 |
Добавки для обработки цементных растворов
|
|
|
|
К ним относятся следующие.
Облегчающие добавки (к тампонажному портландцементу): бентониты, глины и глинопорошки (или гельцементный раствор) в количествах
до 5-12,5 % (по массе сухих компонентов(, диатомит (до 20-50 %), пемза, перлит
(до 20 %), каменный уголь, графит и промышленные отходы (топливные золы).
Утяжеляющие добавки к тампонажному портландцементу: барит, магнетит (соотношение с цементом по массе до 1:1), различные металлургические шлаки.
Ускорители схватывания и твердения цементных растворов: хлористый кальций – 1-5 % (от массы сухого цемента) для обычных цементных растворов при отрицательных и низких положительных температурах; силикат натрия (жидкое стекло) – до 5 % для облегченных растворов и растворов на основе шлаков; поташ (карбонат натрия) – 1-3 % для обычных растворов при отрицательных температурах; кальцинированная сода – 1-5 % для обычных цементных растворов при низких положительных температурах. Указанные добавки в сухом цементе вызывают комковатость и слеживание цемента; добавки более 5 % снижают долговечность цементного камня.
Замедлители схватывания цементных растворов: титан – до 1 % (от массы сухого цемента) для обычных цементных растворов при температуре
до 150 0С; срок схватывания удлиняется до 3-4 ч, замедляется твердение;
ССБ – 1 % для обычных и утяжеленных цементных растворов; срок схватывания удлиняется до 3 ч (при 100 0С), замедляется твердение; КМЦ – 1,5 % для обычных цементных растворов и утяжеленных растворов; срок схватывания удлиняется
до 4 ч, замедляется твердение; нитролигнин – до 1 % для обычных цементных растворов; срок схватывания удлиняется до 4 ч, твердение не замедляется.
Понизители водоотдачи цементных растворов: бентонитовые порошки – 10-25 % (от массы сухого цемента), снижение водоотдачи до 4 раз, ухудшение подвижности раствора, снижение прочности цементного камня;
гипан – 0,5-1,5 % (с добавлением 10-15 % бентонита в случае использования шлакопортландцементов и песчанистых портландцементов), снижение водоотдачи в 4-10 раз, разжижение цементного раствора; КМЦ – 0,5-1,5 %, снижение водоотдачи в 2-5 раз; нитролигнин – до 1 %, снижение водоотдачи до 5 раз, вызывает замедление схватывания.
|
|
|
10.4. Эмульсионные промывочные жидкости
10.4.1. Характеристика и области применения
Эмульсионные промывочные жидкости, применяющиеся при геологоразведочном бурении, обычно представляют собой водомасляные эмульсии, подобные смазочно-охлаждающим жидкостям (СОЖ), используемым при металлообработке и камнерезании.
Эмульсии – это коллоидные композиции, состоящие из двух (или нескольких) не смешивающихся в обычных условиях между собой жидкостей (например, масло и вода), из которых одна (дисперсная фаза) раздроблена до капель и равномерно распределена в объеме другой (дисперсионной среды).
При бурении повсеместно используются прямые эмульсии типа «масло в воде». Обратные эмульсии типа «вода в масле» из-за невысокой стабильности и повышенной пожароопасности геологоразведчиками практически не применяются.
Таким образом, обязательным компонентом эмульсионных промывочных жидкостей является масляная фаза («масло»). В понятие «масло» в эмульсиях для бурения входит значительная группа нефтяных масел (трансмиссионных, машинных, трансформаторных, веретенных и др.), жировых гудронов, талловых масел. Для улучшения смазочных свойств эмульсий различные масла в них смешиваются, компаундируются.
Качество эмульсий характеризуется их стабильностью – устойчивостью во времени, а также дисперсностью – степенью раздробленности капелек масла и величиной их диаметра, которая варьирует в пределах 10-6 – 10-4 м.
|
|
|
Стабильность и дисперсность эмульсий взаимосвязаны: чем меньше размер капелек масляной фазы, тем стабильнее эмульсия.
Масляная фаза является одним из важнейших компонентов эмульсии, обуславливающим ее смазочное действие. Механически раздробленные капельки масла, распределенные в воде, довольно быстро сливаются (коалесцируют) в единый слой, эмульсия расслаивается на две самостоятельные фазы – масляную и водную и разрушается. Такие нестабильные эмульсии не оказывают необходимого влияния на процесс бурения. Поэтому для обеспечения стабильности и, следовательно, смазочных и других требуемых для бурения свойств, в состав эмульсий необходимо вводить поверхностно-активные вещества (ПАВ). По существу эмульсии, использующиеся при бурении, представляют собой водные растворы ПАВ, в которых диспергировано и распределено масло.
ПАВ, содержащиеся в концентратах эмульсионных промывочных жидкостей – это водорастворимые вещества анионактивного типа (натриевые и калиевые мыла синтетических жирных и смоляных кислот, асидолы, сульфонолы, сульфонаты) и неионогенного типа (оксиэтилированные фенолы ОП-7, ОП-10; оксиэтилированные жирные кислоты ОЖК и жирные спирты ОЖС).
ПАВ, являющиеся эффективными эмульгаторами и стабилизаторами масяляной фазы в водной среде, обеспечивают диспергирование капелек масла при механическом перемещении и поддержании капелек масла во взвешенном состоянии. Эти эффекты достигаются вследствие адсорбции дифильных молекул ПАВ на границе раздела масло-вода с определенной ориентацией (углеводородная часть молекулы или иона погружена в масло, полярная – в воду), что приводит к снижению поверхностного натяжения и образованию плотного слоя молекул (ионов) ПАВ на поверхности капель масла, который препятствует их слиянию (коалесценции) при столкновении.
Благодаря сильной поверхностной активности, ПАВ оказывают многофункциональное действие как на качество эмульсионных промывочных жидкостей (эмульгируемость, солестойкость), так и на некоторые параметры бурения. Адсорбируясь на поверхности твердых, соприкасающихся в процессе бурения тел (бурильной колонны, породоразрушающего инструмента, стенок и забоя скважины), эти вещества уменьшают расход мощности на трение, генерацию тепла, механическую прочность горных пород. Одновременно с образованием собственно адсорбционного слоя молекулы ПАВ способствуют перемещению капель масла эмульсионной промывочной жидкости на взаимодействующие поверхности. При этом нарушенные адсорбционные слои, разобщающие трущиеся поверхности и обладающие смазочными свойствами, способны мгновенно восстанавливаться активными молекулами ПАВ. Обеспечивая хорошее смачивание поверхностей, эти компоненты способствуют улучшению охлаждающей способности промывочной жидкости. Важным критерием качества промывочных жидкостей, особенно при форсированных режимах бурения, считают их способность очищать забой скважины от мелкодисперсного выбуренного шлама.
|
|
|
Как показали специально проведенные опыты, растворы ПАВ лучше чем вода выносят частицы шлама за счет повышенной флотирующей способности. Эмульсионные промывочные жидкости с низким удельным весом и небольшой вязкостью в этом отношении превосходят водяные растворы ПАВ, так как имеют дополнительный флотирующий фактор – капли масла, модифицированные адсорбционным слоем ПАВ.
Другие компоненты концентратов – функциональные присадки и добавки имеют более узкое конкретное назначение. Так, серосодержащие присадки в виде осерненных триэтаноламиновых эфиров, диэтаноламидов жирных и смоляных кислот (ОТП) вводятся как противозадирные компоненты. С целью повышения антикоррозионных свойств используют нитрит натрия. Для повышения стабильности промывочных жидкостей при хранении в условиях отрицательных температур с последующим размораживанием в состав эмульсолов дополнительно вводятся полиалкиленгликоли (отходы производства), которые обладают также смазочными свойствами.
Описанные функциональные особенности разработанных композиций при правильном их ранении, транспортировании, приготовлении и эксплуатации, как показала практика, успешно реализуются в производственных условиях.
|
|
|
Большинство смазочно-охлаждающих жидкостей, использующихся в промышленности, приготовлены на анионактивных ПАВ – мылах вследствие их дешевизны и недефицитности. Применение эмульсий на основе этих ПАВ при бурении ограничивается жесткостью вод наземных и подземных источников. При взаимодействии с солями кальция, магния, содержащимися в жестких водах, в водо-растворимых калиевых и натриевых мылах происходит замещение одновалентных катионов на двухвалентные с образованием нерастворимых кальциевых и магниевых мыл, которые не могут выполнять роль эмульгаторов, в связи с чем эмульсии разрушаются.
Эмульсии рабочей концентрации с анионактивными ПАВ приготавливают на мягких, слабоминерализованных водах (с жесткостью до 5 мг-экв/л) и используют на объектах с жесткостью вод, не превышающей указанный уровень.
