Влияние полимеров и полимерсолевых растворов на увлажнение и прочность неуплотненных глин.

В отличие от уплотненных, неуплотненные глины вследствие их значительно большей пористости способны абсорбировать не только молекулы воды и ионы электролитов, но и макромолекулы полимеров. В соответствии с правилом Ребиндера (правило уравнивания полярностей) вещество может адсорбироваться на поверхности раздела фаз, если его присутствие в межфазном слое уменьшает разность полярностей этих фаз в зоне контакта, т.е. молекулы ПАВ должны ориентироваться в адсорбционном слое так, чтобы их полярные (функциональные) группы были обращены к более полярной фазе (глинистым частицам), а неполярные радикалы к менее полярной (в сторону пор).

В неуплотненной глине и в микротрещиноватых глинистых породах молекулы полимеров проникают по порам и трещинам, адсорбируются на их поверхностях, гидрофобизируют и понижают прочность их связей (эффект Ребиндера).

В результате гидрофобизации частиц влажность глины несколько снижается (рис.10.7). Уменьшается и прочность глинистых образцов (рис.10.8). Щелочные полимеры (гипан) также как и щелочные электролиты (при малой концентрации), наоборот, повышают влажность, а потому прочность образцов глины в этих растворах снижается более интенсивно (рис.10.8).

Несмотря на то, что полимеры снижают пластическую прочность глины, тем не менее, их рекомендуется вводить в буровой раствор с целью гидрофобизации частиц, снижения влажности глины и предотвращения диспергирования породы.

Введение в раствор одновременно с электролитами и полимеров, снижает влажность и прочность образцов глины (по сравнению с образцами, помещенными в раствор электролитов при отсутствии их диспергирования (рис.10.9)

Рис.10.8. Зависимость пластической прочности бентонитовых образцов, выдержанных в растворах полимеров, от их концентрации: 1-в растворе крахмала, 2-в раствореKMЦ-600, 3 – в растворе гипана.

Рис.10.9. Влияние добавок 1% КМЦ на влажность глинистых образцов в растворе нещелочного электролита CaCl₂ различной концентра 1 - в закрытом сосуде без полимера2 – в открытом сосуде при добавлении 1% КМЦ

В растворах щелочных электролитов при малой концентрации наблюдается повышение влажности и некоторое снижение темпа упрочнения (рис.10.10 и 10.11). При невысокой концентрации вследствие повышенной степени диссоциации электролита темп снижения влажности и упрочнения глины выше, чем при большей концентраци

Рис.10.10. Влияние добавок полимеров на влажность глинистых образцов, помещенных в раствор щелочного электролита различной концентрации: 1 - в растворе Na₂SiO₃ без полимера, 2 - в растворе Na₂SiO₃ с 0,5% гипана, 3 - в растворе Na₂SiO₃ с 2% крахмала, 4-в растворе Na₂SiO₃ с 1% КМЦ-6

Рис.10.11 Влияние добавок полимеров на пластическую прочность ность глив щелочного электролита Na₂SiO₄: 1 - с добавкой 0,1% гипана, 2- с добавкой 2% крахмала, 3 -с добавкой 1% КМЦ, 4 - без добавок поллимеров

Влияние комбинированных полимерсолевых растворов на прочность об

разцов неуплотненной глины, помещенных непосредственно в раствор, изучалось автором в растворах КМЦ-700 с катионоактивными электролитами NaCl, КС1, CaCl₂, MgCl₂, KAI(S0₄)₂, NH₄Cr₂O₇ и анионоактивными электролитами Na₂SiO₃ в различных сочетаниях.

Введение в раствор поливалентных электролитов и анионных полимеров ведет к образованию труднорастворимых соединений, поэтому предварительно были проведены исследования на совместимость полимеров и электролитов.

При совместном введении в раствор КМЦ-700 и 2%-й раствор соли KAI(S0₄)₂ мгновенно выпадает осадок. При содержании в растворе KAI(S0₄)₂ выше равновесного после выпадения осадка в растворе КМЦ-700 не оставался, и образец глины, помещенный в такой раствор, быстро разрушался. При введении в раствор одновременно соли СаС1₂ и КМЦ-700 раствор оставался стабильным при концентрации КМЦ-700 - 1,5% и СаС1₂ почти до 10%. При добавлении в этот раствор соли NaCl образовывались хлопья, постепенно выпадающие в осадок.

При погружении в раствор образцов на их поверхности с течением времени адсорбировалась прочная органоминеральная пленка, предотвращающая разрушение (диспергирование) глины. Такая же пленка образовывалась и при отсутствии в растворе соли NaCl.

Затем изготовленные из черногорского глинопорошка образцы выдерживались в комбинированных растворах в течение 17-20 дней. Через каждые 3-4 дня замерялась пластическая прочность. Результаты замеров показаны в таблице 10.2.

Результаты исследований показали следующее:

1. Все исследуемые катионо- и анионоактивные электролиты при стабилизации их полимерами обладают крепящими свойствами.

2. С увеличением времени выдержки образцов глины в раствоpax солей одновалентных металлов пластическая прочность образцов вначале возрастает, а затем постепенно понижается.

3. Крепящие свойства электролитов - солей двухвалентных металлов в несколько раз выше крепящих свойств солей одновалентных металлов.

4. Прочность образцов в растворах солей Na₂SiO₃ и солей двухвалентных металлов увеличивается преимущественно за счет упрочнения тонкого поверхностного слоя образцов.

5. При одновременном введении катионо- и анионоактивных электролитов происходит их взаимодействие с образованием нерастворимой соли, способной адсорбироваться на поверхности образца.

Таблица 10.2