Состав древесины

Состав	Ель, %	Береза, %
Целлюлоза	57,8	45,3
Лигнин	28,3	19,5
Гемицеллюлозы	15,5	29,4
Смола, воск, жир и др.	5,2	5,8

Целлюлоза (клетчатка) - наиболее распространённый в природе полисахарид, главная составная часть растений.

Почти чистой (> 90%) целлюлозой является хлопковое волокно (вата).

Химическая формула целлюлозы [C₆H₇O₂(ОН)₃]х, где х - степень полимеризации, х = 600¸6000. Её структурная формула:

Средний молекулярный вес 100000¸1000000.

Длина волокон до 40-50 мм, плотность 1,52-1,54 г/см³.

Получают целлюлозу путём разрушения, растворения древесины и выделения из неё нецеллюлозных компонентов (лигнина) при сульфидной или сульфатной варке.

Целлюлоза в воде не растворяеся вследствие достаточно сильного межмолекулярного взаимодействия макромолекул, которое осуществляется многочисленными водородными связями. Для возможности ее растворения необходимо либо часть гидроксильных групп заменить более гидрофильными группами, обладающими способностью взаимодействовать с молекулами воды более активно, чем между макромолекулами, либо нейтрализовать часть гидроксильных групп и этим уменьшить взаимодействие между макромолекулами.

По первому варианту получают карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), по второму - метилцеллюлозу (ММЦ).

Карбоксиметилцеллюлозу [С₆H₇O₂(OH)_3-x(OCH₂COONa)_x] получают путём взаимодействия щелочной целлюлозы с монохлоруксусной кислотой. В отличие от целлюлозы КМЦ хорошо растворяется в воде благодаря привитию к цепи целлюлозы гидрофильных функциональных групп COONa.

Количество привитых функциональных групп (степень замещения С3 в применяемых в буровой практике КМЦ составляет обычно 80-85% от числа гидроксильных групп.

Метилцеллюлоза [C₆H₇O₂(OH)_3-x(OCH₂)_x]_n имеет молекулярную массу 13-140 тыс., плотность 1,3 г/см³, растворяется в воде и органических растворителях, в горячей воде (свыше 50°С) выпадает в виде геля. Число привитых метаксильных гидрофобных групп составляет 26-33%.

Растворы метилцеллюлозы менее гидрофильны, чем КМЦ, но более устойчивы к агрессивным солям хлористого кальция и магния (до 10-15%).

Синтетические структурообразователи.

Существует большое количество синтетических полимеров. Наиболее активны (гидрофильны) производные полиакриловой кислоты (полиакрилаты).

Полиакриловая кислота [—СH₂—СH(СOOH)¾]_n (n= 1000-6000) хорошо растворяется в воде и разбавленных растворах щелочей. Получают полимеризацией акриловой кислоты в воде или органических растворителях при концентрации мономера не более 25%, Применяют как эмульгатор при полимеризации стирола.

Полиакрилонитрил [—СH₂—CH(CN)¾]_n (n=300-1000) в воде слабо растворяется, в растворах щелочей деструктируется.

Для приготовления промывочных жидкостей используют обычно хорошо -растворимый в воде гидролизованный полиакрилонитрил (гипан) и реагент К-4, представляющие собой сополимеры акрилата натрия, акриламида, акрилонитрила и получаемые омылением полиакрилонитрила щёлочью

¾CH₂ ¾СH(COONa) ¾СH₂ ¾СH(CONH₂) ¾СH₂¾ СH(CN)¾

Полиакриламид (ПАА) [—CH₂¾ CH(CONH₂) ¾СH₂ ¾ СH(CONH₂)]n с молекулярной массой от 3·10⁴ до 6·10⁶ растворяется в воде при температуре 40-50°С в течение 48ч. Применяют для регулирования структурно реологических свойств и понижения водоотдачи промывочных жидкостей.

Более активным является гидролизованный полиакриламид (ГПАА), в котором в результате гидролиза происходит замена менее гидрофильной функциональной группы CONH₂ на более гидрофильную группу СОО^-.

В результате гидролиза и добавок полярных электролитов получают разновидности ПАА. Так, при обработке ПАА каустической содой получают реагент PC-1, путём обработки ПАА щёлочью и триполифосфатом - РС-2, путём обработки ПАА щёлочью и кальцинированной содой - РС-4.

Из сополимеров полиакрилатов в буровой практике находят применение метас, сополимеры M-14 и Лакрис-20.

Метас - сополимер метакриловой кислоты и метакриламида, термостойкий (до 220°С) понизитель фильтрации.

М-14 - термостойкий сополимер метакриловой кислоты и метилметакрилата с молекулярной массой 0,6·10⁶ – 1·10⁶.

Лакрис-20 - высокотермостойкая модификация сополимера M-14.

Известно, что 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, а электрический потенциал 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 не способны проникать в глинистую породу и адсорбируются на поверхности стенок скважины так же, как и на пластины 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.

Активация твердой фазы глинистых частиц полимерами

Ранее отмечено, что ПАВ и полимеры способны адсорбироваться на поверхности глинистых частиц.

Ориентирование ПАВ и полимеров идет по правилу уравнения полярностей Ребиндера: полярные группы обращаются к полярной фазе, а неполярные к неполярной фазе.

Активацию глинистых частиц с целью стабилизации раствора проводят 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.