Глава 2
ГЛИНИСТЫЕ РАСТВОРЫ
Наиболее широкое распространение среди очистных получили глинистые растворы. Их применяют преимущественно при бурении осложненных горных пород: трещиноватых, пористых, неустойчивых.
Основное назначение глинистых растворов: кольматация пор и трещин, вынос с забоя скважин на поверхность тяжелого шлама, стабилизация стенок скважин, борьба с осложнениями.
Обладая, высокими показателями СНС и вязкости они при прекращении циркуляции промывочной жидкости (в случае аварий) способны удерживать тяжелый шлам, предотвращая, таким образом, зашламовывание скважины и прихват снаряда.
Но наряду с достоинствами глинистые растворы имеют ряд недостатков. Они, как правило, обладают значительной плотностью и вязкостью. Как установлено исследователями механическая скорость бурения зависит от целого ряда показателей глинистого раствора. Наиболее существенно от плотности, вязкости, содержания твердой фазы.
Концентрация твердой фазы глинистого раствора может достигать до 15-20%, плотность раствора до 1,5 г/ м3 вязкость до 35с.
Механическая скорость бурения по исследованиям исследователей определяются формулой
где
-механическая
скорость бурения чистой водой,
-
вязкость глинистого раствора, p-плотность
раствора, n-
степень плотности, которая может
достигать до двух.
Также растворы требуют обработки их реагентами, что требует значительных затрат.
Вязкие глинистые растворы способны удерживать значительное количество абразивного шлама, что повышает износ бурового снаряда и породоразрушающего инструмента, требует тщательной дорогостоящей очистки раствора
.
2.1. Структурообразователи
Глинистые растворы – дисперсные системы, в которых, в качестве дисперсной фазы выступают тонкодисперсные глинистые частицы (структурообразователь), а в качестве дисперсионной среды чаще всего вода.
Под воздействием поверхностной энергии частиц вокруг каждой из них образуется плотный гидратный (адсорбированный) слой с повышенной прочностью структуры (гидрогель).
Наиболее эффективным структурообразователем является монтморилонит.
В процессе выветривания пироксенов и амфиболов ленты кремнекислородных тетраэдров связываются в листы, а катионы насыщенные в щелочной среде гидроксильными группами А1(ОН)+2 прочно связывают эти листы и пакеты. Вместо А1(ОН)+2 связывание листов может производиться также катионами FeOH2+ и MgOH+. Пакеты между собой связываются обменными катионами Н, К, Na, Mg, Са..
В натриевых монтморилонитах в качестве обменного катиона преобладают катионы Na, которые с пакетами образуют слабую ионную связь, поэтому монтморилониты легко диспергируют в воде на более мелкие глинистые частицы и катионы Na +.
В кальциевых монтморилонитах связь между пакетами осуществляется с помощью обменных катионов Са , имеющих более высокий заряд и образующих более прочные связи. Вследствие этого диспергирование таких агрегатов в воде происходит значительно труднее.
При
добавлении в раствор кальцинированной
сода Na2СО3
ионы Са+2
соединяются
с анионами СО2-
образованная соль
выпадает в осадок, а агрегаты, связанные
только ионами Na+,
легко диспергируют в растворе.
Иллит - листовой силикат, по химическому составу и структуре аналогичен монтмориллониту. Отличается от него тем, что в слое кремнекислородных тетраэдров наблюдается замещение Si2O5-2 на А12О54- (одно замещение из четырёх) отчего на поверхности листа появляются некомпенсированные заряды, что увеличивает взаимодействие между пакетами и уменьшает растворимость минерала в воде.
Образуется иллит при выветривании полевых шпатов в щелочной среде. Функциональные группы =А1ОН, SiOH.
Каолинит Si2O5AlO2(OH)2 - листовой силикат, представляет собой двухслойную структуру, состоящую из слоя кремнекислородных тетраэдров Si2O5 и гидраргилитового слоя А1(ОН)2+
Благодаря большому количеству гидроксильных групп в пакетах между ними возникают сильные водородные связи, поэтому каолинит трудно диспергирует в воде.
Каолинит также, как и монтморилонит и иллит, имеет в растворе тонкодисперсные и землистые агрегаты неправильной формы, но у каолинита чешуйки встречается чаще, чем у вышерассмотренных минералов.