Руководство для обучения инженеров по буровым растворам - часть 44

 

 

 

Получаемый  в  результате  вышеописанного  процесса  полисахарид  является 

несколько анионным и химически однородным. При производстве этого полимера следят 
за  тем,  что-  бы  он  был  как  можно  более  однородным.  Бактерии  удаляются  вакуумной 
фильтрацией. 

Структура  и  анионные  свойства  этого  полимера  позволяют  использовать  его  в 

качестве загустителя в широком диапазоне концентраций и типов рассолов. Основное его 
назначение  - загуститель и реагент для  поддержания во взвешенном состоянии частиц  у 
утяжелителя.  Полимер  ХС  выпадает  в  осадок  только  при  высоком  рН  (свыше  11,5)  и  в 
присутствии  двухвалентных  катионов.  Следует  избегать  применения  этого  полимера  с 
несхватившимся цементом. 

Чрезвычайно  высокая  стоимость  полимера  ХС  по  сравнению  с  другими 

загустителями  ограничивает  его  применение.  Кроме  того,  полимер  ХС  не  оказывает 
значительного влияния  на  понижение  водоотдачи.  По  этим  и  другим  причинам  полимер 
ХС  часто  применяют  вместе  с  бентонитом,  КМЦ,  НЕС,  крахмалом  и  т.п.  Эти  добавки 
могут  предварительно  смешиваться  в  сухом  виде  или  же  вводиться  по  отдельности  в 
циркуляционную  систему  с  целью  понижения  стоимости  или  придания  определенных 
качеств полимеру ХС. КIа-Frее является примером предварительно смешанного продукта, 
состоящего  из  полимера  ХС  и  НЕС.  Предотвращающие  ферментацию  антикоагуляторы 
обычно не добавляются и применяются лишь в особых случаях. 

Полимеры  ХС  при  высоких  скоростях  сдвига  имеют  очень  низкую  эффективную 

вязкость.  Их  вязкость  приближается  к  вязкости  воды  при  скоростях  сдвига  буровых 
растворов  у  долота,  содержащих  в  основном  только  полимер  ХС.  В  сложных  системах, 
содержащих  различное  количество  различной  твёрдой  фазы  вязкостные  характеристики 
не имеют большого значения. Полимеры ХС имеют чрезвычайно высокую эффективную 
вязкость  при  низких  скоростях  сдвига.  Высокая  вязкость  делает  полимеры  ХС 
незаменимыми при бурении скважин с большим углом искривления. 

Полимеры ХС начинают медленно разлагаться при температуре 225° F (107°С). 
Разложение  полимера  при  возрастающих  температурах  на  забое  требует 

непрерывной  его  замены.  Разложение  полимера  ХС  определяется  напряжением  сдвига, 
продолжительностью циркуляции и температурой на забое. 

 

Синтетические полимеры 

Полимеры  акрилового  типа  представляющие  собой  замещенные  виниловые 

полимеры,  образуют  большую  группу  полимеров,  имеющих  различные  химические  и 
физические  свойства.  Они  очень  широко  применяются  в  нефтяной  промышленности  в 
качестве  регуляторов  водоотдачи,  загустителей  флокулянтов,  дефлокулянтов,  защитных 
коллоидов,  реагентов,  увеличивающих  выход  бурового  раствора  и  т.д.  Эти  акриловые 
полимеры могут быть гомополимерами, сополимерами или же полимерами, полученными 

 

 

химическим  путём  из  этих  двух  типов  полимеров,  которые  очень  часто  имеют  две 
функциональные  группы.  Изменения  структуры  и  конфигурации  могут  быть  от  очень 
простых  до  очень  сложных,  а  молекулярный  вес  -  от  нескольких  тысяч  до  нескольких 
миллионов. 

Акрилонитрил  (наиболее  важный  химреагент),  акриламид  и  акриловая  кислота  - 

основные  химреагенты,  принимающие  участие  в  получении  акриловых  полимеров. 
Несмотря  на  то,  что  существуют  и  другие  способы,  акрилонитрил  может  быть 
гидролизован в присутствии кислоты, в результате чего получается либо акриламид, либо 
акриловая кислота. 

 

Основной химический синтез акриловых мополимеров 

Функциональными 

группами 

могут 

быть 

анионные 

(акрилат), 

неионные 

(акриламид),  катионные  (акриламин)  или  определенные  комбинации.  Существует 
несколько  методов  получения  полиэлектролитов  из  названных  выше  монополимеров, 
некоторые из них перечислены ниже: 

1.  Полимеризация  акрилонитрила  и  гидролизация  с  образованием  полимера, 

содержащего амидные и карбоксилатные  группы. Нейтрализация карбоксилатных групп 
каустической содой с образованием групп акрилата натрия. 

