Влияние полиакриламидного реагента на бентонитовые водно-глинистые суспензии



Водно-глинистые системы являются основой для приготовления буровых растворов на водной основе. Выделяют три группы глинистых минералов: бентонитовые, каолиновые и гидрослюдистые. Для приготовления буровых растворов чаще всего используют минералы бентонитовой группы. Буровой раствор применяют для промывки скважин в процессе бурения. В состав бурового раствора входят: реагенты, регулирующие рН среды, показатель фильтрации, содержание солей Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺ и др.

Отработанный буровой раствор представляет собой раствор, исключаемый из технологических процессов бурения скважин и подлежащий утилизации или захоронению. Буровой раствор, содержащий токсичные химические реагенты, загрязненный нефтью, нефтепродуктами, отработанными смазочными маслами и др., попадает в открытые водоемы, подземные воды, болота, нанося значительный ущерб окружающей среде. Поэтому проблема утилизации и обезвреживания отходов бурения, загрязненных химическими реагентами, заслуживает особого внимания [1]. Всё чаще отказываются от захоронения отработанных буровых растворов. Современные процессы бурения подразумевают безамбарный способ бурения т.е утилизацию буровых растворов, включающую стадию утилизации отходов буровых растворов (путём отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды) [2,3]. Одним из наиболее распространённых методов отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды является флокуляция [4]. Флокуляцию применяют для очистки питьевой воды, природных и промышленных сточных вод, разделения, концентрирования и обезвоживания дисперсных систем в угольной, горнодобывающей, нефтяной, химической, целлюлозно-бумажной, текстильной, микробиологической и пищевой промышленности, а также в бурении нефтяных и газовых скважин [1,5].

Изучение влияние неионогенного полимера на свойства бентонитовой суспензии проводили на модельной системе с кратностью разбавления водой 1:10 и 1:20. Основными компонентами являлась водная суспензия бентонита и раствор полимера. В систему добавляли неионогенный полимер, перемешивали и измеряли скорость осаждения частиц дисперсной фазы. Затем отбирали пробу для контроля остаточного содержания частиц дисперсной фазы по методу сухого остатка. Эксперимент проводили на 10 независимых системах.

Водная система бентонита состоит из глинистых минералов (бентонита «Зырянского месторождения»), полимера (гипана) и воды. Бентонит — это разновидность коллоидной глины [4]. Гипан является высокомолекулярным защитным коллоидом, что обусловливает его применение в качестве стабилизатора буровых растворов [6]. Его получают путем щелочного гидролиза ПАН в среде вода — органический растворитель; в качестве органического растворителя используют водорастворимые алифатические спирты.

Использовали неионогенный полиакриламид с молекулярной массой 5 млн и степенью гидролиза 0 %, полученный на базе ООО “АКРИПОЛ”.

На рис. 1 представлена зависимость скорости седиментации частиц дисперсной фазы от концентрации неионогенного полимера Н-150 с кратностью разбавления 1:10.

Как видно из рисунка наибольшая скорость осаждения 3,9 мм/с достигается при концентрации полимера в суспензии, равной 4,17·10–⁴ г/мл бурового раствора. Погрешность составила 0,1мм/с. При концентрации неионогенного полимера в диапазоне 0,42·10–^4–4,17·10–⁴ г/мл бурового раствора происходит незначительное увеличение скорости седиментации, а с увеличением концентрации Н-150 до 5,8·10–⁴ г/мл бурового раствора происходит небольшой спад скорости. Дальнейшее увеличение концентрации полимера не влияет на скорость седиментации.

Рис. 1. Зависимость скорости осаждения частиц от концентрации Н-150 при разбавлении системы 1:10

После завершения процесса седиментации отбирали надосадочную жидкость и определяли содержание частиц дисперсной фазы методом сухого остатка.

На рис. 2 представлена зависимость эффективности очистки коллоидного раствора от частиц ДФ.

Рис. 2. Зависимость эффективности очистки от концентрации Н-150 при разбавлении системы 1:10

Как видно из рисунка эффективность очистки коллоидного раствора от концентрации полимера Н-150 в изучаемом диапазоне не меняется.

Из представленных зависимостей следует, что от концентрации неионогенного полимера эффективность очистки системы практически не зависит.

Аналогичный эксперимент проводили для систем с разбавлением бурового раствора 1:20. Из рис. 3 видно, что наибольшая скорость осаждения 3,25 мм/с достигается при концентрации полимера в суспензии, равной 8,3·10–⁴ г/мл бурового раствора. При увеличении концентрации неионогенного полимера до 16,7·10–⁴ г/мл бурового раствора скорость седиментации практически не меняется.

Изменение скорости седиментации при введении неионогенного ПАА невелико. Следовательно, этот неионогенный полимер Н-150 нельзя рассматривать в качестве эффективного флокулянта.

Рис. 3. Зависимость скорости осаждения частиц от концентрации Н-150 при разбавлении системы 1:20

Зависимость эффективности очистки коллоидного раствора от частиц дисперсной фазы представлена на рис. 4. Эффективность очистки достигает 99,9 %. Как видно из рисунка при увеличении концентрации неионогенного полимера не меняется эффективность очистки. Дальнейшее увеличение концентрации неионогенного полимера приводит к стабилизации раствора.

Рис. 4. Зависимость эффективности очистки от концентрации Н-150 при разбавлении системы 1:20

Несмотря на высокую эффективность очистки скорость процесса седиментации частиц дисперсной фазы невелика и, следовательно, Н-150 не может рассматриваться, как эффективный флокулянт для данной системы.

Из представленных зависимостей следует, что от концентрации неионогенного полимера эффективность очистки системы практически не зависит.

На основании полученных данных можно предположить, что частицы бентонитовой глины в целом заряжены отрицательно, а макромолекулы неионогенного полимера нейтральны, за счёт сил адсорбции происходит укрупнение частиц. Поэтому неионогенный ПАА можно рассматривать скорее, как коагулянт системы.

Таким образом, при изучении влияния на дисперсную систему неионогенного полиакриламида следует отметить, что в целом эффективность очистки водно — глинистой суспензии неионогенным полимером Н-150 высока. Однако, скорость седиментации частиц дисперсной фазы очень мала, что существенно ограничивает его использование в качестве флокулянта. Неионогенный полиакриламид Н-150 можно рассматривать в качестве коагулянта для водной суспензии бентонита.

Литература:

1. Лыков О. П., Голубев Ю. Д., Мещеряков С. В. Охрана окружающей среды в процессе приготовления и использования буровых растворов. М.: Ноосфера, 2000. 26 с.
2. Вадецкий Ю. В. Бурение нефтяных и газовых скважин. М.: Академия, 2003. 67 с.
3. Булатов А. И., Макаренко П. П., Шеметов В. Ю. Охрана окружающей среды в нефтегазовой промышленности. М.: Недра, 1997. 165 с.
4. Ульрих Е. В., Яковченко М. А., Шевченко Т. В. Осветление водно-глинистых суспензий флокулянтами // Экология и промышленность России. 2007. № 5. С. 16–17.
5. В. А. Мягченков, В. Е. Проскурина. Сополимеры акриламида с функцией флокулянтов: монография / В. А. Мягченков, В. Е. Проскурина. — Казань: Казан. гос. технол. ун — та, 2011. 290 с.
6. Крупин С. В. Коллоидно-химические основы создания глинистых суспензий для нефтепромыслового дела. Казань: Казан.. гос..технол. ун-т, 2010. 411 с.