Дисперсные системы и промывочные жидкости - Вещества специального назначения

Вещества специального назначения

 

К веществам специального назначения относится большая группа поверхностно-активных веществ, а также некоторые ве­щества узкоцелевого назначения.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) характеризуются, как правило, многофункциональным действием, которое обус­ловлено понижением поверхностного натяжения раствора вслед­ствие адсорбционного эффекта. Однако вследствие специфики их химического состава и строения, особенностей дисперсион­ной среды и геолого-технических условий применения каждое ПАВ действует наиболее активно в каком-то направлении. Это делает предпочтительным применение вещества для определен­ного целевого назначения.

Адсорбционный слой ПАВ имеет предельно малую величину (мономолекулярный слой). Даже очень небольшие добавки ПАВ могут резко изменить условия молекулярного воздействия на поверхности раздела. Для ПАВ характерно наличие в их мо­лекуле двух различных по природе групп: полярной (гидрофиль­ной), растворимой в воде, и углеводородного радикала  (гидрофобного), не растворимого в воде, но растворимого в углеводо­родных жидкостях. Ориентация молекул ПАВ в поверхностном слое происходит вследствие обращения их полярной части к воде, а углеводородного радикала — к менее полярной фазе, на­пример к твердой, воздуху и т. д. Для проявления поверхност­но-активных свойств ПАВ должны быть растворены в воде.

По составу и химическим свойствам ПАВ делятся на два класса: ионогенные и неионогенные. Первые в свою очередь делятся на анионоактивные и катионоактивные. В бурении при­меняются в основном неионогенные и анионоактивные вещества.

По внешнему виду ПАВ представляют собой жидкие или пастообразные вещества. При растворении в воде они придают ей беловатый цвет, добавка их составляет 0,1—2%, реже 3—5%.

Основное назначение ПАВ сводится к следующему.

1.   Поддержание естественной проницаемости продуктивных коллекторов. Вещества, применяемые в качестве добавок к про­мывочным  жидкостям   при   вскрытии  продуктивных  коллекто­ров,  должны  эффективно    снижать  поверхностное  натяжение фильтрата,  растворяться в пресной  и пластовой  водах, иметь сравнительно небольшую гидрофильную часть, а также не вы­зывать ухудшения    свойств    промывочных   жидкостей. Больше
всех соответствуют перечисленным выше требованиям неионо­генные ПАВ, наиболее распространенные из них ОП-7 и ОП-10,азоляты, УФЭ.

2.      Понижение  твердости  горных  пород  при  бурении.  ПАВ избирательно  воздействуют на твердость горных пород, и не­редко наиболее эффективное для  конкретной  породы  вещест­во  удается   найти  только  после длительных  лабораторных  и промышленных экспериментов.  Теоретически  в  существующем комплексе поверхностно-активных веществ могут быть найдены эффективные понизители твердости бурения для каждой породы. Наиболее широко применяются провоцелл, сульфонол, диталан, сульфатное мыло.ПАВ наряду с понижением прочности твердых горных по­род вследствие адсорбционных явлений уменьшают абразивное действие промывочной жидкости и в связи с этим снижают из­нос породоразрушающего инструмента.

3.   Эмульгирование промывочной жидкости. Задача эмульга­торов — диспергирование эмульгируемой фазы и создание вокруг глобул механически прочного барьера, препятствующего их слипанию. Это способствует снижению водоотдачи и появлению
других  положительных свойств. Эмульгирование  повышает
смазочные свойства промывочной жидкости, предупреждая тем самым вибрацию бурильного инструмента и его преждевремен­
ный износ.

Эффективность ПАВ-эмульгаторов значительно зависит от степени минерализации пластовых вод и дисперсионной среды, в которую они вводятся. Оптимальные концентрации их определяются конкретными условиями применения, в большинстве случаев добавки составляют 1—2% и могут доходить до 5%.

Наиболее широко применяются композиции из ПАВ и дру­гих продуктов переработки нефти.

Кожевенная паста — товарный продукт, выпускаемый отечественными нефтеперерабатывающими заводами для нужд кожевенной промышленности. Она представляет собой веретен­ное масло, загущенное натровыми мылами синтетических жир­ных кислот из продуктов окисленного петролатума, это одно­родная масса желтого или коричневого цвета. Паста вводится в промывочную жидкость в концентрации 0,5—2%. Получаемая при ее растворении в воде эмульсия имеет светло-кремовый цвет и представляет собой многокомпонентный водный раствор натровых мыл окисленного петролатума и его неомыленного остатка, в котором в виде тонкодисперсной фазы распределено минеральное масло. Паста применяется при жесткости воды до 2,5—3,5 ммоль/л.

Мылонафт — вещество, представляющее собой смесь натровых мыл нафтеновых (нефтяных) кислот, собственно наф­теновых кислот, небольшого количества минерального масла и воды. Мылонафт нерастворим в воде, инертен по отношению к температуре окружающей среды, безопасен в обращении. Оптимальная концентрация его в эмульсии 0,5—1%, он приме­няется при жесткости до 2,5—3,5 ммоль/л.

Эмульсол ЭЛ-4 представляет собой композицию на базе трансмиссионного масла и натрового мыла полимеров канифольно-экстракционного производства с добавкой ОП-7. Это — однородная пастообразная маслянистая масса темно-коричнево­го цвета, эмульгирует при постепенном введении воды и непре­рывном тщательном размешивании. Концентрация эмульсола в промывочной жидкости 0,5—6%, он применяется при повышен­ных жесткости и минерализации.

Эмульсол ЭН- 4 — композиция на базе индустриального масла ИС-20 или ИС-45 и жирных кислот с добавкой ОП-10. Это — однородная жирная масса коричневого цвета, эмульги­рует при введении теплой воды и одновременном перемешива­нии. Концентрация змульсола в промывочной жидкости до 5%. Он применяется в жестких водах и при высокой их минерализа­ции. При добавке эмульсола получают морозоустойчивые эмульсии.

Смесь гудронов масложировой промышленности (СГ)—вещество темного цвета, получаемое расщеплением жи­ров растительного и животного происхождения. Она эмульги­рует при введении горячей воды с одновременным перемеши­ванием. Концентрация ее в промывочной жидкости 2—2,5% применяется в водах с жесткостью до 2 ммоль/л.

Сульфатное мыло (СМ)—побочный продукт производ­ства целлюлозы. Это —мазеобразная темно-коричневого цвета жидкость, хорошо смешивается с водой. Оптимальная концентрация ее в промывочной жидкости до 2%, применяется в водах с жесткостью до 2 ммоль/л.

Талловое масло (ТМ)—продукт обработки сульфат­ного мыла серной кислотой. Это — густая маслянистая жидкость темно-коричневого цвета, эмульгирует при введении горячей во­ды и одновременном перемешивании. Оптимальная концентра­ция ее 0,5—1,5%, применяется в мягких водах.

Эмультал — маслянистая жидкость темно-коричневого цвета, продукт этирификации жирных и смоляных кислот тал-лового масла триэтаноламином, концентрация его в промывоч­ной жидкости 1—2%.

Концентраты типа «Леонол» — продукты переработ­ки нефти. Они представляют собой однородные коричневые мас­сы, хорошо смешиваются с водой, добавляются вколичестве 1—5%, применяются в любых гидрохимических условиях.

Концентрат «Морозол-2» предназначен для получения эмульсионных растворов при бурении скважин в многолетне-мерзлых породах при температурах в скважине до —7,4 °С.

