Начинается...

Применение интерполимерного комплексообразования для создания солестойких бентопорошков, применяемых в качестве структурообразователей в минерализованных буровых растворах

Применение интерполимерного комплексообразования для создания солестойких бентопорошков, применяемых в качестве структурообразователей в минерализованных буровых растворах

В настоящее время, в связи с активным вовлечением в разработку месторождений Восточной Сибири, геологический разрез которых представлен чередующимися карбонатно-хемогенными породами и осложнен протяженными отложениями каменной соли, весьма актуальна проблема разработки и внедрения качественно новых структурообразователей промывочных жидкостей, водная фаза которых насыщена солями натрия или кальция. При этом, структурообразующие агенты должны быть устойчивы не только к введению неорганических солей после предварительного диспергирования в пресной воде, но и обладать способностью к гидратации и образованию пространственной сетки дисперсных частиц или макромолекул в высокоминерализованной дисперсионной среде. Важными факторами являются также небольшой удельный расход структурообразователя, его стоимость и способность контролировать фильтрационные свойства бурового раствора.

Существует большое количество исследований, свидетельствующих об эффективности оксиэтилированных полимеров при стабилизации заряженных гидрозолей в условиях повышенной ионной силы водной фазы в присутствии фона индифферентных катионов щелочных и щелочноземельных металлов. Эффективность таких полимеров с точки зрения обеспечения коагуляционной устойчивости гидрозолей пропорциональна степени разветвления макромолекул, длине полиоксиэтиленовых цепочек, количеству кратных связей в углеводородных радикалах. В работах [1 – 3] предложен следующий механизм антикоагуляционного действия полиэфиров: наличие у эфирных атомов кислорода неподеленных электронных пар приводит к образованию водородных связей молекул простых полиэфиров с поверхностными силанольными группами глинистых минералов, что и обеспечивает хемосорбцию молекул полиэфиров на поверхности глинистых минералов. Реализация сорбционного фактора устойчивости возможна также в результате осмотического удаления воды с поверхности глинистого сланца [4, 5].

Например, в работе [6] показано, что молекулы некоторых полиэфиров изоморфны по отношению к поверхности монтмориллонита и обладают большей адсорбционной активностью, по сравнению с молекулами воды. Введение простых полиэфиров и их производных в бентонитовую суспензию способно изменить характер ее реологического поведения. Например, при введении в суспензию бентонита полиэтиленгликоля (ПЭГ) в комбинации с высшими жирными кислотами (С14 – С18) система приобретает ярко выраженные псевдопластические свойства, что обусловлено изменением структуры воды макромолекулами ПЭГ [7].

Суспензии бентонита, стабилизированные смесями простых полиэфиров и анионных производных полисахаридов [8, 9], обладают повышенной седиментационной устойчивостью в присутствии солей щелочных, щелочноземельных и поливалентных металлов в результате специфических взаимодействий между гибкими полиэфирными цепочками и макромолекулами полиэлектролита (ПЭ). Суть механизма ассоциации заключается в том, что полиэфирные цепочки являются аналогами краун-эфиров [10], но, в отличие от них, имеют незамкнутую линейную структуру; тем не менее, обладая большой гибкостью, они способны связывать в растворах различные катионы.

Обертывая ион металла, полиоксиэтиленовая цепочка превращается в ассоциированное катионное ПАВ, способное к электростатическому взаимодействию с анионным ПЭ – донором катионов. Таким образом, за счет образования водородных, ион-дипольных межмолекулярных связей, полиэфиры модернизируют полимерные загустители, значительно улучшая показатели промывочных жидкостей. Состояние полиоксиэтиленовой цепочки в водных растворах обуславливается числом мономерных звеньев (n). Так, полиэфиры с n<9 имеют зигзагообразную конформацию, а при n>9 – извилистую (меандровую); при этом, в извилистой конформации полиоксиэтиленовые цепочки образуют спираль, в которой, за счет уменьшения расстояния между атомами углерода и кислорода, происходит образование новых внутримолекулярных связей [11, 12].

Таким образом, можно представить механизм устойчивости бентонитовых суспензий, модифицированных анионными полиэлектролитами (натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы (NaКМЦ)), к концентрационной коагуляции. Так, в работе [13] показано, что в образующихся интерполимерных комплексах полиоксиэтиленовые фрагменты полиэфирных макромолекул, посредством ион-дипольных взаимодействий с ионами Na+, электростатически координируются вокруг карбоксилатных групп NaКМЦ, образуя гидрофобные участки. Оставшиеся свободными цепочки из оксиалкиленовых (оксиэтиленовых и оксипропиленовых) структурных звеньев обеспечивают гидрофильность интерполимерного комплекса.

