افزاینده های پلیمری

-9 افزاینده های پلیمری

تشکیلات شیمیایی با مولکول های بزرگ هستند که از بسیاری واحدهای کوچک تکراری که مونومر نامیده می شوند تشکیل شده اند.

پلیمرها به هنگام اضافه شدن در گل تغییرات کمتری در محتویات جامد گل ایجاد می کنند و به منظور کنترل صافی، اصطلاح ویسکوزیته، لختگی و مقاومت شیلی به گل اضافه می شوند.

گل های پلیمری توانایی بالایی در برابر شدت تنش های بالا دارند همچون زمانی که درون لوله حفاری و یا در مواجه با مته حفاری قرار می گیرند. بر این اساس یک سهم بزرگی از نیروهای هیدرولیکی موجود می تواند صرف مته شود و در نتیجه شدت نفوذ و پیشروی با سرعت و بهبود هیدرولیک حاصل خواهد شد.

استفاده پلیمرها از زمانی که نشاسته به عنوان افزاینده ای برای کنترل هرز روی گل به کار می‏رفت در گل های حفاری آغاز شد. از آن زمان به بعد پلیمرها منحصر به فردتر و مقبولیت آنها بیشتر گردید.

امروزه پلیمرها بخش مهمی از سیستم گل های پایه آبی را تشکیل می دهند، حتی تا حدی که بعضی از سیستم ها به طور کلی وابسته به پلیمرها هستند به عنوان مثال می توان از نشاسته که مبنای آن از منابع طبیعی است نام برد. پتانسیل نامحدود توسعه پلیمرها، آنها را بسیار کارآمد برای تقریباً همه انواع سیالات حفاری ساخته است.

با تکنولوژی پلیمرها امکان آنالیز وضعیتی، بر روی کی مرحله مولکولی و همچنین طراحی پلیمری با خصوصیات ویژه برای آن وضعیت ممکن شده است. به همین دلیل پلیمرها یک آینده نامحدود در سیالات حفاری دارند.

1-9-1 شیمی پلیمرها

یک پلیمر مولکولی بزرگی است تشکیل یافته از واحدهای پشت سر هم مشابه که این واحدهای کوچک منظم، مونومرها نامیده می شوند. پلیمریزاسیون زمانی اتفاق می افتد که مونومرها برای تشکیل مولکول پلیمر بزرگ، به هم وصل می شوند.

پلیمرها ممکن است وزن مولکولی در حد میلیون داشته باشند. پلیمرهایی که فقط از چند واحد پشت سر هم تشکیل شده باشند الیگومرها نامیده می شوند. برای بیان فرمول های نوشته شده برای یک پلیمر، فرمول تجربی تعداد واحد ساده و منظم است که بیان می شود برای مثال:

پلیمر پلی اتیلن[1]                   (C2H4)N

اتیلن نتیجه پلیمرازسیون مونومر اتیلن (CH2= CH4) است

در مدت فرآیند پلیمرازسیون جفت باند شکسته شده و پلیمر پلی اتیلن تشکیل می شود.

 

پلیمر پلی اتیلن بدست آمده متشکل از زنجیره بلندی از واحدهای پشت سر هم است. تعداد دفعاتی که مونومرها پشت سر هم قرار می گیرند معین و به عنوان درجه پلیمرازسیون است[2]. پلیمرها معمولاً درجه ای بزرگتر از 1000 دارند. پلی اتیلن مثال ساده ای از یک هوموپلیمر است. مثالهایی دیگر از هوموپلیمرها، پلی پروپیلن و پلی استایرن است.

کوپلیمرها، پلیمرهایی هستند که از دو یا تعداد بیشتری از انواع مونومرها تشکیل می شوند که مونومرها می توانند در نسبت های متعدد و در شرایط متفاوت در زنجیره واقع شوند. کوپلیمرها در طراحی پلیمرها از آزادی عمل بیشتری برخوردار هستند.

ساختار پلیمرها به صورت خطی، شاخه دار و شبکه ای دسته بندی می شوند.

از پلیمرهای خطی پر کاربرد در سیالات حفاری می توان از کربوکسی متیل سلولز[3] (CMC)     PHPA[4] و هیدروکسی اتیل سلولز[5] (HEC) نام برد.

و برای پلیمرهای شاخه دار می توان نشاسته و صمغ زانتان و پلیمرهای شبکه ای از صمغ زانتان شبکه ای[6] نام برد.

در زیر شماتیک انواع ساختار زنجیره پلیمرها آمده است.

 

شکل 1-6 شماتیک انواع ساختار زنجیره های پلیمری (1) خطی (2) شاخه دار(3) شبکه ای

در طراحی پلیمرها یک محدودیت امکان تغییرات ساختاری وجود دارد. برخی از عوامل که بر روی بهبود و کارایی پلیمرها تاثیر گذارند در زیر آمده است:

-       وزن مونومر یا مونومرها

-       وزن مولکولی

-       نوع شاخه ها یا گروههای انشعابی در زنجیره پلیمر

1-9-2 دسته بندی پلیمرها در سیالات حفاری

پلیمرها در سیالات حفاری به سه روش می توانند دسته بندی شوند. می توان آنها را بر اساس

الف: شیمی آنها همچون آنیونی یا کاتیونی بودن

ب: با توجه به نوع کاربرد یا خصوصیت آنها به طور مثال ویسکوز بخش بودن یا اینکه افزاینده‌ای جهت کنترل هرز روی گل

ج: یا به صورت ساده بر اساس مبدأ و مبنای تولیدی، آنها را دسته بندی کرد.

که در زیر افزاینده های پلیمری را از نظر مبنای تولیدی آنها تقسیم بندی می کنیم:

1-   پلیمرهای طبیعی[7]

2-   پلیمرهای طبیعی اصلاح یافته[8]

3-   پلیمرهای مصنوعی[9]

 

1-9-2-1 پلیمرهای طبیعی

پلیمرهای طبیعی، پلیمرهایی هستند که از طبیعت گرفته شده اند. این مواد از منابع طبیعی همچون، درختان، حیوانات و تخمیر باکتریها بدست می آیند.

محصول بدست آمده حداقل مراحلی از قبیل بهره برداری، جدا سازی، خرد کردن، خشک کردن قبل از بسته بندی را طی می کند.

پلیمرهای طبیعی ساختار پیچیده تری نسبت به پلیمرهای مصنوعی دارند و عموماً از وزن مولکولی بالایی برخوردار هستند. پلیمرهای طبیعی، پایداری دمایی کمتری نسبت به پلیمرهای مصنوع دارند و همچنین سازگاری و تحمل کمتری نسبت به تجزیه به وسیله باکتریها دارند. پلیمرهای طبیعی مورد استفاده در سیالات حفاری شامل مولکول های قندی پلیمریزه شده ای هستند که متعلق به دسته از از ترکیبات به نام پلی ساکاریدها هستند. مونومرها واحدهای قندی شامل کربن، هیدروژن و اکسیژن به نسبت 6:12:6 هستند. پلیمرازیسیون واحدها از طریق واکنش مایع سازی، در نقطه ای که واحدهای قندی منشعب می گردند رخ می دهد. پلی ساکاریدهای بدست آمده شامل واحدهای قندی هستند که توسط اتم های اکسیژن معمول به هم اتصال پیدا کرده اند. پلی ساکاریدها دارای یک C: H: O با نسبت 6:10:5 یا بصورت C6(OH2)5 هستند.

اتصالات اسکلتی و نوع ساختار پلیمرهای طبیعی بسیار پیچیده تر از پلیمرهای مصنوعی است. اسکلت شامل ساختارهای حلقه ای کربوهیدراته و اتم های اکسیژنی که به حلقه اتصال پیدا کردند می‌شود اما پلیمرهای مصنوعی دارای اتصالات کربن – کربن بسیار ساده تری هستند.

 

1-9-2-2 نشاسته

نشاسته پلیمری است طبیعی که از نمونه های مختلی از منابع گیاهی یا دانه ای بدست می آید. نشاسته ذرت و سیب زمینی منابع بسیار مهمی برای سیالات حفاری هستند. نشاسته شامل دو پلی ساکارید است:

الف) آمیلاز[10]

ب) آمیلوپکتین[11]

آمیلاز زنجیره ای از حلقه های کربوهیدراته است که زنجیره مستقیم آن اسکلت مولکول های نشاسته تشکیل می دهد. آمیلوپکتین زنجیره شاخه دار بلندی از حلقه های کربوهیدراته است که از اسکلت آمیلاز منشعب می شود.

 

نسبت جزء آمیلاز و آمیلوپکتین معرف خواص نشاسته خواهد بود نشاسته در مواد خام که از آن حاصل می شود به صورت محلول در آب نیست بلکه این مواد بصورت ساده در سطح آب شناور می شوند برای تاثیر گذار بودن نشاسته در سیال حفایر لازم است که از پوش حفاظتی آمیلوپکتین خارج شده و آمیلاز درونی خارج شود. دانه های نشاسته را تا زمانی که سلول ها آزاد شود گرما می دهند که در نهایت آمیلاز می پاشد این فرآیند همانند پیش ژلاتینی شدن شناخته شده است. با اولین پاشیدگی و پخش شدن، نشاسته آب را جذب می کند. سپس خشک گردیده و بسته بندی می‌گردد. که این محصول غیر یونی و قابل حل در آب نمک اشباع به خوبی آب شیرین معمولی است. M2 – LO – JELیک نشاسته ذرت است که شامل میانگین از 25% آمیلاز و 75% آمیلوپکتین است.

 

1-9-2-3 POLY- SAL®

یک نشاسته سیب زمینی است که تفاوت های جزئی با نشاسته ذرت دارد. نشاسته سیب زمینی وزن مولکولی بالاتری نسبت به نشاسته ذرت دارد. همچنین دارای غلظت بالاتری از آمیلاز نسبت به آمیلوپکتین است. به همین دلایل متفاوت تر کار می کند.

