Дисперсные системы и промывочные жидкости - Реагенты-структурообразователи

Реагенты-структурообразователи

 

 

Реагенты-структурообразователи снижают водоотдачу про­мывочных жидкостей, повышая при этом ее реологические свой­ства. К ним относятся реагенты на основе водорастворимых эфиров целлюлозы, крахмальные реагенты, биополимеры, реа­генты на основе синтетических акриловых полимеров.

Целлюлоза составляет основу растительных клеток. Она обладает высокой механической и химической прочностью, не­растворима в воде и в большинстве растворителей. Целлюло­за — естественный полимер с очень высокой степенью полиме­ризации. Для получения химических реагентов из целлюлозы ее вначале обрабатывают щелочью, что приводит к изменению длины цепи молекулы и уменьшению относительной молекуляр­ной массы целлюлозы. В результате реакции со щелочью обра­зуются простые и сложные эфиры целлюлозы.

Карбоксиметилцеллюлоза КМЦ — продукт вза­имодействия щелочной целлюлозы с натриевой солью монохлор-уксусной кислоты. Молекула КМЦ представляет собой длинную цепочку, которая образуется шестизвенными углеводными цик­лами, соединенными атомами кислорода. В зависимости от сте­пени полимеризации относительная молекулярная масса КМЦ может изменяться. Выпускают КМЦ следующих типов: низко­вязкую КМЦ-350, средневязкую КМЦ-500, высоковязкую КМЦ-600 и КМЦ-700 — здесь числа обозначают количество повторений цикла.

Промышленная КМЦ имеет вид скомковавшейся ваты бело­го или желтоватого цвета. Как реагент КМЦ используется в виде водного раствора обычно 10%-ной концентрации, для чего КМЦ предварительно замачивают. Готовый реагент имеет вид крахмального клейстера.

Эффективность КМЦ зависит от степени минерализации и рН раствора. Наиболее эффективна КМЦ в нейтральных и слабощелочных пресных водах и при небольшой минерализа­ции дисперсионной среды. При рН = 6 КМЦ выпадает в осадок, а при рН-9 свертывается от избытка щелочи. Чем выше степень полимеризации КМЦ, тем более устойчива она к солевой агрес­сии, тем эффективнее снижает водоотдачу. С ростом минерали­зации глинистого раствора КМЦ начинает действовать как разжижитель, при этом снижается способность КМЦ уменьшать водоотдачу, стабилизирующие свойства КМЦ падают.

Низко- и средневязкие КМЦ коагулируют под действием ионов кальция. Высоковязкие КМЦ способны снижать водоот­дачу глинистых растворов, содержащих до 1% хлористого каль­ция. Количество добавки КМЦ зависит от ее марки, степени минерализации раствора, вида минерализации и колеблется от 0,2 до 2%. В растворе с небольшим содержанием твердой фазы добавка КМЦ может вызвать разжижение. Однако при доста­точно высоком содержании твердой фазы КМЦ усиливает структурообразование, объединяя частицы, даже находящиеся за пределами действия молекулярных сил.

Так как раствор КМЦ имеет щелочную реакцию и обладает пептизирующими свойствами, применение его при бурении в легко набухающих глинистых породах ограничено. Водный раствор КМЦ не выдерживает длительного хранения. Он окис­ляется кислородом воздуха, что сопровождается снижением вязкости раствора. При температуре 150 °С и выше КМЦ раз­лагается. КМЦ широко применяются как стабилизаторы в раст­ворах специального назначения, где они используются в ком­бинации с другими реагентами.

Карбофен — это КМЦ, в молекулу которой введен фенол. Карбофен устойчив при повышенных температурах, действует как КМЦ.

Добавляют в КМЦ и другие вещества, основное назначение которых — повышение термостойкости. Эти разновидности КМЦ (карбанил, карбаминол и др.) более устойчивы.

На основе эфиров целлюлозы разработан также ряд реаген­тов более устойчивых к воздействию кальциевых солей. Сюда относятся сульфат целлюлозы и модифицированная метилцеллю-лоза. Последняя устойчива к действию поливалентных катионов яри содержании хлористого кальция до 7%.

Крахмал, являясь естественным растительным продуктом, представляет собой природную смесь полисахаридов. Он со­стоит из линейного полисахарида (амилозы) и разветвленного полисахарида (амилпектина), образованных углеводородными звеньями, из которых состоит целлюлоза, но связанных иначе. Крахмал обладает очень большой относительной молекулярной массой, гидрофилен, применяется как понизитель водоотдачи глинистых растворов и других дисперсных промывочных жид­костей независимо от степени их минерализации и состава. По­этому крахмал добавляют в промывочные жидкости в условиях хлоркальциевой и хлормагниевой агрессий.

Крахмал применяют чаще всего в виде клейстера 5— 10%-ной концентрации. Так как в холодной воде он нераство­рим, клейстеризацию его на буровых осуществляют щелочью. Его замачивают водой, в которую добавляется 1—2% едкого натра. Можно готовить крахмальный реагент и путем нагрева­ния смеси крахмала с водой до температуры 80—90 °С при по­мешивании, но такой способ менее удобен в полевых условиях.

Готовый реагент добавляют в количестве 0,5—3%  (в переводе на сухое вещество). Так как крахмал вызывает повышение вязкости, его часто добавляют совместно с реагентами-разжи-жителями.

В последние годы все шире применяется модифицированный крахмал, легко растворимый в холодной воде без введения вспомогательных веществ. Одна из разновидностей такого крах­мала получается при введении в него в заводских условиях со­лей алюминия с последующим нагреванием и сушкой. Он добав­ляется непосредственно в раствор.

Крахмал ферментативно неустойчив (загнивает). Загнивание предупреждают либо повышением рН раствора до 12, либо введением антисептиков типа формалина, крезола и др. Крах­мал обладает низкой термостойкостью. Следует иметь в виду, что это — ценный пищевой продукт, поэтому его следует приме­нять в крайних случаях, когда другие реагенты-стабилизаторы оказываются неэффективными.

Декстрин получается при гидролизе крахмала. Он пред­ставляет собой порошок белого цвета, хорошо растворимый в холодной и горячей воде, вводится в сухом виде в количестве до 2%. Декстрин предназначен для обработки высокоминерали­зованных буровых растворов и по эффективности стабилизации превосходит крахмал. Наилучший эффект стабилизации дости­гается при рН = 8÷9. Кислота оказывает на декстрин разлагаю­щее действие.

Биополимеры — реагенты, получаемые путем микробио­логического синтеза из сахарозы. Они представляют собой по­лисахариды. Из биополимеров известны декстрин, ХС, реагент БП-1 и др. Биополимеры устойчивы к солевой агрессии, обес­печивают термостойкость растворов до 150 °С, хорошо совмес­тимы с другими химическими реагентами, особенно эффективны в растворах с небольшим содержанием твердой фазы, хорошо снижают гидравлические сопротивления. Концентрация биопо­лимера в растворе колеблется от 0,05 до 1,5%.

К недостаткам биополимеров относятся их высокая стои­мость, ферментативная неустойчивость (что требует добавки бактерицидов — антиферментов), недостаточно интенсивное снижение фильтрации (до 10 см3).

Из реагентов на основесинтетических акри­ловых полимеров наиболее распространены в бурении полиакриламид, полиакрилонитрил и продукты их гидролиза. Они представляют собой высокомолекулярные вещества, кото­рые характеризуются молекулярной массой, конфигурацией и конформацией макромолекул, прочностью химических связей. Продукты полимеризации нитрила акриловой кислоты неустой­чивы к агрессии хлоридов поливалентных металлов.

Адсорбируясь на частицах твердой фазы, создавая изоли­рующие слои, эти реагенты предупреждают пептизацию, флокулируют частицы твердой фазы и в целом создают эффект ингибирования. Побочным эффектом является пластификация, что приводит к уменьшению гидравлических сопротивлений при течении жидкостей, обработанных полимерными реагентами.

Полиакриламид (ПАА) — органический карбоцепной гомополимер линейного строения.Его получают путем превра­щений следующих веществ:этилен—>окись этилена—>

этилен-циангидрин нитриакриловой кислоты—>акриламид—>полиа­криламид. Относительная молекулярная масса полиакриламида колеблется от 150 000 до 15 000 000 при относительной молеку­лярной массе мономера (акриламида) 71. Вязкость водного раствора полиакриламида зависит от рН. При рН-7 макромоле­кула полиакриламида имеет свернутую конформацию, что при­водит к увеличению вязкости раствора. Водные и щелочные растворы его являются полиэлектролитами. Катионоактивная группа макромолекулы полимера — NH3+, анионоактивная — СОО-. Наличие зарядов в молекулах полимера обусловливает их адсорбцию на бурильных трубах, на стенках скважины и частицах горной породы, оказывает ингибирующее действие.

Растворы ПАА устойчивы при общей минерализации вод до 3 г/л и при общей жесткости до 13 ммоль/л. Полиакриламид применяется в порошкообразном, гранулированном и гелеоб-разном видах. Гранулированный ПАА содержит 50—60% 100%-ного ПАА, гелеобразный — б—8%. В холодной воде он растворяется очень медленно, при перемешивании в глиноме­шалках может наматываться на валы и лопасти, хорошо раст­воряется в воде, нагретой до 80—90 °С, вводится в виде вод­ного 1—2%-ного раствора. Концентрация его в промывочной жидкости может доходить до 0,2—0,3% в переводе на сухое вещество.

Гидролизованный полиакриламидРС-2 содер­жит полиакриламид, каустик и полифосфат в соотношении 1:1:1 (в пересчете на сухое вещество), прореагировавшие в результа­те гидролизации. Последняя заключается в расщеплении поли­меров с присоединением к продуктам расщепления водорода и гидроксила и последующим замещением водорода натрием. Гид­ролиз происходит при перемешивании компонентов с водой до получения однородной массы. Готовый реагент содержит 1—2% сухого вещества, имеет плотность около 1 г/см3, вязкость 75— 90 с.

РС-2 применяется для снижения водоотдачи пресных и сла­боминерализованных растворов обычно с небольшим содержа­нием твердой фазы. Добавка его составляет до 2%, при боль­ших добавках значительно увеличивается вязкость раствора.

Гидролизованный полиакрилонитрил (ти­пан) — продукт омыления полиакрилонитрила каустиком. Он представляет собой вязкую, желтоватого цвета жидкость 8— 10%-ной концентрации, морозоустойчив, стойкий к загниванию, обеспечивает устойчивый низкий показатель фильтрации, приво­дит к некоторому росту вязкости, снижает СНС. Гипан активен в минерализованных водах, придает растворам термостойкость, добавляется в количестве до 2%.

При разбуривании глин в растворы, обработанные гипаном, рекомендуется вводить силикат натрия. Гипан может изменять свойства в зависимости от сроков хранения.

Реагенты К- 4, К- 6, К- 9 являются разновидностями гипана, более устойчивыми к минеральной агрессии, добавляются в количестве до 1%.

Метас — сополимер метакриловой кислоты и метакриламида. Это — белый порошок, растворимый в 1—2%-ном раство­ре едкого натра, применяется в виде 5—10%-ного водощелоч-. ного раствора при соотношении метаса и щелочи от 10:3,5 до 10:5. При рН = 9÷10 метас можно вводить в раствор в виде порошка.

Добавки 0,2—1% метаса эффективно снижают водоотдачу пресных растворов, а 2—2,5%—насыщенных хлористым нат­рием. При обработке растворов, содержащих ионы кальция, ме­тас вводится совместно с кальцинированной содой или фосфа­тами, концентрация которых должна составлять  1—2%.

Акриловый сополимер М-14 — карбоцепной разветв­ленный полимер. Он представляет собой белый порошок, хоро­шо растворяется в водощелочных растворах при соотношении М-14 и щелочи, равном 10:3. При рН>10 реагент можно вво­дить в раствор в сухом виде, если рН<10 — в виде водощелоч­ных растворов 5%-ной концентрации. Оптимальная концентра­ция в переводе его на сухое вещество составляет до 1,5%, ис­пользуется для поддержания структурно-механических свойств и снижения водоотдачи.