Физико-химические свойства глинистых растворов

15.07.2019

При контакте глинистых пород с водой вода проникает по трещинам и капиллярам к внутренним слоям породы, что приводит к растворению и разрушению пленки растворимых цементирующих веществ, связывающих в одно целое отдельные агрегаты породы. Распад глины на мелкие частицы значительно усиливается при перемешивании глины с водой при помощи механических и гидравлических мешалок или ударов и трения бурильных труб о стенки скважин. В скважинах, кроме того, разрушению глинистой породы способствуют сила тяжести, а также действие струи промывочной жидкости, омывающей стенки скважины.

Одновременно с чисто механическим диспергированием начинаются процессы физико-химического взаимодействия глинистых минералов с водой, которые затем приобретают наиболее важное значение: набухание, диссоциация, обмен катионами и адсорбция. Исследование процессов набухания глин различного минералогического состава показало, что наибольшей набухаемостью отличаются монтмориллонитовые глины. Набухание монтмориллонита сопровождается двумя явлениями: внедрением слоев воды между плоскостями решетки глинистого минерала и капиллярным всасыванием воды внутрь кристалла глины. Наименьшей набухаемостью обладают каолины, объем набухания которых соответствует примерно общей пористости образца. Другие глины (монотермит, иллит) по набухаемости занимают промежуточное положение между монтмориллонитом и каолином. Ф.Д. Овчаренко связывает это явление с установленной им закономерностью: набухание каолина вызывается действием адсорбционных, осмотических и капиллярных сил и затормаживается действием межмолекулярных сил притяжения. Набухание монтмориллонита связано в первую очередь с увеличением межпакетного расстояния. На набухание оказывают влияние обменные катионы, которые по влиянию на набухаемость располагаются (по В.С. Шарову) в следующий ряд:
Физико-химические свойства глинистых растворов

Пo мере образования новых поверхностей контакта глины с водой происходит диссоциация глинистых частиц на крупные анионы, представляющие собой основную кристаллическую часть минерала, и катионы, состоящие из металлов обменного комплекса. В результате такой диссоциации глинистые частицы приобретают отрицательный электрический заряд большой величины и в силу этого держат в сфере притяжения и положительно заряженные катионы, и молекулы воды, которые ориентируются положительно заряженными частями в сторону глинистой частицы и адсорбируются на ее поверхности. Глинистые минералы обладают способностью и к катионному, и к анионному обмену.

Р. Грим считает, что катионный обмен на поверхности глинистых минералов может быть вызван тремя причинами.

1. Вследствие разрушения связей по краям кремнезем-глиноземных структурных единиц образуются свободные заряды, которые должны быть сбалансированы адсорбированными катионами. Следовательно, количество нарушенных связей и величина обменной емкости возрастают с уменьшением размеров частиц. Для монтмориллонитов около 20% обменной емкости определяется нарушенными связями.

2. Замещением ионов с большой валентностью ионами с меньшей валентностью. Например, кремния алюминием и алюминия магнием. Для монтмориллонита около 80% обменной емкости связано с подобными замещениями в кристаллической решетке.

3. Замещением водорода краевых гидроксильных групп катионом, который сам будет способен к обмену. Однако эта причина не может иметь большого значения, так как водород гидроксила не может быть нормально замещен в условиях этой обменной реакции. Среди глинистых минералов по емкости катионного обмена на первом месте стоят вермикулит (100—150 мэкв на 100 г), монтмориллонит (80—150 мэкв на 100 г), сепиолит-аттапульгит имеет емкость катионного обмена 20—30 мэкв на 100 г.

Реакцию анионного обмена на глинистых минералах можно объяснить двумя факторами.

1. Разрушенные связи по краям частиц должны давать одинаковое количество положительных и отрицательных связей. Следовательно, емкость анионного обмена должна быть равна емкости катионного обмена, вызываемого разрушением связей по краям частиц.