2.  Полимеризация  акриламида  и  частичная гидролизация  с образованием  полимера, 

содержащего амидные и карбоксилатные группы. 

3.  Полимеризация  акриловой  кислоты  и  нейтрализация  каустической  содой  с 

образованием чистого полиакрилата натрия. 

4.  Сополимеризация  смеси  акриловой  кислоты  и  мономеров  акриламида  с 

образованием сополимера, содержащего амидные и  карбоксилатные группы. 

Ввиду  того,  что  основная  цепь  винилового  полимера  состоит  из  связей  углерод-с- 

углеродом,  акриловые  полимеры  являются  термостойкими  и  устойчивыми  к 
бактериальному  воздействию.  Полиакрилонитрил  довольно  плохо  растворяется  в  воде, 
поэтому для его растворения необходимо присутствие каустика. 

 

Сополимер акриламиднатриевого акрилата 

Наиболее широко используемые в нефтяной промышленности полимеры акрилового 

типа  имеют  свойства,  промежуточные  между  чистыми  полиакриламидами  и 
полиакрилатами. Отношение акриловой кислоты к акриламиду и молекулярный вес  - это 
те  две  характеристики,  которые  могут  легко  изменяться.  В  приведенном  выше  примере, 

 

 

SP-101



, Сураn, WL-100 и другие аналогичные полимеры, применяемые в основном для 

регулирования  водоотдачи,  имеют  молекулярный  вес  от  250000  до  350000  и  являются 
примерно  на  2/3  гидролизованными  и  нейтрализованными  каустической  содой  с 
образованием акрилата натрия. 

Группа  частично  гидролизованных  полиакриламидов,  РНРА,  чаще  всего,  но  не 

исключительно,  применяется  в  качестве  флокулянтов,  дефлокулянтов,  защитных 
коллоидов  и  реагентов,  увеличивающих  выход  бурового  раствора.  Полимеры  РНРА 
обычно  имеют  высокий  молекулярный  вес,  часто  равный  нескольким  миллионам,  и,  как 
правило,  на  35%  гидролизуются  с  образованием  акрилата.  В  настоящее  время  имеется 
целый  ряд  промышленных  полимеров  -  POLY-PLUS



,  GELEX



,  Веn-Ех,  Суfiok  4310, 

Суfiok  4000,    Separan  273,  Separan  AP30,  Percol,  FLOXIT,  Drillaid  406,420(Lo-Sol),  
421(Select-Floc) и 423 

Полиакрилаты,  применяемые  в  качестве  ингибиторов  образования  окисной  пленки 

на буровом инструменте, имеют значительно меньший молекулярный вес. Молекулярный 
вес  чистых  полиакрилатов,  применяемых  в  качестве  ингибиторов  образования  окисной 
пленки  и для других аналогичных целей, чаше всего равен от 1500 до 100000, хотя более 
распространён молекулярный вес, равный 5000-25000. 

Полиакрилаты  натрия  применяются  в  качестве  дефлокулянтов.  Имеется  два 

промышленных  дефлокулянта  -  ТАСКLЕ  и  DFLС.  Полиакрилатовые  дефлокулянты 
обычно имеют молекулярный вес, приблизительно равный 10000. 

 

Применение полимеров в буровых растворах 

Полимеры  нашли  широкое  и  разнообразное  применение  в  качестве  добавок  к 

буровым растворам. В том случае, когда необходимые свойства бурового раствора нельзя 
получить с помощью коллоидальных глин, применяют полимеры. 

Полимеры применяются в качестве: 
1) регуляторов водоотдачи, 
2) загустителей, 
З) стабилизатор неустойчивых пород, 
4) флокулянтов общего действия, 
5) флокулянтов селективного действия, 
6) сшивающих агентов. 
Многие  полимеры  могут  выполнять  несколько  функций.  Наиболее  распространено 

применение полимеров для регулирования водоотдачи и увеличения вязкости. 

К факторам, определяющим выбор того или иного полимера, относятся: тип 

применяемого бурового раствора DURATHERM



, POLY-PLUS



, Sansoil, утяжеленные 

растворы, К-МАG



, КСI и другие ингибированные электролитами буровые растворы, 

химический состав, рН, термостойкость, устойчивость к ферментации, устойчивость к 

сдвигу, реологические модификации и изменение эксплуатационных качеств пласта.

 

 

Регулирование водоотдачи 

Проницаемость  глинистой  корки  зависит  от  типа,  объёма  полимера  и  размера 

молекул. 

Понижение водоотдачи достигается за счёт: 
1)  образования  шарообразных  пробок  из  молекул,  состоящих  из  длинных  цепей, 

которые затем сворачиваются в клубок; 

2) образования глинистой пленки за счёт частичной адсорбции; 
З)  закупоривания  пор  глинистой  корки.  КМЦ,  полианионная  целлюлоза  и  другие 

полиэлектролиты  действуют,  частично  адсорбируясь  на  глинистых  частицах  и  частично 
закупоривая поры глинистой корки. 

