Химия полимерных материалов для буровых растворов. Лекция 3. Технологические жидкости для бурения скважин презентация

Содержание

ПОЛИМЕРЫ Три основных типа полимеров Природные Крахмал, XC полимер Природные модифицированные Карбоксиметилцеллюлоза (кмц), полианионная целлюлоза (пац), карбокисметилированный крахмал (кмк), гидроксиэтилцеллюлоза (гэц) Синтетические Полиакрилат натрия, Частично гидролизованный полиакриламид

Слайд 1Технологические жидкости для бурения скважин Лекция 3: Химия полимерных материалов для буровых

растворов к.х.н., доцент кафедры БС ИПР ТПУ Минаев Константин Мадестович

Слайд 2ПОЛИМЕРЫ
Три основных типа полимеров
Природные
Крахмал, XC полимер

Природные модифицированные
Карбоксиметилцеллюлоза (кмц), полианионная целлюлоза (пац),

карбокисметилированный крахмал (кмк), гидроксиэтилцеллюлоза (гэц)

Синтетические
Полиакрилат натрия,
Частично гидролизованный полиакриламид

Слайд 3ПОЛИМЕРЫ
Простейшим полимером является полиэтилен: (C2H4)n
Молекулярная масса =28


Молекулярная масса большинства полимеров в среднем составляет от 50 000 до 200 000

Наибольшая молекулярная масса у биополимеров (Ксантанова смола), от 2 000 000
до 5 000 000

Слайд 4ПОЛИМЕРЫ
Область применения:
Контроль фильтрации
Регулирование вязкости
Обеспечение устойчивости ствола скважины
Полная флокуляция
Селективная флокуляция
Структурирование (Сшивание)

Слайд 5ПОЛИМЕРЫ
Применение:
Контроль фильтрации
Стабилизация- КМЦ (низкой вязкости) , ПАЦ низкой вязкости, крахмалы.
Загущение жидкой

фазы(воды) – КМЦ (высокой вязкости), ПАЦ высокой вязкости, ксантан
Закупоривание пор в фильтрационной корке

Регулирование вязкости
Загущение жидкой фазы
Флокулянты с высокой молекулярной массой/адсор бируются на глине функциональными группами
Разжижители с малой молекулярной массой

Слайд 6ПОЛИМЕРЫ
СТРУКТУРА ПОЛИМЕРОВ:

ЛИНЕЙНАЯ - КМЦ, ГЭЦ, ПОЛИАКРИЛАТ, ЧАСТИЧНО ГИДРОЛИЗОВАННЫЙ ПОЛИАКРИЛАМИД

РАЗВЕТВЛЕННАЯ –

КРАХМАЛ, КМК, БИОПОЛИМЕРЫ

СШИТАЯ – структурированные биополимеры

Слайд 7ЛИНЕЙНАЯ СТРУКТУРА

Примеры: КМЦ, ГЭЦ, Полиакрилат, PHPA

Слайд 8РАЗВЕТВЛЕННАЯ СТРУКТУРА
Примеры: Крахмал, XC Полимер, КМК





Слайд 9СШИТАЯ СТРУКТУРА
Пример: Сшитый XC Полимер










Слайд 10ПОЛИМЕРЫ
СТЕПЕНЬ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ:
Длина полимера, определяемая числом повторяющихся звеньев в цепи.
Степень полимеризации большинства

используемых полимеров от 500 до 5000.
Определяет функцию полимера:
Разжижитель Низкая молекулярная масса
Понизитель фильтрации Средняя мол. масса
Загуститель Высокая мол. масса
Ингибитор глин Высокая мол. масса
Селективный флокулянт Высокая мол. масса

Слайд 11ПОЛИМЕРЫ
Длина цепи - Определяет функцию полимера

Короткая:
Полимеры-разжижители - (мм ≈ 10,000)

Средняя:
Понизители фильтрации

- (мм ≈ 100 000 - 200 000)
Загустители - (мм ≈ 200 000 – 300 000)

Длинная:
Загустители - (мм ≈ 300 000 – 800 000)
Ингибиторы глин - (мм ≈ 800 000 – 2 000 000)
Флокулянты - (мм ≈ 2 000 000 – 50 000 000)

Слайд 12ПОЛИМЕРЫ
СТЕПЕНЬ ЗАМЕЩЕНИЯ:
Доля замещенных групп на 100 повторяющихся звеньев полимера
Способствует тому, что

полимер становится:
Устойчивым к бактериальному воздействию
Более устойчивым к воздействию кальция, магния и хлоридов
Водорастворимым
Максимальная степень замещения молекулы глюкозы – 3,0, т.к. в молекуле содержится три гидроксильные группы, могущие вступать в реакцию. Если степень замещения достигает значения 0,45 и выше, полимер становится водорастворимым. Чем выше данное значение, тем более устойчив полимер к воздействию жесткости и соли.

Слайд 13O
O


O
H
H
H
OH
H
OH
OH
H
OH
H
H
H

O
H
O
H
n
CH
2
OH
CH
2
OH
ЦЕЛЛЮЛОЗА

Слайд 14ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Трехмерная структура
O
O
O
H
OH
H
НO
НO
H
OH
H
H
H
O
H
CH
2
OH
CH
2
OH

H
H
Структура целлюлозы связь ß (1-4)
H
OH

Слайд 15
O
O


O
H
H
H
OH
H
OH
OH
H
OH
H
H
H

O
H
O
H
n
CH
2
O H
CH
2
O

ОН
ЩЕЛОЧНАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА
Na
.
:
+
-
-
.
.

Слайд 16Модифицирующие агенты
Монохлорацетат натрия
Cl CH2 COO Na
Монохлоуксусная кислота
ClCH2COO

H

Слайд 17Реакция замещения (первый способ)
Щелочная целлюлоза + М. А.

--- CH2 O

Na + CH2 CL COO Na =

--- CH2 О CH2 COO Na + Na CL


Слайд 18Реакция замещения (второй способ)
Щелочная целлюлоза + МХУК

--- CH2 O Н +

CH2 CL COO Н =

--- CH2 О CH2 COO Н + Н CL

Н CL + Na ОН = Na CL + Н ОН

Слайд 19

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА - СТЕПЕНЬ ЗАМЕЩЕНИЯ
КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗА
O
O


O
H
H
+
H
OH
H
OH
OH
H
OH
H
-
H
CH
2
OCH
2
COO
H
CH
2
OCH
2
COO

O
H
O
H
n
Na
.
.
.
.
.
+
Na
.
-

Слайд 20ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ГРУППА
Функциональные группы разделяются

на:
Неионогенные
Анионные
Катионные
В молекуле может присутствовать более, чем один тип групп. Природа заряда некоторых групп зависит от рН среды и меняется с неионной на катионную или анионную.

Слайд 21ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ГРУППА
Гидроксильная (--ОН)
Гидроксиэтильная (--OСН2СН2ОH)
Карбоксильная (--СОО- )
Карбоксиметильная (--СН2СОО- )
Сульфогруппа (--SO3-)
Фосфатная (--

PO3-)
Аминная (--NH2+ )

Слайд 22Концентрация функциональных групп на цепи молекулы влияет на свойства полимера.


Полимеры не содержащие заряженных групп, обычно имеют глобулярную форму, так как не существует электростатического отталкивания для раскрытия цепи.

Полимеры с более высоким числом заряженных групп раскрывается больше чем полимеры только с несколькими заряженными группами. Это потому, что заряженные группы сильнее отталкивают друг друга.





Высокая степень замещения
Цепь раскрывается

-ve

-ve

-ve

-ve

-ve

Низкая степень замещения
Цепь сжата

Форма полимера

Слайд 23Форма полимера
Форма полимера зависит и от ионной силы раствора. Электролиты уменьшают

электростатическое отталкивание между фукциональными группами.

Вязкость раствора увеличивается, когда цепь полимера развернута ( в пресной воде) и наоборот, уменьшается в соленной воде

Пресная вода

Соленная вода

Слайд 24Форма полимера

_
-
-
-

Поливалентные катионы будут реагировать с несколькими анионными функциональными группами на

цепи полимера. Это уменьшает общий размер и эффективность полимера.

Жесткость воды ограничивает способность полимеров гидратироваться.


Са+2

Слайд 25


-
-
-
-

-
-


--
--

Форма полимера
Поливалентные катионы могут действовать как кросс-агент соединяющий между собой анионные

полимеры. Это уменьшает общий размер и эффективность молекул полимера.

