Лекция 9 -10. Реагенты для стабилизации свойств глинистых растворов

Реагенты стабилизаторы предназначены в основном для сни­жения фильтрации и вязкости раствора. Это органические соединения, обладающие высокой гидрофильностью и раствори­мостью в воде. Органические соединения с меньшей молекуляр­ной массой эффективнее снижают вязкость, а с большей мо­лекулярной массой—фильтрацию буровых растворов.

Наиболее широко применяются реагенты стабилизаторы на основе целлюлозы (КМЦ, ОЭЦ, карбаминол, карбофен), лигносульфонатов (ССБ, КССБ, окзил, ФХЛС), лигнина (нитролигнин, игетан), полифенолов (ПФЛХ), акриловых полимеров (гипан, ПАА, К-4, РС-2, метас), биополимеров (декстран, ХС), натриевых и калиевых солей гуминовых кислот (УЩР, ТЩР), крахмалов (технический крахмал, модифицированный крахмал).

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) является натриевой солью простого эфира целлюлозы и гликолевой кислоты. Целлюлоза – главная составная часть стенок клеток высших растений (кукуруза, древесина и др.) Промышлен­ность поставляет высоковязкие (КМЦ-500, КМЦ-600 и КМЦ-700) и низко­вязкие (КМЦ-300, КМЦ-250) реагенты. Цифры в обозначении указывают степень полимеризации, т.е. число элементарных звеньев в цепочке макромолекулы высокомолекулярного соединения. КМЦ представляет собой беловатое волокнистое вещест­во, медленно растворимое в воде с образованием вязкого колло­идного раствора. Низковязкая КМЦ-300 предназначена для снижения филь­трации буровых растворов от пресных до среднеминерализованных по хлористому натрию при температурах до 130-140°С. Высоковязкая КМЦ обладает способностью снижать фильтра­цию буровых растворов вплоть до насыщения их хлористым натрием. КМЦ эффективно снижает фильтрацию растворов, со­держащих значительное количество солей кальция и магния. КМЦ-500 и КМЦ-600 применяют до температур соответственно 150-160 и 160-180°С. Оптимальная концентрация КМЦ в рас­творе 0,8-1,2% при рН = 8-10. В буровой раствор КМЦ вво­дят в виде 4-5%-ного водного раствора.

Для повышения термостойкости КМЦ в нее при синтезе вво­дят небольшое количество фенола, аминоспиртов, анилина. По­лучаемые при этом продукты соответственно карбофен, карбо-минол, карбанил обладают более высокой эффективностью в условиях повышенных температур и минерализации. Например, карбоминол обеспечивает высокую стабилизацию буровых рас­творов различной минерализации при температурах 180-190 ⁰ С.

Сульфит-спиртовая барда (ССБ)— побочный продукт бу­мажной промышленности. Она состоит из кальциевых, натрие­вых или аммонийных солей лигносульфоновых кислот. Это темно-коричневая жидкость или порошок, медленно растворяющийся в горячей воде. В концентрированных растворах кальция, натрия и магния, а также при взаимодействии с концентрированным едким натром ССБ коагулирует, образуя вязкую массу.

ССБ предназначена для разжижения глинистых растворов из кальциевых глин и растворов, обработанных известью. Рас­творы из натриевых глин при добавках ССБ коагулируют, что сопровождается повышением СНС и фильтрации. Как разжижитель ССБ особенно эффективна в щелочных средах. Поэтому сначала приготовляют З%-ный раствор ССБ, затем добавляют 4—6% едкого натра и смесь вводят в буровой раствор.

ССБ является исходным продуктом для получения конден­сированной сульфит-спиртовой барды (КССБ), окзила и ферро-хромлигносульфоната (ФХЛС).

КССБ-1 хорошо снижает фильтрацию при невысоких тем­пературах растворов, содержащих до 7% хлористого натрия или до 1,5—2% хлористого кальция. КССБ-2 эффективно уменьша­ет фильтрацию растворов при температуре до 130 "С и минера­лизации по хлористому натрию до насыщения, а по хлористому кальцию—до 3%. КССБ-3 применяется для обработки раство­ров при температурах до 200 °С.

Выпускается КССБ как в порошкообразном, так и в жидком виде. Оптимальная концентрация ее в зависимости от минера­лизации раствора 2—5% в пересчете на сухое вещество.

Для обработки растворов, содержащих гипс и известь, ис­пользуют продукты окисления КССБ, в которых кальциевые соли лигносульфоновых кислот заменены более высокомолеку­лярными солями железа, хрома и алюминия. Так, при обработ­ке 30%-ной ССБ солями двухвалентного железа и хромпиком получают ФХЛС, который при добавках 1—2% по сухому ве­ществу хорошо регулирует вязкостные и структурные свойства высококальциевых и гипсовых растворов, а при концентрации более 3% уменьшает их фильтрацию. В пресных и слабомине­рализованных растворах ФХЛС всегда снижает фильтрацию.

