ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ СОЛИ В РАСТВОРЕ

Соленость играет весьма большую роль при определении эффективности полимера. Соль сдерживает разворачивание полимеров, имеющее место при добавлении растворимого полимера в воду. Вместо разворачивания и расширения полимер принимает компактную шарообразную форму, растворимость полимера снижается. Это происходит в результате «борьбы» молекул-полимеров за воду. Соль ограничивает количество свободной воды, в которой может гидратироваться и расширяться полимер. При увеличении солености сокращается количество присоединяемой к полимеру воду, а вязкость не увеличивается так резко. При добавлении соли в пресноводный буровой раствор с полностью раскрывшимися полимерами обычно наблюдается скачкообразный рост вязкости. При растворении соли она забирает воду у полимеров, и раствор на некоторое время теряет стабильность; тогда и происходит увеличение вязкости. Полимеры переплетаются с частицами бурового шлама и с другими полимерами, в то же время они уменьшаются в размерах и возвращаются в исходную шарообразную форму. После перехода в шарообразную форму вязкость значительно снижается. Обычно эффективность полимеров в соленой среде не так велика, но этот недостаток можно устранить, увеличив концентрацию полимера. Например, для использования PAC (полианионной целлюлозы) или ксантановой смолы в условиях большого содержания солей концентрация этих полимеров должна быть увеличена в два раза.

ВЛИЯНИЕ БИВАЛЕНТНЫХ КАТИОНОВ

Бивалентные ионы, такие как кальций и магний, оказывают огромное влияние на параметры бурового раствора. Как и ион натрия, который тоже гидратирует и снижает количество доступной свободной воды, ионы кальция и магния гидратируют еще более интенсивно. При этом снижается степень гидратации полимеров. У анионных полимеров присутствие кальция вызывает еще одну проблему: кальций вступает в реакцию с анионной группой полимера. Это вызывает флоккуляцию полимера и его возможное выпадение в осадок из бурового раствора. Поэтому для очистки бурового раствора от кальция рекомендуется провести обработку кальцинированной содой. Слабо-анионные полимеры, такие как ксантановая смола, а также неионные полимеры, такие как крахмал, не осаждаются кальцием. Однако на них сказывается интенсивная гидратация кальция, снижающая эффективность таких полимеров.

ДЕРИВАТЫ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Целлюлоза – природный полимер, нерастворимый в воде. Чтобы использовать целлюлозу в качестве добавки к буровым растворам, ее модифицируют в КЦМ (карбоксилметилцеллюлозу). КМЦ – пример одного из полиэлектролитов. На Рис. 7 и 8 показан процесс модификации повторяющейся кольцевой структуры целлюлозы путем введения в нее анионной карбоксилметил-группы. После такой обработки модифицированный полимер становится растворимым благодаря анионной группе.

Карбоксилметилцеллюлоза образуется при реакции натриевой соли монохлоруксусной кислоты (ClCH₂COONa) с целлюлозой. Чаще всего при формировании растворимого полиэлектролита происходит замещение группы

(-CH₂OH). Свойства натриевой КМЦ зависят от нескольких факторов:

• Степени замещения.

• Степени полимеризации.

• Равномерности замещения групп.

• Чистоты конечного продукта.

Степень полимеризации отражает число повторов кольцевой структуры. Кольцевая структура является основной структурой полимера. Чем выше степень полимеризации, тем выше молекулярный вес. При увеличении степени полимеризации КМЦ увеличивается вязкость. У высоковязкой КМЦ более высокий молекулярный вес, чем у низковязкой КМЦ. Степень замещения отражает количество замещений в пределах одной повторяющейся кольцевой структуры. На иллюстрации к натриевой КМЦ в каждой кольцевой структуре показано по одному замещению. Это означает, что степень замещения равна 1. В описанном выше примере замещались только группы метил-гидроксила (-CH₂OH). Замещаться могли бы и две гидроксил-группы (-OH), что дало бы степень замещения 3. Полимеры становятся растворимы в воде при степени замещения 0,45. Степень замещения КМЦ обычно равна 0,7 – 0,8. Степень замещения высоковязкой КМЦ та же, что и у КМЦ с низкой и средней вязкостью; они отличаются только степенью полимеризации. КМЦ с относительно высокой степенью замещения часто называется полианионной целлюлозой (англ. сокр. PAC). У полианионной целлюлозы то же химическое строение и степень полимеризации, что и у КМЦ; отличает эти два полимера только степень замещения. Обычно степень замещения полианионной целлюлозы равна 0,9 – 1,0. Полимеры с большей степенью замещения растворяются лучше, чем КМЦ. Поэтому в целом полианионная целлюлоза эффективнее КМЦ. В пресной воде эффективность обоих полимеров примерно одинакова, но в соленой и жесткой воде полианионная целлюлоза превосходит КМЦ. Иногда КМЦ и полианионная целлюлоза – с одинаковыми степенями полимеризации и замещения, одинаковой степени очистки – ведут себя по-разному. Это происходит благодаря равномерности (или неравномерности) замещения групп вдоль полимерной цепочки. В КМЦ или полианионной целлюлозе высокого качества замещение групп вдоль цепочки происходило равномерно. В низкокачественной КМЦ или полианионной целлюлозе замещение происходило только на конце или в середине полимера, в результате растворимость полимера снизилась.

