مروری
بر پایداری کف حفاری
Review of Drilling Foam stability

به
طور کلی کف گازی است
پراکنده چون هوا درون یک
سیال که به وسیله یک
سورفکتانت با کاهش کشش

سطحی
محل تماس آب و هوا
ایجاد می شود

) پورتر
4991 (. حباب ها افزون
بر فشار اتمسفری دارای یک
فشار

داخلی
نیز هستند که وابستگی زیادی
به اندازه حباب، استحکام غشاء
و پوسته آن دارد
. حباب ها در یک
کف

خشک
که در آن ضخامت دیواره
مطابقت کمی با اندازه آنها
دارد کروی نیستند اما به
هم پیوسته اند و چند
وجهی

منظمی
را تشکیل می دهند که
اغلب به شکل

41 وجهی
) سطحی
( منظم دارای
غشاهای تقریباً مسطح مایع ) در

.) بین آنها ( دیده می شود )شکل 4

شکل
) 4( : ساختار کف در
نمای دو بعدی

غشاهای
نازک دارای انرژی سطحی هستند
و سورفکتانت ها باعث
کاهش این انرژی شده اند
و از این پس
وجود

انرژی
خود باعث به وجود آمدن
کف می گردد
.
برای یک
نسبت هوا به سیال ثابت،
مساحت سطحی و در نتیجه

انرژی
کل با کاهش اندازه حباب
ها افزایش پیدا می کند
. یعنی یک ترکیب حاوی
حبابهای بسیار ریز دارای انرژی

به
مراتب بیشتر از همان ترکیب
دارای حباب های درشت است
. با توجه به اینکه
هر ساختار برای رسیدن به
تعادل

نیازمند
از دست دادن انرژی

)پتانسیل(
است و
در حالت تعادل از کمترین
انرژی پتانسیل برخوردار می باشد،
کف

2

در
یک سیر تحولی از وضعیت
ناپایدار دارای انرژی پتانسیل بالا
به وضعیت مایع دارای حداقل
انرژی پتانسیل

تبدیل
می شود
. انرژی پتانسیل هر مولکول
از لامینه های کف برابر
با حاصل ضرب وزن در
ارتفاع آن از سطح مبنا

)سطح سیال( است. در این صورت انرژی
پتانسیل کل از مجموع تمام
این انرژی ها بدست می
آید. در هر
صورت

ترکیبی
دارای پایداری بیشتری است که
با جلوگیری از سقوط سقلی
سیال یا مولکول های تشکیل
دهنده کف
) از

قبیل
مولکولهای آب، انواع نمک ها،
پلیمرها، رس ها و غیره
( مدت زمان بیشتری این
انرژی را در خود حفظ

نماید.

سورفکتانت
ها
:

سورفکتانت
ها به عنوان مواد اصلی
سازنده کف از نقطه نظر
منشا دو گونه اند

: نوع اول
شوینده های مصنوعی و

نوع
دوم شوینده هایی که اساس
پروتئینی دارند
. اکثر سورفکتانت ها به
صورت مصنوعی ساخته می شوند
و مقدار

اندکی
از آنها نیز از منشاء
پروتئینی هستند
.

3 پایدار کننده – – 14 مواد ایجاد کننده کف
پروتئینی و % 44 به طور
کلی کف سازهای پروتئینی شامل % 14

5 شوینده مصنوعی کف گلایکولی هستند.
در حالی
که کفسازهای مصنوعی ) به طور
ویژه آنیونی ( شامل % 34

45 پایدار کننده کف اتر
گلایکولی می باشند. جهت ساخت کفساز هر
دو ممکن است دارای تقریباً % 5 و % 14

پلیمر
محلول نیز باشند
.
کفسازهای مصنوعی
شامل ترکیبی از هیدروکربن های آنیونی
، حلال
و پایدار کننده های

کف
می باشند
. آنها تمایل به ناپایداری به
دلیل بالا بودن سرعت زهکشی
سیال بین دیواره ای دارند. کفسازهای

پروتئینی
نیز شامل پروتئین هیدرولیز شده، حلال،
کلرید سدیم، نمک های آهن
و کلسیم، پایدار کننده
کف و

نگهدارنده
است که در یک محلول
آبی قرار دارد
.
پروتئین مذکور
ممکن است از موادی چون
دانه های سویا،

نشاسته
)چسب(
ذرت، خون
، پودر
شاخ و سم حیوانات، دور ریز
بقایای ماهی یا پودر پر
و بال پرندگان بدست

آید.
کف سازهای
پروتئینی عموماً خشک )
stiff
(، پایدار و دارای
آب از دست دهی خیلی
کمی هستند. پلیمرها

ممکن
است به مواد کفساز برای
افزایش گرانروی کف و بهبود
خواص تیکسوتراپیک آن افزوده شوند
.
تاثیر چنین

افزودنی
هایی کمک به پایداری بیشتر
کف ایجاد شده است
.

