Лекция 4. Материалы для приготовления промывочных жидкостей.

1. Основные материалы:

а) жидкость для создания дисперсионной среды;

б) основной структурообразователь и коркообразователь (глина, битум, полимеры, торф и др.)

в) химические реагенты, регулирующие структурно-тиксотропные, реологические и фильтрационные свойства;

г) основной эмульгатор для получения смеси двух несмешивающихся жидкостей – эмульсионные растворы.

д) утяжелитель бурового раствора, который применяется для увеличения плотности.

2. Дополнительные материалы, с помощью которых раствору придаются специфические свойства:

а) терморегуляторы – регуляторы термостойкости;

б) пеногасители;

в) понизители твердости горных пород;

г) антиоксиданты – препятствуют окислению химических веществ и др.

1. Глины для получения буровых растворов

Глины являются основными корко- и структурообразователями в составе буровых растворов.

Требования, предъявляемые к глинам для приготовления буровых растворов:

а) при низких скоростях сдвига в затрубном пространстве глинистый раствор должен обеспечивать вынос частиц бурового шлама на поверхность – т.е. он должен обладать достаточной выносящей способностью;

б) при больших скоростях сдвига (истечение из каналов, насадок, промывочных окон) вязкость глинистого раствора должна приближаться к вязкости дисперсионной среды, чтобы обеспечить эффективное удаление шлама с забоя при разрушении горных пород;

в) в случае остановки циркуляции глинистый раствор должен обладать достаточной удерживающей способностью за счёт тиксотропных свойств, чтобы предотвратить выпадение из раствора шлама на забой;

г) частички глины из раствора должны образовывать тонкую, эластичную, малопроницаемую корку на стенках скважины, чтобы уменьшить поступление фильтрата в стенки скважины;

д) Частицы глины должны удерживать молекулы воды за счет хорошего взаимодействия этих частиц с водой, чтобы исключить избыточное поступление фильтрата в стенки скважины.

Общая формула глины: xAl₂O₃ ySiO₂ zH₂O

окислы SiO_2­Н₂О – гидросиликаты

Гидросиликаты делятся на 3 вида:

1. Алюмосиликаты Al₂O₃ – глинозем;

2. Железистые Fe₂O₃;

3. Магнезиальные MgO.

Название глине дают по большему количественному содержанию тех или иных соединений (минералов).

1. Каолинит Al₂O₃  2SiO₂  2H₂O

Каулинг (высокая гряда – местность в Китае).

частица каолинита

0,3  4 мкм

0,02  0,5 мкм

Этот минерал чисто белый.

Свойства минерала:

- жёсткая кристаллическая решетка поэтому вода в межслоевое пространство не проникает;

- плохое взаимодействие с молекулами воды;

- отсутствие зарядов на поверхности частиц – обусловливает плохое взаимодействие с диполями молекул воды;

- эта глина плохо гидратирует и плохо набухает, поэтому при её взаимодействии с водой образуется взвесь частиц каолинита в растворе, поэтому этот раствор быстро расслаивается и частицы каолинита оседают.

Растворы на основе этого глинистого минерала редко используются, но он присутствует в составе других глин.

2. Монтмориллонит Al₂O₃  4SiO₂  H₂O

Глина с преобладающим количеством этого минерала называется бентонитом. «Бентос» – донные осадки.

чешуйка

0,1  0,3 мкм развитая поверхность

в 10100 раз 

А - А

-

в разрезе глинистая частица имеет две параллельные плоскости

- поверхность является носителем отрицательных зарядов

- Края частичек – обломки кристаллов.

Края и поверхность чешуек способны присоединять заряды

- валентные заряды

каркас

Такое строение глинистых частиц способствует образованию «каркаса» в глинистом растворе.

Частица бентонита обладает следующими свойствами:

- они могут присоединять дипольные молекулы воды – образуя гидратную оболочку, способствующую отталкиванию глинистых частиц.

гидратная оболочка

Рис.46. Схема и образование гидратного слоя на глинистой частице.

- так как поверхность развита (большая), молекулы воды могут проникать в межслоевое пространство, компенсируя отрицательные заряды на этой поверхности;

Н₂О

происходит набухание, которое ведет к

отслаиванию и диспергированию

чешуек глины.

- Частицы глины мелкие, поэтому образуется плотная, малопроницаемая и эластичная корка.

Частицы имеют коллоидную степень дисперсности с их размером 10^-5  10^-7 см

3. Гидрослюды (ОН)_n (Fe, Al, Mg, Si)_m  O_p  K_r – структурная формула гидрослюд.

Это комплекс переходных продуктов двух минералов: каолинит-монтмориллонит.

остаточный катион

К⁺

Н₂О

В межслоевом пространстве таких глин присутствует остаточный катион калия (К⁺), который придает жесткость их кристаллической решетке.

Представители гидрослюд: гидромусковит и вермипулит.

Такая глина плохо гидратируется из-за остаточного катиона К⁺.

4. Сепиолит – полыгорскитовые глины.

Палыгорскит – 2MgO∙3SiO₂∙4H₂O – магнезиальный силикат (красного цвета). В зарубежной практике называется аттапульгит.

Главное отличие этого минерала от других – игольчатое строение частиц. Частицы не имеют электрических зарядов.

Частицы игольчатой формы соединяются между собой не за счет электрических зарядов, а за счет механических сил.

Глина плохо гидратирует, плохо взаимодействует с диполями воды.