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:
- Кремнезоль с pH 8,5-10,5 и массовой долей диоксида кремния 200 -300 г/дм3;
- Водный раствор одной из солей алюминия (хлорида, нитрата или сульфата) с содержанием иона алюминия от 3 до 6 мас.%
- 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.
- 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.
- 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:
- Айлер Р. Химия кремнезема. Пер. с англ.—М.: Мир, 1982. ч.1.
- 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» ]