 

POLY- SAL® سازگاری بیشتری نسبت به سختی آب و پایداری گرمایی کمتری نسبت به              My- lo- JelTM دارد و همچنین ویسکوزیته بیشتری را نیز ایجاد می کند.

بیشترین نگرانی و عقب نشینی برای استفاده از نشاسته ها در ارتباط با تمایل آنها به تخمیر است آنها مواد زود تجزیه شونده طبیعی هستند و زمانی که در سیالات حفاری استفاده می شوند باید با یک باکتری کش محافظت شوند.

 POLY- SAL®  شامل یک باکتری کش در محصول نهایی است. محدودیت دوم نشاسته پایداری دمایی کم آن است. نشاسته زمانی که در مواجه طولانی با دماهای بیشتر از (102°c)225°F قرار می‌گیرد سریعاً تجزیه می شود.

بعضی از محیط ها نسبت به دیگر محیط ها بسیار مستعد برای تجزیه باکتریهایی هستند. از بدترین محیط ها می‌توان آب‌های برکه ای راکد مثال زد اگر چه می‌بایست آب های گرفته شده از رودخانه‌ها یا جریان ها، مورد توجه قرار گیرد. دماهای بالا، شرایط PH نامشخص و آب شیرین، رشد باکتریها را تسریع می بخشد. مشکلات باکتریها در سیستم های پرنمک (نمکی) و محیط هایی با PH بالا کمترند با وجود این با گذشت زمان آنها نیز رخ می دهند.

1-9-2-4 صمغ زانتان

زانتان به عنوان پلیمرهای  طبیعی دسته بندی می شود با وجود آن در واقع تهیه آن از شکل تولید باکترییایی بیشتر از شکل برگرفته از منابع طبیعی آن است.

باکتری xanthomonas campestris از طریق فرآیند پیچیده آنزیمی در طول سیکل زندگی نرمال آن، این صمغ را تولید می کند. زانتان یک پلیمر قابل حل در آب، کمی آنیونی و یک پلیمر شاخه دار بزرگ است که دارای وزن مولکولی در محدوده 2 تا 3 میلیون است که نسبتاً برای سیالات حفاری بالاست. مطابق شکل 1-9 زانتان یک زنجیره پنج حلقه است که ساختار تکراری آن شامل یک اسکلت دو حلقه و یک زنجیره کناری سه حلقه است.

 

شکل 1-9 ساختار زانتان

اسکلت شامل گلوکز مجزا در ساختار سلولز است. شاخه های منشعب شده همان اسکلت زنجیره‌های کناری سه حلقه ای قندی که اضافه شده اند هستند.

زنجیره های کناری افزوده شده گروههای عاملی مختلف هستند (کربونیل، کربوکسیل، هیدروکسیل و غیره) ساختار شاخه های طولانی پلیمر با باندهای نسبتاً سست هیدروژنی که در بین گروههای کنار کوپل می شود که این امر به زانتان خصوصیات منحصر به فرد ویسکوز بخشی می دهد. زمانی که به یک غلظت معین از پلیمر می رسیم، باندهای هیدروژنی در میان شاخه های پلیمر پیشرفت کرده و یک شبکه پیچیده و زاویه داری از مولکول های سست باند بدست می آید. زمانی که تنش به سیستم اعمال می شود، برخوردها و کنش های الکترو استاتیکی سست هستند نیروهای جاذبه قسمت های کشیده شده پلیمرها را به سمت هم نگه می دارد. همانطور که باندهای هیدروژنی می شکند ویسکوزیته سیال نیز کم می شود.

زمانی که تنش از بین می رود و زنجیره های پلیمری نیروهای بین مولکولی باندهای هیدروژنی خود را باز می یابند و شرایط اصلی ویسکوز بودن بر می گردد.

پلیمر زانتان سیال های شبه پلاستیک با ساختارهای ژلی ایجاد می کند همانطور که ذکر شد خصوصیت ویسکوز بودن پلیمر با مقدار تنش نسبت عکس داشته بدین صورت که تحت شرایط تنش‌های خیلی بالای تجربه شده در نازل مته حفاری، سیال آنقدر رقیق می شود که رفتاری همچون آب از خود بروز می دهد و تحت شرایط شدت تنش های پایین به طور نمونه در دالیز باندهای هیدروژنی دوباره تشکیل می شوند و ویسکوزیته افزایش پیدا می کند.

در حالت ایستا (ساکن) سیال‌های زانتان خصوصیات تکسوتروپیکی (ژلی) از خودشان نشان می‌دهد صمغ زانتان و پلیمر طبیعی مشابه با آن به نام صمغ welan، دو تا از چند پلیمر تجاری در سیالات پایه آبی که خصوصیات تکسوتروپیکی (ژل ها) ایجاد می کند هستند.

غلظت مورد نیاز زانتان برای افزایش و ایجاد خصوصیات تکسوتروپیکی بستگی به آب تزریقی دارد. فقط 0.5 Lb/bbl برای سیستم آب شیرین ممکن است کافی باشد در حالی که برای یک سیستم KCL یا NaCl (نمکی بالا) 2 تا Lb/bbl 3 ممکن است لازم باشد. در محیط های آبی بسیار نمکی پلیمر زانتان، همچون دیگر پلیمرهای پایه آبی، بسادگی هیدراته نمی شوند و برای اندکی افزایش به صورت گره خورده و پیچشی باقی می مانند در آب شیرین پلیمر انبساط یافته و شاخه های پلیمر در معرض تماس قرار می گیرند و باندهای هیدروژنی را آزاد گذاشته و در نتیجه تکسوتروپی خیلی ساده افزایش پیدا می کند.

صمغ زانتان همچون (flo - vis® , Duo- vis®) برای چند کاربرد به سیال افزوده می شوند. بیشتر مواقع به عنوان جایگزین یک رس برای دادن خصوصیات تکسوتروپیکی به گل افزوده می شوند. به عباراتی صمغ زانتان به جای پر کردن سیال با جامدات رسی، برای دسترسی به ویسکوزیته و تعلیق گل به کار برده می شود که بسیار موثر و سودمند است و در بیشتر موارد به عنوان نگهدارنده تعلیق یا افزایش ظرفیت حمل سیالات بدون افزایش در پر کردن جامدات به کار می رود.

این خصوصیات، صمغ زانتان را به منظور افزایش ویسکوزیته در چاههای افقی و توسعه ای به ویژه زمانی که چاهها شامل سرعت های دالیزی پایین می باشند پلیمری برای انتخاب می سازد.

زانتان دارای خصوصیاتی می باشد که آن را برای کاربردهای سیال های عاری از رس و سیالات تکمیلی ایده ال می سازد. همچنین آن را برای آب نمک به آب دریا، NaBr,CaCl2,kCl, NaCl ویسکوز بخش می نماید. صمغ زانتان به وسیله اکسید کننده ها (رنگ برها) یا آنزیم ها تجزیه می شود و برای تمیز کاری، قابل حل در اسید نیز می باشد. و باعث افزایش قدرت ژلی و تعلیق ساده با مواد قابل حل در اسید همچون CaCO3 می شود.

Flo-vis نمونه تکامل یافته از زانتان است. نمونه تکامل به گونه ای است که برای از بین بردن هر گونه باقیمانده های باکترییایی برای کاربردهای سیال تمیز می باشد. از نام های تجاری دیگر برای این نوع صمغ می توان از پلیمر XC و یا کلزان نام برد که توسط شرت های مختلف تولید کنند، تولید می گردند.

1-9-2-5 پلیمرهای طبیعی اصلاح شده[12]

پلیمرهای طبیعی اصلاح شده در سیالات حفاری بسیار رایج هستند. سلولز و نشاسته، دو پلیمر طبیعی هستند که مکرراً برای تولید پلیمرهای طبیعی اصلاح شده استفاده می شوند. نمونه های اصلاح شده خصوصیات مجزا و متفاوتی نسبت به پلیمرهای طبیعی و اصلی آنها می توانند داشته باشند. برای سیالات حفاری، پلیمرهای طبیعی غیر یونی، همچون سلولز و نشاسته به صورت پلی‌الکترولیت ها اصلاح می یابند.

-       پلی الکترولیت ها[13]

بسیاری از پلیمرها قابل حل در آب نیستند، بنابراین در سیالات حفاری پایه آبی کارایی ندارند، مگر اینکه آنها اصلاح یابند. برای دستیابی به حلالیت در آب، پلیمرها بعضی مواقع بصورت پلی الکترولیت‌ها اصلاح می شوند. این اصلاح سازی شامل یک تغییر در واحدهای تکراری پلیمر است.

یک پلی الکترولیت، پلیمری است که بصورت پلی یون ها و یون های مخالفی از بارهای متضاد در آب حل شده است. یک پلی یون دارای بارهایی است که در طول زنجیره پلیمری تکرار می شوند. بارها می توانند همچون یک پلیمر کاتیونی مثبت یا همچون یک پلیمر آنیونی منفی باشند.

مثال های معدودی از پلیمرهای کاتیونی موجود است اما بیشتر مواقع پلیمرهایی که در سیالات حفاری هستند به صورت منفی بارگذاری شده اند.

موثر بودن یک پلی الکترولیت به تعداد محل های موجود بر روی پلیمر بستگی دارد که برگرفته از عوامل زیر است:

غلظت پلیمر

غلظت و نحوه توزیع گروههای قابل یونیزه

نمکی یا سخت بودن سیال

PH سیال

با یک افزایش تعداد محل های یونیزه شده بر روی پلیمر، آن پلیمر تمایل پیدا می کند که از حالت حلقه ای خارج شده و بسط پیدا کند. که این بر اثر دافعه بارهای متقابل است که باعث افزایش طول زنجیره و کشیدن پلیمر به دورن یک پیکربندی می گردد، که بیشترین فاصله بین بارها را داراست.