یک
کف ساز مناسب به ترتیب
اهمیت از مواد زیر تشکیل
می شود
:

3

v سورفکتانت ها یا مواد
کاهنده کشش سطحی
:

v مواد پایدار کننده حباب
های کف
: کف باید دارای
قوام و پایداری مناسبی باشد. تقویت کننده ها
یا پایدار کننده

های
کف موادی هستند که با
اضافه شدن به ترکیب سبب
افزایش کیفیت، حجم و پایداری
کف
) Foam در

صنعت
حفاری و
Lather در صنعت شامپوسازی
( و در
نتیجه افزایش چشمگیر نیمه عمر
آن می شوند. از جمله

این
مواد می توان به ترکیباتی از
قبیل گلایکول ها

) چون پلی
اتیلن گلایکول )
PEG (، مونو اتیلن گلایکول

( MEG (، هگزیلن گلایکول (، آلکانول
آمیدهای اسیدهای چرب ) مانند لوریک ایزو پرو
پانول آمید، لوریل دی

اتانول
آمید، لوریل مونو اتانول آمید،
کوکونات مونو اتانول آمید

(، سوپرآمیدها، الکل های
چرب با غلظت پایین و

در
مقادیر کمتر سارکوزین ها و
فسفات ها اشاره کرد
.
در صورت
عدم استفاده از پایدار کننده
های مناسب و کافی

نبودن
درصد آن در ترکیب، حباب
های کف به دلیل بالا
بودن سرعت آبدهی

)زهکشی(
سیال بین
دیواره ای بسیار

ناپایدار
خواهند بود
. تخلیه سریع سیال بین
دیواره ای از دیواره های
حباب سبب کاهش سریع استحکام
دیواره ای

و
متلاشی شدن حباب می گردد
. جریان سیال در اطراف
حباب به طبعیت از جاذبه
زمین از بالا به طرف
پایین

خواهد
بود و در پایینترین سطح آن
از سیال بین دیواره ای
خارج می گردد

) شاهد این
ادعا جمع شدن سیال

مذکور
در پایینترین قسمت ظرف و آغاز
فروپاشی حباب ها از بخش
بالایی است
(. این امر سبب نازک
شدن

سطوح
بالایی حباب می گردد و
هنگامی که سطوح نازک بالایی
تحمل خود را در مقابل
نیروهای وارده از دست

بدهند
حباب مذکور می شکند
.

v حلال: به طور ویژه
آب دیونیزه و فاقد هر
گونه بار میکروبی و تنها
در جهت کاهش گرانروی بکار
می رود.

در
صورت استفاده از آب سخت
و دارای بار میکروبی، کفساز
ها که عمدتاً از نوع
سدیم لوریل یا اتر لوریل

سولفات
هستند در واکنش با کاتیون
های فلزی تشکیل رسوب می
دهند و کیفیت آنها به
میزان قابل توجهی کاهش

می
یابد
. بالا بردن بیش از
حد درصد آب نیز سبب
بالا رفتن آبدهی ترکیب حاصل
و کاهش کیفیت خصوصیاتی

چون
گرانروی و در نتیجه کاهش
پایداری کف می گردد
.
از همه
اینها گذشته افزایش آب سبب
افزایش شدید

دمای
انجماد ترکیب و نزدیک شدن
آن به دمای انجماد آب
)صفر درجه( و یخزدگی در زمستان
می گردد. همچنین

سبب
کاهش شدید گرانروی و نشتی
بشکه های مربوطه نیز می
گردد
.