POLYPAC® R – высококачественная полианионная целлюлоза. Она служит регулятором водоотдачи в буровых растворах, приготовленных на основе пресной или морской воды, солевых растворов NaCl и KCl. Раствор, обработанный POLYPAC® R, образует тонкую, прочную и пластичную глинистую корку, предотвращающую уход фильтрата в высокопроницаемые породы. Кроме того, POLYPAC® R является высокоэффективным загустителем в растворах на основе пресной или соленой воды. POLYPAC® R рекомендуется использовать вместо КМЦ в растворах на морской воде, соленой воде или в растворах с концентрацией растворенного кальция выше 400 мг/л. Ниже приводится таблица с техническими характеристиками КМЦ и полианионной целлюлозы.

Табл. 1. КМЦ и полианионная целлюлоза (ПАЦ)

ГЭЦ (гидроксиэтилцеллюлоза) – еще один тип модифицированного полимера целлюлозы. ГЭЦ производится вымачиванием целлюлозы в растворе каустической соды, затем обработкой оксидом этилена. В результате происходит земещение гидроксиэтил-групп на местах гидроксиметила и гидроксила. Несмотря на то, что ГЭЦ – неионный полимер, гидроксиэтил-группы имеют достаточное сродство с водой, и полимер является растворимым. На структуру полимера, кроме степени замещения, повлияла и степень полимеризации этоксилированных боковых цепей. Степень полимеризации боковых цепей называется молярным замещением, это – среднее число молекул оксида этилена, прореагировавших с каждой частью молекулы целлюлозы. После того, как гидроксиэтил-группа прикрепилась к каждой части молекулы, она может реагировать с другими группами от одного конца молекулы до другого. Реакция может продолжаться, пока не закончится свободный оксид этилена. Чем выше степень молярного замещения, тем выше растворимость полимера в воде, следовательно – тем выше устойчивость полимера к содержанию соли и жесткости воды. Обычно степень молярного замещения ГЭЦ находится в пределах 1,5 – 2,5. ГЭЦ используется в основном в растворах для капитальных ремонтов и освоения в качестве загустителя и регулятора водоотдачи. ГЭЦ совместима с большинством солевых растворов, включая морскую воду, KCl,

NaCl, CaCl₂ и CaBr₂.

Это – очень чистый и растворимый в кислоте полимер, который идеально подходит для установки гравийнонамывных фильтров и при проведении других видов работ со вскрытым пластом. Так как ГЭЦ – неионный полимер, он не реагирует так интенсивно с заряженными поверхностями, как ионные полимеры. Это еще раз подчеркивает значение ГЭЦ как добавки в растворы для вскрытия пластов. Ограничение по температуре ГЭЦ + 250°F (121°C). Уровень рН на характеристики ГЭЦ влияет не сильно (при рН выше 10 несколько снижается вязкость), этот полимер устойчив к действию микроорганизмов. ГЭЦ не обладает тиксотропными свойствами, несмотря на хорошую общую вязкость, ГЭЦ не обладает вязкостью при малых скоростях сдвига.

Дериваты крахмала. Как сообщалось в начале главы, крахмал часто используется в необработанном виде. Однако подвергнув крахмал химической обработке, можно изменить свойства его производных. При помощи модификации крахмал может приобрести устойчивость в бактериальному разложению. Путем простой модификации можно повысить температурную стабильность крахмала. Ниже приводятся несколько примеров модифицированного крахмала.

