Стабилизация буровых растворов полимерами

Полимеры широко применяют не только для активации, дезактивации твердой фазы и структурообразования, но и для стабилизации буровых растворов, т.е. для предохранения их от коагуляции и седиментации под воздействием электролитов. Полимеры в этом случае служат для изоляции твердой фазы от "сшивающего" действия катионов и предохранения от сближения частиц твердой фазы на расстояния интенсивного действия молекулярных сил.

Изоляцию твердой фазы частиц производят солестойкими полимерами. Солестойкость полимеров к коагуляции в первую очередь определяется способностью ее функциональных групп взаимодействовать о ионами электролитов.

Функциональная группа. -О-. Большая часть горных пород, в том числе и глины являются кислородными соединениями. На поверхности зерен в местах разрыва кристаллической решетки атомы кислорода имеют нескомпенсированный заряд. Да и связанные атомы кислорода (например, 8Юз, А1₂Оз и т.д.). вследствие их высокой электроотрицательности, обладают высокими полярными зарядами. В природных условиях заряд поверхности зерен компенсируется обменными ионами,

Благодаря высокой электроотрицательности многие кислородсодержащие породы используют в качестве катионитов. Под воздействием этих зарядов глинистые частицы оказываются гидрофильными и хорошо гидратируются в воде.

Оксигруппа -ОН -. Эта группа характерна как для глинистых частиц (например, каолинита), так и неиногенных ПАВ, таких как спирт, фенолы, алкилфенолы, целлюлоза и естественные биополимеры-полисахариды:

крахмал, лигнин, целлюлоза, гуаровая смола, ксантановая смола и др.

Оксигруппы достаточно прочно связаны с углеводородными радикалами (ПАВ), цепями (полимеры) и кремнекислородными листами (глинистые частица). Они могут обладать в зависимости от взаимодействующего иона либо кислотными, либо основными свойствами.

Оксигруппы гидрофильны и малоактивны (ГЛБ = 1,9), но вследствие большого их количества они способна образовывать водородные.связи между цепями полимеров. Поэтому с увеличением ОН^- (рН среды) вязкость раствора растет вплоть до сцепления макромолекул в агрегаты (коагуляции). Поэтому количество оксигрупп частиц твердой фазы должно быть ограниченным.

В связи с достаточно высокой прочностью связей оксигруппы с цепями и радикалами она не образует химических связей в растворе даже с поливалентными - ионами металлов.

Химическое взаимодействие оксигруппы с металлами с образованием солей (например, алкоголя) возможно только при наличии катализаторов.

Вследствие этого между частицами твердой фазы с группой ОН^- и ионами электролитов возможны лишь полярные связи. С одновалентными ионами электролитов частицы образуют слабые связи вплоть до полного насыщения раствора солью. Устойчивы такие частицы и к коагулирующему действию поливалентных ионов (в определенных пределах, см. табл. 5.3,).

Устойчивы к солевой и кальциевой агрессии полимеры с полярными заместителями типа –ОСН₃. Например, ММЦ (модифицированная метилцеллюлоза), не коагулирует при полном насыщении раствора солью NaCl и устойчива в растворе с высокой концентрацией солей CaCl₂ (до 15 %).

К а р б о к с и л ь н а я г р у п п а -СООН и ее з а м е с т и т е л и. Карбоксильная группа входит в состав карбоновых кислот. Она обладает слабокислотными (константа диссоциации 2·10^-5 и менее) и очень слабыми основными свойствами. По строению аналогична угольной кислоте (с константой диссоциации 4,5·10^-7) и представлена карбонильной – С =О - и гидроксильной –ОН^- группами:

Под влиянием сильноотрицательного атома кислорода карбонильной группы связь между кислородом и водородом в гидроксильной группе значительно слабее, чем в спиртах, поэтому она обладает более сильными кислотными свойствами. С ионами поливалентных металлов водород карбоксильной группы замещается в нейтральной среде без подогревания. Также как и угольная кислота, органические кислоты (c карбоксильной группой - СООН), с ионами Са образуют нерастворимые соли, выпадающие в осадок (агрегатирвание).

Аналогичным образом ведут себя по отношению к поливалентным металлам соли-заместители и другие соли одновалентных металлов.

Из табл. 5.3 видно, что полимеры о карбоксильной группой устойчивы к солевой агрессии (вплоть до полного насыщения), но не устойчивы к кальциевой агрессии. Уже при концентрации Са свыше 0,1-0,2 % эти полимеры коагулируют и выпадают в осадок.

Полимеры с короткими цепями (с более подвижными макромолекулами) и активными функционалънами группами -СООNa (ГЛБ=21,1) типа КМЦ-250, КМЦ-350 могут образовывать достаточно сильные полярные связи со слабогидратированиыми одновалентными ионами. Слабая гидратация ионов возможна в концентрированных растворах солей. При концентрации в растворе поваренной соли NaCl более 10-15% такие полимеры способны к коагуляции.

Высоковязкие более жесткие полимера с длинными макромолекулами КМЦ-500, КМЦ-600, КМЦ-700 устойчивы к солевой •агрессии даже при полном насыщении раствора солыо NaCl.

А м и д н а я г р у п п а—СОNН₂ по строению аналогична карбоксильной группе:

Азот так же как и кислород, обладает высокой электроотрицательностью, образует прочные связи с водородом. Под влиянием кислорода карбонильной группы связь водорода с азотом ослабляется и амидная группа приобретает слабокислотные свойства.

Вследствие достаточно прочных связей водорода с кислородом замещение его одновалентными металлами невозможно. Из-за довольно высокой активности функциональной группы (подобно аналогичной группе СООН) с одновалентными ионами эти полимеры могут образовывать только слабые полярные связи и поэтому они устойчивы к солевой агрессии даже при полном насыщении раствора солью NаCl (табл. 5.3).

Гидролизованные акриловые полимеры с гибкими макромолекулами и активными функциональными группами (гипан, ГПАА) так же, как и КМЦ с короткими макромолекулами, способны образовывать сильные полярные связи со слабогидратированными ионами. При концентрации в растворе поваренной соли более 10-15 % гидролизованные акриловые полимеры также могут коагулировать.

Н и т р и л ь н а я г р у п п а –СN. Азот прочно связан с углеродом. Группа обладает слабоосновными свойствами, вследствие высокой электроотрицательности азота группа весьма полярна.

Но из-за незначительного количества групп в применяемых для приготовления буровых растворов полимерах (в гипане их не более 10 %} существенной роли на коагуляцию они не оказывают.

С у л ь ф о г р у п п а –SO₃H имеет структуру подобно cерной кислоте:

Благодаря наличию двух атомов сильно электроотрицательного кислорода сулъфонильной группы водород гидроксильной группы связан весьма слабо, поэтому группа обладает сильными кислотными и весьма слабыми основными свойствами.

Соли с сульфогруппой хорошо растворимы в воде. В результате высокой гидрофильности сульфогруппы, вокруг нее образуется довольно плотный диэлектрический слой воды, что резко снижает взаимодействие функциональных групп с ионами электролитов, поэтому полимеры-сульфокислоты устойчивы к солевой и кальциевой агрессии.

Ниже приводится таблица устойчивости различных полимеров, применяемых в России для обработки буровых растворов[47].

Таблица 5.3

Поиск по сайту: