Расчетные значения энергии поляризации

Функциональная группа	Разность электроотри-цательной группы nЭ1–Э2	Энергия поляризации, кДж/моль		ГЛБ (по Девису)
		(nЭ1-Э2)^2
–ОН	1,4	2,0	1	0,5–1,9
–СООН	4,9	24,0	12	12,4
–СООNa	6,1	37,21	18,6	19,1
–СООК	6,2	38,44	19,2	21,1
–SO3Na	9,57	91,6	45,8	38,7

Катионы в таких случаях в виде слоя противоионов образуют экран по­нижающий активность твёрдой фазы. С целью повышения её активности (устранения экранирующего слоя водорода) в раствор добавляют щёлочь:

–SiO^- + H⁺ + OH^- –SiO^- + H₂O

–COO + H⁺ + OH^- –COO + H₂O

Активность частиц твёрдой фазы зависит не только от активности функ­циональных групп, но и их количества, степени замещения, степени полимеризации.

5.3. Другие функции полимеров.

Роль полимеров в буровом растворе не ограничивается только функцией структурообразователя. Они выполняют целый ряд других функций: роль разжижителя (при малой концентрации), ингибитора диспергирования и набухания глинистых пород, понизителя водоотдачи и фильтрации, стабили­затора, гидрофобизатора бурильной колонны и стенок скважин и т .д.

В буровых растворах они, кроме того, выполняют функцию флокулянта для удаления шлама грубодисперсной фазы из раствора.

Для выяснения причин, определяющих названные функции, для опреде­ления сути протекающих процессов в контакте полимерных растворов с глинистыми породами рассмотрим механизм их взаимодействия.

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.5.1.

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 ∆φ. Полученные кривые зависимости ∆φ от γ (ко­личества мультислоев) имели пилобразную форму с максимумами γ, Зγ, 5γ и минимумами (∆φ=0) при 2γ, 4γ (рис.6.1).

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 очень малых концентрациям ПАВ и полимеров в растворе в поверх­ностном (адсорбированном) слое соблюдается закон распределения Генри [6], и, вследствие гидрофобизации поверхности твердого тела, поверхностное на­пряжение снижается ,в соответствии с уравнением

σ =σ₀–qс, (5.1)

где σ– поверхностное натяжение в растворе ПАВ, σ_о – начальное поверх­ностное натяжение твердого тела; q- поверхностная активность твердого тела; с – концентрация ПАВ.

С увеличением концентрации ПАВ поверхность тела постепенно запол­няется молекулами ПАВ, и темп снижения поверхностного натяжения падает.

В этом-случае закон Генри перестает соблюдаться. При больших концен­трациях ПАВ в растворе снижение поверхностного натяжения происходят в соответствии с уравнением Шишковского:

σ = σ₀ – А_∞RТ 1n(1 + КС), (5.2)

где А_∞– масса адсорбированного на поверхности твердого тела вещества; R – газовая постоянная; Т – температура по Кельвину; К – константа, зависящая от концентрации ПАВ.

Р ис. 5.2.

Изотермы абсорбции (А) и поверх­ностного натяжения для растворов ПАВ с повышением концентрации С.

В контакте полимерных растворов с поверхностью твердого тела может адсорбироваться различное количество мультислоев. При течении полимерно­го раствора скольжение жидкости происходит по плоскостям с неполярно ориентированными слоями, вследствие чего снижается трение и износ твердо­го тела.

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

На рис. 5.3 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.

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.

Рис. 5.3.

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.

Но при циркуляции рас­твора неподвижными оказываются лишь один - два слоя, прочно связанных с поверхностью стенок скважин. Причем наружная поверхность наружного слоя всегда гидрофобна.