11.1 Механизм упрочнения и кольматации горных пород

Силикатными растворами называют водные растворы силиката натрия (Na₂Si₃ - жидкое стекло). Они представляют собой коллоидные растворы с частицами 0,03-0,2 мкм.

Силикат натрия получают при сплавлении порошка диоксида кремния с щелочами:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + Н₂О

В воде силикат натрия гидролизуется:

Na₂SiОз + Н₂О ->SiO2 + 2NaOH,

поэтому силикатные растворы, имеют щелочную, реакцию. Благодаря щелочной среде коллоидный раствор достаточно стабилен.

Силикатные растворы имеют одну природу с глинистыми растворами. Как в тех, так и в других растворах дисперсная фаза представлена силикатами. Но активность твердой фазы силикатных растворов значительно выше фазы глинистых растворов. Вследствие высокой активности коллоидных частиц жидкое стекло применяют в качестве клея.

При введении в силикатный раствор электролитов час типы силиката натрия(подобно глинистым частицам) коагулируют.

При введении в силикатный раствор раствора хлористого кальция в их контакте образуется достаточно прочная пленка (из "сшитых" ионами Са²⁺ коллоидных частиц). С гидроксиланионами раствора ОН кальций образует известь Са(ОН)₂, связывающую скоагулированные агрегаты коллоидных частиц и способную с течением времени в присутствий кремнезема кристаллизоваться в виде минерала портландита. Однако Вследствие высокой гидрофильности коллоидных частиц такие пленки содержат много воды, поэтому не достаточно прочны.

При введении в силикатный раствор кислоты катионы водорода Н вытесняют с поверхности коллоидных частиц катионы Na , образуя гель кремнекислоты:

Na₂SiО₃ + H₂SO₄ + Н₂О = SiO₂ H₂O + Na₂ SO₄

Поверхностный потенциал коллоидных частиц понижается, гидратная пленка воды становится тоньше и плотнее, а связи между гидратами более прочными. Гидраксиланионы нейтрализуются катионами водорода:

В результате этого из раствора выпадает плотный оса док геля кремнекислоты.

Если этот осадок отмыть от соли Na₂SO₄, высушить при повышенной температуре, то получим пористую массу диоксида кремния, состоящую из прозрачных кристалликов SiO₂, связанных друг с другом химическими связями.

Процессы коагуляции силикатного раствора кислотой более медленны, чем процессы коагуляции солями поливалентных металлов. Время гелеобразования зависит от активности (степени диссоциации) кислоты и концентрации Na₂SiO₃. Чем выше активность кислоты и выше концентрация жидкого стекла, тем более резко сокращается время гелеобразования. С повышением температуры в скважине и раствора время гелеобразования понижается.

11.2 Способы силикатизации

Силикатные растворы применяют как для упрочнения горных пород (преимущественно), так и для кольматации трещин в скальных породах с целью ликвидации поглощений промывочных жидкостей. В настоящее время развиваются два направления упрочнения горных пород - одно- и двухрастворная силикатизация.

Коагуляция коллоидных частиц раствора солями поли валентных металлов, в частности хлористым кальцием, происходит почти мгновенно, поэтому растворы жидкого стекла и хлористого кальция перемешиваются непосредственно в скважине в интервале осложненной зоны. В этом случае используют двухрастворную силикатизацию, т.е. в скважину поочередно нагнетают растворы силиката натрия и хлористого кальция.

В результате нейтрализации поверхности коллоидных частиц силикатного раствора и их сшивания катионами кальция Са²⁺ мгновенно образуется рыхлая масса скоагулированных агрегатов, которая под воздействием образован ной извести постепенно весьма медленно "твердеет". Так, в пленке толщиной до 1,0 мм процесс твердения длится более 10 суток. Прочность песков, закрепленных этими растворами, составляет 15-60 кгс/см².

Однако двухрастворный способ обладает рядом недостатков: 1) неоднородность закрепления песков по глубине; 2) невозможность закрепления мелкозернистых песков с коэффициентом фильтрации 0,5-5 м/сут; 3) сложность технологии.

Неоднородность упрочнения горных пород по глубине объясняется тем, что мгновенно образованная в контакте двух растворов пленка закупоривает поры и затрудняет про движение раствора вглубь породы. Особенно часто это наблюдается при закреплении мелкозернистых песков.

При двухрастворной силикатизации водоносных горных пород в зависимости от коэффициента фильтрации рекомендуется принимать плотность раствора Жидкого стекла, приведенную в табл. .

Таблица

Коэффициент фильтрации горных пород, м/сут	Плотность раствора жидкого стекла при t=18°C, г/см3
2-10 10-20 20-80	1,35-1,38 1,38-1,41 1,41-1,44

Раствор хлористого кальция должен иметь плотность в пределах 1.26-1,28 г/см³ и рН не менее 5,5.

Более эффективен однорастворный способ. Сущность его заключается в нагнетании в скважину силикатного раствора с добавкой кислот (H₂SO₄, Н₃РО₄) или смеси кислот и солей поливалентных металлов (например, H₂SO₄ +Al₂(SO₄)₃ Эти растворы коагулируют очень медленно, они представлены маловязкой жидкостью, поэтому способны проникать в тонкие трещины и поры на значительную глубину.

При однорастворной силикатизации водоносных горных пород рекомендуются составы силикатных растворов, приведенные в табл. .

Приготовление однорастворных..силикатных растворов производят перед их нагнетанием.

Таблица

Растворы	Компоненты	Плотность, г/см3	Объемное содержание в смеси	Время гелеобразования, ч
1 2	Жидкое стекло Фосфорная кислота Жидкое стекло Серная кислота Сернокислый алюминий	1,190 1,025 1,19 1,06 1,06	1 часть 3-4 части 1,5-1,8 части 1,3 части 0,7 части	4-10 10-16