Влияние адсорбции поликислот на водопроницаемость пористых кремнеземных сред

Необходимость в постановке подобной задачи вызвана решением проблемы ограничения водопритока в нефтяных скважинах, в массивах горных пород угольных выработок и т. п. Поскольку водоносные и нефтеносные коллекторы можно рассматривать как дисперсные системы с твердой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой, то поверхностные явления на границе разделов, возникающих между нефтью, водой, газом и породой, оказывают существенное влияние на условия движения жидких фаз и изыскание эффективных водоограничительных материалов отмечено, что после вытеснения из пористой среды водных растворов некоторых полимеров большим количеством воды (сотнями поровых объемов) проницаемость этой среды по воде остается низкой. Данное явление позволило рекомендовать растворы полимеров, в частности, растворы гидролизованного полиакриламида, для селективного ограничения притока пластовых вод в нефтяные скважины.
При этом основным фактором снижения водопротоков в нефтяные скважины ряд авторов склонен считать адсорбцию полимера пористой средой. При благоприятном режиме адсорбции пористая среда оказывает так называемое остаточное сопротивление водному потоку, что нашло место в инженерных решениях. Как было показано в третьем разделе, с целью выяснения физико-химических особенностей этого явления, были исследованы закономерности адсорбции полиэлектролитов на твердых поверхностях из водно-солевых сред. При этом установлено, что адсорбция макромолекул из водно-солевых сред определяется ионным взаимодействием катионов металлов как с адсорбентом, так и с молекулами полимеров, при переходе от ионов щелочных металлов к комплексообразующим ионам зарегистрирована смена природы адсорбционной связи.
В четвертом разделе данной работы рассматриваются закономерности адсорбции полиэлектролитов кислотного характера из водно-солевых растворов на поверхности кварцевого песка в динамическом режиме. Объектами исследования являлись промышленные полимеры - гидролизованный полиакрилонитрил (гипан) и сополимер метакриламида с метакрилатом натрия (метасол). Для исследований использовались полимеры, подвергнутые очистке путем двухкратного переосаждения водных растворов в ацетон.
Основным методом исследования было определение проницаемости стеклянных трубок, заполненных песком, при этом постоянство гидростатического давления поддерживалось на уровне 7-10в3 Н/м2. Опыты проводили при исходном объемном расходе воды через пористые модели в 20 мл/с, отношении длины трубки к диаметру 20:0,5 см, при комнатной температуре. Отсчет расхода жидкости через колонку начинался по истечении 5 мл жидкости. На основании параллельных измерений относительная дисперсия в определении времени истечения составила 16,6, 5,5 и 1,7 % после истечения через колонку соответственно 40, 80 и 120 мл раствора или воды. Проницаемость колонок по воде определялась после предварительного пропускания через колонку 200 мл раствора полимера. Концентрация полимера в растворах до и после прохождения их через колонку оценивалась интерферометрическим методом.
Для более верной интерпретации результатов адсорбции полимеров в динамическом режиме были предварительно выполнены исследования адсорбции гипана и метасола из водных растворов на аэросиле в статическом режиме. Эти исследования позволили получить данные о величине адсорбции и о возможности адсорбционного закрепления макроклубков на поверхности кремнезема.
Как следует из рис. 4.12, для гипана в области малых концентраций (менее 0,3 г/дл) преобладает адсорбция воды (величина гиббсовской адсорбции отрицательна). Такой характер адсорбции обусловлен конкуренцией между электростатическим отталкиванием макромолекулярных клубков и силанольных групп поверхности аэросила. Характер изотермы адсорбции метасола (величина гиббсовской адсорбции положительна) позволяет предположить преобладание неионогенной составляющей энергии адсорбции.

Исследование объемного расхода растворов гипана и метасола проводилось для растворов гипана с концентрацией 0,1 г/дл, а для растворов метасола - 0,025 г/дл, что обусловлено равенством величин вязкости этих растворов. В соответствии с рис. 4.13, при значительно меньшей концентрации метасола объемный расход его раствора примерно в 5 раз меньше, чем для гипана.

Объемный расход воды после обработки норовой среды песчаных моделей растворами гипана и метасола представлен на рис. 4.14, из которого следует, что после пропускания раствора метасола эта величина вдвое меньше, чем после пропускания раствора гипана. Эти факты подтверждают сравнительно большую адсорбцию метасола на кремнеземе по сравнению с гипаном, что было отмечено и при исследовании адсорбции в статическом режиме.
Ранее для обсуждаемых полимеров было показано, что изотермы адсорбции их достаточно удовлетворительно объясняются с привлечением данных по комплексо-образованию полимера с попами щелочно-земельных металлов. Адсорбция макромолекул при этом скорее всего происходит в результате образования на поверхности адсорбента ионных пар типа


Ионы меди (II), железа (III) и алюминия (III) взаимодействуют с гипаном энергичнее, чем ионы щелочно-земельных металлов. Об этом же свидетельствуют исследования, которые показывают, что доля свободных противоионов указанных элементов при связывании с карбоксилсодержащим полимером составляет не более одного процента, что исключает перезарядку адсорбента и свидетельствует об адсорбции компактных незаряженных металл-полимерных комплексов.
Исходя из решающей роли комплексообразования в процессе адсорбции обсуждаемых полиэлектролитов, дана оценка результатов исследования расхода воды после адсорбции гипана и метасола на песке из водно-солевых растворов. Так, в присутствии солей щелочно-земельных металлов расход раствора гипана возрастает по сравнению с расходом гипана без солей (рис. 4.14). Объяснением данной закономерности может служить следующая схема увеличения проницаемости колонок: в связи с повышенной, относительно случая без добавок солей, адсорбцией макромолекул гипана, концентрация полимера и соответствующая ей вязкость понижаются, что сопровождается увеличением расхода жидкости через колонку, не компенсируемым адсорбцией полимера. В присутствии ионов меди, железа и алюминия расход раствора сокращается. Сокращение расхода в этом случае следует связывать с повышением адсорбции макромолекул металл-полимерного комплекса на основе гипана и связанным с этим уменьшением проницаемости песчаной колонки.
Расход воды через колонку, обработанную раствором гипана в присутствии солей, заметно снижается (рис. 4.14). Концентрация солей магния, кальция, бария и меди составляла 4*10в-3 н, для железа и алюминия — 2*10в-3 п. Выбор этих концентраций обусловлен фазообразованием в полимерных растворах при больших значениях концентраций электролитов. В присутствии ионов железа (рис. 4.14 б) достигается трехкратное снижение расхода воды но сравнению со случаем без добавления солей. Это также является дополнительным свидетельством повышенной адсорбционной активности металлполимерных комплексов на основе полимеров, обладающих относительно большой ионной силой. Проницаемость колонок по раствору метасола показывает, что изменение их проницаемости меняется многократно при введении в раствор солей, в частности, при введении в раствор метасола сульфата меди проницаемость колонок повышается в 4-5 раз.
Это наблюдение подтверждается соответствующим снижением вязкости растворов, вклад которого в увеличение расхода жидкости больше, чем незначительное увеличение адсорбции. Так, если время истечения раствора метасола составляло 240-280 с, то в присутствии хлоридов щелочноземельнььх металлов и железа - 90-100 с, а в присутствии сульфата меди - 85 с.
Прочность адсорбционного взаимодействия метасола на кварцевом песке, адсорбированного в отсутствии солей, мало отличается от прочности при их добавлении. Об этом свидетельствуют небольшие различия в зависимости расхода воды через колонку, обработанную ранее соответствующими растворами метасола (рис. 4.15).

В то же время метасол обладает предпочтительной относительно гипана эффективностью в снижении расхода воды через пористую среду как по абсолютному количеству привлеченного полимера, так и по величине расхода воды после обработки пористой среды растворами полимера без солей. В связи с этим и исходя из того, что минерализация пластовых вод не оказывает заметного воздействия на расход растворов метасола, а также принимая во внимание, что добавление хлорида железа выравнивает эффективность обоих полимеров при их резко отличающихся концентрациях, авторы технологии рекомендуют растворы метасола в качестве водоограничительного материала.