2. В обменных реакциях могут участвовать гидроксилы, находящиеся на поверхности глинистых частиц. При анионном обмене большое значение имеют форма и размер аниона по отношению к геометрии структурных ячеек глинистых минералов. Анионы фосфатов, арсенатов и боратов имеют почти одинаковый размер и форму, как и у кремнекислородного тетраэдра, и поэтому легко адсорбируются на поверхности глинистых минералов. Существуют также анионы, которые из-за своих размеров и формы не могут адсорбироваться на глинистых частицах.

В целом анионный обмен может достигать значительной величины. Так, величина анионного обмена для монтмориллонита составляет 23—31 мэкв/100 г, а для каолинита 7—20 мэкв/100 г. По данным, отношение катионного обмена к анионному для каолинита составляет около 0,5; для иллита — 2,3, а для монтмориллонита 6,7. Это показывает, что основное значение в бентонитовых глинистых растворах имеет катионный обмен, а в каолинитовых — анионный.

Данные об анионном обмене показывают, что на поверхности глинистых минералов могут существовать и положительные, и отрицательные участки, хотя в целом глинистые частички в суспензиях заражены отрицательно.

В результате диссоциации глинистые частицы в целом приобретают отрицательный электрический заряд большой величины и в силу этого держат в сфере притяжения и положительно заряженные катионы, и молекулы воды, которые ориентируются положительно заряженными частями в сторону глинистой частицы и адсорбируются на ее поверхности. Под действием электрического поля и поля адсорбционных сил глинистая частица притягивает из дисперсионной среды к своей поверхности ионы противоположного знака, которые удерживаются около поверхности этой частицы на определенном расстоянии в зависимости от их электрического заряда, величины, концентрации, объема, поляризуемости, валентности, способности гидратироваться и вида электролитов в растворе.

Аналогично другим дисперсионным системам на поверхности глинистых частиц образуется двойной электрический слой с одноименным зарядом вокруг глинистых частиц, который вызывает возникновение сил отталкивания, способствующих равномерному распределению частиц в суспензии. В водных растворах двойной электрический слой на большей части поверхности глинистых частиц состоит из отрицательной обкладки поверхности глинистых частиц и положительно заряженной наружной обкладки, состоящей из катионов металлов. Изменение концентрации электролитов или химических реагентов в глинистом растворе приводит к изменению е-потенциала. Наиболее часто происходит изменение концентрации щелочи. При повышении концентрации NaOH вначале происходит замещение Н-ионов, а затем ионов тяжелых металлов Na-катио-нами. Одновалентные катионы слабо притягиваются к поверхности глинистой частицы, так как имеют меньший заряд. Поэтому они более подвержены тепловому рассеиванию, в результате чего увеличивается толщина диффузного слоя. Если в адсорбционном слое содержится не менее 50% катионов тяжелых металлов, то с увеличением концентрации щелочи е-потенциал возрастает. Это объясняется тем, что замещающие Nа-катионы располагаются не в адсорбционном, а в диффузном слое, так как они вследствие малого заряда слабее притягиваются поверхностью глинистой частицы и в то же время отталкиваются поливалентными ионами, обладающими большим зарядом. При дальнейшей замене катионов тяжелых металлов натрием уменьшается е-потенциал. Это объясняется тем, что количество оставшихся в адсорбционном слое катионов тяжелых металлов недостаточно для затруднения доступа Nа-катионов в адсорбционный слой.

Между водой и глиной существует четыре формы связи. Согласно классификации П.А. Ребиндера, эти четыре формы располагаются в порядке убывающей энергии связи: 1) химически связанная вода (гидроксильные ионы и кристаллогидраты); 2) адсорбционно связанная вода (соответствует мономолекулярному слою на поверхности глинистых частиц); 3) капиллярно связанная вода (в том числе и внутрипакетная); 4) свободная вода (в том числе механически захваченная в пористом пространстве).

