Руководство для обучения инженеров по буровым растворам - часть 43

 

 

Чем выше степень замещения, тем выше устойчивость к воздействию минерализованной и 
жёсткой воды. РОLYРАС, имеющий аналогичную КМЦ структуру, имеет более высокую, 
чем КМЦ степень замещения в диапазоне от 09 до 1,0. Цена последних партий РОLYРАС 
несколько  выше,  т.  к.  увеличение  степени  замещения  повышает  стоимость  её 
производства. 

РОLYРАС имеет очевидные преимущества перед КМЦ в том, что его устойчивость к 

жёсткой воде гораздо выше, примерно +200 ч/млн., хотя рекомендуется при возможности 
снижать этот уровень до 500 ч/млн.  И КМЦ  и РОLYРАС имеют большую совместимость 
с NaCI, чем другие широко применяемые анионные полимеры. 

КМЦ  низкой  и  средней  вязкости,  как  правило,  получают  из  целлюлозы  древесной 

пульпы.  В  процессе  очистки  целлюлозы  древесной  пульпы  происходит  некоторая 
молекулярная  деградация,  понижающая  молекулярный  вес.  КМЦ  высокой  вязкости 
получают из хлопковых волокон, что повышает её стоимость. 

При правильном сшивании полимера КМЦ высокой вязкости можно получить из нее 

целлюлозы древесной пульпы. 

 

НЕС: (гидроксиэтилцеллюлоза) 

Гидроксиэтилцеллюлоза  -  другая  химическая  модификация  целлюлозы,  с  помощью 

которой  получают  водорастворимую  смолу.  НЕС  получают  путём  вымачивания 
целлюлозы в каустике, что придаёт ей химическую активность. После этого она вступает 
в  реакцию  с  окисью  этилена,  в  результате  чего  получают  гидроксиэтиловые  группы. 
Образование этих групп обеспечивает растворимость вещества в воде. Несмотря на то, что 
НЕС  является  неионным  соединением,  оно  растворяется  в  воде  вследствие  того,  что 
гидроксиэтил  увеличивает  водородную  связь,  что  в  свою  очередь  повышает 
растворимость. 

Способ присоединения окиси этилена к целлюлозе можно описать двумя терминами: 

степень замещения ( D.S. ) и молярное замещение (М.S.). Степень замещения обозначает 
среднее число позиций гидроксила на элементах целлюлозы, которые вступили в реакцию 
с окисью этилена. Максимальное значение D.S. равно 3. Молярное замещение это среднее 
число молекулы окиси этилена, вступивших  в реакцию с каждым элементом целлюлозы. 
После присоединения гидроксиэтиловой группы к каждому элементу, она может вступать 
в  реакцию  с  другими  группами  с  образованием  структуры  конец-к-концу.  Пока  имеется 
окись  этилена  реакция  может  продолжаться  и  теоретически  нет  предела  молярному 
замещению,  оптимальная  растворимость  в  воде  достигается  при  D.S.=0,9-1,0.  НЕС 
обладает  свойством  увеличивать  вязкость  при  очень  низкой  прочности  геля.  Вязкость 
НЕС  зависит  от  концентрации  НЕС,    времени,  температуры  и  содержания  солей. 
Небольшое  количество  каустической  соды  облегчает  гидратацию  полимера  и  быстрое 
увеличение вязкости. Для этих значений (D.S.) типичные значения М.S. изменяются от 1,5 
до 2,5. 

Реакция получения НЕС имеет следующий вид: 

 

Гидроксиэтилцеллюлоза 

НЕС  применяется  прежде  всего  для  загущения  буровых  растворов  на  основе 

рассолов.  В  меньшей  степени  НЕС  применяется  в  качестве  защитного  коллоида  и 
замедлителя схватывания цемента. Из НЕС получают такие вещества, как  POLYBRINE и 
КIа-Fгее.  Будучи  отличным  загустителем,  он  чувствителен  к  сдвигу  и  температурной 
деструкции.  Температурный  диапазон  применения  НЕС  составляет  225—250°F. 

 

 

Термочувствительность  НЕС  в  некоторой  степени  зависит  от  его  химических 
модификаций. 

Реологические 

свойства 

НЕС 

характеризуются 

сильной 

псевдопластичностью. 

НЕС  имеет  плохую  удерживающую  способность  и  не  образует  приемлемой 

прочности геля. Его. применение в качестве добавки к пакерным жидкостям ограничено. 