При использовании эмульгаторов для получения эмульсион­ных промывочных жидкостей при бурении в сложных геологи­ческих условиях прочие положительные эффекты, обусловлен­ные наличием ПАВ, будут сопутствующими. В устойчивых по­родах эмульгаторы могут добавляться для повышения смазоч­ных свойств промывочной жидкости (гашения вибраций) и сни­жения износа бурового снаряда. Б этом случае эффект эмуль­гирования будет сопутствующим, а эмульгаторы получают наз­вание поверхностно-активных антифрикционных добавок (ПААД).

4.  Повышение  смазочных  и   противоизносных  свойств  про­мывочного раствора. Смазочные добавки к буровым растворам создают на бурильной колонне, стенках скважины и в призабойной зоне прочные  и непрерывно возобновляющиеся адсорбционные слои, уменьшающие трение колонны о стенки, улучшающие отделение породы породоразрушающим  инструментом и повышающие его стойкость. Сюда относится большинство перечисленных эмульгаторов, а также смазочная добавка СМАД-1.

5.Пластифицирование    промывочных    жидкостей  с  целью снижения гидравлических сопротивлений.  Применение пластификаторов позволяет уменьшить величину гидравлических сопротивлений на 20—35%. Пластифицирующими свойствами обладают смазочные и противоизносные вещества.

6.    Аэрация промывочных жидкостей. Применение ПАВ для этой цели позволяет получить стабильные растворы, насыщен­ные высокодиспергированными пузырьками воздуха. Здесь ис­пользуются ПО-1, ПО-К-18,  ОП-7, ОП-10, ДС, азоляты и ряд других веществ. Концентрация ПАВ при аэрации не превышает 1 - 2%.

7.      Пеногашение. Добавки ПАВ-пеногасителей позволяют успешно бороться с естественным

насыщением промывочной жидкостей дисперсной газовой фазой при помощи физико-химиче­ских методов. Чрезмерное содержание газовой фазы ухудшает подачу буровых насосов, а также может привести к выбросам. Для дегазации используются ПАВ более поверхностно-актив­ные, чем вещества, вызвавшие аэрацию. Сюда относятся пено-гасители нефтехимического происхождения: нейтрализованные контакты — черный (НЧК), керосиновый, газойлевый; соли сульфонафтеновых кислот; полиметилсилоксан. Оптимальные концентрации этих веществ составляют от 0,05 до 2—3%.

Прочие вещества специального назначения — вещества, не обладающие поверхностно-активными свойствами.

Смазочные и противоизносныевеществанефть и графит в порошке. Оптимальные концентрации: неф­ти— до 10%, графита — до 2%.

Пластифицирующие вещества — полимеры-акрилаты и кремнийорганические жидкости ГКП-10, ГКЖ-10. ГКЖ-11, представляющие собой этилсиликонаты натрия. До­бавки их составляют 0,6—0,8%. Они обладают смазочными свойствами.

Пеногасители (суспензионные) — полиэтиленовая и ре­зиновая крошка в смеси с дизельным топливом в соотношении 1:10.

Ингибиторы коррозии — главным образом неоргани­ческие вещества, нейтрализующие окисляющую среду. При ис­пользовании легкосплавных бурильных труб к промывочной жидкости добавляют силикат натрия.

Антиферментаторы предупреждают и подавляют про­цесс разложения (гниения) ферментативно неустойчивых ком­понентов промывочных жидкостей. Наибольшее распростране­ние получили формалин и фенолы.

Вещества, повышающие термостойкость про­мывочных жидкостей, — хроматы и бихроматы.

Основные требования к специальным добавкам (кроме обес­печения эффекта, для которого они предназначены) — сохране­ние и улучшение структурно-механических и фильтрационных характеристик исходных промывочных растворов. Однако вы­держать это требование удается далеко не всегда. Так, сульфонол, уменьшая трение между металлом и глинистой коркой, од­новременно снижает вязкость и статическое напряжение сдвига приводит к вспениванию, а добавка нефти в качестве пеногасителя может вызвать загустевание глинистого раствора. Эти по­бочные эффекты необходимо учитывать.