همانطور که بحث شد پلیمر در معرض تعداد محل های بازگذاری شده زیادی، قرار می گیرد که اجازه می دهد پلیمر به ذرات رس متصل و خاصیت ویسکوز به فاز سیال بدهد.

-       تاثیرات غلظت[14]

همانطور که تشریح شد پلیمرها، زمانی که در یک سیال حفاری حل می شوند بصورت یک پیکر بندی کشیده شده ای، با طول زنجیره پلیمری بلند فرض می شوند. که این پیکربندی به صورت میله ای نمی باشد بلکه برای دستیابی به ماکزیمم فاصله بین بارهای مشابه بر روی پلیمر به صورت تابدار و پیچش یافته است.

در غلظت های پایین (رقیق)، پلیمر و پوشش نازکی از آب (حدود 2 یا 3 مولکول آب) را جذب می‎کند.

که یک دافعه الکترواستاتیکی بین این پوشش ها وجود دارد. زمانی که شکل کاملاً توسعه یافته ای فرض شود دارای سطح بزرگی خواهد بود که این مساحت سطح بزرگ در تاثیرات ویسکوزیته پلیمر سهمی بر عهده خواهد داشت.

همانطور که غلظت پلیمر افزایش پیدا می کند پوشش محیط آبی پلیمر کاهش پیدا می کند.

 

 

-       تاثیرات PH

PH بر حلالیت پلیمر تاثیر گذار است. PH بعضی مواقع مقدار دامنه یونیزاسیون گروههای عاملی را در طول زنجیره پلیمری تعیین می کند. برای مثال بیشتر گروههای عامل رایج پیدا شده در پلیمرهای پایه آبی گروه کربو کسیلی هستند. گروه کربوکسیل یونیزه شده، یک مشخصه مجزایی در بیشتر پلیمرهای آنیونی شامل CMC، PHPA و صمغ زانتان و تعدادی دیگر ایجاد می کند.

پونیزاسیون به وسیله واکنش گروه کربوکسیلی با یک ماده آلکالی همچون کاستیک سودا انجام شده است. با یونیزاسیون گروه کربوکسیل نامحلول قبلی، حلالیت پلیمر رخ می دهد.

 

گروههای کربوکسیلی سدیم از طریق یک محل بازگذاری شده آنیونی، آب را در خود جذب می کنند. زمانی که پلیمر به آب افزوده می شود، یون سدیم از زنجیره پلیمر جدا شده و یک محل بارگذاری شده منفی ایجاد می کند. اکنون پلیمر آنیونی، و فارغ از آب هیدراته است همانطور که پلیمر آب را جذب می کند محیط پوشش پلیمر، افزایش یافته و ویسکوزیته افزایش پیدا می کند. بهترین حلالیت گروه کربوکسیل از PH 5/8 تا 10 رخ می دهد. برای یونیزه کردن و حلالیت پلیمر، کاستیک کافی برای رسیدن به PH برابر با 5/8 لازم است. اگر مقدار زیادی از کاستیک سودا افزوده شود خاصیت ویسکوزیته به صورت ناچیز سرکوب شده و جلوگیری می گردد. اگر یک PH معکوس رخ دهد برای مثال PH محلول به شرایط اسیدی سقوط کند (کمتر از 7) در آنصورت گروه کربوکسیلی به شکل اولیه و اصلی کربوکسیل باز می گردد و پلیمر حلالیت خود را از دست می دهد.

-       تاثیرات نمک

نمکی شدن سیال، در تاثیرات یک پلیمر بر سیال نقش بسیار بزرگی را داراست. زمانی که یک پلیمر قابل حل در آب به آب اضافه می شود، نمک از سست شدن (باز شدن) و افزایش طول زنجیره پلیمری جلوگیری می کند.

نمک، قدرت آبی را که یک پلیمر می تواند در آن هیدراته و توسعه یابد را محدود می کند. وقتی که نمک به یک سیستم آب شیرین که پلیمرها در آن هستند افزوده می شود معمولاً یک مشکل نوسان ویسکوزیته را به وجود می آورد. بدین صورت که نمک آب را جذب می کند و آن را از پلیمرها جدا می کند و سیستم ممکن است حداقل به صورت موقت تخریب شده و یک افزایش ویسکوزیته رخ دهد.

معمولاً در محیط های نمکی از تاثیر گذاری پلیمرها کاسته می شود اما آن را با افزاینده ای همچون PAC یا صمغ زانتان می توان باز گرداند که این افزاینده با غلظت های نرمال و یا حتی ممکن است برای بهتر کردن شرایط در محیط های نمکی غلظت های بیشتر لازم باشد.

-       تاثیرات کاتیون دو ظرفیتی (دو والانسی)[15]:

زمانی که در یک سیال حفاری یون های دو ظرفیتی همچون کلسیم و منیزیم حضور داشته باشند تاثیرات آنها بر سیستم می تواند قابل ملاحظه باشد

همانند یون سدیم که چنان آب را جذب می کند که موجودیت کلی آب را محدود می کند یون های منیزیم و کلسیم حتی آب بیشتری را نسبت به یون سدیم جذب می کنند که هیدراسیون پلیمر را در حضور آن بسیار ناکار آمد می نمایند.

پلیمرهای آنیونی یک مشکل مواجهه با کلسیم دارند که کلسیم با گروه آنیونی پلیمر واکنش داده که در حین این عمل پلیمر لخته شده و می تواند از سیستم ته نشین گردد. به همین دلیل در بیشتر مواقع برای بهتر کردن شرایط کلسیم، سودااش توصیه می گردد. پلیمرهایی که به مقدار کم آنیونی هستند همانند صمغ زانتان و پلیمرهایی که غیر آنیونی هستند همانند نشاسته که با کلسیم رسوب داده نمی‌شوند.

-       مشتقات سلولز

سلولز یک پلیمر طبیعی است که قابل حل در آب نمی باشد که برای مورد استفاده قرار دادن آن در سیالات حفاری باید به صورت کربوکسی متیل سلولز (CMC) اصلاح شود.

 

شکل 1-10 ساختار سلولز

CMC مثالی از یک پلی الکترولیت است شکل ها نشان می دهد که چگونه ساختار حلقه های تکراری برای سلولز در حضور گروه آنیونی کربوکسی متیل اصلاح می شود. حال در پلیمر اصلاح شده به واسطه گروه آنیونی، یک میل ترکیبی با آب و حلالیت در آن ایجاد شده است.

 

شکل 1-11 ساختار سلولز

کربوکسی متیل سلولز یا واکنشی از نمک سدیم اسید مونو کلرواستیک (CICH2COONa) با سلولز تشکیل می شود. جایگزینی بیشتر مواقع در گروه (-CH2OH) برای تشکیل یک پلی الکترولیت قابل حل اتفاق می افتد.

 

شکل 1-12 ساختار CMC

خصوصیات کربوکسی متیل سلولز به چه عامل بستگی دارد:

-       درجه جانشینی                   (D.S)

-       درجه پلیمریزاسیون             (D.P)

-       یکنواختی جانشینی

-       خلوص محصول نهایی

درجه پلیمریزاسیون بیانگر تعداد دفعات تکرار شدن ساختار حلقه است. ساختار حلقه، یک ساختار تکراری است که پلیمر را تعریف می کند مقدار بالای D.P مقدار بالای وزن مولکولی است و همانطوری که D.P برای CMC افزایش پیدا می کند ویسکوزیته نیز افزایش پیدا خواهد کرد.

CMC با ویسکوزیته بالا (HV- CMC) یک وزن مولکولی بالایی نسبت به CMC با ویسکوزیته پایین (LV- CMC) دارد.

درجه جانشینی اشاره به تعداد جایگزین هایی دارد که بر روی یک ساختار حلقه ای منفرد رخ می‌دهد در کربوکسی متیل سلولز سدیم (مطابق شکل 1-11) دقیقاً یک جایگزینی بر روی هر ساختار حلقه‌ای وجود دارد که این بدین معنی است که D.S  برابر با 1 است.

در مثال بالا جایگزینی فقط بر روی گروه هیدروکسیل متیل (-CH2OH) رخ می دهد همچنین جایگزینی در هر یک از دو گروههای هیدروکسیل (-OH) می توانست رخ دهد که پتانسیل D.S برابر با 3 را نتیجه می دهد. حلالیت در آب زمانی فرا می رسد که D.S به 45/0 برسد.

محدوده D.S معمولی برای CMC از 7/0 تا 8/0 است. CMC با ویسکوزیته بالا (HV- CMC)، D.S مشابهی با CMC نسبتاً بالای CMC های جایگزین یافته است که آنها را پلی آنیونیک سلولز[16] یا بصورت ساده PAC  نامیده اند.

 

PAC

PAC از نظر ساختار شیمیایی و همچنین D.P، مشابه با CMC است فقط D.S برای دو پلیمر متفاوت است محدوده عادی D.S برای PAC بین 9/0 تا 1 است.

D.S بالا برای پلیمر PAC آنرا بسیار قابل حل تر از CMC کرده است که این کارایی PAC را بصورت کلی بهتر از CMC کارایی بهتری نسبت به CMC داراست.

بعضی مواقع CMC و PAC با D.S و D.P و خلوص متفاوت کارایی متفاوت دارند که این بر اثر غیر یکنواختی جایگزینی ها در طول زنجیره است یک CMC و PAC با کیفیت خوب دارای جانشینی های غیر یکنواخت در طول زنجیره است.

هنگامی که در یک زنجیره پلیمر CMC یا PAC، جایگزین فقط در یک سر و یا در وسط پلیمر رخ دهد در آنصورت حلالیت پلیمر و کم و در نتیجه دارای کارایی کمی در سیالات حفاری خواهد بود.

-       پلی پک (Poly PAC®)

پلی پک، یک سلولز پلی آنیونیک با کیفیت بالاست که هرز روی گل در سیستم های آب شیرین، آب دریا، NaCl، NCI را کنترل می کند که بوسیله ایجاد یک لایه نازک، سفت و انحنا پذیر از هرز روی سیال به سمت سازندها جلوگیری و آن را محدود می کند. همچنین ویسکوزیته عالی را در درون سیستم آب شیرین و آب دریا ایجاد می کند برای استفاده در آب دریا، آب نمکی و آب های با محلول کلسیم بالای (mg/l) 400، پلی پک بیشتر از CMC توصیه شده است.

 

در زیر جدولی با خصوصیات تکنیکی و محدودیت های از  PACو CMC آمده است:

D.S

D.P

وزن محلول

محصول

1-9 و 0

1-9 و 0

8 و 0-7 و 0

8 و 0-7 و 0

1000-850

1280-1130

1000-850

1280-1130

170-140

225-200

170-140

225-200

PACLV

PAC+V

CMC LV

CMC HV

 

هیدروکسی اتیل سلولز[17] (HEC):

نمونه ای دیگر از پلیمرهای سلولزی اصلاح شده است که با خیساندن سلولز در محلول کاستیک سودا و سپس واکنش این سلولز آنکانی با اتیلن اکساید بدست می آید نتیجه حاصله یک جایگزینی گروههای هیدروکسی اتیل بر روی هیدروکسی متیل در محل های هیدروکسیل است.

حتی با اینکه غیر یونی است گروههای هیدروکسی اتیل متیل ترکیبی ویژه ای با آب برای ایجاد محلول آبی پلیمری دارند.

D.P زنجیره های کناری جایگزینی مولی نامیده می شوند (M.S) یا میانگین تعداد مولکول های اتیلن اکساید که با هر واحد سلولزی واکنش می دهند با اتصال یک گروه هیدروکسی اتیل به هر واحد، گروههای اضافی از یک انتها به انتهای دیگر ساختار، بیشتر در معرض واکنش قرار می گیرند و تا زمانی که اتیلن اکساید موجود باشد این واکنش ها می تواند ادامه داشته باشد.

M.S بالا حلالین بالای پلیمر است بنابراین سازگاری بیشتری را در برابر نمک و سختی خواهد داشت معمولاً محدوده M.S از 5/1 تا 5/2 برای HEC متغیر است.

HEC برای کنترل ویسکوزیته و هرز روی گل در سیالات تکمیلی استفاده می شود که سازگار با آب‌های نمکی شامل آب دریا، KCl، NaCl، CaCl2 و CaBr2 است همچنین HEC یک پلیمر بسیار تمیز و قابل حل در اسید است که در عملیات های که باید از سیالات تکمیلی استفاده شود بکار می رود.

با توجه به اینکه HEC غیر یونی است با سطوح باردار شده همانند پلیمرهای یونی بصورت قوی واکنش نمی دهد. HEC دارای یک محدوده دمایی تا (1210C)2500F است. با  PH گل زیاد تأثیر پذیر نیست (بالای 10= PH ممکن است یک افت خفیف و ویسکوزیته داشته باشد) و مقاوم در برابر باکتری یایی شدن و یک پلیمر تکسوتروپیک نیست (ساختار ژلی برای تعلیق ایجاد نمی کند) با وجود این سهم بزرگی از ویسکوزیته کلی را ایجاد می کند.

-       مشتقات نشاسته ای

همانطوری که در مباحث گذشته بیان شد، نشاسته بسیار در کاربردهای زیادی بدون اصلاح سازی مورد استفاده قرار می گیرد. اما با اصلاح سازی های شیمیایی مشتقات نشاسته برای بدست آوردن خصوصیات متفاوت تر می تواند ساخته شود.

نشاسته می تواند به روشهایی، طوری اصلاح سازی شود که مستعد بودن آن، برای تجزیه باکتریها را کاهش یا از بین ببرد. همچنین می تواند با روش های ساده برای دستیابی به پایداری دمایی بیشتر اصلاح سازی شود.

مثال هایی از نشاسته اصلاح شده در زیر آمده است.

-       نشاسته کربوکسی متیل[18] (CMS)

مثالی دیگر از پلیمرهای اصلاح شده نشاسته کربوکسی متیل است. همانند CMC، نشاسته کربوکسی متیل به یک جایگزینی کربو کسیلات در هر یک از گروههای هیدروکسی متیل یا هر یک از دو گروههای هیدروکسی بر روی ساختار حلقه ای تن می دهد. مشابه CMC، جایگزینی سریعاً در گروه هیدروکسی متیل رخ می دهد.

 

شکل 1-13 ساختار نشاسته کربوکسی متیل

Therm pac UL® 

یک نشاسته کربوکسی متیل است که هرز روی گل را با یک حداقل افزایش در ویسکوزیته در بیشتر سیالات حفاری پایه آبی کنترل می کند. برای استفاده در سیستم هایی که نیاز به کنترل نتراسیون دقیق تر و خصوصیات رئولوژیکی پایین دارد نسبت به مواد PAC ارجح‌تر هستند. کارائی thermpac UL بسیار مشابه تر به مواد CMC است و دارای یک پایداری دمایی مشابه به CMC و PAC (بالای (1490C) 3000F) است و نیازی به باکتری کش ندارد.

Thermpac UL زمانی که در سیالات حفاری شامل محتویات کمتر از (mg/l) 20000 Cl و mg/l 800 Ca  است بسیار موثر است. در هر Ph کارایی دارد و برای کلیه سیستم های پایه آبی مناسب است.

-       نشاسته هیدروکسی پروپیل[19]

نمونه ای دیگر از نشاسته اصلاح شده هیدروکسی پروپیل است (نشاسته (HP)) که با واکنش نشاسته با اکسید پروپیلن بدست می آید. نتیجه اصلاح سازی غیر یونی و قابل حل در آب است.

 

شکل 1-14 نشاسته هیدروکسی پروپیل

همانند CMS و HEC جایگزینی در هر یک از گروههای هیدروکسی متیل یا هر یک از دو گروههای هیدروکسیل موجود بر روی ساختار حلقه ای رخ می دهد. همچنین مشابه با CMC و CMS جایگزینی، بسیار سریع در گروه هیدروکسی متیل رخ می دهد. نتیجه، یک جانشینی گروههای پروپو کسیلاتی است که D.P گروههای پروپو کسیلات شده همانند جایگزینی مولی (M.S) مشخص است.

M.S میانگین تعداد مولکول های اکساید پروپیلن است که با هر واحد نشاسته واکنش می دهد. یک گروه هیدروکسی پروپیل که به هر واحد متصل شده، می تواند واکنش های بیشتری با گروههای اضافی در دو سر ساختار داشته باشد.

واکنش پروپیلن اکساید با نشاسته شباهت های با واکنش سلولز با اکسید اتیلن دارد در هر مورد جایگزینی به وسیله یک ساختار تکراری رخ می دهد که باید با M.S آن تعریف شده باشد.

نمونه های زیادی از نشاسته HP موجود هستند که خصوصیات آنها با D.R، D.S و درجه پلیمریزاسیون گروه جایگزین شده (M.S) متغیر است.

 

 

 

Flo – TrolTM

یک نشاسته HP است که عمدتاً برای کنترل هرز روی گل در سیستم های
FLO-PROlTM بکار می رود. و به همراه کربنات کلسیم برای تشکیل لایه صافی قابل حل در اسید به عنوان یک آسان از بین برنده کار می کند.

همانند نشاسته، FLO- PROTM برای بیشتر آب های نمک دار شامل آب دریا، NaCl، KCl، CaCl2، NaBr، CaBr مناسب است، و نیازی به باکتری کش ندارد.

FLO- PROTM یک خصوصیت ویسکوز بخشی منحصر به فرد دارد که آن را برای کاربرد در سیالات حفاری مناسب می سازد. برخلاف محصولات PAC، flo – Trol به [20]LSRV کمک می‎کند.

غلظت های توصیه شده 2 تا (lb/bbl) 4 برای بسیاری کاربردهاست، با وجود این از غلظت های بالاتر برای دسترسی به مقادیر صافی پایین بکار می رود.

پایداری دماییFLO- PROTM  از بیشتر مواد نشاسته ای بیشتر است که در کاربردهای نمکی در حدود (1210C)2500F است.

 Mor- RexTM یک آنزیم هیدرولایز شده نشاسته غلات است که این اصلاح سازی شیمیایی برای بدست آوردن یک مالتود کسترین[21] صورت گرفته است.

هیدرولایز نشاسته نتایجی در محصول می دهد که در وزن مولکولی (کمتر از 5000) خیلی کم است و یک خصوصیت آنیونی جزئی به پلیمر می دهد.

 

Mor- Rex

در سیالات حفاری بصورت انحصاری پایه آهکی استفاده شده است که این عمدتاً به خاطر تمایل آن برای افزایش حلالیت کلسیم در یک محیط سیال پایه آهکس است در چنین محیطی پلیمر Mor- Rex بیشتر هیدرولایز شده و در حین هیدرولایز، Ca2+ به گروههای کربوکسیلات آزاد متصل می شود که این افزایش غلظتی از کلسیم محلول را نتیجه می دهد به عبارت دیگر سیستم پایه آهکی با Mor- Rex که شامل کلسیم محلول است دارای کارایی بهتری نسبت به سیستم پایه آهکی بدون Mor- Rex هستند.

معمولاً Mor- Rex همانند یک لخته گیر عمل می کند.

غلظت عادی برای Mor- Rex در یک سیستم آهکی و Mor- Rex 2 تا، (lb/lbl) 4 است. همانند نشاسته های تجاری پایداری دمایی در حدود (930C)2000F دارد و همچنین نیاز به باکتری کش دارد.

1-9-2-6 بررسی تاثیرات صمغ تاماریند[22] و سلولز پلی آنیونیک

/ 0 نظر / 86 بازدید