5.6. 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 [2]. В этом отношении практический интерес представляет гидролизный лигнин и его производные. Известно [37], 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 и понизителя водоотдачи.
На рис. 5.4 [17] показана зависимость прочности структуры 4%-го бентонитового раствора от концентрации щелочного полимера (метаса).
При введении в раствор небольшого количества полимера (≈0,025%). под воздействием щёлочи и первого адсорбированного слоя метаса 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 адсорбировании первого слоя.
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. 5.4). Это связано с тем, что с увеличением концентрации метаса в растворе увеличивается толщина и плотность полимерной пленки на фильтре.
Многие 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.5.4. Зависимость прочности структуры и водоотдачи 4%-го бентонитового
раствора от концентрации метаса.
На рис. 5.5 [17] показана зависимость прочности структуры и водоотдачи от концентрации ГПАА. Из графика видно, что даже при малых концентрациях полимера наблюдается значительное повышение прочности структуры раствора.
Рис.5.5. Зависимость прочности структуры и водоотдачи в 6%-го бентонитового раствора от концентрации ГПАА.
Такие полимеры способны адсорбироваться только под воздействием сильного силового поля (стенок скважин, стенок бурильных труб).