4

v مواد ضد خوردگی : سیلیکات سدیم
جهت جلوگیری از کلوخه ای
شدن و خوردگی فولاد و
آلومینیوم.

v نگهدارنده ها و مواد
محافظ میکروبی
: برای جلوگیری از رشد
باکتریها و فساد حاصل از
عملکرد آنها ) موادی

چون
فرمالدئید، هیدروکسی بنزوات، متیل پارابن، فنیل
مرکوریک استات، نمک های دهیدرو
استیک اسید و غیره

(.

v نمک های فلزی : کلراید سدیم
و نیز سولفات سدیم
و غیره جهت رقیق
سازی.

v ضد یخ : در صورت احتمال
یخ زدگی در زمستان.

v عوامل ضد بازنشینی : اولین و مهمترین
ماده در این دسته
CMC ) کربوکسی متیل سلولز ( است که با D.S (

درجه
جایگزینی
( درجه آن مشخص می
گردد. وقتی به
عنوان
D.S عدد 4.5 ذکر می شود، یعنی نصف
OH های

موجود
در مولکول های سلولز به
طور متوسط عوض شده اند،
حلالیت و گرانروی حاصل از
CMC با این درجه

مرتبط
است
. ممکن است در مولکولهای مختلف
این عدد 4.1 تا 4.0 و
یا در حد اندازه های
مختلف دیگر تغییر

کند.
کیفیت یک
کف ساز به ضریب انبساط ) نسبت حجم کف
تولید شده به حجم آب )سیال( اولیه ( و نوع و

ماهیت
آن و غلظت مواد تولید
کننده و نیز پایدار کننده
کف بستگی دارد
.

یکی
از نمونه های کاربردی محلول
تولید کننده کف به شرح
زیر است
) سه
هزار و شصت روش ساخت
مواد نانو

:) و فرآورده های صنایع
شیمیایی، دکتر محمود ادریسی، صفحه
973

محلول
تولید کننده کف
:

مواد
قسمت وزنی

لوریل
الکل اتر سولفات

)
تِگزاپون
و یا ژناپون
( 144

هگزیلن
گلایکول
) و
یا پلی اتیلن گلایکول
( 444

لوریک
ایزو پرو پانول آمید

144

آب
544

5

شوینده
ها یا مواد فعال ساز
سطحی
:

ترسازها
)
Surfactants ( در حقیقت مواد
فعال ساز سطحی هستند که
سبب کاهش کشش سطحی سیال
می

شوند.
سطح می
تواند بین جامد و مایع،
گاز و مایع ) کف ( و یا دو مایع
غیر قابل امتزاج ) امولسیون ( باشد.

اولین
و مهمترین خصوصیت این
مواد این است که غلظت
این مواد در سطح بیشتر
از غلظت آنها در توده
است
.

مقدار
کمی از این مواد می
تواند کشش سطحی را به
میزان قابل توجهی کاهش دهد
. به طور مثال افزودن 4.4

درصدی
یک کف ساز خوب می
تواند کشش سطحی آب را
از
71 به 34 دین بر سانتی متر
مربع کاهش دهد.

تمام
این مواد ترکیبی مشابه دارند
. هر مولکول خواصی دوگانه
دارد. یک قسمت
از آن که اصطلاحاً دم نامیده
می

شود
غیر قطبی، آب گریز

)
hydrophobe ( یا چربی دوست ) lipophile
( است و
ماهیت هیدروکربنی دارد،

قسمت
دیگر که سر نامیده می
شود قطبی و یا به
عبارتی قابل یونیزه شدن و
یا آبدوست
) hydrophilic ( و یا آب

خواه
)
hydrophile ( است ) شکل 1 (. سر مولکول ممکن است
در یکی از دو انتهای
مولکول و یا در قسمت

های
دیگر آن باشد
.
مولکولهای این
مواد در سطح یا میان
سطح قرار می گیرند و
به طوری جهت دار می
شوند که

قسمت
سر
) بخش قطبی ( به سمت محیط آبی
و قسمت دم ) بخش آلی ( به طرف هوا ) در سطح ( و یا در
بخش

روغنی
) میان سطح ( جهت گیری کند.

