Лекция 5. Химические реагенты.

Существует 2 вида химических реагентов:

1. Неорганические (электролиты) – при попадании в воду диссоциируются с образованием катионов и анионов;

2. Органические – реагенты, которые получаются из веществ органического происхождения или путем синтеза на основе более низкомолекулярных органических соединений.

Электролиты.

Действие электролитов связано с их воздействием на двойной электрический слой и гидратную оболочку, находящиеся на гидратированной глинистой частице. При низких концентрациях электролита (до порога коагуляции) происходит увеличение заряда частицы за счет попадания в диффузный и адсорбционный слои катионов и анионов диссоциировавшего электролита. Это приводит к увеличению заряда, силы взаимодействия ослабевают, меняются структурные свойства раствора, поэтому при низких концентрациях электролит способствует усилению структурообразования. При увеличении концентрации электролита (выше порога коагуляции) происходит компенсация зарядов на поверхности глинистой частицы, диффузный слой сжимается, что приводит к коагуляции.

При высокой концентрации электролита происходит сжатие диффузного и адсорбционного слоев, что вызывает коагуляцию глинистых частиц.

 

 

коагуляция

 

 

 

К выбору концентрации электролита нужно подходить осторожно. В каждом случае рациональная концентрация электролита подбирается экспериментально.

Основные представители электролитов:

KOH – гидроксид калия (едкий калий);

NaOH – гидроксид натрия (едкий натр);

Ca(OH)₂ – гидроксид кальция;

Na₂CO₃ – кальцинированная сода (бикарбонат кальция);

NaHCO₃ – гидрокарбонат натрия;

BaCO₃ – карбонат бария;

Na₂O∙nSiO₂ – силикат натрия (жидкое стекло);

NaCl – хлорид натрия;

CaCl₂ – хлористый кальций;

K₂CO _{3 ­}– бикарбонат калия (поташ).

Na₂Cr₂O₇ хромпик (двухромовокислый натрий, калий)

K₂Cr₂O₇ ярко-оранжевый цвет, пары являются токсичными.

Действие электролитов на изменение параметров глинистого раствора, отражено на изменении показателя фильтрации (Ф₃₀), условной вязкости (Т) и статического напряжения сдвига (θ) при увеличении концентрации в нем кальцинированной соды (Na₂CO₃):

Ф₃₀

Т Ф₃₀

Q

 

 

Т

 

Q

 

 

 

2-5 13-15 Na₂CO₃, %

10 20 30

Рис.48. влияние концентрации Na₂CO₃ на параметры глинистого раствора.

1 область при концентрации Na₂CO₃ до 2-3% - область стабилизации

Ф₃₀↓; Т↓; θ↓ - все параметры снижаются.

Это связано с тем, что диссоциируемые катионы Na⁺ и анионы CO₃^-2 насыщают поверхность глинистой частицы, заряд частицы возрастает, а силы взаимодействия ослабевают. Раствор разжижается, снижаются структурные свойства, показатель фильтрации уменьшается.

2 область при концентрации Na₂CO₃ до 13¸15% – область структурообразования, в которой Ф₃₀↓; Т↑; θ↑, т.е. снижается показатель фильтрации, а условная вязкость и статическое напряжение сдвига увеличиваются.

Усиление структурных свойств происходит за счет того, что попадая в диффузные слои Na⁺ и СО₃^-2 приводят к компенсации заряда глинистых частиц. Силы взаимодействия возрастают, что ведет к возрастанию структурных свойств. В этом случае глинистые частицы соединяются между собой краевыми частями и гранями зарядов.

3 область при концентрации Na₂CO₃ более > 15% - Ф₃₀↑; Т↓; θ↓, т.е. возрастает показатель фильтрации, а условная вязкость и статическое напряжение сдвига увеличиваются.

В этой области концентрация электролита увеличивается, а заряд глинистой частицы приближается к нулю. Выпадают из раствора агрегаты глинистых частичек. Падают структурные свойства раствора. Глинистые частички соединяются гранями и ребрами.

К выбору оптимальной концентрации электролита необходимо подходить осторожно, так как в случае приближения ее к порогу коагуляции ухудшаются свойства глинистого раствора.

