Лабораторная работа №2. Изучение влияния органических реагентов-разжижителей на глинистый раствор

Изучение влияния электролитов на свойства глинистого раствора.

Глинистый раствор как дисперсная система весьма чувствителен к действию электролитов. Химические реагенты – электролиты или постоянные электролиты, попадающие в глинистый раствор при бурении, изменяют строение и размеры двойного электрического слоя глинистых частиц. Тем самым электролиты влияют на один из факторов, обеспечивающих агрегатную устойчивость глинистой суспензии.

Изменение агрегатной устойчивости глинистой суспензии сопровождается и изменениями технологических свойств глинистого раствора.

Характер действия электролитов на свойства глинистых растворов зависит от вида катионов и анионов электролита.

Катионы электролита всегда играют роль коагулирующих ионов для глинистой суспензии. Степень понижения агрегативной устойчивости глинистой суспензии зависит от вида катиона и его концентрации.

При увеличении концентрации электролита агрегативная устойчивость понижается и, следовательно, увеличивается степень коагуляции глинистого раствора.

По возрастанию коагулирующей способности одновалентные катионы располагают в следующий ряд:

Li⁺<Na⁺<K⁺<NH₄⁺<Rb⁺<Cs⁺.

Коагулирующая способность двухвалентных катионов на 2 порядка выше, чем у одновалентных, и возрастает в такой последовательности:

Mg²⁺<Ca²⁺<Ba²⁺.

Коагулирующая способность трехвалентных катионов на порядок выше, чем у двухвалентных.

Поскольку частицы глины заряжены отрицательно, а катионы образуют слой противоионов, адсорбция ионов на поверхности глинистой частицы увеличивает ее отрицательный заряд. Увеличение заряда поверхности глинистых частиц, в свою очередь, способствует увеличению заряда слоя противоионов и повышению агрегативной устойчивости глинистой суспензии.

Анионы могут способствовать катионному обмену на поверхности глинистых частиц, если анион электролита образует с противоионами глинистых частиц нерастворимые соединения.

Коагуляция, как следствие понижения агрегативной устойчивости, приводит к повышению статического и динамического напряжений сдвига глинистого раствора, загустеванию его и постепенному повышению водоотдачи (гидрофильная коагуляция). При высокой концентрации электролита и ограниченном содержании твердой фазы в растворе может наступить коагуляционное разжижение, характеризующееся понижением статического и динамического напряжений сдвига, потерей седиментационной устойчивости резким увеличением водоотдачи (гидрофобная коагуляция).

Повышение агрегативной устойчивости глинистой суспензии при добавлении малых количеств некоторых реагентов – электролитов сопровождается понижением статического и динамического напряжений сдвига, разжижением глинистого раствора, понижением его водоотдачи.

Целью настоящей лабораторной работы является изучение характера изменения технологических свойств глинистого раствора под влиянием электролитов, которые используются в качестве химических реагентов, и электролитов, которые могут попадать в раствор в процессе бурения.

Подготовка к работе.

Для работы лаборант заранее готовит исходный глинистый раствор на водопроводной воде, который должен иметь условную вязкость Т=22-28 с.

Непосредственно перед началом лабораторной работы лаборант измеряет параметры исходного глинистого раствора: водоотдачу, толщину глинистой корки, пластическую вязкость, динамическое напряжение сдвига, статическое напряжение сдвига, условную вязкость, водородный показатель, плотность. Значения этих параметров выписываются на классную доску.

Для приготовления исходного раствора целесообразно использовать глину невысокого качества, глинопорошок, не подвергавшийся модификации на заводе.

Организация работы.

Группа студентов делится на 6 рабочих бригад. Каждая бригада проводит обработку пробы глинистого раствора одним из электролитов и измеряет параметры глинистого раствора после ввода электролита. За время, отведенное для выполнения лабораторной работы, каждая бригада дважды производит обработку и, соответственно, дважды измеряет параметры раствора.

Для работы могут быть использованы любые электролиты, однако представляется целесообразным изучит влияние на глинистый раствор таких соединений как:

• карбонат натрия (кальцинированная сода);

• фосфаты натрия: гексаметафосфат, триполифосфат и др.;

• силикат натрия (жидкое стекло);

• хлорид натрия;

• хлорид кальция;

• хлорид магния;

• сульфат кальция;

• гидроксид кальция;

• гидроксид натрия (каустическая сода).

