Номер части:
Журнал
ISSN: 2411-6467 (Print)
ISSN: 2413-9335 (Online)
Статьи, опубликованные в журнале, представляется читателям на условиях свободной лицензии CC BY-ND

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



Науки и перечень статей вошедших в журнал:
DOI:
Дата публикации статьи в журнале:
Название журнала: Евразийский Союз Ученых, Выпуск: , Том: , Страницы в выпуске: -
Данные для цитирования: . Разработка буровых растворов по методу золь — гель технологии с регулируемыми временными характеристиками для применения на месторождениях Южного Ирака // Евразийский Союз Ученых. Науки о Земле. ; ():-.

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.

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

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.

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

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.

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

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

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

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.

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

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

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

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

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

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

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.

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

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[schema type=»book» name=»Разработка буровых растворов по методу золь — гель технологии с регулируемыми временными характеристиками для применения на месторождениях Южного Ирака» description=»Описание компонентов бурового раствора по группам, исследование свойств буровых растворов с управляемым гелеобразованием, определении временного интервала гелеобразования» author=»Наследов Виктор Викторович, Живавева Вера Викторовна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-03″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_26.09.15_10(18)» ebook=»yes» ]
Список литературы:


Записи созданы 9819

Похожие записи

Начните вводить, то что вы ищите выше и нажмите кнопку Enter для поиска. Нажмите кнопку ESC для отмены.

Вернуться наверх