Теплота растворения электролитов

Электролит	Теплота растворения кДж/моль	Электролит	Теплота Растворения кДж/моль
HF	60,7	H2SO4	76,7
HBr	85,1
HCl	74,8
FeCl3	132,4	B(OH)3	21,8
CaCl2	74,5	NaSO4	11,3
BaCl2	8,7	K2SO4	-24,7
NaCl	-5,1	NaOH	42,4
KCl	-17,6	KOH	54,7

Теплота растворения электролитов обусловлена гидрофильностью его ионов. Так, сильные кислоты и щелочи легко диссоциируют в воде, их ионы активно взаимодействуют с молекулами воды, вследствие чего теплота их растворения достаточна высока.

Гидрофильность одновалентных металлов Na⁺ и К⁺ невысока, соли NaCI, KC1 растворяются в воде с поглощением тепла, поэтому они весьма подвижны и, благодаря этому способны проникать по порам неуплотненной глины вместе с раствором на значительные расстояния. Особенно это касается ионов калия.

С увеличением заряда гидрофильность катионов возрастает: теплота растворения CaС1₂ составляет 74,5 кДж / моль, а FеСl₃ -132,4 кДж/моль, а гидрофильность KCl составляет 17,6 кДж/моль.

Вследствие высокой гидрофильности ионов кальция, ее соли даже с двухвалентными анионами paстворяются в воде.Катионы с глинистыми частицами даже при одинаковой валентности взаимодействуют с различной интенсивностью в зависимости от их глинофильности чем ионы Са²⁺

Так, например ионы Мg²⁺ более "глинофильны", поэтому они адсорбируются преимущественно в верхней части глинистых образцов.

С увеличением концентрации адсорбируемых глиной катионов понижаются поверхностный потенциал и гидрофильность глинистых частиц, понижается толщина пленок воды, повышается степень коагуляции частиц.

На рис.4.5. показана зависимость поверхностного потенциала частиц от концентрации электролита для одного- (1), двух- (2) и трехвалентных (3) катионов.

Рис. 4.5. Зависимость электрокинетического потенциала глинистых частиц от концентрации электролита одно-(1), двух-(2) и трехзарядных (3) противоионов.

Из рисунка видно, что с увеличением валентности катионов для нейтрализации заряда на одну и ту же величину требуется значительно меньшая концентрация электролитов. Порог полной коагуляции глинистых частиц подчиняется закону «шестой степени» Дерягина

Важным фактором, влияющим на интенсивность взаимодействия катионов с глинистыми частицами, является наличие в растворе анионов и их активность.

Анионы раствора снижают подвижность и активность катионов, в результате чего интенсивность взаимодействия глинистых частиц с катионами раствора понижается, и чем выше активность анионов, тем ниже интенсивность взаимодействия.

4.2. Электролиты в роли структурообразователя

При промывке скважины в соленосных горных породах глинистыми и полимерными растворами происходит их нейтрализация и интенсивная коагуляция поэтому ведутся поиски по замене этих растворов растворами, устойчивыми к солевой агрессии. К таким растворам можно отнести растворы с конденсированной твердой фазой. Конденсированная твердая фаза должна быть:

 гидрофильной, обладать активными функциональными группами: – ОН^-; – СО₃^-; ; SiO^2-;

 агрегативно- и седиментационно устойчивой.

Для получения конденсированной твердой фазы используют легкорастворимые в воде соли, вступающие друг с другом или с водой в реакцию с получением нерастворимых или малорастворимых (но с гидрофильной поверхностью) соединений.

Так, в результате взаимодействия ионов магния растворенного в воде бишофита с гидроксильной группой ОН^- каустической соды образуются кристаллогидраты гидроксида магния с гидрофильной поверхностью:

MgCl₂+NaOH=Mg(OH)₂+Na⁺+Cl^-

Благодаря наличию полярных групп -ОН вокруг микрокриcталлов Mg(OH)₂ в воде образуются гидратные слои, значительной толщины, в результате чего раствор в спокойном состоянии превращается в гидрогель. Поэтому буровые растворы с конденсированной твердой фазой, содержащей гидроксильную группу, получили название гидрогелей (в данном случае гидрогель магния).

