Структурирование глинистых растворов

Под структурированием будем понимать повышение прочности структуры буровых растворов и водоотдачи.

Целью структурирования промывочных жидкостей является повыше­ние ее кольматирующей и несущейспособности, снижениееефильтрации в неустойчивыхгорныхпородах, снижениеееводоотдачи. Но при этом следует помнить, что повышение прочности структуры, как отмечено выше, ведет к резкому снижению механической скорости бурения, поэтому повышать прочность структуры бурового раствора следует только в случае необходимости: при наличии тяжелого шлама, использовании утяжелителей или при бурении трещиноватых пород.

В свете новых взглядов на природу структурообразования дисперс­ных систем структурирование промывочных жидкостей можно проводить двумя путями: путем структурирования под воздействием гидрофильной твердой фазы (гидрофильное структурирование) и путем структурирования за счет гидрофобизации твердой фазы или гидрофобизации среды (гидрофобное структурирование

Гидрофобное структурирование обусловлено преимущественно межмолекулярным взаимодействием частиц твердой фазы при отсутствии на них сольватных слоев. Такие системы обладают высокой водоотдачей и весьма неустойчивы (как седиментационно, так и агрегативно), поэтому при бурении неустойчивых горных пород их рекомендовать нельзя.

Гидрофильное структурирование обусловлено активным взаимодействием полярных молекул воды с функциональными группами твердой фазы. В этом случае образуются достаточно прочные связи молекул воды с функциональными группами полярной твердой фазой и между собой. Такие системы стабильны, имеют низкую водоотдачу.

Как отмечено выше, в гидрофильных дисперсных системах прочность структуры зависит от активности частиц, концентрации и дисперсности твердой фазы.

Следовательно, для структурирования промывочной жидкости возможны следующие способы:

- повышение в ней концентрации твердой фазы;

- диспергирование твердой фазы (увеличение количества частиц твердой фазы)

Для гидрофильного структурирования, кроме того, возможны способы:

- активации (гидрофилизации) твердой фазы;

- активации (поляризации) дисперсионной среды.

Для гидрофобного структурирования используют:

- дезактивацию (гидрофобизацию) твердой фазы;

- дезактивацию (гидрофобизацию) дисперсионной среды.

Структурированиепромывочнойжидкостизасчетповышенияконцентрациитвердойфазы

Каке отмечено выше, для разбавленных растворов в связи со значительными расстояниями между частицами и молекулами воды будет действовать преимущественно ион-дипольное взаимодействие, а межмолекулярное взаимодействие будет близко к нулю:

(2.1)

где е- заряд частиц, m- количество; ; -дисперсность,.

т.е. для разбавленных растворов промывочных жидкостей прочность структура будет прямо пропорциональна концентрации дисперсной фазы ее дисперсности и активности.

В концентрированных растворах частицы твердой фазы располагаются на незначительных расстояниях, на которых действуют преимущественно сильные межмолекулярные (ориентационные) силы

(2.2)

Одновременно с повышением прочности структуры промывочной жидкости при возрастании концентрации твердой фазы количество прочносвязанной воды увеличивается, а количество свободной воды соответственно понижается, следовательно, понижается и водоотдача промывочной жидкости (табл. 2.3)

Таблица 2.3

Зависимость прочности структуры и водоотдачи бентонитового раствора от его концентрации.

Структурирование промывочной жидкости за счет диспергирования тердой фазы.

Из формул (2.1) и (2.2) следует, что прочность структуры можно увеличить как путем повышения концентрации дисперсной фазы, так и путем увеличения частиц за счёт их диспергирования.

Увеличение концентрации дисперсной фазы является самым простым способом структурирования промывочных жидкостей. Однако с повышением концентрации твердой фазы увеличивается расход материалов, повышается себестоимость бурового раствора. Вследствие увеличения плотности раствора при повышении его концентрации снижается механическая скорость бурения. Поэтому в настоящее время усилия ряда исследователей направлены на разработку других способов структурирования в частности диспергирования.

Поверхностная энергия частиц твёрдой фазы и сила их взаимодействия с молекулами воды зависят от количества и активности функциональных групп и нескомпенсированных анионов. С увеличением суммарной поверхности всех частиц раствора возрастает и количество активных функциональных групп и ионов, следовательно, возрастает объёмная энергия и прочность структуры промывочной жидкости в целом. Существует несколько способов диспергирования: механическое, электроимпульсное, ультрозвуковое, химическое.

Механическое диспергирование проводят в обычных мельницах, (дисковых, шаровых, стержневых), а электроимпульсное в более сложных устройствах, работающих на принципах пьезоэффекта в электромагнитном поле (магнитострикции и электрострикции и т.д.). В настоящее время вопросами дробления твердой фазы последним способам уделяется значительное внимание.

Пьезоэффект заключается в том, что при сжатии некоторых диэлектриков возникает электрическое и магнитное поле и наоборот, при помещении диэлектриков в электромагнитное поле происходит их сжатие.

Если быстро (с высокой частотой) менять напряженность поля от Е до О и тем самым изменять деформацию диэлектрика (например, воды) от некоторого значения e_v до 0 в твердом теле, помещенном в диэлектрик, возникнут усталоcтные напряжения, приводящие к разрушению этого тела (или частиц твердого тела).

Создать уcталоcтные напряжения в твердом теле, помещённом в жидкость (например, в воду), можно и путем ультразвуковых колебаний жидкости, создаваемых различными ультразвуковыми излучателями. Более интенсивные деформации диэлектрика возникают при электрострикции.

Химический метод диспергирования (пептизация) твердой фазы заключается в расщеплении ее частиц за счет удаления сшивающих частиц обменных поливалентных катионов Ca²⁺, Mg²⁺ или реагентов, способствующих деструкции сложных структур.

Для возможности удаления ионов Ca²⁺ и Мg²⁺ необходимо, чтобы пептизатор хорошо растворялся в воде; хорошо взаимодействовал с ионами Са²⁺ и Мg²⁺ и при взаимодействии образовывал нераcтворимые или малорастворимые соли, выпадающие из раствора в осадок. К таким пептизаторам относят щелочи, соли одновалентных металлов: угольной, фосфорной и кремниевой кислот.

На рис. 2.1 показаны результаты экспериментальных исследований И.Н. Резниченко и Н.Е. Шептало по определению влияния различных реагентов на коллоидальность и пептизацию глинистого раствора.

На рисунке видно, что эффективная пептизация глин наблюдается щелочными электролитами NaРО₄, Na₂CO₃, NaOH, при их небольшой концентрации (до 1%). При больших концентрациях щелочных электролитов наблюдается обратный процесс - сшивание глинистых частиц.

Химический способ диспергирования лигнина заключается в термоокислителъной деструкции сетчатой структуры полимера под воздействием горячих кислот: азотной, серной и др. Известно, что у разветвленных полимеров связи между боковыми цепями и главной цепью менее прочны, чем в главной цепи. Поэтому разветвленные полимеры (в том числе гидролизный лигнин) при химическом диспергировании (термоокислительной деструкции) расщепляются на отдельные фрагменты, способные к активации и растворению в воде.

Химическое диспергирование (расщепление) ассоциатов полимеров и повышение растворимости в воде производят посредством их гидролиза (ГПАА, гипан), частичной дезактивации целлюлозы (ММЦ) и ее активации (КМЦ),.Химический способ диспергирования имеет также ряд недостатков. Главные из них два: 1) невозможно вводить значительное количество щелочи, вследствие чего степень диспергирования частиц невелика, 2) прочность структуры не повышается, а понижается.