Модифицированные природные полимеры
Модифицированные природные полимеры широко применяются при приготовлении буровых растворов. Целлюлоза и крахмал – это природные полимеры, которые часто используют для производства модифицированных полимеров. Свойства модифицированных полимеров отличаются от свойств естественных полимеров. Чтобы неионные естественные полимеры (например, целлюлозу или крахмал) можно было использовать в буровых растворах, их модифицируют в полиэлектролиты.
Полиэлектролиты.Многие полимеры не растворяются в воде, поэтому в исходном виде их нельзя применять в растворах на водной основе. Чтобы наделить полимеры способностью растворяться в воде, они модифицируются в полиэлектролиты. Модификация полимеров заключается в изменении повторяющихся составных частей полимеров. Полиэлектролит – это растворимый в воде полимер, образующий полиионы и ионы с противоположными знаками заряда. Полиион имеет несколько электрических зарядов вдоль своей полимерной цепочки. Заряды могут быть положительными, как у катионных полимеров, или отрицательными, как у анионных полимеров. Есть несколько примеров катионных полимеров, однако большинство используемых в бурении полимеров имеют отрицательный заряд. Эффективность полиэлектролита зависит от количества зарядов в полимерной цепочке; в свою очередь, количество зарядов зависит от следующих факторов:
• Концентрация полимера.
• Концентрация и распределение ионизируемых групп.
• Содержание солей и жесткость воды.
• рН жидкости.
Если количество зарядов достаточно велико, полимер стремится развернуть цепочку вследствие взаимного отталкивания. В результате полимер полностью разворачивается, а расстояния между одноименными зарядами максимально увеличиваются. При разворачивании полимер открывает наружу максимальное число зарядов, что позволяет ему связывать частицы глины и загущать жидкую фазу раствора.
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ПОЛИМЕРА
Как обсуждалось ранее, полимеры при растворении в водной фазе бурового раствора находятся в развернутом состоянии. При этом полимер имеет вид не стержня, а завитка, что позволяет удалить одинаковые заряды полимера на максимальное расстояние. При малых концентрациях полимер формирует вокруг себя оболочку из 3 – 4 молекул воды в толщину. Между оболочками действует сила электростатического отталкивания, площадь поверхности оболочек увеличивается при разворачивании полимера. Величина площади поверхности водяной оболочки способствует влиянию полимера на вязкость раствора. При повышении концентрации полимера оболочка вокруг него уменьшается. По мере того, как все большее количество полимера стремится получить водяную оболочку из меньшего количества воды, растет вязкость раствора. Это происходит когда полимеры переплетаются друг с другом в условиях ограниченного количества свободной воды.
ВЛИЯНИЕ рН
Растворимость полимеров зависит от рН. Уровень рН зачастую определяет степень ионизации функциональных групп, расположенных вдоль полимерной цепочки. Например, наиболее распространенная функциональная группа полимеров на водной основе – карбоксил-группа. Ионизированная карбоксил-группа – это характерная особенность большинства анионных полимеров, среди которых – КМЦ, ПАА и ксантановая смола.
Как показано на Рис. 5, ионизированная карбоксил-группа имеет у конечного атома углерода один атом кислорода с двойной связью и один – с одинарной. Ионизация происходит при реакции между карбоксил-группой и щелочным материалом, например, каустической содой. Полимер становится растворимым при ионизации прежде нерастворимой карбоксил-группы (см. Рис. 6). Натриевая карбоксил-группа притягивает воду за счет электрических зарядов, расположенных вдоль полимерной цепочки. При добавлении полимера в воду из полимерной цепочки освобождается ион натрия, оставляя после себя отрицательный заряд. Полимер стал анионным, он способен к гидратации. По мере гидратации полимера растет водяная оболочка вокруг него и увеличивается вязкость.
Карбоксил-группы имеют наибольшую растворимость при рН от 8,5 до 9,5. Для ионизации и растворения полимера необходимо довести уровень рН до 8,5 путем добавления достаточного количества каустика. Если добавить слишком много каустической соды, характеристики полимера как загустителя несколько ухудшатся. Если уровень рН резко упадет и окажется в области кислот (менее 7), карбоксилат-группа возвратится в свой исходный вид – карбоксил – и полимер потеряет растворимость.