Характеристика наиболее часто применяемых реагентов-электролитов приводится ниже:

1. Na₂CO₃ – кальцинированная сода (получается методом кальцинирования). Порошок белого цвета, хорошо растворяется в воде. Растворимость – до 320 кг/м³.

Назначение:

- улучшение качества глин местного производства;

- повышения выхода раствора из глин смешанного состава (Na⁺ + Ca⁺²);

- связывание катионов двухвалентных металлов;

- повышения рН растворов.

Са⁺² – глина – наиболее часто присутстыует в местных глинах. Для их модернизации с целью улучшения качества глинистого раствора в состав его вводят кальцинированную соду:

 

Са-глина + Na₂CO₃ ® CaCO₃ + Na-глина

Na⁺

Ca⁺

 

Na⁺

 

Ca⁺

При этом Са⁺² катионы связываются оксидом и образуется Na⁺-глина

Кальциевая глина невысокого качества, так как имеет неразвитую гидратную оболочку, катионный обмен идет неэффективно, гидратация плохая. Поэтому образующаяся Na⁺-глина дает более высокое качество растворов. Натриевая глина более эффективно набухает, хорошо гидратирует. Предпочтительными являются натриевые глины.

При перебуривании гипсов и ангидритов выделяющиеся из их состава катионы Са⁺² вызывают коагуляцию глинистых растворов:

Гипс – CaSo₄∙2H₂O (природный гипс, камень), ангидрит – CaSO₄ безводный.

При введении в состав глинистого раствора соды Na₂CO₃ катионы Са⁺² связываются и вызывают коагуляцию глинистых частиц в растворе:

CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + Na₂SO₄

 

Хорошо растворимое

вещество

Слабо растворимое

вещество

При перебуривании цементов содирование тоже позволяет устранить коагуляцию частиц глины:

В случае притока минерализованных вод сода связывает жесткие катионы Са⁺², устраняя коагуляцию глинистого раствора:

2. NaOH – гидроксид натрия (едкий натр). Растворимость 1040 кг/м³. Хорошо растворим в воде. Гигроскопичен. Хранится как 40%-60% водный раствор (синеватого цвета).

Назначение:

- повышение качества глин;

- связывание сероводорода;

- повышение рН среды.

При диссоциации в составе глинистого раствора щелочь повышает его качество:

→ улучшет гидратацию

родственный анион для гидратной оболочки глинистых

частиц

В случае сероводородной агрессии добавки щелочи нейтрализуют сероводород.

При добавлении в раствор гидроксида натрия повышается рН за счет увеличения содержания катионов водорода.

3. СаCl₂ - растворимость до 726 кг/м³

Назначение:

- регулирование содержания Ca⁺² в фильтрате бурового раствора;

- усиление ингибирующего и крепящего действия.

Применяются для приготовления хлоркальциевых и ингибированных растворов.

4. NaCl – растворимость до 300 кг/м³

Назначение:

- структурообразователь для растворов, приготовленных из глин невысокого качества и также растворов с низким содержанием твердой фазы;

- получение солевых растворов (применяются при бурении в многолетне мерзлых породах, при бурение глинистых породах, для получения минерализованных растворов).

5. Na₂O ∙ nSiO₂ – жидкое стекло (от светло-желтого до темно-бурого цвета) представляет собой водный раствор

Назначение:

- структурообразование в глинистых растворах при концентрации менее 5%;

- разжижижение при концентрации до 2%-3%;

- силикатизация глин – закрепление стенок скважин, сложенных глиносодержащими породами.

Ca⁺²

 

Ca⁺² + Na₂O ∙ nSiO₂

 

Ca⁺² + SiO₂^-2 = CaSO₂ цементирующее вещество

 

 

При вводе в состав глинистого раствора жидкого стекла можно модифицировать глины связывая катион Ca⁺² анионом SiO₂^-2.

6. Na₂Cr₂O – хромпик (ярко-оранжевого цвета). Растворимость до 750 кг/м³.

Назначение:

- усиление ингибирующего действия при его концентрации в растворе до 3%-5%;

- повышение термостойкости при концентрации 5%-7% растворов образованных КМЦ.