Са+2


Са+2

Слайд 26Форма большинства полимеров будет зависеть от pH среды. Например, полимеры, содержащие

карбоксильную кислоту станут ионизированными в щелочном pH и раскрываясь в длинные цепи лучше растворяются в воде







Оптимальная растворимость анионных полимеров обычно находится в диапазоне pH 8 и 9.5. Выше pH может разрушить некоторые полимеры или привести к частичной дегидратации


Форма полимера

Слайд 27ФАКТОРЫ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОЛИМЕРА
Концентрация полимера
Химия воды
Минерализация
Жесткость
pH
Содержание твердых частиц
Температура
Бактерии

Слайд 28
Природные полимеры

Слайд 29ПРИРОДНЫЕ ПОЛИМЕРЫ
К природным полимерам относятся
кукурузный крахмал
картофельный крахмал
Биополимеры

Бактерии Xanthamonas Campestri выделяют полимер

в виде оболочки вокруг тела клеток

Слайд 30КРАХМАЛ Трехмерная структура
O
O
O
H
OH
H
НO
НO
H
OH
H
H
H
O
H
CH
2
OH
CH
2
OH

H
H
O
H

Слайд 31К Р А Х М А Л Механизм гидролиза
O
O


O
H
H
H
OH
H
OH
OH
H
OH
H
H
CH
2
O: H
H
CH
2
O

O
H
O
H
n
-
.
.
OH
H

O

.
+
Na

НОН

.

Слайд 32ПРИРОДНЫЕ ПОЛИМЕРЫ
Кукурузный крахмал
Неионный (группа-ОН)
Средняя молекулярная масса~100,000

Слайд 33
Применение
Контроль фильтрации
Пресная вода
Пластовая вода
Морская вода
Соленасыщенная вода
Полимерные системы
Обработка
11-22 кг/м3

Слайд 34Факторы, ограничивающие применение
Ферментация
Высокий уровень кальция, высокий показатель pH
Сохранение свойств при температурах

до 107ОС
Проблемы контроля качества

Слайд 35
Крахмал


O
H
H
H
OH
OH
H
H

O
H

O
H
CH
2
H
H

O
OH

H
n
O
OH
O
O

O
m
Aмилопектин
Aмилоза
. . .
. . .
CH
2
OCH
2
COO
+
-
Na
.
.
.
CH
2
OH
Связь 1-6
Связь 1-4

Слайд 36XC POLYMER
Биополимер - Xanthamonas Campestri
Тип: неионный - анионный
Средняя молекулярная масса >

2 000 000
Комплексный разветвленный полимер

Слайд 37O
H
H
H
OH
OH
H
H

O
H

O
H
H
CH
2
OH
H
CH
2
OH
H

O
OH

H
n
H
H
O

H
CH
2
OCCH
3
O
O
O
O
OH
OH
H
H
H
OH
OH
H
H
O
CH
2
O

H
C
CH
3
CООМ
O

Слайд 38XC / XCD - ПОЛИМЕР
Применение
Загуститель
Увеличение вязкости при низкой скорости сдвига
Поддерживает твердую

фазу во взвешенном состоянии
Придает раствору псевдопластические свойства

Эффективен при использовании как в пресной, соленной воде, так и в рассолах солей

Обработка - 1-6 кг/м3

Слайд 39XC / XCD - ПОЛИМЕР
Факторы, ограничивающие применение
Сохраняет свойства при температурах до

150ОС
Является дорогостоящим продуктом

Слайд 40МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ПОЛИМЕРЫ
МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ЭФИРЫ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ:


КМЦ (СМС) - Карбоксиметилцеллюлоза

ПАЦ (РАС)– Полианионная целлюлоза

ГЭЦ (HEC)

– Гидроксиэтилцеллюлоза - (Не используется в составе буровых растворов)

КМК (CMS) – Карбоксиметилированный крахмал


Слайд 41 ПОЛИМЕРЫ СМС (КМЦ) И РАС (ПАЦ)
Анионные (группы – СН2СОО- )
Средняя

молекулярная масса
200 000 – 225 000 (Высоковязкие)
140 000 – 175 000 (Низковязкие)

Слайд 42CMC и PAC
Продукт Мол. мас. Степень Степень
× (1,000) полимеризации замещения
PAC LV 140-170 850-1000 0,9-1,1
PAC HV 200-225 1130-1280 0,9-1,3
CMC

LV 140-170 850-1000 0,7-0,8
CMC HV 200-225 1130-1280 0,7-0,8

Слайд 43CMC и PAC ФАКТОРЫ, ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Продукт Хлориды Жесткость Темп. ОС

PAC LV Насыщ. 1,000 155
PAC HV Насыщ. 1,000 160
CMC LV 20,000 500 150
CMC

HV 20,000 500 150

Слайд 44КАРБОКСИМЕТИЛИРОВАННЫЙ КРАХМАЛ (КМК)
Модифицированный природный
Анионный (группы – СН2СОО- )
Mолекулярная масса 140 000

