Руководство для обучения инженеров по буровым растворам - часть 41

 

 

Если  необходима  очень  низкая  водоотдача,  крахмал  более  эффективен,  чем  КМЦ. 

Если необходимо улучшение удерживающей способности бурового раствора, КМЦ более 
эффективен, чем крахмал или Р-101.  При наличии чрезвычайно высокой минерализации, 
крахмал или ципан более эффективны, чем КМЦ. 

1. Можно ли использовать его в присутствии кальция? 
2, Можно ли использовать его при высокой минерализации? 
3. Нужно ли использовать вместе с ним антикоагулянт? 
4. Является ли он термостойким по отношению к имеющимся или предполагаемым 

температурам? 

5. Будет ли он повышать вязкость? 
6. Будет ли он удерживать во взвешенном состоянии утяжелитель при минимальном 

содержании твёрдой фазы? 

7. Является ли он чрезвычайно дорогостоящим для данной операции? 
8. Является ли он самым эффективным в данных условиях? 
 

 

 

ГЛАВА  7. 

Технология полимеров 

Более  глубокие  знания  полимеров  и  их  химического  состава  позволяют  расширить 

их применение и повысить эффективность бурения. 

 

Основы полимеров и их химической технологии 

Введение

. 

За  последние  10  лет  популярность  применения  полимеров  в  качестве  добавок  к 

буровым  растворам  значительно  возросла,  несмотря  на  то,  что  они  в  течении  30  лет 
применяются  для  регулирования  водоотдачи  буровых  растворов.  Водорастворимые 
полимеры  нашли  широкое  и  многообразное  применение  в  нефтяной  промышленности. 
Очевидные  преимущества  растворов  низким  содержанием  твёрдой  фазы  делает 
экономически выгодным их применение в качестве: 

1. Загустителей. 
2. Флокулянтов. 
3. Регуляторов водоотдачи 
4. Стабилизатора глинистых сланцев. 
5. Дбавок к жидкостям гидроразрыва. 
6. Повышающих нефтеотдачу пластов добавок. 
Концепция  полимеров  и  их  химических  реакций  довольно  обширна.  Многие 

полимеры 

имеют 

двойную 

функцию. 

Настоящая 

глава 

посвящена 

только 

водорастворимым органическим полимерам и механизму их  действия в растворах. Такие 
добавки,  как  лигниты,  лигносульфонаты  и  полифосфаты  считаются  полимерами,  однако 
нами они не рассматриваются. 

Ввиду того, что в основе химии полимеров лежит органическая химия, перед тем как 

приступить  к  изучению  полимеров,  остановимся  на  принципах  и  основных  понятиях 
органической химии. 

 

Химия  полимеров 

Определения и теория полимеризации 

Термин  “полимер”  происходит  от  слова  “поли”,  что  значит  много,  и  “мер”,  что  

значит часть или сегмент. Отсюда, полимер - это большая (макро) молекула, состоящая из 
повторяющихся  небольших  простых  химических  элементов.  Этот  повторяющийся 
небольшой  элемент  называется  мономером и, как  правило,  имеет  жидкий молекулярный 
вес.  Вспомним,  что  молекулярный  вес  химического  соединения  равен  сумме  атомных 

 

 

весов  составляющих  соединение  элементов.  Эти  гигантские  молекулы  называются 
полимерами  (или  высокими  полимерами),  что  значит,  что  их  молекулярный  вес 
превышает 10000 и содержит, по крайней мере, 1000 повторяющихся элементов простой 
структуры.  Средний  молекулярный  вес  большей  части  синтетических  полимеров  равен 
50000-200000. 

 

 

Существует  группа  химических  соединений,  называемых  олигомерами,  которые 

занимают промежуточное положение между мономерами и полимерами. Олигомеры, где 
«олиго»  означает  немного,  это  полимеры  или  полуполимеры,  содержащие  небольшое 
количество структурных или повторяющихся элементов. 

Для  того,  чтобы  написать  формулу  полимера  используют  эмпирическую  формулу 

этой  степени  полимеризации.  Простейшим  полимером  является  полиэтилен (С

2

Н

4

)  ,где 

молекулярный  вес  этилена  равен  28,  и  если  «n»    равно  1000,  то  молекулярный  вес 
полиэтилена  будет  равен  28000.  Мономер  этилена  имеет  двойную  связь,  которая 
утрачивается в процессе полимеризации. 

 

Результирующий полимер, полиэтилен, состоит из длинной цепи повторяющихся 

элементов 

 

Другими  примерами  полимеризации  могут  служить  превращение  пропилена    в 

пропилен  и  стирола  в  полистирол.  Полимеризацию,  т.е.  процесс  соединения  большого 
числа  небольших  молекул  в  одну  большую  молекулу,  можно  разделить  на  два  типа: 
присоединение (цепная реакция) и конденсация (ступенчатая реакция), каждая из которых 
будет рассматриваться отдельно. 

