پلیمرهای بکار رفته در سیالات حفاری

این بخش ساختار برخی از پلیمرهای بکار رفته در سیالات حفاری را شرح می دهد و این ساختار را به این کاربری مرتبط می سازد بطوریکه استفاده از پلیمر ها در سیالات حفاری درک شود یک ماده تجاری در دسترس ممکن است ترکیبی از مواد است بدلیل رویهم گذاری ویژگیها و بدلیل اثرات همبیشی همچنین با وجودیکه یک محصول بعنوان یک نوع ژنریک تلقی شده بین این پلیمرها با توجه به فاکتورهایی مانند روند تولید و مواد خام تفاوتهای مناسبی وجود دارد این عوامل می توانند نسبت به استفاده و کارایی در سیال حفاری تفاوتهای اساسی را بوجود آورند برخی از این محصولات و عملکردها در جدول 5 خلاصه شده اند.

طبقه پلی ساکاریدها از پلیمرها گروه بسیار استفاده شده ای از پلیمرهای بکار رفته در سیالات حفاری هستند و شامل مشتقات سلولز – نشاسته ها- پلی ساکاریدهای باکتریایی و برخی چسبها هستند واحد اصلی گلوکز است که فقط شامل کربن – هیدروژن- و اکسیژن است شکل ها نمای سه بعدی مولکولهای دایره ای را ارائه میکند این پلیمرها توسط یک اتم اکسیژن متصل به اتمهای کربن یا سایر واحد های گلوکز برای تشکیل یک اتصال گلوکوسید همانطور یکه در شکل 7 نشان داده شده است ساخته شده اند این اتصال می تواند بین گروههای هیدروکسیل روی C-1,C-2, C-8 بوجود آید. اتصال روی C-1 می تواند زیر حلقه نشان داده شده در شکل 4/6 ( یک آلفا ، اتصال ) یا بالای حلقه ( یک بتا ، اتصال ) باشد . دامنه گسترده ای از پلیمرها را می توان با تغییر محصولات طبیعی ساخت تمامی آنها شامل گروه منومری یکسان هستند ولی در وزن مولکولی نوع اتصال و تغییر شیمیایی تفاوت دارند ساختارهای متفاوت می توانند به عملکردهای متفاوت مولکولها ارتباط داشته باشند.

مشتقات سلولزها
سلولز از واحدهای گلوکز متصل شده توسط اتصالات (1-4)-B تشکیل شده است که این پلیمر خطی در شکل 8 نشان داده شده است فیبر چوب شامل دسته هایی از این مولکولهاست که با موادی به نام لیگنین انشعابات عرضی بوجود می آورد سلولز در آب غیر قابل حل است ولی برای معرفی گروههای هیدروفیل تر و شکستن ساختار کریستالی گلوکز می تواند بصورت شیمیایی تغییر یابد واکنش گلوکز با قلیاها و سپس تشکیل مشتقات شیمیایی گروههای هیدروکسیل را بر روی واحد های انیدرو گلوکز براحتی رخ می دهد .

کربوکسی متیل سلولز(CMC)
در مورد CMC یک گروه کربوکسی متیل (-CH2COOH) از طریق یک اتصال همانطوریکه در شکل 9 نشان داده شده است به یک اتم ربن متصل شده است سلولز ابتدا برای تشکیل سلولز قلیایی با سدیم هیدروکسید و سپسبا منو کلرو استات واکنش می دهد بطور بالقوه سه گروه هیدروکسیل واکنش دهنده وجود دارد به مقدار واکنش بعنوان درجه جایگزینی یا DS اشاره شده است که عموماً در محدوده 0.8-1.2 برای CMC های بکار رفته در سیالات حفاری می باشد یکسانی جایگزینی هم می تواند ویژگیها را تغییر دهد محلولی با پراکشن یکسانی بیشتر همگن تر با تیکسوتروفی کمتر با کاهش نیروی برشی بوجود می آید یک متغیر سوم طول زنجیر- یا درجه پلیمری بودن است که می تواند بطور شیمیایی یا مکانیکی پیوند گلیکو سید را تجزیه کند.
بنابراین می توان دید که یک CMC با وزن مولکولی کم ویژگیهای مورد نیاز برای یک متغیر منعقد کننده اسماً وزن با مولکولی کم و بار منفی است یک CMC با وزن مولکولی زیاد بعنوان یک عامل بوجود آورده چسبندگی بکار می رود و تا حدی ویژگی اتلاف سیال دارد این گروه از پلیمرها به میزان زیادی در سیالات حفاری بکار می رود زیرا هزینه متوسط و نسبت به نمک و دماهای زیاد پایدار است.