Окзил применяется для снижения вязкости кальциевых и гипсовых растворов при высокой температуре. Этот реагент по­лучают обработкой серной кислотой и хромпиком разбавленно­го раствора ССБ с последующим окислением едким натром, нейтрализацией и высушиванием продукта. Окзил хорошо раз­жижает кальциевые и гипсовые растворы при содержании хло­ристого натрия до 15%. В пресных и слабоминерализованных растворах окзил эффективно снижает фильтрацию. Для уменьшения его расхода рекомендуется применять одновременно ед­кий натр, так как при рН < 8 вследствие снижения эффективно­сти расход окзила резко возрастает.

Общий недостаток ССБ, КССБ. ФХЛС и окзила - вспенивание буровых растворов, особенно неутяжеленных. Поэтому, как правило, их применяют совместно с пеногасителями.

Нитролигнин представляет собой желто-коричневый поро­шок, растворимый в 2—3%-ном водном растворе едкого натра. Он применяется как эффективный разжижитель пресных и сла­боминерализованных по хлористому натрию глинистых раство­ров. Оптимальная концентрация его 0,15—0,30% от объема рас­твора.

Игетан — пастообразный продукт черного цвета, обладает не­сколько лучшей разжижающей способностью, чем нитролигнин. Оба реагента применяют в виде 10%-ного водного раствора совместно с едким натром. При взаимодействии с солями каль­ция и магния эффективность их резко падает.

Полифенол лесохимический (ПФЛХ) представляет собой темно-коричневое смолистое вещество, получаемое конденсированием фенолов, содержащихся в кислых водах—отходе сухой перегонки древесины. Для усиления гидрофильности конденсат обрабатывают сульфитом натрия. ПФЛХ предназначен для раз­жижения пресных растворов и применяется в виде водных рас­творов 5—10%-ной концентрации с содержанием едкого натра 1,5 – 3%.

Химические реагенты на основе акриловых полимеров получают синтетическим путем из акриловой кислоты или акрилонитрила. Реагенты акрилового ряда эффективны при рН = 9 ¸ 12, в присутствии солей кальция, магния их эффективность резко снижается. Поэтому рекомендуются обработки глинистых растворов акрилатами совместно с реагентами, осаждающими катионы кальция и магния.

Наиболее распространенным в стране и за рубежом является полиакриламид (ПАА) со степенью гидролиза 16-32%, проявляющим многофункциональные свойства. Наряду с хорошей стабилизирующей способностью, ПАА в малых дозах эффективно флокулирует шлам.

Для снижения показателя фильтрации глинистых растворов хорошие результаты дает применение гипана и метаса.

Гипан – гидролизованный полиакрилонитрил – особенно эффективен при обработке растворов при высокой солености, вплоть до насыщения при температурах до 175⁰С. В простых глинистых растворах гипан успешно снижает показатель фильтрации при температурах до 250⁰С. При этом ход гипана составляет 0,5 – 2,5% от объема раствора. Метас вводится в раствор в концент­рации 0,5—1,5%. Он применяется для уменьшения фильтрации при температурах до 180 - 200⁰С. Вязкость растворов, обрабо­танных этим реагентом, с увеличением содержания хлористого натрия снижается.

Углещелочной (УЩР) и торфощелочной (ТЩР) реагенты представляют собой порошки или жидкости коричневого цвета. Их получают путем взаимодействия водного раствора каустиче­ской соды соответственно с бурым углем или торфом. ТЩР и УЩР предназначены для стабилизации пресных и слабомине­рализованных растворов при температуре до 140°С. Недостат­ки гуматных реагентов—резкое снижение прочности структу­ры, особенно при многократной обработке ими растворов, повы­шение липкости фильтрационных корок, диспергирование щелочью глинисто-карбонатной фракции шлама, удаление кото­рого в последующем из раствора затруднено.

Крахмальные реагенты эффективны для снижения фильтра­ции буровых растворов различной минерализации как по со­держанию, так и по составу солей. Поэтому, чаще их применя­ют для обработки растворов в условиях хлоркальциевой и хлор-магниевой агрессии. Оптимальная концентрация технического крахмала при обработке высокоминерализованных растворов составляет 2—3%, термостойкосгь его не превышает 110°С.

Недостатком крахмального реагента является подвержен­ность его ферментативному (бактериальному) разложению, что требует применения специальных антиферментаторов (форма­лин, крезол), насыщения раствора хлористым натрием, под­держания в растворе рН=11,5-12. Для повышения термостой­кости и антиферментативной устойчивости крахмального реагента его модифицируют нагреванием и сушкой совместно с алюмокалиевыми квасцами. Концентрация квасцов составляет 3%. Модифицированный крахмал хорошо растворим в холодной во­де, термостойкость его около 140 °С.