 

Это можно записать в виде СН

2

= СНR , где повторяющимся элементом является: 

 

где   R = СН

3

 для полипропилена 

где для спирола R = С

6

Н

5

 

 

 

 

Полимеризация ненасыщенных мономеров, не сопровождается 

выделением

 

низкомолекулярных побочных продуктов 

Такая  полимеризация  происходит  путем  открытия  двойной  связи  ненасыщенного 

углерода  с  образованием  эхимически  активных  участков  на  концах  растущей  цепи.  Это 
цепная реакция, состоящая из трёх отдельных этапов, завершающих полимеризацию. Этот 
тип реакции иллюстрируется полимеризацией свободных радикалов. 

Инфицирование 

 

Распространение 

 

 
 
Завершение 

 

 

Первым  этапом  полимеризации  является  инициирование,  т.е.  активация  молекулы 

перед  цепной  реакцией.  Этот  этап  завершается  образованием  свободных  радикалов. 
Свободный  радикал  -  это  часть  молекулы,  имеющей  непарный  электрон,  как  правило, 
недолговечный, но способный инициировать реакцию. 

Свободные  радикалы  образуются  тепловыми,  световыми,  высокоэнергетичными 

электронами  или  рентгеновскими  лучами.  Тепло  используется  прежде  всего  по 
экономическим 

соображениям. 

Химическими 

соединениями, 

чаще 

всего 

использующимися  в  качестве  инициаторов,  являются  перекиси  (перекись  водорода, 
перекись  бензоила)  хотя  могут  использоваться  и  химические  соединения  азо.  После 
образования  свободного  радикала  (  начинается  второй  этап  -  распространение,  т.е. 
построение цепи. На этом этапе свободный радикал атакует двойную связь и непрерывно 
удлиняет  цепь,  в  то  время  как  свободный  радикал  становится  последним  звеном  цепи, 
несущим  непарный  электрон.  Распространение  продолжается  по  тех  пор,  пока  два 
активных конца (свободных радикала) сталкиваются друг с другом и процесс образования 
цепи завершается. 

Конечный этап - завершение - происходит путём переноса атома водорода в качестве 

свободного  радикала  в  растущий  конец  цепи,  где  имеется  другой  свободный  радикал. 
Обозначив мономер букв «М», названные этапы можно представить следующим образом: 

Инициация                                R:R   2R• 
                                                    R•+M   RM 
Распространение 

              RM• + nМ    R (М)

n

М• 

Завершение 

                          R (М)

n

М•+•M(М)

n

R   R (М)

n

 : (М)

n

R 

                                                                (или Н•) 
Такая цепь может вырасти до очень больших размеров или же остаться небольшой В 

результате  реакций  полимеризации  ненасыщенных  мономеров,  не  сопровождающихся 

 

 

выделением  низкомолекулярных  побочных  продуктов,  получаются  полимеры  со 
значительно  более  высоким  молекулярным  весом  чем  при  реакциях  конденсации,  и 
совершенно  другими  физическими  и  механическими  свойствами.  Полимеризация  -  это 
функция  концентрации  инициатора,  температуры  во  время  реакции  и  типа  мономера. 
Скорость  реакции  полимеризации  ненасыщенных  мономеров,  не  сопровождающейся 
выделением  низко-молекулярных  побочных  продуктов,  чрезвычайно высока  (с обычным 
высвобождением относительно больших объёмов тепловой энергии). 

Ниже  приводится  пример  реакции  полимеризации  винила  хлорида,  в  результате 

которой  получается  вещество,  широко  использующееся  в  производстве  пластиковой 
плёнки, трубных изделий и обивочного материала. Этот полимер в его завершенном виде 
может  иметь  такой  порядок  соединения  цепей:  голова-к-голове  или  голова-к-голове-
хвост- к-хвосту. 

Другими  полимерами, получающимися  в  результате  полимеризации ненасыщенных 

мономеров, не сопровождающейся выделением низкомолекулярных побочных продуктов, 
являются: 

Поливинилацетат 

 

и полиакрилонитрил: 

 

Более сложная структура получается в результате полимеризации двух мономеров с 

образованием  сополимера.  Эта  структура  состоит  из  расположенных  вдоль  цепи 
мономеров.  Многие  из  применяемых  в  бурении  синтетических  полимеров  являются 
сополимерами,  следовательно  являются  жизненно  необходимыми  для  нефтяной 
промышленности.  Сополимеры могут иметь четыре основных структуры: 

 

 

Конденсационные полимеры 

Мы видим, что в аддитивных полимерах основная структура мономера сохраняется в 

полимере.  Однако,  в  большинстве  конденсационных  полимеров  результирующей 
конечной  структурой  является  полимер  с  повторяющимися  элементами,  содержащими 
меньшее число атомов, чем мономер. В процессе этих реакций вода, как правило, является 
побочным  продуктом.  При  конденсационной  полимеризации  не  требуется  инициатор,