هیدروکسی اتیل سلولز
روند تولید HEC بر اساس واکنش بین سلولز قلیایی و اکسید اتیلن بصورت زیر است :
o
R-OH+NaOH R-ONa+CH2-CH2 R-OCH2CH2OH
اتیلن عامل قلیایی سلولز
واکنشهای بعدی می توانند روی اکسیداتیلن رخ دهند ساختار واحد ایده آل در شکل 10 ارائه شده است کنترل شرایط واکنش می تواند با تاثیر بر چها متغیر اصلی پلیمرهای متفاوتی بوجود آورد که این متغیرها عبارتند از :
1- طول زنجیره سلولز
2- درجه جایگزینی (DS) بر واحد سلولز –اسماً 1.5-2.5DS برای یک پلیمر محلول در آب
3- درجه پلیمری شدن زنجیره های کناری پلی اتیلن که جایگزینی مولی (MS) نامیده شده است
4- یکسانی جایگزینی
این پلیمر شامل هیچ گروه یونی نمی باشد و بنابراین بعنوان یک عامل بوجود آورنده چسبندگی برای سیالات مکمل و سایر سیالات بر اساس آب نمک بطور ایده آلی مناسب است این پلیمر بسیار تیوکسوتروفی است یا ویژگیهای کاهش دهنده نیروی برشی دارد ولی ویژگیهای انعقادی یا تنشی را ارائه نمی کند این ماده مکمل است بطور ویژه بخاطر حلالیت آن در آب مورد استفاده قرار گیرد سایر مشتقات سلولز هم ممکن است توسط گروههای CMC یا HEC روی یک مولکول فراهم شوند یا همراه با سایر گروهها فراهم شوند.

نشاسته
نشاسته در گیاهان بصورت شکلی از ذخیره غذایی وجود دارد. دانه های نشاسته دیواره های سلولی خارجی سختی ساخته شده از پلی ساکاریدی بنام آمیلوپکتین دارد این ساختار در شکل 11 نشان داده شده است درون پوسته یک پلی ساکارید فنری خطی بنام آمیلوز وجود دارد این ساختار در شکل 12 نشان داده شده است. برای نشان دادن ویژگیهای کنترل اتلاف سیال پوسته خارجی آمیلو پکتین باید در روندی بنام ژلاتینی شدن که آمیلوز محلول در آب را رها میکند از هم گسیخته شود این روند بطور نمایشی در شکل 13 نشان داده شده است این محصول را میتوان بعدها برای کاهش چسبندگی تغییر داد و سپس برای افزایش پایداری دمایی بطور عرضی به زنجیره متصل کرد ویژگیهای نشاسته هم میتواند به وسیله منبع نشاسته خام که ممکن است سیب زمینی یا مانیوک تغییر کند بنابراین نشاسته می تواند برای تشکیل عامل بسیار مهمی برای کم کردن اتلاف سیال مخصوصاً در سیالات نمکی منعقد شده با تشکیل ذرات کلوئیدی غوطه ور در اب که در کیک ***** منافذ را میگیرند تغییر داده شود.

پلی ساکاریدهای میکروبی – چسب زانتان
باکتریهای جنس زانتوموناس می توانند کلنی های چسب بوجود آورند این موجودات ساده بنام باکتریها چسب پلی ساکاریدی برای تشکیل یک لایه محافظت کننده برای حفاظت از آبگیری و فراهم آوردن یک مانع فیزیکی برای حکله توسط باکتریوفاژها ترشح می کنند آنها می توانند بوسیله تخمیر هوازی بر روی یک واسطه ساده که شامل یک منبع کربوهیدرات مانندD- گلوکز – شکریا نشاسته هیدرولیز شده می باشد بوجود آیند.
این باکتریها پس از تخمیر کشته می شوند و چسب ترشح می شود و با ایزوپروپیل الکل ته نشین می شوند پس از اینکه الکل برطرف شد چسب خشک و آسیاب می شود این مرحله تخلیص بسیار پر هزینه است چسب زانتان یک هتروپلی ساکارید با وزن مولکولی بیش از یک میلیون است این چسب شامل واحد تکراری از 16 واحد اساسی است ساختار احتمالی آن در شکل 14 نشان داده شده است توجه کنید که این یک ساختار منشعب است که شامل گروههای قطبی کربوکسیل و گروههای استر می باشد.
این پلیمر محلولهای چسبنده ای را بوجود می آورد که پلاستیک کاذب یا کاهش دهنده نیروی برشی یا به میزان کمی افزایش دهنده نیروی برشی است چنین رفتار مشخصی بدلیل تشکیل ساختاری پیچ خورده ای است که در نرخهای برشی کم به میزان بسیار زیادی همدیگر را جذب می کنند این تجمع به گونه ای است که محلولها مقدار محصول آشکاری دارند نتیجه مهم این روند اینست که محلولهای پلیمری زانتان ویژگیهای سوسپانسیونی عالی دارند که نمی تواند با سایر پلیمرها در شرایط مساوی مقایسه شود ویژگیهای چسبنده پلیمری اصولاً تحت تاثیر دما یا نمک قرار نمی گیرند این پلیمر در سیالات بر مبنای پتاسیم جامد کاربر یهای ویژه ای دارد و گنجایش قابل تحمل را بدون افزایش چسبندگی به میزان زیاد افزایش می دهد این پلیمر همچنین در سیالات مکمل که سوسپانسیون از مواد سنگین مورد نیاز است کاربری دارد.

چسبهای طبیعی – گوارGUAR
چسب GUAR از دانه گیاه گوار بدست می آید این یک پلیمر پلی ساکاریدی با وزن مولکولی تقریباً 220000 می باشد واحد تکراری از گالاکتوز و مانوز تشکیل شده است ساختار احتمالی در شکل 15 نشان داده شده است.این پلیمر ممکن است به لحاظ شیمیایی توسط واکنش با گروه هیدروکسیل تغییر یابد ویژگیهای این ساختار با وزن مولکولی زیاد و گروه غیر یونی از چسبندگی بسیار زیاد و عدم حساسیت به نمک اطمینان می بخشد این ماده ممکن است برای ساختن یک سیال چسبنده پلیمری در حفاری سطوح بزرگ مورد استفاده قرار گیرد.

لیگنینها و لیگنوسولفاتها
لیگنین ترکیب مهمی از چوب است و از دستجات بهم پیوسته فیبرهای سلولزی به یکدیگر تشکیل شده است برای تولید توده سلولزی برای تولید کاغذ لیگنین ممکن است با واکنش در قلیا و بیسولفیت داغ محلول شود ساختار لیگنین به هیچ روشی شناسایی نشده است یک ساختار احتمالی پیشنهاد شده برای منومرلیگنین در شکل 16 نشان داده شده است و انواع گروههای واکمش دهنده موجود را مشخص می کند این گروهها ممکن است به کربوهیدراتها متصل باشند این ساختار بسیار پیچیده است و نباید بسادگی بعنوان یک پلیمر با واحدهای منومر تکراری بررسی شود مرحله استنتاج بی سولفات سبب هیدرولیز جزئی ساختار کربو هیدرات و تشکیل گروههای سولفونیک روی گروههای هیدروکسیل زنجیره های جانبی می شود.
لیگنوسولفونیک اسیدها ممکن است برای تشکیل نمکهای اسید با بازهایی مانند سدیم کلسیم یون آلومینیم و کروم واکنش دهد این اسیدها همچنین ممکن است از ترکیبات هماهنگ گروههای هیدروکسیل (-OH) کربوکسیل(COOH) و کربونیل(C=O) در مولکول بدست آید یا از انتقال یونهای فلزی مانند کروم چنین واکنشی در شکل 17 نشان داده شده که مولکول لیگانو سولفونیک LIG نشان داده شده است.
محصول پیچیده کروم لیگانو سولفونات شامل تعداد زیادی گروههای اتصالی هیدروژن مانند کربونیل(C=O) و کربوکسیل(COOH) است در واکنش اکسایش چسبندگی محلول لیگانو – سولفونات با اتصالات عرضی افزایش می یابد ماده لیگانو سولفانات در محلول می تواند بعنوان یک کلوئید مربوطه تعریف شود این شامل مولکولهایی با وزن مولکولی در محدوده 10000تا 1500 می باشد که در محلول بعنوان جامدات سخت با سطح قطبی بالا شامل گروههای سولفانات – کربوکسیل- کربونیل- فنل- و هیدروکسیل جود دارد این مولکول در سطوح رسی به شدت جذب می شود و می تواند بطور مؤثرتری بعنوان یک غیر منعقد کننده با خنثی کردن بارهای مثبت عمل کنند که یک بار منفی کلی را در جامدات رسی بوجود می آورد.