Эмульсии с неионогенными ПАВ сравнительно инертны к взаимодействию жестких и минерализованных вод, на которых они приготавливаются и в среде которой работают. Поэтому такие эмульсии, несмотря на высокую стоимость и дефицитность неионогенных ПАВ, наиболее широко используются при геологоразведочном бурении на объектах со сложными геолого-гидрохимическими условиями, т.е. там, где другие эмульсии разрушаются. Эмульсии с неионогенными ПАВ применяются при бурении толщ многолетнемерзлых горных пород с исследованным уровнем температуры (до –7,4 0С). Для этих условий эмульсии приготавливаются из растворов электролитов – хлористого натрия или кальция с концентрацией, соответствующей температуре в стволе скважины (до –12 0С).
Большинство эмульсий приготавливаются из концентратов (прежнее название – эмульсолы), в компонентном составе которых содержание воды минимально. Эмульсии могут быть приготовлены с концентрацией (массовой) от 0,5 до 20-40 %. Концентрированные 20-40%-ные эмульсии приготавливаются при централизованном обеспечении ими буровых вышек, где эмульсии разбавляются до рабочих концентраций (0,5-2,5 %).
10.4.2. Выбор концентратов
При выборе концентратов для приготовления эмульсионных промывочных жидкостей (табл.), определении их рабочей концентрации необходимо исходить из:
- гидрогеологических условий на объекте (глубины, профиля, конструкции скважин, твердости, состава, трещиноватости, шламообразующей способности горных пород, наличия в разрезах поглощающих и изливающих зон, их мощности и уровня поглощений промывочной жидкости);
- гидрохимической характеристики подземных вод, их зонального распределения в разрезе, а также поверхностных вод, используемых для приготовления промывочных жидкостей. В эту характеристику входят данные об ионном составе рН, жесткости (карбонатной, некарбонатной, общей) и минерализации вод;
|
|
|
- применяющихся буровых снарядов и режимов бурения;
- методики опробования скважин (кернового, по шламу или с помощью специальной аппаратуры);
- местонахождения скважин (на поверхности, в подземных горных выработках).
При выборе смазочных добавок необходимо учитывать состав и параметры используемой промывочной жидкости. Так, для бурения глубоких скважин сложного профиля и конструкции в монолитных, твердых горных породах рекомендуется использовать концентраты типа Ленол-10 со сравнительно маловязкой масляной составляющей и смесью неионогенных поверхностно-активных веществ. Эти же концентраты можно использовать при пересечениях зон химически активных или с высокой шламообразующей способностью горных пород.
Для бурения неглубоких скважин в трещиноватых горных породах целесообразно использовать концентраты типа ЭЛ-4, ЭН-4, Ленол-32, пасту кожевенную эмульгирующую со смесями вязких масел с жирными, смоляными кислотами или спиртами и поверхностно-активными веществами в зависимости от уровня жесткости и минерализации подземных вод. На объектах с поглощениями промывочной жидкости эмульсии целесообразно применять при уровне их потерь ориентировочно до 1,5 м3/сут. Рациональность использования эмульсий и их рабочую концентрацию в конкретных условиях скважинных поглощений и водопритоков необходимо определять экономическим расчетом.
При сложном зональном распределении в геологическом разрезе объекта вод с разным уровнем жесткости и минерализации следует использовать концентраты только с неионогенными ПАВ (ЭН-4, Ленол-10, Ленол-32, Морозол-2, СОЖ).
При использовании современных буровых снарядов могут применяться все перечисленные (см. табл.) концентраты. Однако для высокочастотного бурения снарядами типа ССК предпочтительнее эмульсии из концентратов
Ленол-10, Ленол-32, Морозол-2, СОЖ, обладающие повышенной дисперсностью, стабильностью и смазочной способностью. Эти эмульсии целесообразно применять при опробованиях по шламу, при бурении скважин в подземных горных выработках.
В качестве смазочных добавок к глинистым растворам используют концентраты ЭЛ-4, ЭН-4, СОЖ. Последний концентрат широко применяется и в качестве добавки к полимерным промывочным жидкостям на основе полиакриламида, гипана. Концентраты Ленол-10, Ленол-32 начинают применять при геологоразведочном бурении, и возможность добавления их к глинистым и безглинистым растворам не исключена. Однако в связи с многообразием рецептур глинистых растворов необходимы предварительные опробования эффективности таких сочетаний в различных условиях. На объектах с многолетнемерзлыми горными породами следует использовать Морозол-2 для получения эмульсий на основе растворов электролитов в широком диапазоне их концентраций (до 16 %) в зависимости от температуры в скважинах. Для этих условий при пониженных температурах в скважинах рекомендуется также применять концентраты ЭН-4, Ленорл-10, Ленол-32.
10.4.3. Технология приготовления эмульсионных промывочных жидкостей
|
|
|