– 170 000

Слайд 45НЕС (ГЭЦ - ГИДРОКСИЭТИЛЦЕЛЛЮЛОЗА)
Модифицированный природный
Moлекулярная масса 200 000 – 225 000
Неионный

Слайд 46ГИДРОКСИЭТИЛЦЕЛЛЮЛОЗА
O
O
O


O
H
H
H
OH
H
OH
OH
H
H
H
H

H
O
H
n
OCH
2
CH
2
OH
CH
2
OCH
2
CH
2
OH
CH
2
OCH
2
CH
2
OH
n
2
CH

Слайд 47НЕС (ГЭЦ - ГИДРОКСИЭТИЛЦЕЛЛЮЛОЗА)
Применение
Контроль фильтрации
Повышение вязкости
Пресная вода, морская вода, рассолы солей

Слайд 48НЕС (ГЭЦ) ПОЛИМЕР ФАКТОРЫ ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Устойчив до 105О С
Эффективность снижается при рН

> 10
Эффективность снижается в крепких рассолах
Недостаток тиксотропных свойств

Слайд 49

Синтетические полимеры

Слайд 50СИНТЕТИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ:

Полиакрилат натрия - SP-101

Частичногидролизованный полиакриламид

Различные сополимеры

Слайд 51ПОЛИАКРИЛАТ НАТРИЯ
Синтетический
Анионный
Молекулярная масса

Слайд 52


n
CH
2
CH
CH
COO
COO
CH
COO
CH
2
+
-
Na
.
.
.
+
Na
.
.
.
+
Na
.
.
.
-
-

Слайд 53


SP-101 (70% AКРИАЛАТ (n)- 30% AКРИЛАМИД (m) Mолекулярная масса = 300000-500000)
+
-
Na
.
CH
2
CH
CH
CH
2
CH
CH
2
CH
CH
2
n
CONH
2
COO
CONH
2
CH
.
.
+
-
Na
.
COO
.
.
+
-
Na
.
COO
.
.
m
CH
2

Слайд 54 (SP-101) - ПОЛИАКРИЛАТ НАТРИЯ СО СРЕДНЕЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССОЙ
Факторы, ограничивающие применение
Хлориды –

100 000 мг/л
Кальций - 400 мг/л
Высокое содержание твердых частиц низкой плотности
Температура 205-230 ОС

Слайд 55PHPA
Чaстично Гидролизованный Пoлиакриламид
или
Полиакриламид / Полиакрилат
Сополимер

Слайд 56Чaстично Гидролизованный Пoлиакриламид (PHPA)
Moлекулярная масса - 2 – 15 млн.
Aнионный
Поставляется в

сухом или жидком виде (разведенным в минеральных маслах)

Слайд 57Чaстично Гидролизованный Пoлиакриламид (PHPA)
Получается в результате:
щелочного гидролиза полиакриламида
Сополимеризации акриламида с акрилатом


Слайд 58ГИДРОЛИЗ ПОЛИАКРИЛАМИДА
+
CH
2
CH
CH
CH
2
CH
CH
CONH
2
CO
CONH
2
COО
NH
2
NaОН
+
NH
3
CH
2
CH
2

-
Na
+
.
.
.

Слайд 59
СОПОЛИМЕР- ПОЛИАКРИЛАМИДА / ПОЛИАКРИЛАТА
+
-
Na
.
.
.
CH
2
CH
CH
CH
2
CH
CH
2
CH
CH
2
n
CONH
2
COO
CONH
2
CONH
2
m

Слайд 60Применение
Флокуляция твердой фазы
Селиктивная
Общая

Стабилизация/ингибирование глин
Адсорбция на поверхности
Загущение водной фазы
Адсорбция свободной воды

Чaстично Гидролизованный

Пoлиакриламид (PHPA)

Слайд 61
Полимеры применяемые в буровых растворах

Слайд 62ГУАРОВАЯ СМОЛА
Натуральный водный коллоид полисахаридной природы. Добывают из семян тропических растений

Гуар, произрастающих в Индии.
В настоящее время растения культивируется и в других странах.
Образует вязкие растворы при концентрации около 1% и формирует гелеобразную структуру при рН около 7.
Используется для загущения пресных, минерализованных, соленасыщенных и калиевых буровых растворов.

Слайд 63ГУАРОВАЯ СМОЛА


O
H
H
H
OH
OH
H
H
O
H
O
H
CH
2
H
H
O
OH

H
n
O
OH
O
O
. . .
. . .
CH
2
OH
CH
2
OH
OH
OH
H
H

Слайд 64Танины (соединение 5 молекул дигалловой кислоты с глюкозой)
OH
CO
C
O
5 молекул
O
CH
2
OH
OH
HO
HO
O
рН >11,5
+
OH
OH
OH
O
HO

Слайд 65Таннины
Таннины содержатся в коре, древесине, листьях, плодах (иногда семенах, корнях, клубнях)

многих растений — дуба, каштана, акации, ели, лиственницы, эвкалипта, чае, гранатового и хинного деревьев, сумаха, квебрахо и других; придают листьям и плодам терпкий вкус.
Таннины являются исходным продуктом для производства дефлокулянтов – Desco и др.

Слайд 66Лигнит (гуминовые кислоты)
OH
OH
COOH
C
O
HO
COOH
COOH
СН2COOH

Слайд 67Гуминовые кислоты
Гуминовые кислоты являются составной частью бурых углей, торфа и т.п.

и образовались в результате биохимических превращения продуктов разложения органических остатков при участии микроорганизмов, влаги и кислорода атмосферы).
Гуминовые кислоты входят в состав органической массы торфов (25-50%), бурых углей (45-60 %), окисленных каменных углей (до 60%), некоторых почв (до 10%)
В результате экстракции из исходного сырья водной вытяжки получают гуминовые кислоты в промышленных масштабах

Слайд 68Гуминовые кислоты
По химической структуре гуминовые кислоты высокомолекулярные (мол. масса 1300-1500) конденсированные

ароматич. соединения, в которых установлено наличие фенольных гидроксилов, карбоксильных, карбонильных и ацетогрупп, простых эфирных связей и др. Элементный состав: 50-70% С; 4-6% Н; 25-35% О.
Гуминовые кислоты являются исходным продуктом для производства реагента TANNATHIN

Слайд 69TANNATHIN
Реагент может использоваться в качестве понизителя водоотдачи и разжижителя в любых

типах растворов на водной основе. Реагент особенно эффективен при высоких температурах, загрязнении СО2 и высокой жесткости раствора, где прочие реагенты теряют эффективность. «Таннатин» часто применяется для обработки растворов, загрязненных цементом – он снижает щелочность и жесткость загрязненного раствора.
Рекомендуемая концентрация реагента в растворе – от 3 до 23 кг/м3. Ввиду кислой природы реагента, рекомендуется сочетать обработку «Таннатином» с добавлением каустика (или альтернативного щелочного реагента) для поддержания рН раствора и увеличения растворимости реагента. Рекомендуется добавлять 1 мешок каустика на каждые 4 мешка «Таннатина».
При обработке соленасыщенных систем рекомендуется прегидратировать реагент в отдельной емкости в пресной или слабоминерализованной воде (нормальной или высокой щелочности).
Максимальная эффективность реагента достигается в растворах с рН=9-11.

Слайд 70Лигнин (лигносульфонаты)
OH
OH
COOH
C
O
SO3Na
HO
O
Н3C-О
O
CH3
SO3Na
C

Слайд 71Лигнин (лигносульфонаты)
Молекула лигнина состоит из продуктов полимеризации ароматических спиртов; основной мономер — конифериловый

спирт.
Древесина лиственных пород содержит
20—30 % лигнина, хвойных — до 50 %.
Лигнин — ценное химическое сырьё, используемое во многих производствах, в том числе для получения реагентов SPERSENE, SPERSENE СF

Слайд 72SPERSENE
«SPERSENE» может использоваться в качестве дефлокулянта и понизителя водоотдачи во всех

типах растворов на водной основе. Его эффективность доказана в растворах на основе пресной, морской воде, в соленасыщенных, в калиевых и гипсовых системах, а также при бурении высокотемпературных скважин в растворах с низким содержанием активной твердой фазы.
Лабораторные и промысловые испытания показали очень высокую разжижающую эффективность продукта в присутствии различных примесей и загрязнителей.
Рекомендуемая концентрация «SPERSENE» колеблется от 3 до 34 кг/м3 в зависимости от применяемой системы, содержания твердой фазы и рекомендуемых параметров раствора.
Для максимальной эффективности продукта уровень рН необходимо поддерживать на уровне 9-11. Щелочность регулируется каустической содой.

Слайд 73Полифосфаты (фосфорная кислота в мононатриевый фосфат)
O
P
O
P
OH
OH
OH
OH
OH
O Na
T
=
NaOH

Слайд 74Полифосфаты (дегидропирофосфат натрия - SAPP)
O
P
O
P
O
O Na
OH
OH
HOH
O Na
+
=

Слайд 75
Полифосфаты (триполифосфат натрия)
O
P
O
P
O
O Na
O
O
O
P
O
O
O Na
Na
+
-

Слайд 76HOSTADRIL 2825

Слайд 77POLYDRIL
OН
OН
С
Na+
С
SO3 -
R1
SO3 -
СН2
СН2
Na+
n

Слайд 78РЕЗЮМЕ
Функции зависят от:
Степени замещения
Степени полимеризации

Факторы, ограничивающие применение
Температура
Наличие ионов в растворе
pH
Твердая фаза

Слайд 79Твердая фаза
Растворимая твердая фаза, которую невозможно отфильтровать или механически удалить из

жидкой фазы
Соль
Сахар
Твердые частицы (нерастворимые), удаляемые механически или в процессе фильтрации
Глины
Песок

Слайд 80Глинистые твердые частицы
Обеспечивают вязкость и регулируют фильтрацию
Термоустойчивы
Пластовые глины являются загрязителями
При наличии

избытка глинистой твердой фазы возрастает необходимость и стоимость химической обработки
Требуется разбавление раствора

Слайд 81Классификация глин
Физические свойства
Размер частиц
Тип породы / Минералогия
Кристаллическая структура
Химический состав

Слайд 82Классификация глин по кристалической структуре
Слоистые силикаты
Смектит

Вайомингский бентонит (монтмориллонит)
и буренная порода
Иллит Выбуренная порода
(до 1998 г относился к гидрослюдам)
Хлорит Выбуренная порода
Каолинит Выбуренная порода

Игольчатые
Аттапульгит Солестойкие растворы
Сепиолит Солестойкие и термостойкие растворы

Слайд 83Слоистые силикатные глины
Глины:
Двухслойные
Слой кремнезема
Слой глинозема

Трехслойные (например: натриевый бентонит)


Слой кремнезема
Слой глинозема
Слой

кремнезема

Слайд 84Структура трехслойных алюмосиликатов

Слайд 85Пространственная Структура глин

Слайд 86Слоистые силикатные глины
Глины:
Четырехслойные (хлорит)

Слой кремнезема
Слой глинозема
Слой кремнезема
Слой брусита
(гидроксид магния)


Слайд 87Кристаллы слоистых силикатных глин
Диаметр: ~1 микрон (1 милионная метра)
Tолщина: ~10 Å

(10 миллиардных метра)
Диаметр : Толщина: 1,000 : 1
Площадь поверхности / Вес: ~ 800 м2 / г
Кристаллические пластинки расположены поверхность к поверхности в виде пачки
Расстояние между кристаллами от 7 дo 17 Å
Заряды на основной поверхности в большинстве отрицательные
Заряды на краях кристаллов в основном положительные

Слайд 88







Смектитовая Глина

Слайд 89







В данное семейство входят:

Монтмориллониты
Гекториты
Сапониты
Нонтрониты
Фемонтмориллониты

Смектитовые глины

Слайд 90Монтмориллониты
В октаэдрическом слое атомы алюминия частично замещены на атомы магния
Поверхность имеет

отрицательный заряд 0,3 – 0,6 единиц
В обменном комплексе присутствуют ионы Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Fe+3
Между кристаллами прочносвязанная вода

Слайд 91Монтмориллониты
Включает:
Монтмориллонит натрия (Вайомингский бентонит)
Кальциевый/магниевый монтмориллонит.
Для придания

раствору необходимой вязкости требуется в 4 (четыре) раза больше, чем натриевого
Монтмориллониты смешанного состава
Форма частиц – правильные плитки
Размером до 2 мкм

Слайд 92Монтмориллонит
Кристаллическая пластинка

Слайд 93Монтмориллонит
Кристаллизационная вода
Поверхностная
вода

Слайд 94








Бентонит является в основном глиной монтмориллонитового вида (не менее 70 %)
Обладает

высокой способностью гидратироваться в пресной воде
Увеличивается в объеме от 4 до 10 раз после гидратации

Бентонит

Слайд 95







ТРЕХСЛОЙНАЯ СТРУКТУРА
Относится к слюдистым минералам
В тетраэдрическом слое атомы кремния частично

замещены на атомы алюминия
Замещение кремния на алюминий меньше, чем у настоящих слюд
В обменном комплексе присутствуют в основном ионы K+ , но могут находиться ионы водорода, магния, натрия





Иллит

Слайд 96Иллит Монтмориллонит







Between unit layers
External surface

Слайд 97







ДВУХСЛОЙНАЯ СТРУКТУРА
Форма частиц – шестиугольная плитка размером до 5 мкм.
Заряды внутри

структуры уравновешены, а в решетке очень мало замещений
Между слоями сильная водородная связь

Kaолинит

Слайд 98








Природный кристалл состоит из 100 слоев (пластинок)
Набухания в пресной воде почти

не происходит
При интенсивном перемешивании увеличивается содержание мелких частиц в растворе

Kaолинит

Слайд 99Аттапульгит (Палыгорскит)

Слайд 100Глинистые пластинки
Положительные заряды на краях





Отрицательные заряды на поверхностях


+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+

Обмен катионов в растворе

происходит на поверхности глинистых частиц

Слайд 101Факторы, влияющие на ионообмен
Тип глин
Порядок замещения катионов
Размер/Тип катионов
Разность зарядов
Концентрация катионов

Слайд 102Ионный обмен Порядок замещения
Литий
Натрий
Калий
Mагний
Кальций
Алюминий
Водород
Легкий ионный обмен
Более тяжелый

Слайд 103Катионообменная емкость

Глины Катионообменная емкость
 
Мг-экв / 100 г

Монтмориллонит 70 – 130

Иллит 10 – 40

Каолинит 3

– 15

Аттапульгит 10 - 35

Слайд 104Катионообменная емкость
Катионообменная емкость глины – способность глины адсорбировать на своей поверхности

катионы
Катионообменная емкость показывает, насколько данная глина реакционно-активна

Слайд 105Слоистые глины подразделяются
Набухающие глины
Смектит
Не набухающий глины
Иллит *
Каолинит
Хлорит
*

Разная степень набухания

Слайд 106Взаимодействие глин и воды
Глины, поглощающие воду, называются НАБУХАЮЩИМИ
Смектиты
Остальные глины не набухающие

Механика

гидратации глин
Осмос
Капиллярное действие
Расклинивающее давление
Образование водородной связи


Слайд 107Осмотическое давление
Р = С*М-1*R*T , где
М – масса 1 моля

растворенного вещества;
С – весовая концентрация
R – универсальная газовая постоянная;
Т – абсолютная температура

Слайд 108Гидратация бентонита

Слайд 109Гидратация бентонита

Слайд 110ВОДА, ПОЛЯРНЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ
O2-
H+
H+

105°

Слайд 111


















Образование кристаллизационной воды на поверхности глины
-
-
-
-
-
-
-
-
Глинистая частица
+
+




Oδ−




Oδ−




Oδ−
Si
Si
Si
Si
Si

Водородная связь

Слайд 112Типы связей глинистых частиц
АГГРЕГИРОВАННЫЕ
Поверхность к поверхности

ДИСПЕРГИРОВАННЫЕ
Хаотично расположены

ФЛОКУЛИРОВАННЫЕ
Поверхность к торцу
ДЕФЛОКУЛИРОВАННЫЕ

Слайд 113Агрегация
Поверхность к поверхностям

Число пластин в пачке варьируется

Естественное состояние глин

пластинчатого типа или присутствие большого количества катионов


Слайд 114Дисперсия
Частички глины хаотично расположены

Поверхностные заряды влияют на их расположение

Слайд 115Дисперсия глин
Частицы не осаждаются
Причины:
Броуновское движение
Размер частиц очень мал
Отрицательные заряды в основном

на базальной поверхности
Осаждаются при флокуляции, когда увеличивается размер флокул

Слайд 116Флокуляции (коагуляция)
Поверхность к торцу или торец к торцу
Обычное состояние глинистых пластин

в растворе
Степень флокуляции возрастает за счет примесей: соли, кальция, магния, цемента, и т.п.

Слайд 117Ключевые термины
Коагуляция - уменьшение электростатического заряда твердых частиц, позволяющее частицам сближаться

и образовывать агломераты

Флокуляция – физико-химические связи, формируемые между двумя или большим количеством частиц, заставляют частицы слипаться в крупные «флокулы»

Слайд 118Механизм коагуляции
Снижение электрического заряда на поверхности частиц способствует сближению частиц
Вероятность столкновения

между частицами резко увеличивается
На близком расстоянии вступают в действие Ван-дер-Ваальсовы силы (межмолекулярное взаимодействие)

Слайд 119













Двойной электрический слой
.

-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+

+

+
+
φ
ζ
- потенциал
ζ -потенциал
Диффузный слой




+
+
+
+
+

Слайд 120










-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
Двойной электрический слой
Добавка катионов сжимает

двойной электрический слой




ζ




+

+

+

+

+



+

+

+

+

+

-

+

+

Диффузный слой

Слайд 121



Механизм коагуляции

+
+
+
Частицы с отрицательным зарядом
“Чистая коагуляция” относится к одной частице


+
+
+
+
+
+
+
+
Катионоактивные коагуляторы
Электрическая

по природе

+

+

+

+

+

+

+

+



+








+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Слабая агломерация

Полностью реверсивна

+

Слайд 122Флокуляция
Слипание частиц в рыхлые и пористые трехмерные структуры произвольной формы, с

помощью высокомолекулярных полиэлектро-литов

Слайд 123Механизм флокуляции
Отрицательно-заряженные частицы

-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-
Множества частиц

Высокомолекулярный катионоактивный полимер
+
+
+
+

+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+

+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Агломерация, сильная по природе

Дестабилизированные

флокулирующиеся частицы


-

-

-

-

-

-


-

-

-

-

-

-


-

-

-

-

-

-


-

-

-

-

-

-


-

-

-

-

-


-

-

-

-

-

-


-

-

-

-

-

-


-

-

-

-

-

-


+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-


-

-

-

-

-

-


-

-

-

-

-

-


-

-

-

-

-

-

-

-


-

-

-

-

-

-

Формирование прочных флокул

+

+

+

+

+

+

+



Слайд 124Дефлокуляция (стабилизация)
Возврат к беспорядочному распределению (дисперсии)

Анионные разжижители нейтрализуют избыточные положительные заряды

на краях пластин, которые вызывают флокуляцию





















Слайд 125




Механизм стабилизации
Si











Oδ−
Si
Si
Oδ−

+

+

-






-






Si
Полимер
-
-
-
-
-




Слайд 126Типы связей глин
Агрегация: Снижение вязкости

Дисперсия: Возрастание вязкости

Флокуляция: Возрастание вязкости

Дефлокуляция:

Снижение вязкости

Слайд 127Бентонит АНИ Монтмориллонит натрия
Бентонит АНИ: Обработанный (Обогащенный или Модифицированный)
Используется в массовом

бурении при забойных температурах до 150 0С

Бентонит природный или необработанный
Удовлетворяет требованиям АНИ без обогащения
Используется для бурения высокотемпературных скважин

Слайд 128Классификация глин по АНИ

Слайд 129Выход раствора
Выход – объем (м3) раствора (с вязкостью 15,0 сПз), получаемый

из одной тонны сухой глины.
Выход бентонита АНИ - около 16 м3 р-ра ( 15,0 сПз) с одной тонны.
Один кубометр подобного раствора будет :
Содержать 2½% объема твердой фазы
Содержать 5½ % массы твердой фазы
Плотностью 1,03 г/см³

Слайд 130Факторы, воздействующие на выход раствора
Двухвалентные катионы:
Кальций
Магний
Соли
pH
Температура
Полимеры

Слайд 131Влияние рН

Слайд 132Влияние солей на вязкость

Слайд 133Влияние поливалентных катионов

Слайд 134Выход раствора
Выход раствора снижается в любой ингибированной системе раствора
Полимерной
Калиевой
Кальциевой
Силикатной
Гликолиевой
Предварительная гидратация

в пресной воде улучшает свойства бентонита

Слайд 135Гидратация бентонита в морской воде

Слайд 136Предварительно гидратированный бентонит
По возможности необходимо предвари-тельно прогидратировать бентонит в пресной

воде, в емкости для приготовле-ния раствора
Перед тем, как добавить в емкость воду, емкость следует очистить, удалив все остатки химических реагентов и «старого раствора»
Довести общую жесткость воды затворения (содержание Ca2++Mg2+) до 100,0 мг/л и менее
Добавить бентонит (80 –100 кг/м3)
Добавить каустическую соду (0,5 кг/м3)
Тщательно перемешать и хорошо продиспергировать
Перед поступлением в активную циркуляционную систему, прогидратированный бентонит может быть разбавлен до необходимой вязкости

Слайд 137Факторы, воздействующие на выход раствора
Двухвалентные катионы:
Кальций
Магний
Соли
pH
Температура

Похожие презентации

Железо и его соединения 661
Химия, как наука. Основные понятия и законы 368
Осадочные горные породы 449
Микрокристаллоскопия. Микрокристаллоскопический анализ 683
Щелочноземельные металлы 481
Химическая связь (лекция 4) 330

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое ThePresentation.ru?

Это сайт презентаций, докладов, проектов, шаблонов в формате PowerPoint. Мы помогаем школьникам, студентам, учителям, преподавателям хранить и обмениваться учебными материалами с другими пользователями.

Для правообладателей

Яндекс.Метрика