لیگنین های معدنی
لیگنین در هیومیک اسید تخلیص می شود ساختار شیمیایی کاملاً ناشناخته است ولی احتمالاً شامل گروههای آروماتیک و گروههای فنل می باشد بخشی از آن ممکن است در قلیا محلول باشد که ماهیت اسیدی این ماسه را مشخص می کند این ماده می تواند بسادگی معدنی شود با هزینه کم خالص شود این ماده می تواند بعنوان یک ماده رقیق کننده و نامحلول یا ترکیبات احاطه شده توسط آب بکار رود که سطحی از کنترل اتلاف سیال را بوجود می آورد این ماده ممکن است بعنوان یک ماده اسیدی همراه با سودای مربوطه برای خنثی کردن آن بکار رود.

تانن
تانن محلول در آب یک ماده اسیدی با وزن مولکولی کم که از چوب پنبه پوست و چوب درختان استنتاج میشود می باشد مقادیر زیادی تانن از درخت کوبراچو که در آرژانتین رشد میکند بدست آمده است این ماده از پوست اصلی یا چوب همراه با آب داغ تحت فشار بدست آمده است سپس آب تبخیر می شود و محصول جامد اغلب با رس یا کربنات کلسیم برای جلوگیری از دوباره جامد شدن این ماده آسیاب م یشود سااختار این ماده بسیار پیچیده است و تا حدودی با توجه به منبع ماده متفاوت است ساختار پسین بر اساس زیر واحدی از پنج مولکول دی گالیک اسید است که با یک مولکول گلوکز واکنش می دهند این اسیدها در شکل 18 نشان داده شده اند وزن مولکولی کم اسید غیر منعقد کننده مناسبی است و در سیالات با PH بیش از 5/11 بسیار مؤثر است با افزایش PH سیالات زیپ- لیگنوسولفونات – تانن ها را احاطه می کنند.

پلی سولفوناتها
منومرها –ارتوسولفوناتها برای حذف آب برای تشکیل متافسفاتها و پیروفسفاتها پلیمری می شوند متا و پیروفسفاتها برای تشکیل پلی فسفاتها با یکدیگر واکنش نشان می دهند واحد اساسی فسفریک اسید سه ظرفیتی است که می تواند بطور موفقیت آمیزی برای تشکیل سه عضو سدیمی –منو-دی و تری خنثی شود سه مرحله در شکل 19 نشان داده شده اند این ماده تجاری ممکن است ترکیبی از پلیمرهای فسفات باشند یا ممکن است استرهای تانن یا ترکیبی با فلزات سنگین باشد در وزن مولکولی کم مولکول اسیدی بعنوان یک رقیق کننده مؤثر مخصوصاً در PH کم دمای آب و گل با آب شیرین عمل می کند این رقیق کننده ها در محیطهای سزشار از کلسیم مؤثر نیستند و نمی توانند در دماهای بیش ازC ْ 65 Fْ 150 بکار روند زیرا به منوسولفات تبدیل می شوند.

پلیمرهای مصنوعی
دامنه وسیعی از پلیمرهای مصنوعی بر اساس پلیمری شدن مولکولهایی است که می توانند بعنوان اتیلن جایگزین شده تعریف شوند میباشند آنها برای تشکیل ستون فقرات کربن-کربن در شکل 20 پلیمری می شوند گروه بر روی کربن جایگزین شونده پس از پلیمری شدن می توانند تغییر یابند همچنی طول زنجیره می تواند با تغییر شرایط واکنش تغییر داشته باشد.
پلی اکریلاتها
موادی با وزن مولکولی کمتر از 1000 می توانند غیر منعقد کنندگان مفیدی باشند و ممکن است در دماهای بالاتر کاربری خاص داشته باشند زیرا نسبت به تجزیه حرارتی و باکتریایی نسبت به پلیمرهای طبیعی مانند نشاسته و CMC مقاومت بیشتری دارند این کاربری بوسیله گرایش به تشکیل نمکهای محلول همراه با یونهای چند ظرفیتی محدود شده است.

هم پلیمرهای اکریلامید-اکریلات
زنجیره های پلی اکریلامید هیدرولیز شده شامل گروههای کربوکسی و آمید می باشند آنها می توانند با پلیمری شدن اکریلامید و اکریلات یا با هیدولیز پلی اکریلامید بدست آیند.
وزن مولکولی و نسبت گروههای اسید به آمید می تواند متفاوت باشد . پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا با تقریباً 30% گروههای اسیدی بعنوان عوامل موثری که شیلهای حساس به آب را پایدار میکند نشان داده شود آنها ممکن است برای انعقاد در سیالات حفاری با آب شفاف بکار برده شوند که وزن مولکولی بیش از 2 میلیون است و گروههای کربوکسیل شامل 15% گروهها می باشند مواد با وزن مولکولی متوسط 250000-150000 با 70%-60 گروههای اسیدی می توانند برای کنترل اتلاف سیال بکار روند.

هم پلیمرهای ونیل استات و مالیک انیدرید
هم پلیمرهای ونیل استات و مالیک انیدرید کاربری خاصی را مثلاً گسترش دهنده های نبتونیت نشان داده اند. سطوح کمی (0.5WW پلیمر روی رس ) می تواند چسبندگی پلاستیکی یک سوسپانسیون 3-5% بنتونیت را دو برابر کند این پلیمر بعنوان یک منعقد کننده انتخاب عمل می کند و با وزن مولکولی بالا و بار منفی مشخص شده است سایر پلیمرهای چسبنده در این گروه اصلی ممکن است کاربریهای خاصی داشته باشند ولی در اینجا مورد بحث قرار نمی گیرند.

سورفکتانت ها
اصول اساسی سورفکتانت ها در شکل 21 نشان داده شده اند. محصولات اغلب ترکیباتی از تعدادی از سورفکتانت هایی هستند که احاطه شده اند مثالهای محدودی و ساختارهای محدودی می توانند ارائه شوند ویژگیهای اصلی توازن هیدروفوبی در گروههای مولکولی قطبی و غیر قطبی و ماهیت قطبی این گروههاست

امولسیون کننده های نفت در آب
نفت ممکن است بطور هدفمندی به آب و گل بر اساس آب برای کاهش تراکم برای افزایش سرعت حفاری و افزایش پایداری حفره اضافه شود نفت ممکن است بواسطه تشکیل محصول به گل وارد شود یا به لوله آزادی که ضربه دیده اضافه شود اگر نفت به شکل امولسیون در آید این روند افزایش می یابد و خطر آتش گرفتگی از میان می رود مواد لیگنیک لیگنوسولفوناتها و تانن ها موثر هستند ولی سورفکتانت های خاص مانند هیدروکربنهای سولفانات نمکهای سدیم نفتی یا استرهای پلی اکسی اتیلن و اتر ها ممکن است اضافه شوند سورفکتانت ها در فاز آب محلول هستند.

امولسیون کننده های آب در نفت
سیالاتی با فاز نفتی دائم طراحی شده اند که آب بصورت قطرکهای کوچک با عمل سورفکتانت ها حفظ می شود برای پایدارکردن یک امولسیون آب در نفت سورفکتانت ها در فاز نفتی هستند مثالهای شاخص صابونهای کلسیمی و لسیتین هستند.

عوامل فومی کننده
برای پایدارکردن یک فوم بوجود آمد. یک سورفکتانت اضافه می شود که آب بعنوان یک واسطه شستشو به مکان حفر شده همراه با هوا وارد می شود مثالهای شاخص نونیل فنول پلی اتیلن – گلیکول- اتر- و n –تری دسیل پی اکسید اتیلن اتانول می باشند.

عوامل غیر فومی کننده:
هوا یا سایر گازها ممکن است با تجهیزات سوختی یا با گاز پر فشار حاصل از عملیات به گل وارد شوند رها سازی این گاز با یک عامل غیر فومی کننده آسان می شود مثالها شامل الکلهای عالی روغنهای گیاهی سولفاته و استالیت آلومینیم





هم پلیمرهای اکریلامید-اکریلات
زنجیره های پلی اکریلامید هیدرولیز شده شامل گروههای کربوکسی و آمید می باشند آنها می توانند با پلیمری شدن اکریلامید و اکریلات یا با هیدولیز پلی اکریلامید بدست آیند.
وزن مولکولی و نسبت گروههای اسید به آمید می تواند متفاوت باشد . پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا با تقریباً 30% گروههای اسیدی بعنوان عوامل موثری که شیلهای حساس به آب را پایدار میکند نشان داده شود آنها ممکن است برای انعقاد در سیالات حفاری با آب شفاف بکار برده شوند که وزن مولکولی بیش از 2 میلیون است و گروههای کربوکسیل شامل 15% گروهها می باشند مواد با وزن مولکولی متوسط 250000-150000 با 70%-60 گروههای اسیدی می توانند برای کنترل اتلاف سیال بکار روند.

هم پلیمرهای ونیل استات و مالیک انیدرید
هم پلیمرهای ونیل استات و مالیک انیدرید کاربری خاصی را مثلاً گسترش دهنده های نبتونیت نشان داده اند. سطوح کمی (0.5WW پلیمر روی رس ) می تواند چسبندگی پلاستیکی یک سوسپانسیون 3-5% بنتونیت را دو برابر کند این پلیمر بعنوان یک منعقد کننده انتخاب عمل می کند و با وزن مولکولی بالا و بار منفی مشخص شده است سایر پلیمرهای چسبنده در این گروه اصلی ممکن است کاربریهای خاصی داشته باشند ولی در اینجا مورد بحث قرار نمی گیرند.

سورفکتانت ها
اصول اساسی سورفکتانت ها در شکل 21 نشان داده شده اند. محصولات اغلب ترکیباتی از تعدادی از سورفکتانت هایی هستند که احاطه شده اند مثالهای محدودی و ساختارهای محدودی می توانند ارائه شوند ویژگیهای اصلی توازن هیدروفوبی در گروههای مولکولی قطبی و غیر قطبی و ماهیت قطبی این گروههاست

امولسیون کننده های نفت در آب
نفت ممکن است بطور هدفمندی به آب و گل بر اساس آب برای کاهش تراکم برای افزایش سرعت حفاری و افزایش پایداری حفره اضافه شود نفت ممکن است بواسطه تشکیل محصول به گل وارد شود یا به لوله آزادی که ضربه دیده اضافه شود اگر نفت به شکل امولسیون در آید این روند افزایش می یابد و خطر آتش گرفتگی از میان می رود مواد لیگنیک لیگنوسولفوناتها و تانن ها موثر هستند ولی سورفکتانت های خاص مانند هیدروکربنهای سولفانات نمکهای سدیم نفتی یا استرهای پلی اکسی اتیلن و اتر ها ممکن است اضافه شوند سورفکتانت ها در فاز آب محلول هستند.

امولسیون کننده های آب در نفت
سیالاتی با فاز نفتی دائم طراحی شده اند که آب بصورت قطرکهای کوچک با عمل سورفکتانت ها حفظ می شود برای پایدارکردن یک امولسیون آب در نفت سورفکتانت ها در فاز نفتی هستند مثالهای شاخص صابونهای کلسیمی و لسیتین هستند.

عوامل فومی کننده
برای پایدارکردن یک فوم بوجود آمد. یک سورفکتانت اضافه می شود که آب بعنوان یک واسطه شستشو به مکان حفر شده همراه با هوا وارد می شود مثالهای شاخص نونیل فنول پلی اتیلن – گلیکول- اتر- و n –تری دسیل پی اکسید اتیلن اتانول می باشند.

عوامل غیر فومی کننده:
هوا یا سایر گازها ممکن است با تجهیزات سوختی یا با گاز پر فشار حاصل از عملیات به گل وارد شوند رها سازی این گاز با یک عامل غیر فومی کننده آسان می شود مثالها شامل الکلهای عالی روغنهای گیاهی سولفاته و استالیت آلومینیم