Глинистый раствор представляет собой многокомпонентную систему, содержащую твердые тела (глинистые частицы, частицы утяжелителя и выбуренной породы) и жидкости (вода, химические реагенты, нефть). Кроме того, глинистый раствор взаимодействует с горными породами, слагающими стенки скважины. Глинистые частицы, находящиеся в промывочной жидкости, имеют небольшие размеры и вследствие этого обладают чрезвычайно большой суммарной поверхностью, способной адсорбировать растворенные химические реагенты. Вода также способна адсорбироваться на поверхности твердой фазы и, следовательно, между водой и химическими реагентами происходит конкуренция, осложняющаяся их взаимодействием.

Между поверхностью глинистых частиц и раствором, содержащим сложные химические соединения, происходит обмен катионами, который отличается от обычного катионного обмена тем, что наряду с чисто электростатическим взаимодействием ионита с ионом проявляется действие межмолекулярных сил притяжения. При этом органический полимер адсорбируется глиной в количествах, не эквивалентных количеству вытесненного металлического катиона.

Глинистые растворы по своим свойствам занимают промежуточное положение между коллоидными растворами и растворами высокомолекулярных веществ. Присутствие в составе глинистых суспензий Na-, К- и Li-бентонитов приближает их по свойствам к растворам высокомолекулярных веществ и в то же время содержание более грубодисперсных и менее гидрофильных глинистых минералов и утяжелителей (BaSO4, FeO, Fe2O3) придает подобным системам в целом гидрофобный характер.

В отличие от обычных суспензий глинистые растворы, как правило, не обладают способностью к седиментации и флотации. Для изучения дисперсности глинистых частиц методами седиментационного анализа обычные глинистые растворы многократно разбавляют водой.

Фильтрация глинистых растворов в отличие от фильтрации обычных суспензий также имеет особенности, заключающиеся в способности глинистых растворов откладывать на поверхности фильтра плотную малопроницаемую корку, проницаемость которой уменьшается с увеличением перепада давления.

Глинистые растворы по реологическим свойствам относятся к числу связнодисперсных тиксотропно обратимых коагуляционных структур. Это значит, что состояние коагуляции является для них нормальным состоянием.

К отличительным особенностям глинистых растворов относятся:

1. Тиксотропия, т. е. способность загустевать при покое и разжижаться при перемешивании.

2. Способность сохранять структуру даже при перемешивании.

3. Способность образовывать малопроницаемую фильтрационную корку на проницаемой поверхности.

4. Способность удерживать во взвешенном состоянии частицы утяжелителя и выбуренной породы.

5. Чуткость к действию химических реагентов.

6. Доступность и небольшая стоимость исходных материалов (глины и воды).

Перечисленные особенности служат причиной того, что глинистые растворы получили наибольшее распространение среди других промывочных жидкостей.

Глинистые растворы обладают рядом недостатков, которые делают их использование в качестве промывочной жидкости менее предпочтительным, чем использование технической воды. Для приготовления глинистых растворов требуются специальные механизмы, в то время как вода используется в том виде, в котором поступает из водопровода. Практика бурения с промывкой водой в восточных районах показала, что после замены воды глинистым раствором сокращаются скорости бурения и уменьшается проходка на долото. Поэтому применение глинистых растворов в качестве промывочной жидкости будет оправдано только в том случае, когда использованы все пути и возможности применения воды хотя бы для бурения части разреза скважины.

Глинистые растворы на пресной воде предназначены для разбуривания пород, не содержащих соленосных отложений. В настоящее время могут быть рекомендованы или применяются следующие типы глинистых растворов:

Первым признаком, определяющим применение одного из типов глинистых растворов, является удельный вес, необходимый для предупреждения водо-, нефте- и газопроявлений при разбуривании данного интервала. Удельный вес глинистого раствора выбирают в зависимости только от пластовых давлений в водо-, нефте- и газонасыщенных пластах, встречаемых при разбуривании данного интервала.

По выбранному удельному весу определяют тип глинистого раствора (малоглинистый, с нормальной концентрацией глины, утяжеленный). После выбора типа определяют необходимые параметры глинистого раствора и методы их регулирования.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна