ポリアニオンセルロース（PAC）は、掘削流体において主に流体損失低減剤、粘度増強剤、レオロジー調整剤として使用されます。本稿では、PACの粘度、レオロジー、置換均一性、純度、塩粘度比といった主要な物理化学指標と、掘削流体における応用指標について簡潔に説明します。
PACは独特な分子構造を有し、淡水、塩水、海水、飽和塩水中において優れた適用性能を発揮します。掘削流体の濾過液減少剤として用いると、PACは効率的な水分損失抑制能を有し、形成される泥ケーキは薄く強靭です。増粘剤としては、掘削流体の見かけ粘度、塑性粘度、動的せん断力を迅速に向上させ、泥水のレオロジー特性を改善・制御します。これらの適用特性は、製品の物理的・化学的指標と密接に関連しています。
1. PAC粘度と掘削流体への応用
PAC粘度は、水に溶解した後に形成されるコロイド溶液の特性です。PAC溶液のレオロジー挙動は、その用途に重要な影響を及ぼします。PACの粘度は、重合度、溶液濃度、および温度に関連しています。一般的に、重合度が高いほど粘度は高くなります。PAC濃度の上昇に伴い粘度は増加し、温度の上昇に伴い溶液粘度は低下します。PAC製品の物理的および化学的指標における粘度試験には、通常、NDJ-79またはブルックフィールド粘度計が使用されます。PAC製品の粘度は、用途要件に応じて制御されます。PACを粘着付与剤またはレオロジー調整剤として使用する場合、通常、高粘度PACが必要です（製品モデルは通常、pac-hv、pac-rなどです）。PACを主に流体損失低減剤として使用し、掘削流体の粘度を上昇させたり、使用中の掘削流体のレオロジーを変化させたりしない場合は、低粘度PAC製品が必要です（製品モデルは通常、pac-lvおよびpac-lです）。
実用上、掘削流体のレオロジーは、（1）掘削流体の掘削切削片の搬送能力と坑井洗浄能力、（2）浮上力、（3）坑道壁の安定化効果、（4）掘削パラメータの最適化設計に関係しています。掘削流体のレオロジーは、通常、6速回転粘度計（600rpm、300rpm、200rpm、100rpm、6rpm）で試験されます。3RPMの測定値は、掘削流体中のPACのレオロジーを反映した見かけ粘度、塑性粘度、動的せん断力、静的せん断力を計算するために使用されます。同様に、PACの粘度が高いほど、見かけ粘度と塑性粘度が高くなり、動的せん断力と静的せん断力が大きくなります。
また、水系掘削流体には多くの種類（淡水掘削流体、化学処理掘削流体、カルシウム処理掘削流体、塩水掘削流体、海水掘削流体など）があり、異なる掘削流体システムにおけるPACのレオロジーは異なります。特殊な掘削流体システムの場合、PACの粘度指数のみで掘削流体の流動性への影響を評価すると、大きな偏差が生じる可能性があります。例えば、海水掘削流体システムでは、塩分含有量が多いため、製品の粘度は高いものの、製品の置換度が低いため、耐塩性が低く、使用過程における粘度上昇効果が乏しく、掘削流体の見かけ粘度、塑性粘度、動的せん断力が低下します。その結果、掘削流体の掘削切削片搬送能力が低下し、深刻な場合には固着につながる可能性があります。
2.PACの置換度と均一性、および掘削流体におけるその適用性能
PAC製品の置換度は通常0.9以上ですが、各メーカーのニーズの違いにより、PAC製品の置換度は異なります。近年、石油サービス会社はPAC製品の適用性能要件を継続的に向上させており、高置換度のPAC製品の需要が高まっています。
PACの置換度と均一性は、製品の塩粘度比、耐塩性、ろ過損失と密接に関連しています。一般的に、PACの置換度が高いほど、置換均一性が向上し、製品の塩粘度比、耐塩性、ろ過損失も向上します。
PACを強電解質無機塩溶液に溶解すると、溶液の粘度が低下し、いわゆる塩効果が生じます。塩によってイオン化された陽イオンと-coh2coo-H2O陰イオン基の作用により、PAC分子の側鎖の等誘電性が低下し（場合によっては消失）、静電気反発力が不十分になるため、PAC分子鎖はカールして変形し、分子鎖間の水素結合の一部が切断されます。これにより、PAC本来の空間構造が破壊され、特に水の粘度が低下します。
PACの耐塩性は通常、塩粘度比（SVR）で測定されます。SVR値が高いほど、PACは優れた安定性を示します。一般的に、置換度が高く、置換の均一性が高いほど、SVR値は高くなります。
PAC を濾過減少剤として使用すると、掘削流体中で長鎖多価アニオンにイオン化することができます。その分子鎖中のヒドロキシル基とエーテル酸素基は、粘性粒子の表面の酸素と水素結合を形成し、または粘土粒子の結合切断端の Al3 + と配位結合を形成し、PAC が粘土に吸着できるようにします。複数のカルボン酸ナトリウム基の水和により、粘土粒子表面の水和膜が厚くなり、粘土粒子が衝突して大きな粒子に凝集するのを防ぎます (接着保護)。同時に、複数の微細粘土粒子が PAC の分子鎖に吸着され、システム全体を覆う混合ネットワーク構造を形成します。これにより、粘性粒子の凝集安定性が向上し、掘削流体中の粒子の内容物が保護され、緻密な泥ケーキが形成され、濾過が減少します。 PAC 製品の置換度が高くなるほど、カルボン酸ナトリウムの含有量が多くなり、置換の均一性が向上し、水和膜がより均一になるため、掘削流体中の PAC のゲル保護効果が強くなり、流体損失の低減効果がより顕著になります。
3. PACの純度と掘削流体への応用
掘削流体システムが異なる場合、掘削流体処理剤と処理剤の添加量が異なるため、異なる掘削流体システムにおけるPACの添加量も異なる場合があります。掘削流体におけるPACの添加量が規定されており、掘削流体のレオロジー特性とろ過効率が良好であれば、純度を調整することでこれを達成できます。
同じ条件下では、PACの純度が高いほど製品性能は向上します。しかし、製品性能が良好なPACの純度は必ずしも高いとは限りません。製品性能と純度のバランスは、実際の状況に応じて決定する必要があります。
4. 掘削流体におけるPAC抗菌・環境保護の応用性能
特定の条件下では、一部の微生物がPACを分解させる可能性があり、特にセルラーゼやピークアミラーゼの作用により、PAC主鎖が切断され還元糖が生成され、重合度が低下し、溶液粘度が低下します。PACの抗酵素活性は、主に分子置換の均一性と置換度に依存します。置換の均一性が高く、置換度が高いPACは、より優れた抗酵素活性を示します。これは、グルコース残基で結合した側鎖が酵素分解を阻害するためです。
PACの置換度が比較的高いため、抗菌性能が優れており、実際の使用時に発酵による腐敗臭が発生しないため、特別な防腐剤を添加する必要がなく、現場施工に適しています。
PACは無毒無害であるため、環境を汚染しません。さらに、特定の微生物条件下で分解されます。そのため、廃掘削泥水中のPACは比較的容易に処理でき、処理後は環境に無害です。そのため、PACは優れた環境保護掘削泥水添加剤です。
投稿日時: 2021年5月18日