Свойства и функции полимеров

Как отмеченно выше, полимеры представляют собой цепи, состоящие из большого числа звеньев (мономеров). Каждое звено может вращаться вокруг направлений, соединяющих их химические связи. Такое вращение Вант-Гофф назвал внутренним вращением в молекуле. Под воздействием полярной (заряженной) поверхности твердого тела полярные звенья поворачиваются в сторону полярного твердого тела, а неполярной (водородной) в обратную сторону.

В результате этого поверхность становится гидрофобной (нейтральной), с электрическим потенциалом равным нулю.

Рис. 3.1. Влияние ориентации молекул ПАВ на поверхности металла на электрический потенциал

Способность ПАВ и полимеров к образованию ориентированных слоев на границе с твердым телом была установлена ленинградскими учеными П.И. Лукирским и А.В. Ечеистовой [14].

Они наносили на золотую пластинку различные количества полимера и измеряли потенциал пленки ∆ j. Полученные кривые зависимости ∆ j от g (количества мультислоев) имели пилообразную форму с максимумами g, 3g, 5g и минимумами (∆ j=0) при 2g, 4g (рис.5.6).

К.В. Блоджет [6] наблюдал эти явления на пластинках с отрицательным поверхностным зарядом (кварц, стекло). При подъеме стеклянной пластинки из воды через монослой полимера на ней образуется пленка, гидрофобная поверхность которой ориентирована наружу. Если затем погружать пластинку в обратном направлении в воду, на пластинке " спина к спине" откладывается второй слой с гидрофильной поверхностью и т.д.

При бурении скважин в контакте полимерных растворов с поверхностью бурильных труб адсорбируются макромолекулы полимеров с образованием гидрофобной поверхности, вследствие чего снижается трение и износ твердого тела.

Гидрофобизация бурильных труб снижает трение и расход энергии при вращении бурильной колонны, потери давления при циркуляции жидкости в бурильных трубах и в скважине.

На рис. 3.2 показана зависимость потерь давления растворов полимеров, циркулирующих в колонне бурильных труб диаметром 50, 8 мм и длиной 30-50 мм [12].

Из графика видно, что при малых концентрациях полимеров потери давления при циркуляции растворов в бурильных трубах снижаются, по сравнению с потерями давления при циркуляции чистой воды, в 2-3 раза. Однако надо помнить, что гидрофобизация труб возможна лишь при малых концентрациях полимеров в растворе. При больших концентрациях вязкость раствора возрастает, возрастают и потери давления.

Рис. 3.2. Зависимость потерь давления в бурильных трубах от расхода различных растворов: 1 – вода; 2 – 0, 17% раствор ПАА; 3 – 0, 17% раствор ГПАА; 4 – 0, 29% раствор КМЦ

Стенки скважины в уплотненных глинах можно рассматривать как плоское твердое тело. Макромолекулы полимеров вследствие незначительных размеров пор в плотных породах не способны проникать в глинистую породу и адсорбируются на поверхности стенок скважины так же, как и на пластине твердого тела. В зависимости от концентрации полимера в растворе на стенках скважин может адсорбироваться несколько мультислоев полимера. Но при циркуляции раствора неподвижными оказываются лишь один - два слоя, прочно связанных с поверхностью стенок скважин. Причем наружная поверхность, всегда гидрофобна, снижает фильтрацию воды в горную породу, ее набухание и диспергирование

Благодаря высокой дисперсности полимеров в растворе, значительному количеству весьма активных функциональных групп удается получать более эффективные, по сравнению с глинистыми растворами, промывочные жидкости, отличающиеся малой материемкостью, низкой плотностью и вязкостью, способствующих повышению механической скорости бурения.

Вязкость в этих растворах можно регулировать, также как и в глинистых растворах, путем активации полимеров (разжижения раствора) щелочными реагентами (в строго ограниченных объемах, при содержании - - 0, 5-0, 7 %, при использовании NaOH ≈ 1, 0 %, ≈ 2, 0 % или дезактивации полимеров (загущения раствора) катионактивными электролитами в ограниченных объемах в зависимости от валентности катионов).

