Дисперсные системы и промывочные жидкости - Растворы полимеров

Растворы полимеров

Полимерный раствор как промывочная жидкость представ­ляет собой слабоконцентрированный раствор полимера в воде, который, не имея четко выраженной поверхности раздела меж­ду компонентами, обладает рядом свойств, присущих коллоид­ным системам. Обеспечивая устойчивость стенок скважины, сложенных глинистыми и глиносодержащими породами, такие растворы обладают и рядом других положительных свойств: повышают скорость бурения, сохраняют коллекторские свойства проницаемых горных пород, снижают гидравлические сопротив­ления, оказывают смазывающее действие, имеют несколько по­вышенную несущую способность по сравнению с водой.

Полимерные растворы используются как ингибирующие, но чаще их применяют в качестве маловязкой структурной основы других промывочных жидкостей. Прочие положительные свой­ства полимерных растворов обусловливают их применение в качестве целевых добавок в другие промывочные жидкости.

Механизм действия полимеров как ингибиторов очень сло­жен и до сих пор недостаточно изучен. Предполагается, что между свободными валентностями решетки глинистых минера­лов и молекулами полимеров возникает электростатическое взаимодействие и это препятствует гидратации глины.

Вид полимера и его концентрация зависят от степени мине­рализованности и рН водной основы и пластовой жидкости. По­лимеры коагулируют в концентрированных растворах хлори­стого кальция и других поливалентных солях, но в различной степени. Наиболее устойчив полиакриламид, менее устойчивы гипан, метас, К-4, К-9, поэтому их применяют с кальцинирован­ной содой или фосфатами. Концентрация полимеров в поли­мерных растворах составляет 0,05—1,5%, кальцинированной соды и полифосфатов —1—2%. При частой перемежаемости пород применяют комбинации полимеров, причем общая их кон­центрация не превышает 2%.

Параметры полимерных растворов: р = 1,0÷1,02 г/см³, Т=15 с, В= 12÷35 см³. Растворы полимеров имеют понижен­ное поверхностное натяжение   (до 47 мН/м).

В процессе бурения концентрация полимера в растворе уменьшается, так как часть его теряется при взаимодействии с горными породами. Концентрацию полимеров в растворе в полевых условиях не определяют, ее оценивают по характеру изменения вязкостных свойств раствора. Порошкообразные по­лимеры можно вводить в холодную воду.

Ингибирующее действие полимерных растворов усиливают введением солей-ингибиторов. Область применения растворов в таком случае расширяется и они переходят в группу комбини­рованных. Сюда следует отнести в первую очередь соли алюми­ния, железа, а также жидкое стекло в концентрациях 0,1—1,5%. Полимерные растворы на основе акриловых полимеров назы­вают акриловыми. Например, полимерный алюмоакриловый раствор.

В полимерные растворы добавляют также хромлигносульфонат, феррохромлигносульфонат, УЩРи их комбинации, что повышает стабильность растворов, расширяет область их при­менения. Для придания ряда новых технологических свойств в полимерные растворы можно также добавлять поверхностно-активные вещества.

Водные растворы поверхностно-активных веществ

Водные растворы ПАВ применяют при бурении в твердых породах. Впервые ПАВ стали использовать для понижения твер­дости горных пород, позже — для повышения стойкости поро-доразрушающего инструмента.

Большинство ПАВ хорошо растворяются в воде. Процесс введения их сводится к заливке расчетного количества ПАВ в приемную емкость с легким перемешиванием вручную. Даль­нейшее перемешивание происходит в процессе циркуляции раст­вора в скважине. Растворы ПАВ являются простейшими, но эффективными промывочными жидкостями.

В последние годы все большее распространение получают водные растворы ПАВ комплексного действия, так называемые поверхностно-активные антифрикционные добавки ПААД. Сюда относятся высшие жирные спирты, соапсток, сульфонол, суль­фатное мыло и ряд других. Антифрикционные свойства таких растворов позволяют значительно увеличить частоту вращения бурильного инструмента, что вместе с эффектом понижения прочности горных пород приводит к существенному росту тех­нико-экономических показателей: механическая скорость увели­чивается в 1,26—1,65 раза, проходка на коронку — в 1,15— 1,86 раза, себестоимость бурения снижается на 24—32%. Кон­центрация ПААД в растворах составляет 0,05—3%.

ПАВ обладают избирательным действием, поэтому вид ве­щества и его концентрацию подбирают применительно к кон­кретным условиям с учетом его эффективности и устойчивости. В процессе бурения поверхностно-активные вещества адсорби­руются на стенках скважины и частицах выбуренной породы и концентрация их постепенно уменьшается. В связи с этим ПАВ вводят с некоторым запасом и в последующем периодически добавляют их.

Рабочую концентрацию поверхностно-активного вещества выбирают по его изотерме поверхностного натяжения. Необхо­димо выбирать интервал концентраций, примыкающий к обла­сти незначительного изменения поверхностного натяжения. На рис. 38 для примера приведена изотерма поверхностного натя­жения сульфонола с рабочей зоной концентрации.

Концентрация ПАВ контролируется методом счета капель, вытекающих из трубки сталагмометра. Сущность его заклю­чается в том, что для каждого ПАВ имеется своя зависимость числа капель, получающихся из I см³ раствора, от величины поверхностного натяжения. В то же время каждому ПАВ свой­ственна и своя зависимость изменения поверхностного натяже­ния от концентрации. Таким образом, число капель характери­зует концентрацию ПАВ.

В растворы ПАВ можно добавлять небольшие количества электролитов-ингибиторов и полимеров. В результате получаются комбинированные гомо­генные системы, обладающие оптимальными для конкрет­ных условий свойствами. Ком­бинированные растворы и рас­творы ПАВ часто используют­ся как основа для получения естественных промывочных жидкостей (на базе выбурен­ных пород), а также для дру­гих дисперсных промывочных систем.

Растворы некоторых поверхностно-активных веществ трудно определенным образом отнести к тому или иному типу промывочной жидкости. Их можно назвать и истинными растворами ПАВ и эмульсионны­ми жидкостями.

Гомогенные промывочные жидкости на водной основе мож­но аэрировать. Тогда они переходят в группу дисперсных си­стем (аэрированных жидкостей и пен).