Природные полимеры, такие, как крахмал и гуаровые смолы, имеют самую низкую 

термостойкость.  Модифицированные  полисахариды,  такие,  как  ТНЕRMPAC    UL  и 

 

 

POLYPAC имеют более высокую термостойкость. Синтетические полимеры, такие, как SР 
-  101  (полиакрилат  натрия)  и  POLY-PLUS  (частично  гидролизованный  полиакриламид) 
имеют самую высокую термостойкость. 

 

Загустители 

Существует  два  способа  загущения  буровых  растворов  полимерами.  Наиболее 

распространен  способ,  когда  полимер  загущает  буровой  раствор  самостоятельно  или  в 
сочетании с другими веществами, например, глинами, другой способ состоит в загущении 
раствора за счёт взаимодействия полимера с бентонитом. 

Водорастворимым полимеры, природные или синтетические, гидратируются за счёт 

проникновения воды в жёсткий скелет полимера и водородные связи. Полимер разбухает 
и  раскручивается.  Такие  полимеры,  как  POLYPAC  и  ХСD  (ксантановые  смолы) 
используются для загущения чистой воды. Эти полимеры также соединяются с глинами и 
другими  веществами,  такими,  как  утяжелители,  диспергированные  частицы  разбуренной 
породы  и  т.д.,  загущая  буровой  раствор,  Поэтому,  конечная  вязкость  системы  бурового 
раствора определяется суммарным влиянием названных веществ. Такие полимеры, как SР 
- 101, могут постепенно адсорбироваться на гранях глинистых частиц, изменяя вязкость. 
При введении больших объёмов добавок адсорбция становится более, чем достаточной и 
полимер  оказывает  селективное  воздействие  на  вязкость  системы.  Полимер  ХСD  -  это 
самый эффективный полимер из всех, применяющихся с целью изменения реологических 
характеристик раствора в сторону неньютоновских жидкостей. 

Анионные  полимеры,  такие,  как  GЕLЕХ,  взаимодействуют  с  глинами  при  низких 

концентрациях  и  применяются  в  качестве  реагентов,  увеличивающих  выход  бурового 
раствора. Полимер присоединяется к концу поломанной связи глинистой частицы. После 
того,  как  один  конец  молекулы  адсорбируется  глинистой  частицей,  остальная  часть 
молекулы остаётся свободной и может адсорбироваться другими частицами, В результате 
этого бентонит сшивается и вязкость возрастает. Такой механизм приводит к загущению 
раствора,  в  котором  полимер  способствует  увеличению  выхода  глинистого  раствора  без 
увеличения содержания твёрдой фазы. 

Когда  в  раствор  вводят  полимер,  увеличивающий  выход  бурового  раствора, 

происходит  резкое  возрастание  вязкости,  обусловленное  увеличением  концентрации 
полимера.  В  неутяжеленных  системах  обычно  поддерживают  значения  вязкости, 
максимально  приближённое  к  пиковому  значению  с  тем,  чтобы  максимальные  значения 
вязкости  достигались  при  минимальном  количестве  бентонита.  Если  раствор  утяжелен 
баритом,-  обычно  увеличивают  содержание  полимера,  что  приводит  к  незначительному 
понижению вязкости. Следовательно, такая практика компенсирует увеличение вязкости в 
результате добавления барита. Обычно, чем больше объём твёрдой фазы одного и того же 
типа,  тем  шире  диапазон  максимальных  значений  вязкости,  зависящий  от  концентрации 
полимера.  Такие  системы  обычно  называют  системами  с  недиспергированной  твёрдой 
фазой. 

 

Повышение устойчивости стенок скважины 

Эффективность полимеров как защитных коллоидов, обеспечивающих устойчивость 

стенок  скважины,  изменяется  на  площадях,  где  обвалы  стенок  скважины  и 
диспергирование  глинистых  сланцев  вызывают  осложнения.  Проблема  обеспечения 
устойчивости  стенок  скважин,  сложенных  гидрофильными  сланцами,  не  решается 
применением  одних  лишь  полимеров.  Несколько  систем  буровых  растворов,  таких,  как 
POLY-PLUS



,  К-МАG



,  КСI,    POLYPAC,  и  т.п.  включают  в  себя  электролиты  и  часто 

хлорид калия с полимерами. Обеспечение устойчивости глинистых сланцев достигается за 
счёт  адсорбции  полимера  на  специальных  участках  глинистых  сланцев.  Эти  участки,  к 
которым  прикрепляется  полимер,  является  положительно  заряженными  концами 
доломанных связей глинистой частицы.