Показано также, что в присутствии полиэфиров при введении в бентонитовую суспензию, стабилизированную NaКМЦ, до 8%мас. хлорида кальция ингибируются процессы коагуляции и показатель фильтрации практически не увеличивается.

При изучении процесса диспергирования бентопорошка в минерализованной водной фазе, содержащей индифферентный электролит, определяющее значение играет диссоциация силанольных групп (Si-OH), за счет которой бентонитовая поверхность приобретает отрицательный заряд, и частицы становятся способны к гидратации и пептизации с образованием гидрозоля. Так как силанольные группы проявляют слабокислотные свойства, то степень диссоциации повышается с увеличением уровня рН водной фазы. В щелочной области рН дисперсные частицы бентонита можно приближенно рассматривать в качестве полианиона способного к интерполимерному взаимодействию с катионными ПАВ. В присутствии гибкоцепного полиэфира, характеризующегося высокой скоростью растворения, происходит ассоциация противоионов в подандный (краунподобный) поликатион, образующий на поверхности частиц бентонита, за счет электростатических сил, защитные адсорбционные слои, обеспечивающие гидратацию дисперсных частиц и препятствующие концентрационной коагуляции:

Ориентация структурного звена подандного поликатионного ассоциата на бентонитовой поверхности

Дисперсные частицы бентонита в присутствии оксиэтилированных полимеров при повышенной ионной силе водной фазы в значительной степени сохраняют электрокинетический потенциал достаточный для обеспечения существования гидрозоля. По-видимому, это происходит в результате низкой диффузионной и электрофоретической подвижности ассоциированных поликатионов, формирующих диффузную часть двойного электрического слоя, толщина которой и, соответственно, и положение плоскости скольжения слабо зависят от концентрации коагулирующего электролита.

На рис.1–3 показана зависимость эффективной вязкости ( ), динамического напряжения сдвига ( ) и показателя фильтрации ( ) бентонитовых суспензий, полученных при диспергировании стандартного бентопорошка ПБМА и бентопорошка модифицированного оксиэтилированной полимерной присадкой ПБМА-Э в водной фазе, содержащей различные концентрации хлориданатрия.

Рис. 1. Зависимость эффективной вязкости 6%-ных суспензий стандартного бентопорошка ПБМА и оксиэтилированного бентопорошка ПБМА-Э, затворенных на минерализованной воде (на ротационном вискозиметре FANN при 600 об./мин.)

Рис. 2. Зависимость динамического напряжения сдвига 6%-ных суспензий стандартного бентопорошка ПБМА и оксиэтилированного бентопорошка ПБМА-Э, затворенных на минерализованной воде (на ротационном вискозиметре FANN при 600 об./мин.)

Рис. 3. Зависимость показателя фильтрации (по API) 6%-ных суспензий стандартного бентопорошка ПБМА и оксиэтилированного бентопорошка ПБМА-Э, затворенных на минерализованной воде

Оксиэтилированный бентопорошок ПБМА-Э при затворении в водной фазе с различной степенью минерализации диспергирует с образованием устойчивого гидрозоля с низким показателем фильтрации и удовлетворительными реологическими характеристиками. Следует также отметить, что суспензии на основе оксиэтилированных бентопорошков характеризуются высокими псевдопластическими характеристиками, которые сохраняются, как в условиях минерализации водной фазы, так и при существенном разбавлении бурового раствора.

Ниже представлены уравнения течения суспензий бентонита ПБМА-Э, полученных в различных условиях:

  • 6%-ная суспензия ПБМА-Э в пресной воде: τ = 350 + 20,5∙ν0,12;
  • 3%-ная суспензия ПБМА-Э в пресной воде: τ = 69 + 1,4∙ν0,32;
  • 6%-ная суспензия ПБМА-Э минерализованной воде (300 г/л NaCl): τ = 59 + 1,4∙ν0,63.

