдың арғы жағындағы кеңістікте. Тиекті (запорные) құрылғыларды жүргізу, арматураны қызымет етуін арнайы алаңдармен жүзеге асады, арматураның элементтерінің конструкциясы ауыспалық тіктік болады.
Сальник тізбегінің басы ГКС (23-сурет)-40- айдайтын көптізбекті ұңғылар сағасының жабдықталуына арналған. Бұл баста тығыздауыш құрылғылар болады, олар пайдалану және теникалық тізбектің жылулық ұзарту компенсациясын ( Н ) қамтамасыз етеді.
Сальник тізбекті бас резьбалық қосындысымен аралық тізбекке немесе кондуктор аудармасына 9 қосылады. Бас ұңғыны соғу процессінде орнатылады немесе оны күрделі жөндегенде, қабатқа буды айдаған жұмысына ауыстырғанда. Бастың тұлғасындағы 8 фланецке сальник 3 бекітіледі, бұл жерде екі толтыру жайғастырылады. Осындай екісапты сальник конструкциясы негізгі толтыруда басты алуды (разборка) және ішкі қуыстың ыдыратуына (разгерметизация) ауыстыруды болдырады.
Жоғарғы тығыздау сальник толтыруы 4 грундбукспен 2 және шпилькамен қысылады, төменгі тығыздау – грундбукспен 5, радиальды орналасқан тиек (запор) болттарымен 6 ауыспалылық жүзеге асады, грундбукске 5 конусты бетпен беттеседі. Тиек болттар 6 тығыздауы, сальник толтыруынан тығыздауын, грундбукс және баспалы гайкамен қамтамасызданады. Пайдалану процессінде жоғарғы тығыздану салмақпен жұмыс істейді, ал төменгі тек қана жоғарғы толтыруды ауыстыру кезеңінде қосады.
1-шегендеу тізбегі; 2-ыстық су айдау құбыры; 3- сағалық сальник; 4-лубрикатор; 5-тірек;6 – орталықтандырушы фонарлар; 7-сальниктік муфта, 8-терморнықты пакер.
22-сурет. Қабатқа ыстық су айдауға арналған ұңғыма жабдығының сұлбасы
23-сурет. ГКС-40 Сальник тізбегінің басы.
Суды дайындау және оны жылытуға арналған жабдықтар.Қабатқа әсер ету үшін суды дайындау және жылытуға блокты жасалынған қондырғылар кен орындарды орынықтыру мерзімін қысқартады.
Бугенераторлы қондырғы ППГУ-4/120М - 12 МПа-ға дейінгі қысымда 4 т/сағ. сулы буды алу үшін арналады. Қондырғы екі блоктан тұрады, олар темір жолмен немесе арнайы шассиде тасымалданады.
Қондырғы сұлбасы берілген су ыдыстары 1, торапты сорап 2, суқыздырғыш 3, судайындау блогы 4, жұмсартылған су ыдысы 5, сорап 6, 10, деаэатор 7, суықтатқыш 8, бустерлі сорап 9, бугенераторы 11, дроссельді вентиль 12, ауаны жылытқыш 13, желдеткіш 14, майлы сорап 15, майды жылытқыштан 16, 17 тұрады.
Қондырғының (24-сурет) жұмыс істеу принципі: ыдыстан 1 (немесе кәсіпшілік суқұбырынан) су торапты сораппен 2 сужылытқышқа 3 айдалады, бұл жерде булы төменгі қысыммен 25 – 300С-ға дейін жылытылады. Сужылытқыш автоматтандырылған реттеуіш тетікпен жабдықталған, ол 350С-ға дейінгі судың максималды температурада шыққанын қамтамасыз етеді.
1—өңделмеген суға арналған резервуар; 2-механикалық фильтр; 3-катиониттік фильтр; 4-өңделген суға арналған резервуар; 5- деаэратор; 6- суқыздырғыш; 7-су айдау ұңғымасы;8-пайдалану ұңғымасы; 9-трап; 10-мұнайға арналған резервуар
24-сурет. Қабатқа ыстық полимер айдау арқылы мұнай өндіру
Сужылытқыштан су судайындау блогына үдемелдейді, бұл жерде жұмсарады да, механикалық қоспалардан тазартылады. Ары қарай сораппен 6 су суықтатқыш 8 арқылы деаэраторға 7 беріледі, осы жерде 1700С-ға дейін жылытылады. Деаэратордан, су суытқыштан 8 жылулықтың жартысын суға береді, деаэраторға берілген және бустерлі сорап 9 арқылы сорапқа 10 барады, бұл жерде қысымы 15,5 МПа бугенераторына айдалады. бугенераторында бусулы қоспа пайда болады, ол ылғалдылықты өлшейтін аспап арқылы ұңғыларға жіберіледі. Бусулы қоспаның жартысы дроссель 12 арқылы сужылытқышқа 3 беріледі, деаэратор 7 , сол сияқты ол ауаны және майды (топливо) жылытуға қолданады.
Май ретінде шикі мұнай пайдаланады, ол бакта 16 50-600С-қа дейін жылытылады, жылытқыштан май форсункаға бағытталады.
Бугенератор қондырғысы цилиндр пішінді, ішкі жағында жану жабдықтары және құбыр жүйесі орналасқан. Жану азық-түліктері, жану камерасынан өткеннен, бугенераторына бағытталады, бұл жерде спиральды құбырөткізгіштермен жылжыған өзінің жылуын суға береді.
Майлы жүйеде жану камерасынан, негізгі және тұтандырғыш жандырмалар (горелки) тұрады. Жану камера сы цилиндр пішінді, бір жағынан газмазутты жандырғыш орнатылған, тесіктердің диаметрі және тесіктер саны майдың түрлеріне байланысты өзгереді.
Қолданылатын форсунка – арнайы тарауықты, бумеханикалық, Майдың шашырауы бумен жүзеге асырылады, форсунканың оқпанына 1,96МПа қысымымен келтіріледі, шашыралған бу – 0,15МПа.
Кезекті тәртіп жұмысы және негізгі жандырманы жандыруды қамтамассыздандыру үшін, тұтандырғыш жандырмалар қолданылады, олар механикалық форсункадан және тұтандырғыш электродтарынан тұрады.
Бугенератордың экономикалық және ұзақты жұмысы тек қана жылытпалар қабырғаларында қақтың пайда болуына байланысты. Қақтың
пайда болуына байланысты, жылуберіліс коэффициенті төмендейді, бұл қабырғалардың жылып кетуіне және майды шығындатады. Бугенератордың ұзақ жұмыс істемеуіне, тоттануына, үнемі қақтың пайда болуын судың қаттылығымен анықтайды – олардың ішінде ерітілген тұздар құрамын сипаттайды.
Қорытынды
Қазіргі таңда, мұнай-газ ресурстары стратегиялық маңызы зор ресурс болып табылатындықтан, әлемдік деңгейден алғанда, мұнай-газ ресурстарын игеру-мұнай-газ өндірісінде өте күрделі шиеленістегі іс-шаралар жүргізуімен, күрделі және дамыған технологиялар қолдануымен және уақыт өткен сайын мұнай-газ ресурстарын кең ауқымда өндіруді арттыруға бағытталған ғылыми ізденістер (мұнай-газ кәсіпшілігінде жаңа технологиялар, жаңа игеру әдістерін т.б. жаңа өндіріс іс-шараларын ұйымдастыруға байланысты) және өндірістегі қойылатын талаптарды арттыру мақсатымен көрініс табады. Сондықтан да, мұнай-газ кәсіпшілігінде орын алатын процестер өте күрделі және маңызы мен атқарылатын қызметі және уақытына т.б. сипатына бөлінетініне байланысты әртүрлі негізде жүреді. Сол мұнай-газ өндірісінде жүретін процестердің бірі- қабат мұнайбергіштігін арттыруға бағытталған түрлі қоспалар қосу арқылы қабатқа су айдау болып табылады. Ал, сол мұнайбергіштікті арттыруға бағытталған су айдау процесінің өзі- түрлі суға түрлі қоспа қосып айдауына байланысты түр-түрге бөлінеді. Сол су айдау процесінің бірі-қабатқа айдалатын суға, полимер қосып айдау болып табылады. Осы негізден алғанда, мұнай-газ кәсіпшілігінгдегі жүргізілетін процестердің бірі болып табылатын- менің ғылыми зерттеу жұмысымды айтсақ болады. Онда-полимерлер көмегімен мұнайбергіштікті арттыру іс-шарасына, ғылыми ұсыныс жасау болып табылады. Бұл ұсыныстың негізі-мұнай-газ кәсіпшілігінде полимерлерді қолданудың ерекшеліктері, оны қолданудың әртүрлілігі және маңыздылығы, полимерлерді қолданудағы іс-шаралардың тиімділіктерін арттыру т.б. полимерлердің мұнай-газ кәсіпшілігі қолдасындағы атқаратын қызметімен алатын рөлін ашу және оған ғылыми ұсыныстар енгізу болып табылады. Сонымен қатар, полимерлердің қасиеттері және құрылымдарын ашу да сипатталады.
Қорыта келгенде, мұнай-газ кәсіпшілігінде полимерлерді қолданудың маңыздылығы көп, және оның мұнай-газ өндірісін болашақ дамытуда атқаратын рөлі мен қызметі айрықша. Сол себебті, қай дамыған мемлекет болмасын, осы мұнай-газ өндірісін дамытқысы келсе, сол мұнай-газ өндірісін дамытудың бір бығыты ретінде-сол мұнай-газ саласындағы полимерлер қолданысын кеңейтіп, тиімді жақтарын қарастыра отырып, мұнай-газ өндірісінде полимерлер қолданысын арттырғаны абзал. Осы бағытқа бет бұрсақ, қазіргі кезде осы мұнай-газ өндірісіне қажетті полимерлерді көбінесе химиялық жолмен алғандықтан, сол полимерлерді өндіруді арттыруға бағыттау негізінде, химиялық полимер өндеу зауыттарын заманауи техника-технологиялармен қамтамасыз ете отырып, мұнай-газ өндірісіне қажетті полимерлерді қажетті көлемде өңдірген дұрыс. Тағы да бір шешімі табу киын мәселе, ол полимерлерді алу болып табылады. Полимерлерді алу, жоғарыда айтып кеткен түрлеріне байланысты әртүрлі (яғни, табиғаттан алу, химиялық жолмен алу және синтетикалық түрде алуына байланысты). Қазіргі кезде полимерлерді өндіру оңай шаруа болып тұрмағаны анық. Сол себебті полимерлерді өндірудің өзінің түрлі ережелерімен түрлі ұстанымдары бар. Осыған орай, полимерлерді негізінен экологиялық және экономикалық тиімділіктерін ескеріп өндірген жөн.
Пайдаланылған әдебиеттер
Т.К.Ахмеджанов, А.Т.Қартабай, Т.У.Қамбақов. Алматы қаласы, 2011ж.
Москва қаласы, 1998 ж.
И.М.Губкина, 2004 ж.
Ы.Алтынсарин атындағы Қазақтың білім академиясының Республикалық баспа кабинеті, 1999 ж.