Глава 3 полимеры и полимерные промывочные жидкости

Как отмечено в разделе «Глинистые растворы» наиболее эффективными промывочными жидкостями являются буровые растворы с минимально возможной вязкостью, плотностью, водоотдачей и хорошей смазывающей способностью. Этим требованиям удовлетворяют полимерные промывочные жидкости. Они позволяют (при добавлении различных реагентов) перебуривать осложненные зоны различной сложности при высокой механической скорости бурения.

Полимерами называют соединения, молекулы которых состоят из большого числа атомных группировок (звеньев), соединенных химическими связями в длинные цепи.

Число звеньев в цепях называют степенью полимеризации. Величина степени полимеризации для различных полимеров варьирует в широких пределах от нескольких десятков до 10000 и более. Полимеры с низкой степенью полимеризации называют олигомерами. Высокомолекулярные полимеры могут иметь молекулярный вес порядка 10⁴ – 10⁶.

3.1. Полимеры – структурообразователи

Для приготовления промывочных жидкостей применяют полимеры (биополимеры) с небольшими добавками бентонита или без них.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом накоплен большой опыт применения этих систем. Разработан целый ряд различных полимеров (полисахаридов, эфиров целлюлозы, полиакрилатов).

Природные структурообразователи. К природным структурообразователям относят полимеры- полисахариды - составные части древесины и их производные.

Древесина состоит из целлюлозы, лигнина и других полисахаридов, которые объединяются под общим названием "гемицеллюлозы". Кроме того, в древесине содержится жир, смола и т.д.

Примерный состав древесины показан в таблице.

Состав древесины

Состав	Ель, %	Береза, %
Целлюлоза	57,8	45,3
Лигнин	28,3	19,5
Гемицеллюлозы	15,5	29,4
Смола, воск, жир и др.	5,2	5,8

Целлюлоза (клетчатка) - наиболее распространённый в природе полисахарид, главная составная часть растений.

Почти чистой ( 90%) целлюлозой является хлопковое волокно (вата).

Химическая формула целлюлозы [C₆H₇O₂(ОН)₃]х, где х - степень полимеризации, х = 6006000. Её структурная формула:

Средний молекулярный вес 1000001000000.

Длина волокон до 40-50 мкм, плотность 1,52-1,54 г/см³.

Получают целлюлозу путём разрушения, растворения древесины и выделения из неё нецеллюлозных компонентов (лигнина) при сульфидной или сульфатной варке.

Целлюлоза в воде не растворяеся вследствие достаточно сильного межмолекулярного взаимодействия макромолекул, которое осуществляется многочисленными водородными связями. Для возможности ее растворения необходимо либо часть гидроксильных групп заменить более гидрофильными группами, обладающими способностью взаимодействовать с молекулами воды более активно, чем между макромолекулами, либо нейтрализовать часть гидроксильных групп и этим уменьшить взаимодействие между макромолекулами.

По первому варианту получают карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), по второму - метилцеллюлозу (ММЦ).

Карбоксиметилцеллюлозу [С₆H₇O₂(OH)_3-x(OCH₂COONa)_x] получают путём взаимодействия щелочной целлюлозы с монохлоруксусной кислотой. В отличие от целлюлозы КМЦ хорошо растворяется в воде благодаря привитию к цепи целлюлозы гидрофильных функциональных групп COONa.

Количество привитых функциональных групп (степень замещения- С3) в применяемых в буровой практике КМЦ составляет обычно 80-85% от числа гидроксильных групп.

Метилцеллюлоза [C₆H₇O₂(OH)_3-x(OCH₂)_x]_n имеет молекулярную массу 13-140 тыс., плотность 1,3 г/см³, растворяется в воде и органических растворителях, в горячей воде (свыше 50°С) выпадает в виде геля. Число привитых метаксильных гидрофобных групп составляет 26-33%.

Растворы метилцеллюлозы менее гидрофильны, чем КМЦ, но более устойчивы к агрессивным солям хлористого кальция и магния (до 10-15%).

Синтетические структурообразователи.

Существует большое количество синтетических полимеров. Наиболее активны (гидрофильны) производные полиакриловой кислоты (полиакрилаты).

Полиакриловая кислота [—СH₂—СH(СOOH)]_n ( n= 1000-6000) хорошо растворяется в воде и разбавленных растворах щелочей. Получают полимеризацией акриловой кислоты в воде или органических растворителях при концентрации мономера не более 25%, Применяют как эмульгатор при полимеризации стирола.

Полиакрилонитрил [—СH₂—CH(CN)]_n (n=300-1000) в воде слабо растворяется, в растворах щелочей деструктируется.

Для приготовления промывочных жидкостей используют обычно хорошо -растворимый в воде гидролизованный полиакрилонитрил (гипан) и реагент К-4, представляющие собой сополимеры акрилата натрия, акриламида, акрилонитрила и получаемые омылением полиакрилонитрила щёлочью

CH₂ СH(COONa) СH₂ СH(CONH₂) СH₂ СH(CN)

Полиакриламид (ПАА) [—CH₂ CH(CONH₂) СH₂  СH(CONH₂)]n с молекулярной массой от 3·10⁴ до 6·10⁶ растворяется в воде при температуре 40-50°С в течение 48ч. Применяют для регулирования структурно реологических свойств и понижения водоотдачи промывочных жидкостей.

Более активным является гидролизованный полиакриламид (ГПАА), в котором в результате гидролиза происходит замена менее гидрофильной функциональной группы CONH₂ на более гидрофильную группу СОО^-.

В результате гидролиза и добавок полярных электролитов получают агент PC-1, путём обработки ПАА щёлочью и триполифосфатом - РС-2, путём обработки ПАА щёлочью и кальцинированной содой - РС-4.

Из сополимеров полиакрилатов в буровой практике находят применение метас, сополимеры M-14 и Лакрис-20.

Метас - сополимер метакриловой кислоты и метакриламида, термостойкий (до 220°С) понизитель фильтрации.

М-14 - термостойкий сополимер метакриловой кислоты и метилметакрилата с молекулярной массой 0,6·10⁶ – 1·10⁶.

Лакрис-20 - высокотермостойкая модификация сополимера M-14.