Содержание реагентов следует подобрать таким образом, чтобы по характеру изменения свойств глинистого раствора можно было выделить концентрации реагентов, повышающие агрегативную устойчивость глинистой суспензии, вызывающие гидрофильную и гидрофобную коагуляцию ее.

Выполнение лабораторной работы.

1. Взвесить на торговых циферблатных весах с точностью до 5 г кружку, в которой будет находиться проба глинистого раствора. Записать в лабораторный журнал массу порожней кружки - G_к.

2. Налить в кружку 1100-1200 см³ исходного глинистого раствора и взвесить кружку с раствором. Записать в лабораторный журнал массу кружки с раствором – G_кр.

3. Вычислить объем исходного глинистого раствора в кружке по его массе и плотности:

4. Вычислить количество электролита, необходимого для первичной обработки глинистого раствора:

   1. Если электролит вводится в твердом состоянии, то массу его находят по формуле:

2. Если электролит вводится в виде водного раствора, то объем раствора электролита вычисляется по формуле:

В этих формулах:

n – концентрация электролита в обработанном глинистом растворе после первичной обработки, кг/м³; с – концентрация электролита в его водном растворе, кг/м³.

5. Взвесить расчетное количество твердого электролита на технохимических весах с точностью до 0,1 г.

Если электролит вводится в виде водного раствора, отмерить расчетный объем с помощью градуированного стеклянного цилиндра.

6. Пробу глинистого раствора поместить под лабораторную мешалку и при перемешивании постепенно ввести электролит. Перемешивать раствор после ввода электролита в течение 1 минуты.

7. Перелить глинистый раствор в 2 стакана от миксера так, чтобы в них находился примерно одинаковый объем раствора. Если на дне или стенках кружки остались комочки электролита, следует смыть их раствором в стакан миксера.

8. Установить стаканы на миксер и перемешивать в течение 5 минут при работе миксера на 2 скорости.

9. После этого слить раствор в кружку и перемешивать вручную в течение 30 секунд.

10. Измерить параметры глинистого раствора:

    1. Водоотдачу – В,

    2. Толщину глинистой корки – К,

    3. Динамическое напряжение сдвига – τ₀,

    4. Статическое напряжение сдвига – θ,

    5. Условную вязкость по малой воронке – Т,

    6. Водородный показатель – рН,

    7. Плотность – ρ

и записать полученные значения на классную доску в виде таблицы.

11. Собрать весь оставшийся после замеров глинистый раствор в кружку и взвесить кружку с раствором. Записать в лабораторный журнал результаты взвешивания - .

12. Вычислить объем оставшегося глинистого раствора по его массе и плотности:

здесь ρ’ – плотность раствора после первичной обработки электролитом.

13. Вычислить количество электролита, необходимое для повторной обработки глинистого раствора:

    1. Если электролит вводится в твердом состоянии:

2. Если электролит вводится в виде водного раствора:

В формулах n₁ – концентрация электролита в обработанном растворе после повторной обработки, кг/м³.

14. В соответствиями с указаниями п.п. 5-10 провести повторную обработку электролитом, измерить параметры глинистого раствора и записать их на классную доску.

После повторной обработки начинать измерение параметров с условной вязкости – Т, ибо при измерении в иной последовательности объем глинистого раствора может оказаться недостаточным для замера этого параметра.

Оформление лабораторной работы:

Студенты переписывают в свой лабораторный журнал таблицу результатов, полученных всеми рабочими бригадами.

1. При оформлении лабораторной работы студент записывает в журнале:

   1. Название, порядковый номер работы и дату ее выполнения;

   2. Таблицу результатов, полученных всеми рабочими бригадами, выделив в ней рамкой свои результаты.

2. По данным таблицы строят графики зависимости параметров глинистого раствора от концентрации электролитов. Графики строятся по трем точкам отдельно для каждого электролита. Исходный глинистый раствор имеет нулевую концентрацию электролита.

3. Проанализировав данные таблицы и графики, студенты записывают в лабораторный журнал выводы:

   1. О характере изменения агрегативной устойчивости глинистой суспензии под влиянием различных электролитов, взятых в разных концентрациях;

   2. О механизме изменения свойств глинистого раствора под влиянием электролитов.

Сравнивают действие различных электролитов а глинистый раствор.