книги из ГПНТБ / Шептала, Н. Е. Руководство по физико-химическому анализу глинистых растворов, глин, утяжелителей и реагентов

димо производить измерения параллельно на двух-трех при­ борах.

Из полученных результатов берутся средние значения объе­ мов глины за одни и те же отрезки времени, по которым стро­ ится кривая кинетики набухания (рис. 3) или производятся следующие расчеты.

Объем набухшей глины складывается из объема сухих гли­ нистых частиц в пробе Уо, объема поглощенной частицами жидкости Уж и объема иммоби­

лизованной жидкости У,к'. Иммобилизованная жид- •

кость— это жидкость, механиче­ ски задержанная набухшей гли­ ной, практически не влияющая на ее набухание.

Унаб = Уо + У ж + Ѵ ж .

откуда

= У Наб — У 0— У » .

(tgß — характеризует изменение объемов глин).

Унач = ^нач '-’приб> (Янач— высота сухой пробы);

где Унач, и Унач2 — начальные объемы глины (сухой), измерен­ ные на двух приборах; Унаб, и УНаб. — объемы глины, измерен­ ные на двух приборах через один и тот же отрезок времени, т. е. для определения tg ß значения объемов не усредняются.

20

Коэффициент набухания

Уж

*1 = У„

Коэффициент поглощения воды 1 г глины

k

т

Скорость изменения объема во времени

(t — время набухания в ч).

При определении набухания глины более наглядное пред­ ставление дает кинетика изменения набухания во времени.

П р и м ер . Измерения проводились на двух приборах. Навеска глины в обоих случаях равна 4 г. Плотность глины 2,6 г/см3. Время измерения <=48ч.

Показания I прибора:

У„ = - = А = 1 ,5 2 ;

У2,6

Показания II прибора:

Уо= — = 1.52;

Унач2 = 0 >5 6 Х 4,906 = 2,782;

Унаб, = О-559 X 4,906 = 2,742;

21

0,197

Ксе всех проб в сухом состоянии).

ставимы с данными, полученными по методике объемного опре­ деления. Нетрудно видеть, что в этом случае применим аналити­ ческий метод оценки набухания. Масса набухшей пробы РІіаб состоит из суммы масс сухих частиц Р0 жидкости набухания Рук И иммобилизованной ЖИДКОСТИ Рук.

Отсюда

22

Описанные методы, разработанные в МИНХ и ГП пм. И. М. Губкина, позволяют определять объем или массу жидко­ сти набухания независимо от начальной пористости дисперсоида, что обеспечивает инвариантность получаемых величин. Для определения связи между степенью к* набухания и возможным видимым изменением объема пробы образцов глинистых пород, имеющих различ­ ную пористость, рассмотрим рис. 5.

Изменение объема образца при набухании будем выражать через коэффициент видимого изменения объема образца k*

Ѵ н .е = ^ а б + С ,

но

С = р tg ß;

^наб = ^наб + Рtg ß-

Подставляя эти выражения в (3), имеем

Поскольку величина tg ß при максимальном набухании всег­ да меньше единицы, с ростом объема пор р знаменатель в вы­ ражении (4) будет расти прогрессивнее, чем числитель, и вели­ чина k* будет уменьшаться. Рассмотрим, при каких значениях р объем образца каолина, тереклинской глины и огланлииского бентонита, набухающих в дистиллированной воде, не будет из­ меняться, т. е. коэффициент k* будет равен единице. Преобра­ зуем выражение (4)

23

Значения величин klt Ѵ0 и i:gß приведены в табл. 1.

Таблица 1

Подставляя данные табл. 1 в формулу (5), получаем: для 1 г бентонита

для 1 г тереклинской глины

0,370 ( 2 ,7 2 - 1)

1,354 см3;

Р1 — 0,53

для 1 г каолина

0,390 (1,43 — 1) = 1,118 см3.

1 — 0,85

При значениях р больше полученных произойдет уменьшение объема образцов при контакте с водой, т. е. усадка образцов, при значениях р меньше полученных — увеличение объема.

Методики, разработанные в МИНХиГП им. И. М. Губкина, позволяют достаточно точно (допустимая погрешность не долж­ на превышать 1,0%) определять величины набухания глинистых и других порошков при правильном проведении опытов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Каждое вещество в зависимости от условий может существо­ вать в трех различных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом.

Агрегатное состояние вещества обусловливается взаимодей­ ствием частиц, которое определяет характер их возможного дви­ жения и взаимного расположения. Взаимодействие частиц яв­ ляется результатом одновременного существования сил отталки­ вания и притяжения, зависящих от расстояния. Эти вещества сложные, состоящие из двух или большего числа компонентов, которые содержатся в системе с той или иной степенью раз­ дробленности. В зависимости от степени раздробленности (дис-

24

лерсности) компонентов сложные вещества различаются на го­ могенные и гетерогенные системы.

Однородная физико-химическая система, состоящая из одной фазы и не имеющая между компонентами поверхности раздела, называется гомогенной. Примером таких систем могут служить газовые смеси и истинные растворы как твердые (различные •сплавы металлов), так и жидкие (щелочи, кислоты и др.). В бурении гомогенные системы (истинные растворы) применяются для обработки промывочных жидкостей (водный раствор едко­ го натра).

Системы, состоящие из двух или большего числа фаз, между которыми существуют реальные поверхности раздела, называ­ ются гетерогенными. Составные части таких систем представля­ ют собой крупные ассоциации атомов или молекул различных веществ. Значительная часть гетерогенных систем является ди­ сперсными системами. Промывочные жидкости относятся к ди­ сперсным гетерогенным системам и могут быть изучены физикохимичеокими методами.

Дисперсной фазой называется вещес-тво, мелко раздробленное в другом веществе, являющемся дисперсионной средой. Если' частицы дисперсной фазы имеют одинаковый размер, то дисперс­ ная система называется монодисперсной, а в противном слу­ чае— полидисперсной.

Промывочные жидкости относятся к пОлидисперсным систе­ мам.

Степень раздробленности или степень дисперсности Д систе­ мы является ее важнейшей характеристикой и определяется ве­ личиной, обратной поперечному диаметру частицы а

Д = — см-1.

а

Общая поверхность раздела фаз резко возрастает с увеличе­ нием степени дисперсности. Удельная поверхность 5УД, под ко­ торой понимается отношение общей поверхности 5 дисперсной фазы к ее общему объему V, также может служить мерой ди­ сперсности системы

(А — коэффициент формы частиц).

По степени дисперсности системы делятся на высокодисперс­ ные, или коллоидальные, если величина поперечного размера ча­ стиц а, находится в пределах ІО-7—ІО-'5, а дисперсность Д в пределах 1СНЧ-10-5 см~\ и грубодисперсные, если размер ча- ‘Стиц больше. Промывочные жидкости содержат как грубодис­ персные, так и коллоидные частицы. Дисперсные системы клас­ сифицируют по различным признакам. В настоящее время при­ нята классификация по агрегатному состоянию дисперсной фа­

25

зы II дисперсионной среды, предложенная Оствальдом и Зигмон­ ди. Если обозначить буквами Г, Ж и Т соответственно газо­ образное, жидкое и твердое состояние, а индексами 1 и 2 — ди­ сперсную фазу II дисперсионную среду, то можно получить сле­ дующие типы дисперсных систем.

1. Системы с газообразной дисперсионной средой (аэрозоли):

Для нефтяной и газовой промышленности особое значение имеют системы с жидкой дисперсионной средой, но в ряде слу­ чаев используются системы с газообразной дисперсионной сре­ дой (при бурении с промывкой воздухом или газом).

От гранулярного состава глин зависят их важнейшие свой­ ства. Обязательной составной частью всех глин являются фрак­ ции с величиной частиц меньше 0,001 мм называемые глинистым веществом. Эти названия иногда относятся и к фракциям мель­ че 0,001 мм. В большинстве типичных глин величина частиц глинистых материалов меньше 0,005 мм. Если в глине увеличи­ вается количество частиц размером 0,01—0,1 мм, то она посте­ пенно теряет свойства типичной глины (пластичность, связую­ щую способность взмучивания в воде и т. п.), но вместе с тем не преобретает свойств типичных песков. В табл. 2 приводятся данные по глиноматериалам в объеме потребления буровыми

1.Высококоллоидальные бентонитовые глины монтмориллонитового типа: Саригюхского (1 сорт) и Черкасского (1 сорт) месторождений и американские глинопорошки, взятые для срав­ нения. Эти глины создают хорошо структурированные суспензии даже при содержании 3—4% по объему. Содержание коллоид­ ной фракции у этих глин 65—70%, что соответствует выходу ра­ створа не менее 10 м3 из 1 т сырья. Обменная емкость этих глин находится в пределах 75—85 мг-экв на 100 г.

2.Глины средней коллоидальности— оглаигленский бенто­ нит, черкасский монтмориллонит (2 сорт), саригюхский палыгор-

26

27

частиц 20—30% при выходе глинистого раствора менее 4 м3/т характеризуются высоким содержанием твердой фазы в суспен­ зиях (14—22% объем.) при плотности суспензии 1,22— 1,35 г/см3. К этому типу относится большинство исследуемых глиноматериалов: куганакокнй, городищенский, дружковскнй,. альметьевский, нефтеабадский, горбский и др. Большое содер­ жание твердой фазы в буровых растворах, приготовленных изглин этого типа, создает значительные трудности в регулирова­ нии структурно-механических свойств, замедляя темпы провод­ ки скважины. Эффективность возможного обогащения этих глин крайне низка (0,5 м—1 м3).

При содержании коллоидов 50—60% эффективность обогаще­ ния глин очень высокая. Положительным примером химического' активирования служит американский бентонит, дающий выход,

В Татарии, Башкирии, Куйбышевской области и других вос­ точных районах для приготовления буровых растворов исполь­ зуются в основном низкоколлоидальные порошковые глины. Этим объясняется высокий расход реагентов и глиноматериалов-- на 1 м проходки (127—525 кг). Расход бентонитовых порошковвысокого качества составляет 4,5% в общем объеме потребле­ ния.

Подобное состояние глннохозянства объясняет высокие за­ траты времени на приготовление глинистых растворов, связан­ ные с переработкой огромного объема в основном низкокачест­ венных глиноматериалов при невысокой механизации работ.

Глины, имеющие низкий процент коллоидных частиц (выход, раствора до 3 м3/т), создают растворы с недопустимо высоким содержанием твердой фазы, они малоэффективны в химическом' обогащении последовательно, не должны применяться для при­ готовления буровых растворов.

Приведенные данные показывают, что дисперсность глини­ стых минералов определяет водоотдачу, вязкость и структурно­ механические свойства промывочных жидкостей.

Вследствие высокой дисперсности глины имеют большуювнутреннюю поверхность, поэтому явления, обусловленные осо­ бенностями состава и строения поверхности глин, существенно' влияют на их свойства. Поверхностные свойства глинистой су­ спензии имеют не меньшее значение в промышленном использо­ вании глин, чем гранулярный состав и минеральная природа.

В табл. 3 приводятся изменения плотности суспензии прц вязкости 20 с по СПВ-5 и фракционного состава бентонита в за­ висимости от количества обменного кальция.

28

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГЛИН

Под гранулометрическим, или механическим, составом гли­ ны понимается относительное содержание в ней (по весу) ча­ стиц различной величины. Гранулометрический состав является одним из важных факторов, определяющих физические свойства глин: пластичность, пористость, сопротивление сдвигу, набуха­ ние, сжимаемость, усадку, высоту капиллярного поднятия, водо­ проницаемость и др. Изменение гранулометрического состава глин вызывает изменение их свойств.

Гранулометрический анализ состоит в расчленении глины на группы с близкими по величине частицами — фракциями. Размер частиц обычно определяют по диаметру и выражают в мм. Определение гранулометрического состава необходимо для решения ряда практических вопросов.

В настоящее время разработано много способов грануло­ метрического анализа глин.

1.Глазомерный, или визуальный, способ, заключающийся в сравнении на глаз или с помощью лупы изучаемого состава гли­ ны с эталонами, состав которых известен.

2.Полевые способы Филатова и Рутковского, заключающие^- ся в оценке гранулометрического состава глины по числу на­ бухания и механическому числу, определяемым в специальной

воронке и трубке.

3. Ситовый способ — рассеивание грунта на ситах.

4.Гидравлические способы, основанные на различии скорорости падения частиц разной крупности в воде (метод отмучивания в спокойной воде, методы разделения током воды).

5.Непрерывные способы анализа, среди которых можно вы­

б) способы, основанные на учете изменения плотности или гидростатического давления суспензии (ареометрический ана­

лиз) ; в) центрифугирование — способ, основанный на разной ско-

29