3.4 Активация твердой фазы полимерами

Ранее отмечено, что ПАВ и полимеры так же, как и ионы, способны адсорбироваться на поверхности глинистых частиц.

Ориентирование ПАВ и полимеров идет по правилу уравнения полярностей Ребиндера: полярные группы обращаются к полярной фазе, а неполярные к неполярной фазе.

При адсорбции на поверхности твердого тела силикатного и алюмосиликатного типа (глинистое частицы) значительный вклад в адсорбционное взаимодействие вносит водородная связь между адсорбатом и адсорбентом. В этом отношении практический интерес представляет гидролизный лигнин и его производные. Известно, что наличие в структуре гидролизного лигнина значительного числа гидроксидных и эфирных групп обусловливает его способность к образованию водородных связей. Благодаря ярко выраженным сорбционным свойствам ароматических соединений, в частности лигнина, их склонности к процессам физической адсорбции, их способности подвергаться окислительно-гидролитическому расщеплению в кислой и щелочной среде и взаимодействовать с электрофильными реагентами лигнин оказывается отличным материалом для получения поверхностноактивных веществ, используемых для обработки глинистых частиц (разжижения и стабилизации буровых растворов). Большинство реагентов стабилизаторов - разжижителей являются производными от лигнина. Это ССБ, нитролигнин, игетан, окзил, ФХЛС и др.

Все ПАВ дифильны и при введении в раствор они адсорбируются на глинистых частицах гидрофобной (водородной) частью в сторону частиц, а полярной в сторону воды, за счёт чего увеличивается активность глинистых частиц. Активация частиц приводит к повышению толщины и уменьшению прочности сольватной оболочки, к снижению прочности структуры (разжижению) глинистого раствора.

Поверхностно-активные вещества используют не только для стабилизации твёрдой фазы, но и стабилизации эмульсий (глобул масла в воде). В этом случае неполярная (водородная) часть молекул ПАВ размещается в глобуле масла, а полярная в воде. В качестве эмульгаторов применяют также преимущественно ароматические соединения: УФЭ8, ОПИ, ОП7, ОП10, сульфонол, НП.

Активацию глинистых частиц с целью стабилизации раствора проводят и высокомолекулярными полимерами. Эти полимеры могут адсорбироваться не только на поверхности полярных (заряженных) частиц, но и при отсутствии на них потенциала. Высокомолекулярные полимеры при незначительной их концентрации используют в качестве понизителей вязкости, при значительной - в качестве структурообразователя, для повышения прочности структуры и понижения водоотдачи.

На рис. 3.3 показана зависимость прочности структуры и водоотдачи 4%-го бентонитового раствора от концентрации щелочного полимера (метаса).

При введении в раствор небольшого количества полимера (≈0,025%). под воздействием активность и толщина гидратного слоя глинистых частиц повышается, а прочность структуры раствора понижается.

При увеличении концентрации метаса (до ≈ 0,05 %) на частицах глины образуется второй (гидрофобный) слой метаса. Толщина гидратного слоя уменьшается, а её прочность возрастает, прочность структуры также возрастает. В растворе появляются флокулы-агрегаты глинистых частиц.

При дальнейшем повышении концентрации полимера адсорбируется третий (гидрофильный) слой. Вновь наблюдается понижение прочности структура раствора. Однако вследствие увеличения толщины адсорбированного слоя прочность сцепления макромолекул полимера с частицами глины понижается. Основная часть метаса поступает в объем раствора (а не адсорбируется на глинистых частицах). Поэтому процесс мобилизации третьего слоя и снижение прочности структуры раствора происходят менее активно, чем при адсорбирования первого слоя .

Рис. 3.3. Зависимость прочности структуры и водоотдачи 4%-ного бентонитового раствора от концентрации метаса.

Интересно, что показатель фильтрации раствора с увеличением концентрации метаса все время понижается как в области активаций глинистых частиц, так и в

области их дезактивации (рис. 3.3). Это связано с тем, что с увеличением концентрации метаса в растворе увеличивается толщина и плотность полимерной пленки на фильтре.

М ногие полимеры вследствие их высокой гидрофильности слабо адсорбируются на глинистых частицах. Они служат только как структурообразователи для повышения прочности структуры и снижения вязкости бурового раствора. К таким полимерам относится и гидролизованный полиакриламид (ГПАА).

Рис. 3.4. Зависимость прочности структуры θ и водоотдачи 6%-ного бентонитового раствора от концентрации ГПАА

На рис. 3.4 показана зависимость прочности структуры и водоотдачи от концентрации ГПАА. Из графика видно, что даже при малых концентрациях полимера наблюдается значительное повышение прочности структуры раствора.

Такие полимеры способны адсорбироваться только под воздействием сильного силового поля (стенок скважин, стенок бурильных труб).