В результате реализации псевдопластической модели течения буровые растворы на основе ПБМА-Э обладают оптимальной транспортирующей и выносящей способностями и обеспечивают качественную очистку ствола скважины от выбуренной породы. Таким образом, оксиэтилированный бентопорошок «ПБМА-Э» образует седиментационно устойчивые гидрозоли в минерализованных и соленасыщенных средах и поэтому может эффективно использоваться для бурения скважин в карбонатных и хемогенных отложениях, а также при наличии в разрезе протяженных интервалов каменной соли. При этом нет необходимости использовать палыгорскиты и прочие алюмосиликатные структурообразователи.

«ПБМА-Э» может использоваться для получения малоглинистых систем буровых растворов, обладающих ярко выраженными псевдопластическими характеристиками. Такие растворы являются эффективной альтернативой биополимерным системам при бурении пологих и горизонтальных скважин, а также стволов малого диаметра.

«ПБМА-Э» представляет также интерес для горизонтального бурения при строительстве подземных (подводных) переходов, так как обладает высокой скоростью затворения в холодной воде с переменной концентрацией минеральных солей, образует высоковязкие устойчивые суспензии с пониженной концентрацией твердой фазы и обеспечивает устойчивость стенок горизонтального ствола, «армируя» его прочной и эластичной фильтрационной коркой.

«ПБМА-Э» полностью экологически безопасен и производится на основе природного сырья без использования синтетических полимеров и солей тяжелых многозарядных катионов. Поэтому данный продукт оптимален при бурении скважин в природоохранных зонах, в условиях безамбарного бурения, а также на морских буровых платформах, когда затворение промывочной жидкости производится непосредственно на морской воде.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Косяк А. В. Разработка минерализованных и ингибированных буровых растворов с применением гетероциклических спиртов для бурения скважин в сложных горно-геологических условиях. – Дисс. канд. техн. наук. – Волгоград, 1990. – с. 150.
  2. Комяков Ю. А. Высокоингибированные растворы на водной основе с реагентом Т-66//Технология бурения и испытания скважин в условиях подсолевых и рифогенных отложений: Сб. научн. трудов./ Ю. А. Комяков, А. В. Косяк, И. С. Нестеренко – М., 1982. – с. 3–6.
  3. Косяк А. В., Ананьев А. Н., Комяков Ю. А. Исследование механизма регулирования свойств буровых растворов реагентом Т-66// Нефтяное хозяйство. – 1984. – №11. – с. 14–17.
  4. Патент США, МПК6 С 09 К 7/02. Drilling Mud lubr / Gilbert N., Otto A. – № 5686395; заявл. 20.06.1996; Опубл. 29.09.1997.
  5. Патент РФ, МПК6 C09 K7/02. Буровой раствор для бурения в обваливающихся породах/Андресон Б. А., Бочкарев Г. П. Мударисов М. И.Фатхутдинов И. Х., Огаркова Э. И. – № 97108495/03; заявл. 22.05.1997; Опубл10.05.1999.
  6. Теория и эксплуатационная характеристика систем ХФ100//Хайдрафлюидзинтернэшнллтд: Технический бюллетень. – М. – 1989. – с. 2–5.
  7. Патент РФ, МПК6 С 09 К 7/02. Псевдопластичный буровой раствор/Острягин А. И., Пеньков А. И., Растегаев Б. А., Вахрушев Л. П., Кошелев В. Н., Рекин А. С. – № 98105974/03; заявл. 14.11.1997; Опубл. 01.12.1998.
  8. Хилл О. Классификация флюидных систем// WorldOil. – 1997. – №6. – Р.77 – 116.
  9. Шабанова Н. А., Силос И. В. Взаимодействие неионогенных ПАВ с анионными полиэлектролитами// Коллоидный журнал. – 1991. – Т.53, №1. - с. 164-167.
  10. Хираока М. Краун-соединения. – М.:Мир. – 1986. – с. 33–37.
  11. Бэгар В. А., Афонин В. В., Григорьев А. В. Термозависимые структурные перестройки оксиэтилированных ПАВ// Коллоидный журнал. – 1991. – Т.53, №1. – с. 113–117.
  12. Гуща Т. О., Поп Г. С., Сперкач В. С. Акустическая релаксация водных растворов оксиэтилированныхдиизононилфенолов// Коллоидный журнал. – 1993. – Т.55, №5. – с. 50–57.
  13. Беленко Е. В. Физико-химическая механика полимер-бентонитовых буровых растворов, модифицированных полиэфирными реагентами. М.: Спутник+. – 2005. – с. 88.

Скачать статью в формате pdf →