4.3. Активация твердой фазы электролитами.
А
ктивацию
твердой фазы и среды проводят с целью
повышения прочности структуры,
стабилизации раствора и снижения
водоотдачи промывочной жидкости,
проводят путем устранения экранирующих
противоионов водорода двойного
электрического слоя частиц дисперсной
фазы щелочными электролитами.
Глинистые частицы бурового раствора на своей поверхности имеют и силанольные функциональные группы SiOH обменные катионы. В растворе эти группы диссоциируют, образуя двойной электрический слой (ДЭС).
В результате наличия такого экрана степень взаимодействия молекул воды с частицами относительно невысока.
П
ри
введении в раствор щелочного электролита,
например NaОН,
и его гидролиза ионы ОН-
активно взаимодействует с ионами
водорода, образуя воду, а водородный
слой ДЭС заменяется натриевым:
В результате замены водородного экрана натриевым потенциал и гидрофильность частицы значительно возрастают, что приводит к увеличению толщины гидратной плёнки, а значит, снижению её прочности, и прочности структуры глинистого раствора также несколько понижается, но возрастает стабильность системы и понижается водоотдача. Активность взаимодействия глинистых частиц с водой возрастает также за счет активации среды.
При дальнейшем увеличении электролита после полной замены водородного экрана натриевым равновесие раствора нарушается, в растворе появляется избыток катионов (Nа+), которые при взаимодействии с глинистыми частицами постепенно нейтрализуют их потенциал. Толщина гидратного слоя при этом уменьшается, что ведёт к увеличению прочности структуры раствора (и водоотдачи). Прочность структуры возрастает также и за счёт кулоновского взаимодействия ионов Na+ c глинистыми частицами. Далее c увеличением концентрации электролита гидрофобизация частиц достигнет такого значения, при котором начнётся агрегатирование (коагуляция частиц) и вследствие этого вторичное понижение прочности структуры промывочной жидкости.
Для иллюстрации рассмотренного механизма структурирования глинистого раствора щелочным электролитом можно привести классический пример [12] зависимости параметров промывочной жидкости от концентрации кальцинированной соды (рис.4.2).
На рисунке чётко выделяются: область активации (гидрофилизации) частиц, в которой прочность структуры раствора и водоотдача понижается, область гидрофобизации частиц, в которой наблюдается повышение СНС и водоотдачи, и область агрегатирования частиц, в которой наблюдается понижение СНС и дальнейшее повышение водоотдачи.
Оптимальную концентрацию щелочного электролита для активации различных глин определяют опытным путем.
Рис. 4.2. Зависимость СНС (), вязкости (Т) и водоотдачи (В) глинистого раствора от концентрации кальцинированной соды Na2CO3.
Подобным же образом (щелочными электролитами) проводят активацию и полимеров, функциональные группы которых в растворе способны дисооциировать с образованием ионов водорода, чаще всего это полимеры с карбоксильными функциональными группами (гумусовая кислота, ГПАА и др.):
СОО- + Н+ + ОН- — – СОО- + Н2О