Карбоксиметил-крахмал (КМК). Карбоксиметил-крахмал – еще один пример модифицированного полимера. Как и КМЦ, карбоксиметил-крахмал подвергается замещению гидроксиметил-групп у любой из двух гидроксил-групп кольцевой структуры. Как и у КМЦ, наиболее часто замещение происходит у гидроксиметил-группы.

THERMPAC® UL – карбоксиметил-крахмал – это минимально влияющий на вязкость водного раствора регулятор водоотдачи. Этот полимер – альтернатива ПАЦ в растворах, требующих хороший контроль над водоотдачей при низких реологических параметрах. Действие THERMPAC® UL напоминает скорее КМЦ, чем крахмал. Термостабильность THERMPAC® UL не отличается от КМЦ и ПАЦ (до 300°F (149°C)), для него не нужен бактерицид. THERMPAC® UL наиболее эффективен в растворах с содержанием Сl^- до 20 000 мг/л и Ca²⁺ до 800 мг/л, при любом уровне рН и совместим со всеми растворами на водной основе.

Гидроксипропил-крахмал. Еще один пример модифицированного крахмала – гидроксипропил-крахмал (ГПК). ГПК получают при обработке крахмала оксидом пропилена. В результате получается неионный растворимый в воде модифицированный крахмал. Фактически, модификация лишь повышает растворимость крахмала. Как и в случае с КМК и ГЭЦ, замещение происходит у любой из гидроксиметил-групп или у любой из двух гидроксил-групп кольцевой структуры. И снова, как и в случае с КМЦ и КМК, замещение происходит чаще всего у гидроксиметил-группы. В результате, в молекуле оказываются замещенными пропоксилированные группы. Степень полимеризации пропоксилированных групп – это степень молярного замещения, т.е. среднее число молекул оксида пропилена, прореагировавших с каждой частью молекулы крахмала. Как только гидроксипропил-группа прикрепится к каждой части молекулы, она может вступить в реакцию с другими группами от одного конца молекулы до другого. Реакция оксида пропилена с крахмалом имеет много общего с реакцией оксида этилена с целлюлозой. В том и в другом случае замещается повторяющаяся структура, определяемая степенью молярного замещения. Существует множество типов ГПК. Их свойства зависят от степени полимеризации, степени замещения и степени полимеризации замещенных групп (степени молярного замещения).

FLO-TROL®. Основное назначение этого гидроксипропил-крахмала – регулирование водоотдачи в составе буровых растворах FLO-PRO®. FLO-TROL® вместе с карбонатом кальция образует растворимую в кислоте, легкоудаляемую фильтрационную корку. Как и обычный крахмал, FLO-TROL® совместим с большинством солевых растворов, включая соленую воду, NaCl, KCl, CaCl₂, NaBr, CaBr₂ и соли муравьиной кислоты (формиата). Для FLO-TROL® не нужен бактерицид. FLO-TROL® обладает уникальными характеристиками загустителя, благодаря чему он может применяться при вскрытии пластов. В отличие от полианионной целлюлозы, FLO-TROL® обладает вязкостью при малых скоростях сдвига. Для увеличения вязкости при малых скоростях сдвига FLO-TROL® применяется совместно с FLO-VIS®.

Рекомендуемая концентрация FLO-TROL® для большинства применений - от 2 до 4 фунтов/баррель, однако для снижения водоотдачи концентрацию необходимо увеличить. Термостабильность FLO-TROL® лучше большинства материалов на крахмальной основе. В солевых растворах он стабилен при температуре до 250°F (121°C).

Mor-Rex ™ - это гидролизованный энзимами кукурузный крахмал, химически модифицированный в мальтодекстрин. В результате гидролиза кукурузного крахмала молекулярный вес конечного продукта снижается до 5 000, а полимер приобретает слабоанионный характер. Mor-Rex™ применяется исключительно в буровых растворах на основе извести, главным образом благодаря своей способности увеличивать растворимость кальция в известковой среде. В таких растворах происходит дальнейшая гидролизация полимера Mor-Rex™, а Ca²⁺ присоединяется к свободным карбоксилат-группам, образовавшимся в процессе гидролиза. В результате концентрация растворимого кальция увеличивается. Иными словами, в растворе на основе извести, обработанном Mor-Rex™, содержится больше растворимого кальция чем в растворе, не подвергавшемуся обработке этим полимером. Считается, что дополнительный Ca²⁺ придает раствору дополнительные ингибирующие способности. С точки зрения функциональности, Mor-Rex™ - дефлоккулянт, что вполне соответствует размерам его молекул и анионному характеру полимера. Обычно концентрация Mor-Rex™ в известковых растворах составляет от 2 до 4 фунтов/баррель. Как и традиционный крахмал, Mor-Rex™ стабилен при температуре циркуляции до 200°F (93°C) и нуждается в бактерициде.

СИНТЕТИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ

Синтетические полимеры – это искусственные полимеры, синтезированные обычно из производных нефтепродуктов. В отличие от природных и модифицированных природных полимеров, синтетические полимеры «конструируют» из относительно малых молекул. Возможности создания новых полимеров практически не ограничены. Полимеры с заданными свойствами могут создаваться для применения почти в любых условиях. В зависимости от размера молекул и химического состава полимеры могут выполнять самые разнообразные функции. Часто синтетические полимеры получают путем полимеризации замещенных этиленов. В процесса полимеризации происходит добавление этиленовых групп к концу полимерной цепочки. На рисунке показано добавление к полимерной цепочке произвольной функциональной группы «А»:

СН₂ = СН

|

А

Обратите внимание на углерод-углеродный остов и неограниченные возможности замещения групп. Углерод-углеродный остов более стабилен, чем углерод-кислородный остов, обсуждавшийся ранее в разделе о полимерах на основе крахмала и целлюлозы. Углерод-углеродная связь устойчива к воздействию микроорганизмов, ее термостойкость превышает 700°F (371°C). Наиболее вероятно, что замещенные группы подвергнутся распаду раньше, чем углерод-углеродные связи.

Полиакрилат. Полимеризация акриловой кислоты с последующей нейтрализацией гидроксидом натрия позволяет получить полимер – натриевый полиакрилат (англ. сокл. SPA). Натриевый полиакрилат – это анионный полимер, который в зависимости от своего молекулярного веса может применяться в качестве дефлоккулянта или регулятора водоотдачи. При бурении скважины большое влияние на параметры раствора оказывает взаимодействие частиц шлама между собой. Флоккуляция – естественное свойство растворов (см. Рис. 13). В результате флоккуляции наблюдается общий рост реологических параметров раствора. Натриевый полиакрилат с малым молекулярным весом (менее 10 000) действует как дефлоккулянт.

Рис. 13. Флоккуляция бурового шлама.

Он имеет ярко выраженный анионный характер и адсорбируется химически активными частицами шлама. Адсорбированный полимер нейтрализует положительные заряды агрегированных частиц, в результате частицы начинают отталкиваться друг от друга и происходит дефлоккуляция. Эффективнее всего в качестве дефлоккулянта выступают полимеры с небольшими молекулами. Коротким полимерам легче адсорбироваться на поверхности частиц глины и нейтрализовать эффект флоккуляции, когда один полимер адсорбируется несколькими частицами (см. Рис. 14).

Рис. 14. Взаимодействие натриевого полиакрилата и глин.

Многие компании-производители буровых растворов в качестве своего основного дефлоккулянта для растворов с низким содержанием твердой фазы, недисперсных и иных полимерных растворов предлагают натриевый полиакрилат с низким молекулярным весом. Он может поставляться и в виде порошка, хотя обычно поставляется в виде жидкости.

Натриевый полиакрилат применяется в намного более низкой концентрации по сравнению с лигносульфонатами. Обычно концентрация этого полимера составляет от 0,25 до 1,0 фунтов/баррель; этого достаточно для управления реологическими характеристиками раствора. Натриевый полиакрилат не чувствителен к уровню рН и устойчив при температуре до 500°F (260°C). Он наиболее эффективен в полимерных растворах, однако иногда используется самостоятельно в растворах для забуривания и при бурении геотермальных скважин. Натриевый полиакрилат чувствителен к высоким концентрациям твердой фазы, так как он является ПАВ. Оптимальные условия для применения натриевого акрилата: емкость катионного обмена раствора до 20 фунтов/баррель бентонитового эквивалента, удельный вес раствора менее 12 фунтов/галлон. TACKLE® так же чувствителен к уровню растворимого кальция, однако он эффективен и в растворах на основе морской воды.

