10.3. Влияние полимеров и полимерсолевых растворов на увлажнение и прочность неуплотненных глин.

В отличие от уплотненных, неуплотненные глины вследствие их значительно большей пористости способны абсорбировать не только молекулы воды и ионы электролитов, но и макромолекулы полимеров. В соответствии с правилом Ребиндера (правило уравнивания полярностей) вещество может адсорбироваться на поверхности раздела фаз, если его присутствие в межфазном слое уменьшает разность полярностей этих фаз в зоне контакта, т.е. молекулы ПАВ должны ориентироваться в адсорбционном слое так, чтобы их полярные (функциональные) группы были обращены к более полярной фазе (глинистым частицам), а неполярные радикалы к менее полярной (в сторону пор).

В неуплотненной глине и в микротрещиноватых глинистых породах молекулы полимеров проникают по порам и трещинам, адсорбируются на их поверхностях, гидрофобизируют и понижают прочность их связей (эффект Ребиндера).

В результате гидрофобизации частиц влажность глины несколько снижается (рис.10.7). Уменьшается и прочность глинистых образцов (рис.10.8). Щелочные полимеры (гипан) также как и щелочные электролиты (при малой концентрации), наоборот, повышают влажность, а потому прочность образцов глины в этих растворах снижается более интенсивно (рис.10.8).

Несмотря на то, что полимеры снижают пластическую прочность глины тем не менее их рекомендуется вводить в буровой раствор с целью гидрофобизации частиц, снижения влажности глины и предотвращения диспергирования породы.

Введение в раствор одновременно с электролитами и полимеров, снижает влажность и прочность образцов глины (по сравнению с образцами, помещенными в раствор электролитов при отсутствии их диспергирования, рис.10.9 и 10.10).

Рис.10.8. Зависимость пластической прочности бентонитовых образцов, выдержанных в растворах полимеров, от их концентрации: 1-в растворе крахмала, 2-в растворе KMЦ-600, 3 – в растворе гипана.

Рис.10.9. Влияние добавок 1% КМЦ на влажность глинистых образцов в растворе нещелочного электролита CaCl₂ различной концентрации.

1 – в закрытом сосуде без полимера

2 – в открытом сосуде при добавлении 1% КМЦ

Рис.10.10. Влияние добавок 1% КМЦ на прочность глины в растворе нещелочного электролита CaCl₂ различной концентрации.

1 – в закрытом сосуде К.Ф. Жигача и А.Н. Ярова без полимера

2 – в открытом сосуде при добавлении 1% КМЦ

В растворах щелочных электролитов при малой концентрации наблюдается повышение влажности и некоторое снижение темпа упрочнения (рис.10.11 и 10.12). При невысокой концентрации вследствие повышенной степени диссоциации электролита темп снижения влажности и упрочнения глины выше, чем при большей концентрации.

Рис.10.11. Влияние добавок полимеров на влажность глинистых образцов, помещенных в раствор щелочного электролита различной концентрации: 1 - в растворе Na₂SiO₃ без полимера, 2 - в растворе Na₂SiO₃ с 0,5% гипана, 3 - в растворе Na₂SiO₃ с 2% крахмала, 4-в растворе Na₂SiO₃ с 1% КМЦ-600

Рис. 10.12. Влияние добавок полимеров на пластическую прочность глинистых образцов, помещенных в раствор щелочного электролита Na₂SiO₄: 1 - с добавкой 0,1% гипана, 2 - с добавкой 2% крахмала, 3 - с добавкой 1% КМЦ, 4 - без добавок полимеров

Влияние комбинированных полимерсолевых растворов на прочность образцов неуплотненной глины, помещенных непосредственно в раствор, изучалось автором в растворах КМЦ-700 с катионоактивными электролитами NaCl, КС1, CaCl₂, MgCl₂, KAI(S0₄)₂, NH₄Cr₂O₇ и анионоактивными электролитами Na₂SiO₃ в различных сочетаниях.

Введение в раствор поливалентных электролитов и анионных полимеров ведет к образованию труднорастворимых соединений, поэтому предварительно были проведены исследования на совместимость полимеров и электролитов.

При совместном введении в раствор КМЦ-700 и 2%-й раствор соли KAI(S0₄)₂ мгновенно выпадает осадок. При содержании в растворе KAI(S0₄)₂ выше равновесного после выпадения осадка в растворе КМЦ-700 не оставался, и образец глины, помещенный в такой раствор, быстро разрушался. При введении в раствор одновременно соли СаС1₂ и КМЦ-700 раствор оставался стабильным при концентрации КМЦ-700 - 1,5% и СаС1₂ почти до 10%. При добавлении в этот раствор соли NaCl образовывались хлопья, постепенно выпадающие в осадок.

При погружении в раствор образцов на их поверхности с течением времени адсорбировалась прочная органоминеральная пленка, предотвращающая разрушение (диспергирование) глины. Такая же пленка образовывалась и при отсутствии в растворе соли NaCl.

Затем изготовленные из черногорского глинопорошка образцы выдерживались в комбинированных растворах в течение 17-20 дней. Через каждые 3-4 дня замерялась пластическая прочность. Результаты замеров показаны в таблице 10.2.

Результаты исследований показали следующее:

1. Все исследуемые катионо- и анионоактивные электролиты при стабилизации их полимерами обладают крепящими свойствами.

2. С увеличением времени выдержки образцов глины в раствоpax солей одновалентных металлов пластическая прочность образцов вначале возрастает, а затем постепенно понижается.

3. Крепящие свойства электролитов - солей двухвалентных металлов в несколько раз выше крепящих свойств солей одновалентных металлов.

4. Прочность образцов в растворах солей Na₂SiO₃ и солей двухвалентных металлов увеличивается преимущественно за счет упрочнения тонкого поверхностного слоя образцов.

5. При одновременном введении катионо- и анионоактивных электролитов происходит их взаимодействие с образованием нерастворимой соли, способной адсорбироваться на поверхности образца.

Таблица 10.2

Изменение пластической прочности глины (МПа) в исследуемых

промывочных жидкостях с течением времени

Состав бурового раствора						Пластическая прочность глины, МПа, через
КМЦ-700	NH4Cr2O7	Na2SiO3	NaCl (KCl)	Бишофит	CaCl2	0 сут.	1 сут.	5 сут.	8 сут.	11 сут.	7 сут.	30 сут.
1.5	0.5	1	-	-	-	0.7	0.17	0.14	Разр	-	-	-
1.5	0.5	1	10	-	-	0.7	1.23	2.77	1,92	1,64	1,3	-
1.5	0.5	1	10	-	-	0.7	2.29	3.42	2,29	1,92	1,42	-
1.5	0.5	1	-	10	-	0.7	1.29	11.1	11,1	17,3	14,4	12,1
1.5	-	5	-	-	10	0.7	2.30	3.60	5,19	5,19	5,19	5,19
1.5	-	-	10	10	-	0.7	1.23	6.40	8,10	10,5	10,5	10,5
1.5	-	5	-	10	-	0.7	6.40	8.10	10,5	19,5	0,7	Размок
1.5	-	-	-	-	10	0.7	2.03	3.07	4,29	5,19	5,19	5,19