С целью получения твердой фазы с большой удельной поверхностью и большей агрегативной и седиментационной устойчивостью рост частиц твердой фазы ограничивают введением в раствор полимеров (чаще всего КМЦ). Адсорбируясь на микрокристаллах Mg(OH)₂, КМЦ не только ограничивает рост кристалла, но и активирует поверхность твердой фазы.

Подобные гидрогели могут образовывать гидроксиды трех и четырехвалентных элементов: Al(OH)₃; Si(ОН)₄ и т.д. В отличие от двухвалентных металлов, которые образуют гидроксиды только в щелочной среде трех- и четырехвалентные элементы образуют гидроксиды в нейтральной и даже в кислой среде. Так, например, гидроксид алюминия появляется уже при рН=5. При действии на кислые растворы солей алюминия щелочью из раствора выпадает студенистый осадок гидрогеля алюминия.

Кремниевые кислоты Н₂О·SiO₂, Si(OH)₄, в растворе также образуют гидрогели.

Предотвращая сращивание микрокристаллов с помощью полимеров, получают стойкие структурированные растворы.

Наряду с гидрогелями широкое распространение получают солегели промывочные жидкости твердой фазой, образованной из двух взаимодействующих в растворе солей:

Na₂CO₃+CaCl₂=CaCO₃+2Na⁺+2Cl^-

Na₂SiO₃+CaCl₂=CaSiO₃+2Na⁺+2Cl^- и т.д.

и гидрогели,образованные из двух солей и воды:

Al(SO₄)₃+3CaCl₂+3H₂O=3CaSO₄+2Al(OH)₃+3H⁺+3Cl^-

Полученные таким образом соли также имеют гидрофильные функциональные группы и способны образовывать гели, поэтому их называют солегелями и гидросолегелями.

С целью ограничения роста кристаллов и гидрофилизации твердой фазы так же, как и при получении гидрогелей, в раствор добавляют полимеры: КМЦ, гипан, крахмал. Тип солегелей определяется по наименованию аниона и катиона конденсированной соли (сульфатно-кальциевый солегель, силикатно-кальциевый солегель, алюмо-силикатный солегель) или по названию соли (например, гипсовый солегель).

Гидрогели и солегели при бурении соленосных отложений для максимально возможного снижения растворяющей способности промывочной жидкости насыщают солями одновалентных или двухвалентных металлов в зависимости от требуемой соли. В табл.4.2 приводится состав некоторых гидро- и солегелей, применяемых для бурения соленосных отложений.

К недостаткам гидрогелей и солегелей следует отнести высокую материалоемкость дефицитных материалов, что значительно повышает себестоимость промывочных жидкостей.

Таблица 4.2

Состав гидрогелей и солегелей, применяемых в России для бурения соленосных отложений

Наименрование раствора	Электролиты для получения твердой фазы, %	Полимер, %	Соль для насыщения раствора, %	Активатор, %
Гидрогель магния	MgCl2-28,0-30,0 NaOH-1,5-2,0	КМЦ-0,2-2,5 КССБ-4- 3,0-0,5	NaCl-26
Соленасыщенный гипсовый солегель	Al(SO4)3-2 CaCl2-2	МК-0,8-2,4	NaCl-26 (MgCl2-28)	NaOH-0,2 УЩР-1-3
Соленасыщенный силикатно-кальциевый гидросолегель (ПСКР)	Na2SiO3-8-10 CaCl2-3-4	КМЦ-1,5-2	NaCl-26 (MgCl2-28)
Соленасыщенный аллюмосиликатный гидрогель (ПАСР)	Al(SO4)3-0,7-1,5 Na2SiO3-2-5	КМЦ-1,5-2	NaCl-26 (MgCl2-28)	NaOH-0,2