Сополимеризация.До сих пор в данной главе обсуждались только гомополимеры, т.е. полимеры, полученные из одинаковых составных частей (мономеров). Сополимеры можно получить при полимеризации более чем одного мономера. Сополимер содержит два или более типов мономеров. Свойства сополимера могут отличаться от свойств, которыми обладают составляющие его мономеры. Добавление новых мономеров открывает огромные возможности по созданию полимеров. Для придания особых свойств конечному продукту можно использовать сразу несколько мономеров. Например, один мономер может придавать сополимеру устойчивость к высокой температуре, другой – использоваться как ингибитор неустойчивых глин.

Примером сополимера является добавка TACKLE®. Он состоит из двух мономеров: натриевого акрилата (как и в SPA) и мономера, известного в химической промышленности под названием AMPS (2-акриламидо-2-метил-пропан сульфоновой кислоты). Мономер AMPS дает полимеру сульфонат-группу, способствующую повышению устойчивости к высокой температуре и твердой фазе, содержанию солей и жесткости воды. Сам по себе натриевый акрилат такими свойствами не обладает.

AMPS – достаточно дорогой мономер, однако он эффективнее ПАЦ и модифицированного крахмала в части придания полимеру устойчивости к высокой температуре и загрязняющим примесям.

Рис. 16. Мономер AMPS.

Благодаря мономеру AMPS, TACKLE® более устойчив к загрязнению и содержанию твердой фазы, нежели натриевый полиакрилат. Как и SPA, TACKLE® наиболее эффективен в полимерных системах с низким содержанием твердой фазы. В растворах в повышенным содержанием твердых частиц он не так хорошо контролирует вязкость. Однако TACKLE® более функционален в растворах на морской воде по сравнению с низкомолекулярным натриевым полиакрилатом.

SP-101® - это полиакрилат со средним молекулярным весом (±300 000), используемый в основном в качестве регулятора водоотдачи. SP-101® устойчив при высокой температуре >400°F (204.4°C), поэтому часто используется в геотермальных скважинах. Как и TACKLE®, он не чувствителен к уровню рН и не подвержен биоразложению, но восприимчив к загрязнению растворимым кальцием. Для эффективного действия SP-101® рекомендуется поддерживать концентрацию кальция на уровне 300 мг/л и ниже. Оптимальная рабочая среда SP-101® - это пресноводный раствор. Наиболее часто SP-101® применяется в недиспергированных растворах с низким содержанием твердой фазы и в полимерных системах, таких как ЧГПАА (PHPA). В дополнение к регулированию водоотдачи, SP-101® стабилизирует буровой шлам. SP-101® присоединяется к частицам глины, формируя вокруг них оболочку. Иногда при первом добавлении SP-101® наблюдается резкий скачок вязкости. Затем, когда концентрация этого полимера постепенно стабилизируется и формирование оболочек вокруг частиц глины завершится, вязкость раствора снижается. Обычно концентрация SP-101® составляет около 1 фунта/баррель, она может быть увеличена или снижена в зависимости от содержания твердых частиц. SP-101® - эффективный дефлоккулянт, особенно в скважинах с высокой температурой и в полимерных растворах. Несмотря на то, что SP-101® не снижает вязкость как TACKLE®, он оказывает стабилизирующее действие на реологические характеристики раствора при концентрации выше 1 фунт/баррель. SP-101® - высокоэффективный стабилизатор реологических характеристик пресноводных буровых растворов, включая растворы с ЧГПАА, он применяется при бурении геотермальных скважин, в растворах с низкой концентрацией твердой фазы и недиспергированных растворах.

Сополимер полиакриламид/полиакрилат.Этот сополимер часто называют частично гидролизованным полиакриламидом (ЧГПАА, англ. сокр. PHPA). Конечный продукт – ЧГПАА – тот же полимер, что образуется при сополимеризации полиакриламида/полиакрилата. Несмотря на то, что этот сополимер называют ЧГПАА, на самом деле он получается при сополимеризации мономеров акриламида и натриевого акрилата. Однако для простоты мы будем называть этот материал ЧГПАА. Свойства ЧГПАА зависят от его молекулярного веса и от пропорции между группами карбоксила и амида. В чистом виде полиакриламид нерастворим, поэтому для придания ему растворимости в воде полиакриламид подвергается сополимеризации натриевым акрилатом. В результате сополимеризации образуется анионный полимер, растворимый в воде. Пропорция между содержанием натриевого полиакрилата и акриламида в начале процесса определяет пропорцию между двумя функциональными группами конечного продукта. Ниже показаны два мономера, из которых состоит данный сополимер.

Во время сополимеризации два мономера связываются друг с другом беспорядочно, образуя линейный углерод-углеродный остов. В результате группы карбоксила и амида беспорядочно распределены вдоль остова. Такой сополимер изображен на Рис. 18. Обратите внимание, что благодаря углерод-углеродным связям полимер обладает великолепной термостабильностью и устойчивостью к воздействию микроорганизмов. Кроме того, следует отметить анионный характер полимера, т.е. его чувствительность к жесткости воды и катионным поверхностям глин.

POLY-PLUS®.Это наиболее части применяемый в буровых растворах ЧГПАА с высоким молекулярным весом; он состоит из 65 – 70% акриламида (остальные 35 – 30% составляет акрилат). Молекулярный вес составляет до 20 000 000. POLY-PLUS® применяется как ингибитор глин и обволакивающее средство для твердых частиц в растворах на основе пресной и морской воды, NaCl и KCl. Кроме ингибирования глин, POLY-PLUS® обволакивает частицы шлама и регулирует вязкость в пресноводных растворах. Ингибирующее действие ЧГПАА заключается в присоединении полимера к частицам глины; тем самым предотвращается гидратация и диспергирование глин. Анионные карбоксил-группы соединяются с положительно заряженными краями частиц. Так как этот полимер обладает высоким молекулярным весом и сравнительно длинной полимерной цепью, он может соединяться с частицами глины в нескольких местах. Благодаря этому вдоль ствола скважины образуется защитное покрытие, ограничивающее контакт глины с водой. Тот же эффект наблюдается и в отношении шлама. Полимер способствует изоляции частиц шлама, что позволяет более эффективно произвести очистку раствора на поверхности. ЧГПАА оказывает стабилизирующее действие на глину благодаря загущению жидкой фазы раствора. ЧГПАА увеличивает вязкость фильтрата, тем самым ограничивая глубину вторжения фильтрата в породу. Несмотря на то, что вода может проникнуть в породу достаточно глубоко, из-за быстрого роста капиллярного давления густой полимерный фильтрат встречает достаточно большое сопротивление. Это и позволяет снизить количество содержащейся в фильтрате воды, доступной для гидратации глины. В дополнение к этому, ограничивается способность фильтрата проникать в небольшие трещины или плоскость разрыва глинистого пласта. Как показали исследования, оптимальное соотношение между акриламидом и акрилатом в буровых растворах – 70:30. Такое отношение называют еще 30%-м гидролизом. Было установлено, что полимеры с высоким молекулярным весом обволакивают частицы глины лучше, чем полимеры с низким молекулярным весом.

Как обсуждалось ранее, для придания полиакрилату растворимости необходимо подвергнуть его сополимеризации с натриевым акрилатом. Однако 100%-ный полиакрилат не обладает такими же ингибирующими свойствами, какими он обладает в пропорции 70:30. Даже при таком же высоком молекулярном весе для стабилизации глин желательно, чтобы пропорция между мономерами равнялась 70:30. Считается, что полиакрилат с высоким молекулярным весом имеет слишком большое сродство с положительными зарядами частиц глины. Как и лигносульфонат, этот полимер соединяется с частицами глины в растворе и вдоль стенок скважины. В этот момент силы притяжения могут отдалить частицы глины друг от друга и вызвать дисперсию глины в растворе. Группа амида разводит анионные карбоксил-группы на некоторое расстояние от катионов на частицах глины. Если группы амидов и карбоксилов распределены по полимерной цепочке равномерно, большие размеры группы амида не позволяют карбоксил-группе подойти слишком близко к зарядам на поверхности глины и тем самым разрушить частицы. Группа акриламида имеет сродство с поверхностью глины, хотя эта водородная связь слаба по сравнению с сильным ионным взаимдействием между карбоксил-группой и положительно заряженными краями частиц глины. Группа акриламида способна образовывать водородные связи на поверхности глины. Хотя такие связи слабее ионных связей, образующихся по-соседству, они поддерживают взаимодействие между полимером и глиной и разводят свободные заряды на некоторое расстояние. В среде с высоким содержанием соли ЧГПАА сохраняет способность стабилизировать глины, хотя для загущения раствора концентрацию ЧГПАА следует увеличить. По мере увеличения содержания соли снижается степень гидратации ЧГПАА, и полимер остается в свернутом состоянии. Это ведет к ухудшению свойств этого полимера в качестве загустителя. ЧГПАА – анионный полимер, тем не менее он адсорбируется на стенках скважины. При добавлении в солевой раствор необходимо увеличить концентрацию ЧГПАА, чтобы добиться обволакивающего эффекта и загущения фильтрата. Так как солевые растворы, особенно растворы на KCl, сами по себе обладают способностью стабилизировать неустойчивые глины, солевой раствор с ЧГПАА должен обладать исключительными стабилизирующими характеристиками. Соль или хлорид калия обладает хорошими стабилизирующими свойствами, а ЧГПАА увеличивает вязкость фильтрата, ограничивая глубину вторжения в пласт. Один из недостатков ЧГПАА – это восприимчивость к уровню растворимого кальция. Как и полиакрилат, анионные карбоксил-группы реагируют с кальцием. Этот недостаток особенно сильно проявляется в пресноводных системах, где кальций может осадить полимер ЧГПАА и твердые частицы, на которых он адсорбировался. В некоторых случаях ЧГПАА действует как флоккулянт в присутствии кальция, особенно в буровых растворах с низким содержанием твердой фазы. При добавлении кальция в раствор с низкой концентрации твердых частиц начинается флоккуляция; твердая фаза выпадает из раствора и образует осадок. В растворах с высоким содержанием твердой фазы при добавлении кальция начинается флоккуляция, а вязкость раствора резко увеличивается. В солевых растворах ЧГПАА остается в свернутом виде, он не так восприимчив к флоккулирующему действию растворимого кальция; тем не менее он восприимчив (хотя бы в некоторой степени) к Ca2+. Так как Ca2+ вступает в реакцию непосредственно с анионной частью полимера, она становится недоступна для защиты ствола скважины. Иными словами, чтобы преодолеть влияние кальция потребуется больше полимера. В растворах с ЧГПАА рекомендуется поддерживать уровень растворимого кальция ниже 300 мг/л. Легче всего добиться этого в легких растворах с низким содержанием твердой фазы. При относительно высокой концентрации твердых частиц, например при плотности раствора более 10 фунтов/галлон и концентрации бентонита по MBT более 20 фунтов/баррель бентонитового эквивалента, уровень кальция контролировать труднее. Для удаления кальция из раствора необходимо ввести источник карбонатов, например кальцинированную соду или питьевую соду, в результате чего может произойти флоккуляция раствора. Здесь уместно провести аналогию с магниевым загрязнением: магний тоже присоединяется к анионным карбоксил-группам. Для удаления магния из раствора необходимо поднять уровень рН до 10,0 – 10,5. Так как реакция, протекающая при данном уровне рН, является обратимой, рН следует поддерживать на этом уровне, иначе магний снова может стать растворимым. Растворы с ЧГПАА – это недиспергированные системы, поэтому они недостаточно устойчивы при высоком уровне рН. Как любая недиспергированная система, при добавлении каустической соды раствор с ЧГПАА начинает флоккулировать. Гидроксид-ион (ОН-) обладает высокой активностью, он сразу же проникает в незащищенные частицы глины. В результате происходит то же, что и при добавлении каустической соды в раствор для забуривания, т.е. флоккуляция. Гидролиз полимера ЧГПАА протекает при любом уровне рН, однако при рН<10 интенсивность гидролиза невелика. И при рН равном 10 гидролиз не является полным, однако его следует избегать, так как при гидролизе выделяется газ аммиак (NH3). В действительности гидролиз при рН=10 протекает достаточно медленно, для прохождения реакции по всей длине свернутой полимерной цепочки требуется достаточно долгое время. Процесс можно ускорить, повысив температуру. Гидролиз заметно ускоряется при температуре выше 300°F (149°C).

• ⇐ Назад
• 47
• 48
• 49
• 50
• 51
• 52
• 535455
• 56
• 57
• 58
• 59
• 60
• 61
• 62
• Далее ⇒