26 Сен

Разработка буровых растворов по методу золь — гель технологии с регулируемыми временными характеристиками для применения на месторождениях Южного Ирака




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

При разработке технологии  буровых растворов  исходили из следующих принципов:

  • буровые растворы должны иметь совокупность характеристик, отвечающих составу, структуре  и  свойствам глинистых грунтов;
  • эффект закупоривания  активного порового пространства как способ  управления деформационно- пространственной  нестабильностью грунта должен иметь долговременный и надежный характер.

 На  основе опробования различных  типов буровых растворов  нами был выбрана  водная многокомпонентная  термодинамически  неустойчивая  композиция, в  которой реализован  принцип  управляемого во времени золь- гель превращения.

Термодинамическая  неустойчивость создавалась за счет присутствия в  исходной композиции двух  реакционноспособных ингредиентов:

  • на базе ионов гидроксония НзО+ (кислая реакция);
  • на базе ионов гидроксид-ионов  OH (щелочная реакция).

Состав композиции составляли предшественники гидроокиси алюминия   Al (OH)3  и кремния Si(OH)4    с добавлением  ряда специальных компонентов.

Схема приготовления   бурового раствора с   кинетически  управляемым  гелеобразованием (БРКУГ)  представлена на   рис.51.

Описание компонентов бурового раствора по группам

Кислые компоненты —  соли алюминия (хлорид, нитрат   или сульфат)

Буферные  компоненты   занимают промежуточное положение между  кислыми и  щелочными компонентами,   с их помощью решается задача замедления скорости взаимодействия между кислыми и  щелочными компонентами.

Применяли  буферные  компоненты  двух видов:

  • неорганический полимер- высокоосновный оксихлорид  алюминия  (ВОХА)    Al2(OH)5Cl 2H2O; это соединение  обладает уникальными характеристиками- высокой растворимостью  в воде, и содержит большую долю  гидроокиси алюминия; по данным [91]   структура ВОХА  представлена  кластерами   бемита, расположенными упорядоченно друг относительно друга, и разделенными атомами хлора;
  • органические водорастворимые полимеры- поливиниловый спирт, полиэтиленоксид  или  карбокиметилцелюлозу.

Щелочной  компонент – коллоидный кремнезем.

Коллоидный  кремнезоль   может быть получен разными методами [92-95], например,   при взаимодействии водного раствора силиката натрия с диоксидом углерода при повышенных давлениях [92]:

                           Na2 SiO3 + CO2 →SiO2 + H2 O + Na2 CO3

К основным характеристикам  коллоидного   кремнезоля относятся   химический состав,   размер   коллоидных частиц и  их распределение, плотность, pH, вязкость и удельная поверхность.

На  рис.  52   показана  схема  частиц кремнезоля, стабилизированного ионами   Na.

Стабилизация  кремнезоля  ионами   Na+ или другими методами предотвращает процессы полимеризации  кремневой кислоты. В случае снятия защитной оболочки вокруг коллоидных частиц полимеризации уже ничего не препятствует.

Поликонденсация и   полимеризация молекул кремнекислоты по силанольным группам,   образование силоксановых связей и   дегидратация  проходят по реакциям [1,2]

OH                     OH                       OH         OH

⎜                            ⎜                          ⎜           ⎜

OH—Si—OH + OH—Si—OH → OH—Si—O— Si—OH + H2O ,                 (24)

⎜                         ⎜                             ⎜           ⎜

       OH                      OH                       OH        OH

SimO(m-1)(OH)(2m+2) + SinO(n-1)(OH)(2n+2) → Si(m+n)O(m+n-1)OH(2n+2m+2) + H2O .

В  основе идеи бурового раствора с   управляемым  гелеобразованием (БРУГ)  лежит принцип  регулируемого во времени снятия  защиты  с частиц  коллоидного кремнезема, с тем, чтобы  реализовать скрытый потенциал  способности   кремневой кислоты к взаимодействию в водной среде.  Помимо  реакций  поликонденсации и   полимеризации  по  реакциям (24), кремневая  кислота  способна в водной среде  в присутствии ионов алюминия к формированию  полимерных структур с участием атомов алюминия и кремния.

На рис.  53  представлена  структурная схема частицы коллоидного кремнезема в стабилизированном состоянии, а также фрагмента дестабизированного  кремнезема, который в первый момент после снятия   защитной оболочки представляет раствор  кремневой кислоты в воде.

Рисунок 53.   Структурная схема частицы коллоидного кремнезема в стабилизированном состоянии, а также фрагмента дестабизированного  кремнезема

Кремневая кислота из состояния раствора быстро переходит  в полимеризованное состояние,  при  этом процесс полимеризации сопровождается формированием сначала мелких агрегатов, а затем  полимеризация распространяется по всему объему.  Если в составе водного раствора присутствуют другие ионы помимо кремния, то картина полимеризации усложняется.

В  табл. 16  приведены  характеристики некоторых  золей кремнезема.

 

                                                                           Таблица 16 

Характеристики золей кремнезема

Устойчивость кремнезоля в значительной степени зависит от рН раствора, рис.54.

Устойчивость кремниезоля к образованию геля зависит от большого числа факторов  — от значения водородного показателя (рН) раствора, концентрации кремнезоля, температуры  и наличия примесей.

 В [93] выделено  четыре  зоны устойчивости кремнезоля:

  • метастабильбная область при рН от 0 до 4;
  • область быстрого агрегирования частиц при рН от 4 до 7;
  • область роста частиц  7 до  10,5;
  • стабилизированные золи при рН от 10,5   и выше.

В  гидроокисных алюмокремнеземных системах  золь – гель переходы могут иметь место не только по кремневой компоненте, но и по алюмосодержащей составляющей системы- соли алюминия. Переход ионов алюминия из состояния раствора в коллоидную гидроокись алюминия происходит вследствие    взаимодействия   ионов  гидроксила   и ионов алюминия.

В результате совместного процесса поликонденсации образуются сложные гели  алюмокремнегидроокисного состава.

Рисунок   54.  Зависимость устойчивости кремниевого золя от рН раствора.

Разработка состава композиции

В основе компонентного состава композиции — предшественника бурового раствора с кинетически  управляемым  гелеобразованием     лежит принцип  потери агрегативной устойчивости  композиции – предшественнике,  и постепенное формирование поликонденсированной структуры бурового раствора.  Компонентами композиции — предшественника бурового раствора, определяющими кинетические факторы процесса формирования гелевой структуры бурового раствора, являются кремнезоль и водные растворы солей алюминия и магния при определенной пропорции  тех и других.  Высокоосновный оксихлорид  алюминия  Al2(OH)5Cl 2H2O   и органические полимеры представляют собой дополнительные компоненты композиции, с их помощью решаются вопросы оптимизации и  модернизации  буровых растворов.

В    композиции — предшественнике бурового раствора при определенной временной выдержке происходят химические превращения, при которых теряется устойчивость кремнезоля и алюминий содержащих компонентов (высокоосновного оксихлорида  алюминия  Al2(OH)5Cl 2H2O   и солей алюминия). В результате формируется неорганический полимер, содержащий атомы алюминия, кремния, кислорода, а также ионы гидроксила и другие активные группы.

Состав композиции:

  1. Кремнезоль с pH 8,5-10,5 и   массовой  долей диоксида кремния 200 -300 г/дм3;
  2. Водный раствор одной из солей алюминия (хлорида, нитрата   или сульфата)  с       содержанием иона алюминия  от 3 до 6 мас.%
  3. Водный раствор одной из солей магния (хлорида, нитрата или сульфата)  с содержанием иона магния   от 3 до 8 мас.%.

    Соотношение компонентов композиции:

  • в двойной системе кремнезоль – водный раствор соли алюминия  отношение  Si: Al   составляет от  4:1 до 1:5; предпочтительно от 2: 1 до 1:2:
  • в тройной системе  кремнезоль – водный раствор соли алюминия —  водный раствор    соли  магния  отношение Si: Al: Mg составляет от 8:4:1 до 1:5:1, соответственно.
  1. Высокоосновный оксихлорид алюминия  Al2(OH)5Cl 2H2O   в виде концентрированного водного раствора вводили в состав композиции в тех случаях, когда требовались буровые растворы с высоким наполнением по алюмоокисной компоненте.
  2. Поливиниловый спирт или другие органические полимеры использовали в тех случаях, когда было необходимо увеличить время гелеобразования.