 

CMHEC

 и другие целлюлозные смолы 

Карбоксилметил 

гидроксиэтилцеллюлоза 

или 

СМНЕС 

представляет 

собой 

целлюлозный  полимер  с  двойным  замещением,  частично  содержащий  в  себе  свойства 
КМЦ  и  НЕС.  В  течение  более  20  лет  СМНЕС  применялась  в  качестве  альтернативной 
добавки,  замедляющей  сроки  схватывания  цемента,  или  же  в  качестве  регулятора 
водоотдачи.  Промышленных  марок  СМНЕС  немного  и  все  они  имеют  незначительную 
вязкость.  В  настоявшее  время  СМНЕС  редко  добавляется  в  буровые  растворы  т.к.  его 
экономическая эффективность ниже, чему у других полимеров. 

Чтобы  получить  СМНЕС  целлюлозу  вначале  вымачивают  в  щёлочи,  затем  она 

частично  вступает  в  реакцию  с  хлоруксусной  кислотой  и  затем  с  окисью  этилена.  В 
результате  этого  получается  вещество,  обладающее  свойствами  как  загустителя,  так  и 
регулятора водоотдачи, хотя его стоимость превышает стоимость и НЕС и КМЦ. 

Большое  количество  других  замещенных  целлюлозных  смол,  таких,  как 

метилцеллюлоза,  этилгидроксиэтилцеллюлоза,  сульфат  целлюлозы,  карбоксиметил  
карбоксиэтилцеллюлоза  и  т.д.,  было  получено  недавно  или  же  давно  применяются  в 
других отраслях промышленности. В настоящее время ни одна из этих целлюлозных смол 
не применяется широко в качестве добавки к буровым растворам. 

 

Крахмал 

Крахмал  -  это  резервный  углерод,  содержащийся  в  большей  части  растений.  Не 

смотря на сходство с целлюлозой, основные элементы крахмала всё же имеют некоторое 
различие.  Кислородные  связи  между  элементами  крахмала  в  основном  типа  альфа,  а  у 
целлюлозы - типа бета. Такое незначительное различие является причиной бактериальной 
деструкции крахмала и устойчивости к ферментации целлюлозы и производных смол. 

Злаковые крахмалы из кукурузы и пшеницы имеют самый низкий молекулярный вес, 

в  то  время  как  крахмалы  из  картофеля  и  тапиоки  —  самый  высокий.  Крахмал  можно 
разделить на две фракции — амилозу и амилопектин. MY-LO-JEL - это злаковый крахмал, 
в котором содержится 23—28% амилозы и 72—77% амилопектина. 

Как видно из приведенной ниже структурной формулы, амилоза представляет собой 

полимер  вытянутой  структуры  со  средним  молекулярным  весом  от  10000  до  20000  при 
осмотическом давлении. После обработки йодом цвет амилозы становится голубым. 

 

                                Амилоза 

Амилопектин,  формула  которого  приведена  ниже,  представляет  собой  сильно 

разветвленный  полимер  с  молекулярным  весом  по  разным  источникам  от  50000  до 
6000000, также при осмотическом давлении. После обработки йодом его цвет становится 
красно- фиолетовым. 

 

 

 

                                           Амилопектин 
Применяемые в бурении мокрые размолотые крахмалы, злаковые, картофельные или 

иные,  пептизировались  или  подвергались  предварительной  желатинизации  в  результате 
термической  обработки  при  температуре  140-180°F  (60-82°С)  в  присутствии  кислотного 
или щелочного  катализатора, разрывающего оболочку клетки крахмала, тем самым давая 
возможность  полимеру  диспергироваться.  Крахмал  -  это  незамещённый,  неионный 
полимер,  имеющий  линейную  основную  цепь  и  растворяющийся  при  высокой 
концентрации электролита. 

Крахмал  имеет  низкую  термостойкость,  а  его  структура  облегчает  бактериальную 

деструкцию. 

Основное 

его 

назначение 

- 

регулятор 

водоотдачи 

в 

буровых 

соленасыщенных  растворах.  В  этих  же  растворах  он  применяется  и  в  качестве 
загустителя.  Крахмал  не  может  регулировать  водоотдачу  при  температуре    на  забое, 
превышающей 250°F ( 120°С). 

POLY-SAL- 

это 

эхимически 

модифицированный 

картофельный 

крахмал, 

предварительно 

обработанный 

бактерицидом. 

Такая 

обработка 

повысила 

его 

термостойкость и устойчивость к ферментации. 

ТНЕRМРАС  UL



  -  это  крахмал,  химически  замешенный  карбоксилметиловыми 

группами.  Его  устойчивость  к  бактериальному  воздействию  гораздо  выше,  чем  у 
обычного кукурузного или картофельного крахмала. Он термостоек при температуре 300° 
F. 

