Оценка качества глин

Лекция 6 Оценка качества глин и рациональных условий применения глин для получения раствора. 1. Монтмориллонит Основные свойства, характеризующие качество глин: - Развитая поверхность частиц глин – глина хорошо гидратирует, частицы глины распускаются на отдельные частицы; - Межслоевое пространство Создаётся плотная, малопроницаемая корка. Н2О Фильтрационные свойства хорошие, так как частицы бентонита имеют размер коллоид- ных частиц 10-5 – 10-7 мм. - Кг = (2  3) % При малой Кг получается раствор с хорошими структурными, тиксотропными и реологическими свойствами при малых концентрациях. Недостатки: - Бентонитовая глина в составе раствора подвержена влиянию минерализации, то есть наличие электролитов в растворе или попадание их в раствор из пластовых вод, перебуриваемых пород приводит к ухудшению качества раствора (коагуляции). - Низкая плотность раствора. Возникает необходимость утяжеления раствора. 2. Гидрослюдистые глины - Гидратация таких глин осложнена(затруднена) из-за присутствия в них жесткого катиона с калием. К+ Н2О - Недостаточная гидратация приводит к тому, что для получения необходимых структурных и реологических свойств требуется повышение содержания глины в 2 или более раз в растворе; - Глина плохо гидратирует, частички глины более крупные, чем у бентонита, поэтому фильтрационная корка образуется рыхлая, показатель фильтрации большой; - Гидрослюдистая глина не является носителем электрических зарядов, поэтому растворы на их основе не подвержены влиянию минерализации. Основные рациональные условия применения: а) Утяжеление растворов из бентонита; б) Увеличение стойкости бентонитовых растворов в условиях минерализации. 3. Палыгорскитовые глины - Независимость свойств от минерализации; - Образование хороших структурных и реологических свойств в условиях любой минерализации; - Такие растворы обладают большими значениями показателя фильтрации. Корка образуется толстая, рыхлая. Рациональные условия применения: - Добавка к бентонитовым растворам для увеличения их стойкости к минерализации; - Утяжеление бентонитовых растворов; - Бурение в условиях высокой минерализации. На сегодняшний день для получения растворов используют следующие типы глин: 1) Бентонитовые глины (серого, бело-серого, серо-зеленого, чёрного цвета). Основной минерал – монтмориллонит; 2) Палыгорскитовые глины (красного цвета). Основной минерал – палыгорскит; 3) Каолинит – гидрослюдисые глины невысокого качества, комплекс переходных продуктов (буро-красноватые); 4) Местные глины – комовые; 5) Порошки. В основном, для приготовления буровых растворов используют порошки. Преимущества порошков: 1) Улучшенный процесс транспортировки; 2) Убыстряется процесс приготовления раствора; 3) Происходит более быстрая гидратация глины; 4) Снижаются трудозатраты и энергозатраты на получение единицы объема; 5) Можно легко воспроизводить рецептуру буровых растворов при использовании сухих компонентов; 6) Легко получаются «компаунды» – смеси сухих компонентов бурового раствора, удобны при транспортировке в отдалённые и труднодоступные районы; 7) Удобство хранения. На производство глинопорошков существуют технические условия (стандарты): ТУ 39 – 0147001 – 105 – 95. Типы: Б - бентонитовые; П – палыгорскитовые; КГ – каолинит-гидрослюдистые; М – модифицированные. Модификация – применяется для повышения качества. В модификации используют: Na2CO3 – кальцинированная сода, полимеры, органические вещества. Основной показатель качества – выход раствора (Вр) – количество м3 раствора, которое можно получить из 1 т сухой глины при условии, что условная вязкость Т = 25 с, а эффективная μЭ = 20 мПа∙с. В зависимости от выхода раствора выделяют следующие группы глин: А – 20 м3 и более из 1 т глины; Б – 16 м3 из 1 т глины; В – 12 м3 из 1 т глины; Г – 8 м3 из 1 т глины; Д – 5 м3( 4м3) из 1 т глины; Н – менее 5 м3 (4 м3) из 1 т глины. Марка глинопорошка содержит основные сведения о типе глины и группе, к которой принадлежит глинопорошок. Например, ПБМА: П – порошок; Б – бентонитовый; М – модифицированный; А – ВР = 20 м3 и более из 1 тонны глины. ППБ: П – порошок; П - палыгорскитовый; Б – Вр = 16 м3 из 1 т глины. Параметры, характеризующие качество и свойства глин. 1. Объемная концентрация глины – КГ На основе уравнения баланса масс: mк= mисх + Σmдоб mр=mв + mг Vрр = Vр (1 – Кг)в + Vр Кгг mраствора mв mг р =  2. Выход раствора – Вр (м3 из 1 т глины) ; = 1т , м3 Выход раствора определяется следующим образом: 1) Берется 3 сосуда по 400 см3с водой нагретой до 70⁰C; 2) Берётся 3 навески глины: 25-30 г, 35-40 г, 50-60г; 3) Готовим раствор (используем миксер «Воронеж»), перемешивая 5  15 минут; 4) Измеряем φ600 на приборе ВСН-3. Q, г φ600, град 25 … 35 … 50 … 5) Строим график φ600 град Q, г 6) Рассчитываем эффективную вязкость μЭ, мПа∙с 7) Строим график э мПас э=20 Q, г Qст Qст – это та масса навески, при которой мы получаем э = 20 МПас 8) Берем навеску Qст Qст(стандартная масса навески порошка бентонита) → 400 см3, нагреваем до 70⁰С; 9) Измеряем вязкость ( вязкость должна быть равна 25 с); 10) Измеряем плотность раствора (ρст при Qст); 11) Определяем выход раствора Вр 12) Определяем марку глинопорошка. 3. Способность к гидратации Это способность присоединять (адсорбировать) дипольные молекулы воды с частичками глины. Способность к гидратации зависит от типа глин и их характеристик. Na+ - глины, образуются в морском бассейне; Ca++ - глины, образуются в пресноводном бассейне. Катион Na+ Ca++ Валентность 1 2 Размер иона, Å 0,98 1,06 1 Å = 1  10-10 м Способность взаимодействовать зависит от валентности и размера ионов. Чем выше валентность или заряд иона и меньше поперечный размер частицы иона, тем труднее ионы отделяются от глинистой частицы и труднее идет гидратация. Са+2 Са+2 Н2О Са+2 Са+2 Na+ Na+ Н2О Na+ Na+ Натриевые глины гидратируют более сильно. 4. Влияние минерализации – содержание хлоридов натрия (NaCl) а) до ввода NaCl Na+ Н+ Na+ + ОН- = NaОН ОН- Н2О  Н+ + ОН- Na+ Н+ Na+ + ОН- = NaОН ОН- Н2О  Н+ + ОН- Na+ Н+ Na+ + ОН- = NaОН гидратная оболочкарН  7 – щелочная среда Н+ + Cl- = HCl Н+ Na+ NaCl  Na+ + Cl- ОН- Н+ + Cl- = HCl Н+ Na+ ОН- ОН- Н+ + Cl- = HCl Н+ Na+ рН  7 – кислая среда В кислой среде взаимодействие частиц глины и воды уменьшается. Для получения раствора высокого качества должно быть pH = 8 9. NaCl ухудшает качество раствора. 5. Схема кристаллической решетки глин Глины имеют слоистое строение. Среди этих слоёв выделяют: Al,Li ОН обменные: Ca++; Mg++; K+; Na+; NH4+ (О) (О) ОН Al,Li Al,Li ОН ОН (О) 6. Обменная ёмкость глин Это количество г-ион (молей), которое содержится в одном кг сухой глины. Причинами катионного обмена глин являются следующие факторы: 1) Внутрикристаллическое замещение, связанное с катионным обменом (замещение атомов Al и Li обменными катионами); 2) Нарушение связей на краях глинистых частиц; + - 3) Наличие катионов водорода и анионов гидроксила (ОН-) внутри кристаллической решетки или в межслоевом пространстве. Монтмориллонит имеет обменную емкость 0,8 ÷ 1,6 г-ион на 1кг сухой глины; Гидрослюды имеют обменную емкость 0,1÷ 0,4 г-ион на 1кг сухой глины; Палыгорскит имеет обменную емкость 0,2 ÷ 0,3 г-ионна 1кг сухой глины; Каолинит имеет обменную емкость 0,03 ÷ 0,15 г-ионна 1кг сухой глины. 7. Способность к модификации NH4+ NH4 NH4+ NH4 органические катионы NH4 NH4+ Органофильная глина Олеоглина Аммонийная глина РУО (растворы на углеводородной основе) Органоглина