Общие сведения. Наиболее широкое распространение среди коллоидных растворов получили глинистые растворы

Наиболее широкое распространение среди коллоидных растворов получили глинистые растворы. Их применяют преимущественно при бурении осложненных горных пород: трещиноватых, пористых, неустойчивых.

Основное назначение глинистых растворов: кольматация пор и трещин, вынос с забоя скважин на поверхность тяжелого шлама, стабилизация стенок скважин, борьба с осложнениями (потерями промывочной жидкости, осыпями, обвалами).

Обладая, высокими показателями СНС и вязкости они при прекращении циркуляции промывочной жидкости (в случае простоев и аварий) способны удерживать тяжелый шлам, предотвращая, таким образом, зашламовывание скважины и прихват снаряда.

Но наряду с достоинствами глинистые, как и другие коллоидные растворы имеют ряд недостатков. Они, как правило, обладают значительной плотностью и вязкостью, что снижает механическую скорость

Концентрация твердой фазы глинистого раствора может достигать до 15-20%, плотность раствора до 1, 5 г/ м³ вязкость до 35с и более. Механическая скорость бурения снижается при увеличении вязкости τ и обратно-пропорциональна ее плотности ρ в “n”-ой степени(n=1, 5-2)

Следовательно, при использовании глинистых растворов (особенно при высокой концентрации) снижается механическая скорость и производительность бурения. Такие растворы требуют обработки их реагентами, что требует значительных затрат

Вязкие глинистые растворы способны удерживать значительное количество абразивного шлама, что повышает износ бурового снаряда и породоразрушающего инструмента, требует тщательной дорогостоящей очистки раствора

.

2.1. Структурообразователи.

Глинистые растворы – дисперсные системы, в которых, в качестве дисперсной фазы применяют тонкодисперсные глинистые частицы (структурообразователь), а в качестве дисперсионной среды чаще всего вода.

Глина представляет собой обломки глинистых пакетов (листов кремнекислородных тектраэдров, и слоев катионов AL , связанных обменными катионами ).

Под воздействием поверхностной энергии частиц вокруг них адсорбируется гидратный слой. Твердые частицы с гидратным слоем, как отмеченно выше, называют гидратами. Совокупность гидратов образует структурированную систему (силикагель алюмосиликатов)

Наиболее эффективным структурообразователем является натриевый монтморилонит.

В кальциевых монтморилонитах связь между пакетами осуществляется с помощью обменных катионов Са, имеющих более высокий заряд и образующих более прочные связи. Вследствие этого диспергирование таких агрегатов в воде происходит значительно труднее (при введении в раствор кальцинированной соды)

При добавлении в раствор кальцинированной сода Na₂СО₃ ионы Са⁺² соединяются с анионами СО^2- образуется соль , выпадающая в осадок, а пакеты не связанные ионами кальция диспергируют в растворе.

Иллит - листовой силикат, по химическому составу и структуре аналогичен монтмориллониту. Отличается от него тем, что в слое кремнекислородных тетраэдров наблюдается замещение Si₂O₅^-2 на А1₂О₅^4- (одно замещение из четырёх) отчего на поверхности листа появляются некомпенсированные заряды, которые компенсируются атомами калия, что увеличивает взаимодействие между пакетами и уменьшает растворимость минерала в воде.

Каолинит Si₂O₅AlO₂(OH)₂ - листовой силикат, представляет собой двухслойную структуру, состоящую из слоя кремнекислородных тетраэдров Si₂O₅ и гидраргилитового слоя А1(ОН)₂⁺

Благодаря большому количеству гидроксильных групп в пакетах между ними возникают сильные водородные связи, поэтому каолинит трудно диспергирует в воде.

Каолинит также, как и монтморилонит и иллит, имеет в растворе тонкодисперсные и землистые агрегаты неправильной формы, но у каолинита чешуйки встречается чаще, чем у вышерассмотренных минералов.

Качество глинистых минералов, как структурообразователей определяют по гидрофильности дисперсности их частиц (таблица 2.1.)

Таблица 2.1

Таким образом глинистые частицы представлены преимущественно кремнекислородными тетраэдрами (оксидами кремния,) и гидраргилитом. Оксиды кремния в водном растворе образут труднорастворимую кислоту,

SiO∙ H₂O,

способную образовывать гидрофильную структуры (силикагель), а гидроаргилит AlOH²⁺ в водном растворе образует алюмокислоту (алюмогель),

AlOH²⁺+2H₂O = Al(OH)₃ = H₃AlO₃

В результате образования кислоты, активность глинистых частиц слабая, поэтому для активации раствора в него вводят щелочи KOH или NаOH

.