Компонентами композиции — предшественника бурового раствора, определяющими кинетические факторы процесса формирования гелевой структуры бурового раствора, являются кремнезоль и водные растворы солей алюминия и магния при определенной пропорции  тех и других.  Высокоосновный оксихлорид  алюминия  Al2(OH)5Cl 2H2O   и органические полимеры представляют собой  буферные компоненты композиции, с их помощью решаются вопросы оптимизации и  модернизации  буровых растворов

Исследование  свойств буровых  растворов с  управляемым  гелеобразованием (БРУГ)

Определены следующие    характеристики  синтезированных  буровых растворов:

  • состав  компонентный и в пересчете на окислы;
  • плотность;
  • размер частиц в зависимости от времени полимеризации;
  • вязкость длительная – от момента приготовления до гелеобразования;
  • диффузионная (проникающая) способность бурового раствора в глинистых грунтах.

Кроме того, в  отдельном разделе  будут  представлены данные по  испытанию  глинистых  грунтов, обработанных буровыми растворами,

на предмет деформационной устойчивости.

В табл. 17  приведены  характеристики приготовленных буровых растворов

Исследование реологических свойств   буровых растворов

Исследование реологических свойств   буровых растворов, состав которых приведен в табл.4,  проводили с помощью вискозиметра Брукфильда (USA BROOKFIELD) Model DV-1.

Цель  исследования реологических свойств состояла  в определении временного интервала гелеобразования,  для чего   изучали  изменение вязкости бурового раствора от исходного состояния до загущенного состояния.  За интервал гелеобразования  принимали  время, за которое вязкость по сравнению с исходным значением увеличивалась в 100 раз.

На  рис. 55 и 56 приведены зависимости  динамической  вязкости буровых растворов от времени выдержки при комнатной температуре при естественной влажности воздуха.

По результатам исследования реологических свойств  установлено, что

интервал гелеобразования  для исследованных буровых растворов составил:

  • для раствора 2-1-2                                    22 мин;
  • для раствора 2-1-1                                   39 мин;
  • для раствора 2-2-1                                   49 мин;
  • для раствора 3-1-1-1                                7,5 ч;
  • для раствора 4-1-1-1                               14,9 ч.

Логарифм  динамической  вязкости, мПа c

 

Таким образом, определённые характеристики буровых растворов по   интервалу  гелеобразования  перекрывают широкий диапазон значений  временных периодов, что позволяет проводить выбор нужного бурового раствора при решении практических задач. Растворы  2-1-2;   2-1-1;  2-2-1 представляют группу быстрых растворов, а растворы 3-1-1-1 и  4-1-1-1 – медленные растворы. Теперь можно провести привязку исследованных буровых растворов и  ранее составленной  дифференциации  глинистых грунтов по размерам пор, и выделением  трех  групп грунтов:

  • с крупными микронными порами от 10 до  5 мкм;
  • с микронными порами от  5 до  1 мкм;
  • с субмикронными  порами от  1 до 0,1 мкм.

Предложенные нами рекомендации  по    применению  буровых  растворов к грунтам с разными размерами пор  сведены в табл. 18.

Пояснения: Рек.- рекомендован; не рек. – не рекомендован; условно рек. – условно рекомендован.

  Условная  рекомендация  дается в тех случаях, когда  окончательное решение может быть  принято после проведения дополнительных испытаний  на данном месторождении.

Вместе с тем, для решения задачи  разработки метода  оценки  деформационно- пространственной  нестабильности глинистого грунта  необходимо рассмотреть  имеющиеся  подходы и данные по исследованию  диффузионной (проникающей) способности бурового раствора в глинистых грунтах.

 

Список литературы:

  1. Айлер Р. Химия кремнезема. Пер. с англ.—М.: Мир, 1982. ч.1.
  2. 2. Айлер Р. Химия кремнезема: Пер. с англ.—М.: Мир, 1982. Ч. 2.—712 с, ил
    Разработка буровых растворов по методу золь - гель технологии с регулируемыми временными характеристиками для применения на месторождениях Южного Ирака
    Описание компонентов бурового раствора по группам, исследование свойств буровых растворов с управляемым гелеобразованием, определении временного интервала гелеобразования
    Written by: Наследов Виктор Викторович, Живавева Вера Викторовна
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 02/03/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_26.09.15_10(18)
    Available in: Ebook