структурообразователь для углеводородов

Формула изобретения

1. Структурообразователь для углеводородов, содержащий композицию из алкоголята лития общей формулы LiOR¹, где R ¹ - углеводородный радикал нормального или изостроения С₃-С₆, и из соединения на основе алкоксида бора, отличающийся тем, что в качестве соединения на основе алкоксида бора структурообразователь содержит сложный полиэфир на основе алкоксида бора формулы B_n(OR²)_m (O₂R³)_n-1, где при n=2, m=4, при n=3, m=5, при n=4, m=6, R² - углеводородный радикал нормального строения C₄-C₁₆, R³ - углеводородный радикал нормального или изостроения C₄ -C₂₀ или углеводородный радикал C₄-C ₂₀, содержащий в цепи по меньшей мере один гетероатом кислорода или азота, при этом мольное соотношение указанного соединения на основе алкоксида бора к алкоголяту лития в композиции составляет как 1:(1-4) соответственно.

2. Структурообразователь по п.1, отличающийся тем, что алкоголят лития и указанное соединение на основе алкоксида бора используют в виде моногомологов или в виде полигомологических смесей.

3. Структурообразователь по п.1, отличающийся тем, что предпочтительное его количество, вводимое в углеводороды для получения твердого геля, составляет 5-40 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химии, в частности к структурирующим композициям для трансформации углеводородов (природного и синтетического происхождения) в вязкое и твердое состояние, и может быть использовано в нефтедобывающей и в нефтехимической промышленности при транспортировании, переработке и хранении нефтепродуктов, а также синтетических материалов углеводородной основы с целью исключения экологического загрязнения, уменьшения потерь углеводородов при их транспортировании и при аварийных ситуациях.

Изобретение также может найти применение при выполнении ремонтных работ в нефтедобывающих скважинах в технологиях селективной изоляции пластов, при изменении фильтрационных характеристик пластов и при работах по гидравлическому разрыву пласта.

В настоящее время известно большое количество химических соединений и композиций на их основе, с помощью которых возможно повысить вязкость жидких углеводородов и тем самым перевести их в нетекучее состояние. Структурообразователи, используемые на практике, должны отвечать определенным условиям, а именно обеспечивать резкое повышение вязкости углеводородов за короткий промежуток времени, высокую стойкость образующегося геля к внешним факторам, в частности к температуре и давлению, а также простоту технологической обработки по удалению геля из зоны обработки и его деструкцию.

Известен структурообразователь нефти и нефтепродуктов на основе смеси соединений лития и бора, а именно триалкилбора формулы BR₃ и алкиллития формулы LiR, которые берут предпочтительно в стехиометрическом соотношении, или их комплексе тетраалкилбор лития LiBR₄, где R - углеводородный радикал С₃-С₂₅ нормального или изостроения [1].

Однако входящие в состав известного структурообразователя соединения: триалкилбор и алкиллитий, являются малодоступными соединениями. Например, производство триалкилбора в промышленных масштабах в России отсутствует, его синтез многостадиен и технологически сравнительно сложен. Производство алкиллития также трудоемко и ограничено. Оба вышеуказанные соединения высокореакционноспособны и недостаточно стабильны, легко разрушаются в результате гидролиза, и поэтому их применение в целях гелеобразования связано с большими техническими и технологическими трудностями.

Известен структурообразователь для углеводородов, представляющий собой смесь индивидуального алкоксида металла IIIA группы общей формулы М¹(OR) ₃ в сочетании с индивидуальным алкоголятом щелочного металла формулы MOR¹, где М¹ - бор или алюминий; М - литий или натрий; R и R¹ - алкильные радикалы с числом углеродных атомов C₁-C₁₆ [2]. Образование геля с использованием известного структурообразователя протекает легко, предпочтительно при температуре 20-30°С. Время гелеобразования составляет от 30 секунд до 30 минут. Механизм структурирования углеводорода указанным известным структурообразователем заключается в образовании координационного комплекса тетраалкилбората лития, который спонтанно полиассоциирует с образование цепочек, звенья которых состоят из аниона тетраалкилбората и катиона лития. Эти цепочки, образуя объемные макроструктуры, пронизывают весь объем углеводорода и переводят его в гелеобразное состояние.

Недостатком известного структурообразователя является невысокий гелеобразующий эффект, т.е. небольшое увеличение вязкости и сравнительно невысокая скорость гелеобразования (структурирования) углеводородов.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков является структурообразователь для углеводородов, содержащий композицию из смеси алкоголятов лития LiOR, где R=С₃ -С₁₂ и из смеси триалкилборатов В(OR)₃, где R=C₄-C₁₄ [3]. Указанный известный структурообразователь обеспечивает у образующегося геля несколько лучшие реологические характеристики по сравнению с аналогами и позволяет проводить процесс гелирования в широком интервале температур. Время гелирования составляет 10-30 секунд.

К недостатком указанного известного структурообразователя следует отнести отсутствие возможности к образованию твердого геля (даже при использования высокой концентрации соединений, входящих в известный структурообразователь), способного сохранять свои геометрические размеры длительное время и обладающего минимальной ползучестью. Этот недостаток, вероятно, связан с ограниченной прочностью полиассоциированных цепочек аниона тетраалкилбората и катиона лития.

Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, заключается в увеличении эффективности структурирующих свойств структурообразователя за счет повышения механической прочности геля и уменьшения времени структурообразования.

Указанный технический результат достигается предлагаемым структурообразователем для углеводородов, содержащим композицию из алкоголята лития общей формулы LiOR¹, где R¹ - углеводородный радикал нормального или изостроения С₃-С₆ , и из соединения на основе алкоксида бора, при этом в качестве соединения на основе алкоксида бора структурообразователь содержит сложный полиэфир на основе алкоксида бора формулы B_n (OR²)_m(O₂R³) _n-1, где при n=2, m=4, при n=3, m=5, при n=4, m=6, R ² - углеводородный радикал нормального строения С₄ -C₁₆, R³ - углеводородный радикал нормального или изостроения С₄-С₂₀ или углеводородный радикал С₄-C₂₀, содержащий в цепи по меньшей мере один гетероатом кислорода или азота, при этом мольное соотношение указанного соединения на основе алкоксида бора к алкоголяту лития в композиции составляет как 1:(1-4) соответственно.

Алкоголят лития и указанное соединение на основе алкоксида бора используют в предлагаемом структурообразователе в виде моногомологов или в виде полигомологических смесей.

Предпочтительное количество структурообразователя, вводимое в углеводороды для получения геля, составляет 5-40 мас.%. В этих пределах реология геля меняется от вязкой жидкости до твердого стеклообразного состояния.

Указанный технический результат обеспечивается за счет следующего.

Благодаря использованию в качестве соединения на основе алкоксида бора сложного полиэфира формулы B_n(OR²) _m(O₂R³)_n-1 (т.е. предварительно «сшитого» бората), структурная формула которого (например, для n=2, m=4) приведена ниже:

обеспечивается образование при полиассоциации цепочки аниона тетраалкилбората и катиона лития, дополнительно жестко связанных между собой посредством алкильного радикала R³ нормального или изостроения с числом атомов С ₄-С₂₀, что приводит к образованию геля с высокой механической прочностью и значительно уменьшает время гелеобразования.

Соотношение компонентов в предложенном структурообразователе (указанное соединение на основе алкоксида бора и алкоголят лития) подобрано экспериментально. При использовании в структурообразователе алкоголята лития менее 1 моля на моль указанного соединения на основе алкоксида бора (далее - «сшитый» борат) не достигается высокая стабильность геля. Введение алкоголята лития в количестве более 4 молей на 1 моль указанного «сшитого» бората экономически нецелесообразно, т.к. не приводит к значительному повышению свойств.

Предлагаемый структурообразователь был испытан в лабораторных условиях. Для его приготовления использовались следующие вещества:

- алкоголят лития LiOR¹, где R¹ - углеводородный радикал нормального или изостроения С₃-С₆ , получают путем синтеза по нижеприведенной методике:

в колбу, оборудованную мешалкой и обратным холодильником, загружают 1 моль (74 г) третбутилового спирта и 920 г углеводорода (дизельное топливо, нефрас, керосин и т.д.). Затем по порциям загружают металлический литий 1,1 моля (7,634 г). Выделяющийся водород по специальной газоотводной трубке направляется в атмосферу. Реакцию продолжают до окончания выделения водорода, подогревая в конце процесса реакционную массу до 50-60°С. После окончания газовыделения при помощи металлического сита отделяют (фильтрованием) непрореагировавший металлический литий. Полученный раствор алкоголята лития (концентрация ˜8%) может использоваться без дополнительной очистки. При необходимости получения геля с высокой концентрацией структурирующих компонентов из раствора алкоголята лития отгоняют инертный разбавитель и получают ˜100% алкоголят лития;

- «сшитый» борат - сложный полиэфир на основе алкоксида бора формулы B_n(OR²)_m(O₂ R³)_n-1, где при n=2, m=4, при n=3, m=5, при n=4, m=6, R² - углеводородный радикал нормального строения C₄-C₁₆, R³ - углеводородный радикал нормального или изостроения С₄-С₂₀ или углеводородный радикал C₄-С₂₀, содержащий в цепи по меньшей мере один гетероатом кислорода или азота, получают путем синтеза по нижеприведенной методике (на примере «сшитого» бората при n=2, m=4, R² - октил, R³ - С ₆Н₁₂O₂):

в колбу, оборудованную насадкой Дина-Старка, загружают 1 моль (62 г) борной кислоты, 2,1 моля (273 г) октилового спирта, 1 моль (150 г) триэтиленгликоля и 450 мл толуола. Кипятят при перемешивании (температура ˜85-90°С) до прекращения выделения воды. После отгонки воды отгоняют толуол и непрореагировавший спирт, постепенно поднимая температуру до +180-200°С. Полученный продукт - «сшитый борат» используют без дополнительной очистки.

Таким же образом может быть получено не только индивидуальное соединение «сшитого» бората, но и его полигомологическая смесь. В этом случае вместо индивидуальных соединений (спиртов) используют их смесевые композиции. Ниже приведен пример получения геля углеводородов с использованием предлагаемого структурообразователя.

Пример 1. В стеклянную колбу вводят 14,7 г углеводородной жидкости (дизельного топлива), затем добавляют 2,0 г (2,5 ммоля) третбутилата лития, далее в полученный раствор вводят 4,3 г (1 ммоль) «сшитого» бората формулы B₂(OC₄H₉)₄(O ₂C₄H₈). Получают твердый гель. Общая концентрация структурообразователя в углеводороде составляет 30 мас.%. Мольное соотношение «сшитый» борат:алкоголят лития = 1:2,5 (пример 1 таблицы).

Составы с другим содержанием компонентов готовят аналогичным образом.

Данные о составе предлагаемого структурообразователя и показателях свойств получаемых гелей приведены в таблице. Для сравнения в указанной таблице приведены результаты испытаний гелей, полученных с использованием известного по прототипу структурообразователя.

В ходе лабораторных испытаний определялись следующие показатели:

- время образования твердого геля;

- механическая прочность геля.

Указанные показатели определяли следующим образом.

Время образования твердого геля:

в стеклянной колбочке объемом 50 мл готовился раствор алкоголята лития в углеводороде ˜25 мл, затем к раствору быстро добавляли расчетное количество «сшитого» бората и колбочку сильно встряхивали 3-4 раза. Секундомером засекали время потери текучести геля, которое характеризует время образования геля.

Механическая прочность геля испытывалась с использованием вертикальной металлической трубки с внутренним диаметром 27 мм, оборудованной нижней заглушкой. Гель в трубке готовился путем последовательного перемешивания углеводорода, алкоголята лития и «сшитого» бората в заданных пропорциях. Высота образовавшейся пробки из геля составляла 35 мм. После приготовления геля заглушку удаляли и сверху на поверхность геля насыпали 30 г металлической дроби. Засекали время, через которое дробь, выдавливая гель, высыпалась.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Данные, приведенные в таблице, показывают, что при использовании предлагаемого структурообразователя образуется гель, имеющий следующие преимущества перед гелем, полученным с помощью структурообразователя, известного по прототипу:

- время гелеобразования сокращается в 2-3 раза;

- механическая прочность геля возрастает в 10-100 раз.

Указанные преимущества позволяют обеспечить гарантированный быстрый перевод углеводородных жидкостей, например нефтепродуктов, в нетекучее твердое состояние, что особенно важно при проведении ремонтных и профилактических работ и ликвидации аварий на нефте- и продуктотрубопроводах. Также это позволит обеспечить экологическую безопасность окружающей среды.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2148614, Кл. С 10 L 7/02, от 1999 г.

2. Патент США №3615285, Кл. С 10 L 7/00, от 1971 г.

3. Патент РФ №2064967, Кл. С 10 L 7/02, от 1993 г.