3.3 Модифицирующие полимерполисолевые растворы

3.3.1Теоретические исследования

Наиболее эффективными промывочными жидкостями для бурения неуплотненных глин являются полимерполисолевые растворы, важнейшими свойствами которых являются их крепящие свойства.

Полимерполисолевыми растворами мы называем растворы, основными компонентами которых являются:

полимеры - ингибиторы диспергирования;

соли одновалентных металлов-ингибиторы гидратации, с весьма подвижными “гидрофобными” катионами, способными проникать в неуплотненные глины на значительную глубину;

соли поливалентных металлов - модификаторы глины, с катионами, способными «сшивать» глинистые частицы или с родственными глине по химическому составу анионами, способными достраивать кристаллическую решетку, заполнять поры, повышать плотность и прочность горной породы.

«Сшивающие» анионы и катионы весьма глинофильны, в контакте с глиной активно взаимодействуют с глинистыми частицами образуя плотный модифицированный слой, который не позволяет поливалентным ионам глубоко проникать в объем глин. Поэтому, как правило, модифицированный слой небольшой толщины.

В результате нейтрализации заряда глинистых частиц катионами, как отмечено выше, происходит их дегидратация и коагуляция с последующим химическим взаимодействием катионов с глинистыми частицами «сшиванием».

Концентрация ионов, при которой происходит коагуляция и сшивание частиц (порог коагуляции) зависит от валентности ионов и подчиняется «закону шестой степени» Дерягина:

где С_к – порог коагуляции, z – валентность сшивающего катиона, В – константа коагуляции..

Для ограничения насыщения глины водой в раствор вводят ингибиторы гидратации – соли одновалентных металлов, для предотвращения диспергирования – ингибиторы диспергирования – полимеры. Но главную роль для повышения крепящих свойств раствора выполняют катионы солей поливалентных металлов.

Под воздействием отрицательного заряда глинистых частиц катионы «всасываются» породой, нейтрализуют заряд и сшивают глинистые частицы между собой.

«Всасывание» поливалентных глинофильных катионов глинистыми частицами будет происходить до тех пор, пока не установится равенство объемных энергий глины и раствора, то есть равенство зарядов глинистых частиц плюс зарядов катионов, внедренных в глину и зарядов катионов и анионов раствора. Концентрация электролитов, при которой происходит полная коагуляция (сшивание) частиц также носит название равновесной.

Для определения равновесной концентрации электролитов можно использовать «закон шестой степени», а константу коагуляции (константу равновесия) для конкретного типа глин определить экспериментальным путем. Для используемой при экспериментальных исследованиях образцов глины из черногорского глинопорошка она оказалась равной 70%. В этом случае равновесная концентрация ионов солей одновалентных катионов будет:

Для солей NaCl, в котором ионы Na⁺ составляют

равновесная концентрация будет:

Для солеей КCl она соответственно будет:

Растворимость соли NaCl равное при 20⁰С - 26.4%, соли КCl - 25.5%, то есть даже при полном насыщении раствора солями одновалентных металлов равновесную концентрацию ионов получить невозможно, и с помощью этих электролитов нельзя существенно скоагулировать и модифицировать глинистую породу.

Равновесная концентрация катионов солей двухвалентных металлов равна:

бишофита MgCl*6H₂О, содержащего катионов Mg⁺²

,

,

хлористого кальция CaCl₂, содержащего катионов Са⁺²

,

Равновесная концентрация катионов солей трехвалентных металлов будет равна:

cоли Al₂(SO₄)₃*18Н₂О, содержащей катионов Al³⁺

.

Следует отметить, что при определении равновесной концентрации электролитов следует учитывать наличие и состав обменных катионов горной породы. При большой концентрации обменных катионов Са²⁺ в глине концентрацию вводимых солей поливалентных материалов следует понижать.