شکل
) 1( : بخش های دوگانه
یک سورفکتانت ) آنیونی (

انواع
مواد فعال ساز سطحی

) طبقه بندی
سورفکتانت ها (

6

از
منظر تجاری سورفکتانت ها بر
اساس کاربردشان طبقه بندی می شوند
. اما به دلیل اینکه
بسیاری از سورفکتانت

ها
دارای کاربرد های مختلف هستند
این روش کاربرد زیادی ندارد
. علمی ترین و قابل
قبول ترین طبقه بندی

سورفکتانت
ها بر اساس تجزیه و
تفکیک آنها در آب است
. مواد فعال ساز سطحی
با توجه به بار الکتریکی قسمت

یونی
خود به چهار دسته مهم
زیر تقسیم می شوند
:

)1 سورفکتانت های آنیونی

این
مواد هنگام حل شدن در
آب یک آنیون بزرگ تولید
می کنند که یک طرف
آن آبدوست و یک طرف
دیگر

چربی
دوست است
. طرف آبدوست و قطبی
این مواد دارای بار منفی
است. آنها شامل
آلکیل بنزن سولفونات )

شوینده
(، صابون ها ) اسیدهای چرب (، لوریل
سولفات ها و لوریل اتر
سولفات ها ) کف سازهای
آب شیرین (،

دی
آلکیل سولفوسوکسینات
) ماده ترساز (، لیگنوسولفونات ها ) پراکنده سازها ( و ... هستند. طرف آبدوست

سورفکتانت
های آنیونی که ارزانترین گروه سورفکتانت ها
را تشکیل می دهند عبارتند
از
: سولفات ها ) SO ،) 1

سولفونات
ها
) SO3
(، فسفات ها و
کربوکسیلات ها که سولفات ها
و سولفونات ها معمولترند. بخش غیر آبدوست

می
تواند آلیفاتیک، سیکلوآلیفاتیک یا آروماتیک باشد
.
سورفکتانت های
آنیونی دارای خواص پاک کنندگی
خیلی

خوب،
کف کنندگی خیلی خوب، و
نیز پایدارکنندگی کف
) Foaming Boosting ( هستند.

7

مهمترین
سورفکتانت های آنیونی مورد استفاده
در صنعت کف سازی عبارتند
از
:

الف(
آلکیل سولفات
های نوع اول
Primary Alkyl Sulfates

41 اتم کربن است به
ویژه آنها که حاوی
آلکیل
سولفات های نوع اولی که
طول زنجیره کربنی آنها

41
C ، 41

C ، 41 C40 هستند کف
خیلی خوبی تولید می کنند. ترکیب یک آلکیل
سولفات مناسب می تواند به
شرح زیر باشد:

C41 :
1%, C40
: 41%,
C
41 : 11%, C41
: 01%,
C
44 : 1%

پرکاربردترین
این مواد در صنعت کفسازی
ترکیباتی از سدیم است
.
رایجترین سورفکتانت های
این دسته از املاح

لوریل
الکل
) C41H15OH (
و میرستیل
الکل )
C41H19OH (
می باشند. لوریل سولفات ها
حجم کف بیشتری تولید

می
کنند در حالی که میرستیل
سولفات ها کفی با قوام
بهتر تولید می کنند، به
گونه ای که مخلوط این
دو حالت

ایده
آلی تولید می کند
.
حلالیت این
سورفکتانت ها در آب سرد
کم است و با افزایش
دما حلالیت آنها نیز افزایش

.) پیدا می کند ) شکل 3

شکل
) 3( : سدیم لوریل سولفات
سورفکتانت مورد استفاده جهت ایجاد
کف در آب شیرین

8

آمونیم
لوریل سولفات نیز از جمله
پاک کننده هایی است که
حلالیت خوبی دارد و کف
مناسبی تولید می کند
.

این
ماده در مقایسه با سدیم
لوریل سولفات مقاومت بیشتری نسبت
به هیدرولیز در محیط اسیدی

) تا
PH کمتر

.) از 1.5 ( از خود نشان می
دهد ) شکل 1

شکل
) 1( : ساختمان آمونیم لوریل
سولفات

ب(
الکل اتر
سولفات ها
Alcohol Ether Sulfates

سولفات
های الکل های چرب اتوکسیله ارزان
قیمت و دارای اثرات محافظت
کنندگی کف
) Booster ( می

باشند.
مهمترین این
ترکیبات سدیم لوریل اتر سولفات
یا سدیم لورِت سولفات )
Sodium
Laureth Sulfate
،

ماده
اصلی پرکاربرد تولید کننده کف در
شامپوهایی چون
Head & Shoulder ،
کریستال، اِمِرون و

... (،

آمونیوم
لوریل اتر سولفات

) یا آمونیم
لورِت سولفات مورد استفاده در
شامپوهایی چون
Head & Shoulder ( و

نیز
تری اتانول آمین لوریل اتر
سولفات است
. از جمله این مواد
می توان ب

/ 0 نظر / 78 بازدید