Моr-Rex  -  это  гидролизованный  ферментами  кукурузный  крахмал,  химически 

модифицированный  в  мальтодекстрин.  Большую  часть  декстринов  получают  лишь 
термической обработкой; реже в присутствии либо кислоты, либо щелочного катализатора 
и совсем редко в присутствии окисляющего агента Гидролизация крахмалов изменяет их 
химические  и  физические  свойства.  Как  правило,  декстрины  более  растворимы  и  имеют 
меньшую  вязкость,  чем  исходный  крахмал.  Моr-Rex  применяется  в  качестве 
дефлокулянта    в  некоторых  ингибированных  буровых  растворах,  таких,  как  Lime/Моr-
Rex. 

 

Кизельгур 

Кизельгур  -  ещё  один  неионный  (или  слегка  ионный)  природный  полимер, 

состоящий  из  коротких  единичных  боковых  ответвлений,  расположенных  через 
одинаковые  интервалы.  Молекулярный  вес  равен  220000.  Кизельгур  получают  из  семян 
растения  кизельгур.  Молекула  кизельгура  представляет  собой  маннин,  состоящий  из 
прямых  вытянутых  цепей,  имеющих  ответвления  через  одинаковые  интервалы  с 
единичными  элементами  галактозы  на  чередующихся  элементах  маннозы.  Элементы 
маннозы соединяются друг с другом бетогликозидовыми связями. Разветвление галактозы 
завершается с помощью альфа-связи. 

 

 

 

гуаровая смола 

Продукты, получаемые из кизелогуровых (гуаровых) смол применяются в основном 

в  качестве  загустителей  и  регуляторов  водоотдачи.  В  них  обычно  добавляют  5-10% 
добавок 

с 

целью 

улучшения 

смешивания, 

термостойкости, 

устойчивости 

к 

бактериальному  воздействию  и  т.п.  Гуаровые  продукты  также  применяются  в  качестве 
флокулянтов  с  целью  осаждения  твёрдой  фазы  из  буровых  растворов  на  основе  чистой 
воды. 

Неионные  гуаровые  смолы  быстро  гидратируются  в  пресной  воде  и  в  насыщенных 

рассолах,  а  также  в  других  растворах,  содержащих  моновалентные  и  дивалентные 
катионы  плотностью  до  11  фунт/галл.  Гидратация  может  быть  затруднена  в  жёстких  и 
сильно щелочных растворах. Во избежание образования поперечных связей кальцием при 
высоком  уровне  рН  необходимо  поддерживать  рН  на  нейтральном  уровне.  При 
разбуривании  несхватившегося  цемента  или  не  полностью  схватившегося  цемента 
вязкость гуаровых смол может быть полностью разрушена. 

Необработанные гуаровые смолы имеют температурные ограничения ниже 200° F. 
В  результате  обработки  температурный  бдиапазон  возрастает  до  225-250°  F.  В 

результате сшивания гуаровых смол с бораксом на щелочной стороне и в зависимости от 
концентрации  обоих  веществ  может  произойти  повышение  вязкости  от  незначительной 
степени  до  образования  плотной  массы,  которую  применяют  для  изоляции  зон  потери 
циркуляции. 

Гуаровые  смолы  могут  замещаться  такими  группами,  как  гидроксиэтил, 

гидроксипропил,  карбоксиметил  и т.д.  В  результате  получаются  широко  используемые  в 
настоящее  время  гидроксипропиловые  смолы,  хотя  имеются  другие  гидроксиалкиловые 
гуаровые  смолы.  Карбоксиметил  гидроксипропиловые  гуаровые  смолы,  или  СМНР 
гуаровые  смолы,  представляют  собой  пример  гуаровых  смол  двойного  замещения. 
Надлежащее  химическое  замещение  может  значительно  улучшить  качество  гуаровых 
смол. 

 

Биополимеры 

Ксинтановая  смола  получается    в  результате    взаимодействия  микроорганизмов 

(Xanthomonas  campestis)  с  углеводородами.  В  результате  воздействия  микроорганизмов 
получается  чрезвычайно  сложная  структура  с  очень  высоким  молекулярным  весом. 
Точная  структура  ещё  до  конца  не  установлена.  Полимер  ХС  имеет  молекулярный  вес, 
приблизительно  равный  2  миллионам;  однако  есть  мнение,  что  молекулярный  вес  равен 
50 млн. Продукт имеет следующую структуру: