Материалы для приготовления промывочных жидкостей

Лекция 4 Материалы для приготовления промывочных жидкостей. 1. Основные материалы: а) Жидкость для создания дисперсионной среды; б) Основной структурообразователь и коркообразователь (глина, битум, полимеры, торф и др.) в) Химические реагенты, регулирующие структурно-тиксотропные свойства, реологические и фильтрационные свойства; г) Основной эмульгатор –для смеси двух несмешивающихся жидкостей; д) Утяжелитель бурового раствора, который применяется для увеличения плотности. 2. Дополнительные материалы, с помощью которых раствору придаются специфические свойства: а) Терморегуляторы – регуляторы термостойкости; б) Пеногасители; в) Понизители твердости горных пород; г) Антиоксиданты – препятствуют окислению химических веществ и др. 1. Глины для получения буровых растворов Глины являются основными корко- и структурообразователями в составе буровых растворов. Требования, предъявляемые к глинам для приготовления буровых растворов: a) При низких скоростях сдвига в затрубном пространстве глинистый раствор должен обеспечивать вынос частиц бурового шлама на поверхность – достаточная выносящая способность; b) При больших скоростях сдвига (истечение из каналов, насадок, промывочных окон) вязкость глинистого раствора должна приближаться к вязкости дисперсионной среды, чтобы обеспечить эффективность удаления шлама с забоя при разрушении горных пород (смывание частиц); c) В случае остановки циркуляции глинистый раствор должен обладать достаточной удерживающей способностью за счёт тиксотропных свойств, чтобы предотвратить выпадение из раствора шлама на забой; d) Частички глины из раствора должны образовывать тонкую, эластичную, малопроницаемую корку на стенках скважины, чтобы уменьшить поступление фильтрата в стенки скважины; e) Частицы глины должны удерживать в своём составе молекулы воды, чтобы исключить избыточное поступление фильтрата в стенки скважины за счет хорошего взаимодействия частиц глины с водой. Общая формула глины: xAl2O3ySiO2zH2O окислы SiO2 H2O гидросиликаты Глины в основном состоят из 3 соединений: 1. Алюмосиликаты Al2O3 – глинозем-придают глинам бело-серый цвет. 2. Железистые- Fe2O3-придают глинам бурый цвет. 3. Магнезиальные- MgO-придают глинам красноватую окраску. Названия даются по преобладающему количественному содержанию тех или иных соединений : 1) Каолинит Al2O3 2SiO2 2H2O Каулинг (высокая гряда)-местность в КНР частица каолинита 300-4000 нм 50-200 нм Свойства каолинита: 1.Кристаллическая решетка состоит из одного тетраэдрического и одного октаэдрического подслоёв 2.Внутрикристаллических замещений нет-между чешуйками действуют сильные водородные связи 3.Адсорбированнх обменных катионов на основных базальных поверхностях нет 4.Это хорошо упорядоченные кристаллы ,которые нелегко диспергировать в воде. Этот минерал чисто белый. Свойства минерала: - жёсткая кристаллическая решетка вода в межслоевое пространство не проникает; - плохое взаимодействие с молекулами воды; - отсутствие зарядов на поверхности частиц – обусловливает плохое взаимодействие с диполями молекул воды; - эта глина плохо гидратирует и плохо набухает, поэтому при её взаимодействии с водой образуется взвесь частиц каолинит в растворе; раствор быстро расслаивается и частицы каолинита оседают. Растворы на основе этого минерала редко используются, но этот минерал находится в составе растворов из других по составу глин. 2) Монтмориллонит Al2O3 4SiO2 H2O –смектит в зарубежной практике Это основной наиболее часто применяемый для получения глинистых растворов тип глин : Их применение обусловлено особенностями строения кристаллической решетки: Строение кристаллической решетки глин Монтмориллонит – смектиты-глинистый минерал Свойства таких глин: • Слоистое строение; • Пакеты-чешуйки; Базальные поверхности глинистых пластинок Каждая чешуйка состоит из элементарных кристаллических пластинок: Т.е. – толщина 15 нм; - размер по плоскости чешуйки (50-200)нм. 1нм=1·10-9м Эти чешуйки параллельны и они образуют базальные поверхности. По А - А отрицательные заряды Кристаллическая пластинка состоит из двух подслоев: • Октаэдрический (атом Al находится в октаэдрической связи с 6 атомами О2) - 8 граней. Принято обозначать: • 2 подслоя тетраэдрических, в которых атом кремния (Si) находится в тетраэдрической координации с четырьмя атомами кислорода (О­2). Основания тетраэдров образуют гексагональной формы кристаллическую решетку в тетраэдрических подслоях. Принято обозначать: Каждая элементарная кристаллическая пластина обладает следующими слоями: 2 тетраэдрических и 1 октаэдрический слоя. В межплоскостном пространстве размещаются молекулы воды и обменные катионы (Na+ либо Ca+2 и др.) Натриевые глины образовались с морских бассейнах–Na+-монтмориллонит. Кальциевые глины - в пресноводных бассейнах –Ca+2- монтмориллонит. Схема кристаллической решетки монтмориллонита: Между слоями существует кислородная связь -(Al+3)+(Ca+2)=-(+3)+(2)=-1 Происходят изоморфные замещения (без изменения морфологии), поэтому частицы приобретают отрицательный заряд. Разрыв кристаллической решетки приводит к увеличению этих зарядов: на плоскостях – 80% отрицательных зарядов, на краях чешуек– 20% отрицательных зарядов. Свойства монтмориллонита: 1.Кристаллическая решетка трехслойная-два подслоя тетраэдрических и один подслой октаэдрический 2.Часть атомов в октадрическом подслое замещены атомами с меньшей валентностью-кальция или магния 3.Отрицательные заряды решетки нейтрализованы поглощенными катионами натрия или кальция в основном 4.До 80 % поглощенных катионов приходится на межплоскостные промежутки элементарных кристаллических пластин 5.Между соседними чешуйками действуют силы слабого молекулярного притяжения 6.Кристаллическая решетка раздвижная –в межплоскостные промежутки проникают молекулы оды-идет набухание,увеличение объёма 6.Форма чешуек плоская в виде тонких листочков с толщиной около 15 нм,а длина и ширина от 500 до 2000 нм В ряде глинистых минералов присутствуют обменные катионы калия ,которые придают этим глинам важные специфические свойства. Катион К+ обладает уникальными свойствами - участвует в ингибировании глин: 1. Обладает повышенной подвижностью; 2. Проникает в межплоскостное пространство (в лунки между атомами кислорода); 3. ТогдаК+сдерживает слои от проникновения молекул Н20. создаетсяжесткость кристаллической решетки глины, тем самым не позволяя проникать молекулам воды (глина не набухает, не намокает, происходит ингибирование). Размер гидратированных катионов. Катион Размер до, А(негидрированных) Размер А(после гидратации) Na+ 1,9 11,2 Ca+ 1,98 19,2 Mg+ 1,3 21,6 K+ 2,66 7,6 Где А = 1*10-10 м. Источник К+ хлор – калиевые растворы KCl(минерал сильвин): • Способствует закреплению стенок скважины (ингибирование глин в стенках скважины); • Шлам подвергается ингибированию тоже (не распадается на более мелкие частицы), следовательно, легко удалить такие частицы из раствора. По-другому монтмориллонитовые глины называются бентонитами. Бентос – донные осадки-т.е. глины формировались за счет осадконакопления в водных бассейнах : чешуйка 0,1  0,3 мкм развитая поверхность в 10100 раз  А - А - поверхность является носителем отрицательных зарядов Края частичек – обломки кристаллов.  способны присоединять заряды валентные заряды каркас Частица бентонита обладает следующими свойствами: - Могут присоединять дипольные молекулы воды гидрооболочка - Так как поверхность развита (большая), молекулы воды могут проникать в межслоевое пространство. Н2О набухание - диспергирование - Частицы мелкие – образуется плотная, малопроницаемая, эластичная корка. Ф30; t = 1,0  1,5 мм Частицы коллоидные – 10-5 10-7 см 3.Гидрослюды (ОН)n (Fe, Al, Mg, Si)mOpKr –или иллиты-имеют такую структурную формулу как у минералов гидрослюд Это комплекс переходных продуктов двух минералов: каолинит монтмориллонит остаточный катион К+ Н2О Представители гидрослюд: гидромусковит и вермипулит. Свойства ИЛЛИТА : 1.Кристаллическая решетка трехслойная.Атомы кремния в тетраэдрическом пдслое замещены атомами алюминия. 2.Отрицательный заряды нейтрализованы поглощенными катионами калия-это придает жесткость решетке и глины не набухают из-за наличия остатачного катиона калия 4.Слои имеют повышенные заряды-связь между ними более сильная нежели у монтмориллонита 5.Малых размеров катионы калия размещаются в пустотах решетки образуя дополнительные побочные связи между слоями 6.Размер частиц иллита по толщине 70-75 нм,а по поскости пластин 150-700нм Такая глина плохо гидратируется из-за остаточного катиона К+ ,который препятствует проникновению молекул воды и это сдерживает гидратацию таких глин. 4. Сепиолит – палыгорскитовые глины Палыгорскит–2MgO∙3SiO2∙4H2O – магнезиальный силикат (красного цвета). В зарубежной практике называется аттапульгит. Главное отличие этого минерала от других – игольчатое строение частиц. Частицы не имеют электрических зарядов. электрическое поле не влияет на свойства частиц Размер частиц палыгорскита в виде иголок : по толщине около 10 нм и длине около 10000 нм. Свойства палыгорскита : 1.Это пучки узких пластин в отличие от слюдистых минералов 2.В воде при перемешивании пучки пластин разделяются на отдельные узкие пластинки-иголки 3.Такие иголки взаимодействуют за счет механического присоединения и создают структуру раствора 4.В глинах такого состава наблюается слоистоленточная решетка Глина плохо гидратирует, плохо взаимодействует с диполями воды.