Полимеры, так же как и ПАВ, обладают дифильными свойствами. За счет функциональных групп они весьма гидрофильны, за счет наличия водородных групп они гидрофобны.

При наличии в растворе слабогидрофильных (пассивных) глинистых частиц в их сторону полимеры поворачиваются гидрофобной частью, а гидрофильной – в сторону раствора и, таким образом, глинистая частица с адсорбированным на ней слоем полимера становится весьма гидрофильной. И, наоборот, при гидрофильной твердой поверхности (глинистых частиц, раствора, стенок скважин, бурильных труб и т.д.) полимеры поворачиваются в сторону гидрофильной поверхности, а в сторону раствора гидрофобной частью. Таким образом, поверхность глинистых частиц, глинистых пород, бурильных труб становится гидрофобной, не взаимодействующей с водой.

На этом принципе работают полимеры-флокулянты (для удаления крупного шлама), полимеры- ингибиторы набухания и диспергирования глинистых пород, полимеры-понизители фильтрации, полимеры-гидрофобизаторы для смазки бурильной колонны, полимеры-защитные реагенты гидрофильных катионов, вызывающие их коагуляцию. Рассмотрим эти процессы подробнее.

Активацию глинистых частиц с целью стабилизации раствора проводят щелочами и высокомолекулярными полимерами. Эти полимеры могут адсорбироваться не только на поверхности полярных (заряженных) частиц, но и при отсутствии на них потенциала. Высокомолекулярные полимеры при незначительной их концентрации используют в качестве понизителей вязкости, при значительной - в качестве структурообразователя, для повышения прочности структуры и понижения водоотдачи.

На рис. 3.3 показана зависимость прочности структуры и водоотдачи 4%-го бентонитового раствора от концентрации щелочного полимера (метаса).

При введении в раствор небольшого количества полимера (≈ 0, 025%). под воздействием активность и толщина гидратного слоя глинистых частиц повышается, а прочность структуры раствора понижается.

При увеличении концентрации метаса (до ≈ 0, 05 %) на частицах глины образуется второй (гидрофобный) слой метаса. Толщина гидратного слоя уменьшается, а её прочность возрастает, прочность структуры также возрастает. В растворе появляются флокулы-агрегаты глинистых частиц.

При дальнейшем повышении концентрации полимера адсорбируется третий (гидрофильный) слой. Вновь наблюдается понижение прочности структура раствора. Однако вследствие увеличения толщины адсорбированного слоя прочность сцепления макромолекул полимера с частицами глины понижается. Основная часть метаса поступает в объем раствора (а не адсорбируется на глинистых частицах). Поэтому процесс мобилизации третьего слоя и снижение прочности структуры раствора происходят менее активно, чем при адсорбировании первого слоя.

Рис. 3.3. Зависимость прочности структуры и водоотдачи 4%-ного бентонитового раствора от концентрации метаса

Интересно, что показатель фильтрации раствора с увеличением концентрации метаса все время понижается как в области активаций глинистых частиц, так и в области их дезактивации (рис. 3.3). Это связано с тем, что с увеличением концентрации метаса в растворе увеличивается толщина и плотность полимерной пленки на фильтре.

Многие полимеры вследствие их высокой гидрофильности слабо адсорбируются на глинистых частицах. Они служат только как структурообразователи для повышения прочности структуры и снижения вязкости бурового раствора. К таким полимерам относится и гидролизованный полиакриламид (ГПАА).

Рис. 3.4. Зависимость прочности структуры θ и водоотдачи 6%-ного бентонитового раствора от концентрации ГПАА

На рис. 3.4 показана зависимость прочности структуры и водоотдачи от концентрации ГПАА. Из графика видно, что даже при малых концентрациях полимера наблюдается значительное повышение прочности структуры раствора.

Такие полимеры способны адсорбироваться только под воздействием сильного силового поля (стенок скважин, стенок бурильных труб).