Утяжелители на базе доломитового и кальцитового сырья Каралпакстана

Determinants on the basis of dolomite and calciite raw material of Karakalpakstan
Цитировать:
Эшметов И.Д., Абдикамалова А.Б. Утяжелители на базе доломитового и кальцитового сырья Каралпакстана // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2017. № 1 (43). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/5434 (дата обращения: 25.10.2020).
Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

Изучены природные доломитовые и кальцитовые руды Каракалпакстана и их физико-химические свойства. Изучено влияние утяжелителей на процессы структурообразования в глинистых суспензиях, стабилизированных полимерными реагентами.

ABSTRACT

Karakalpakstan's natural dolomite and calcite ores and their physico-chemical properties were studied. The influences of weighting agents on the processes of structure formation in clay suspensions, which are stabilized by polymer reagents, were studied.

 

Ключевые слова: доломит, кальцит, структурообразование, бентонит, фильтрационные свойства.

Keywords: dolomite, calcite, structure formation, bentonite, filtration properties.

 

Предпосылкой для исследования и создания утяжелителей для буровых растворов из доломитового и кальцитового сырья являлись особенности физико-химического взаимодействия дисперсных частиц этих пород с водной средой бурового раствора и с горными породами стенок скважин [1, с. 11]. Эти утяжелители, состоящих из карбонатных пород, растворяются в кислотах, что позволяет устранять последствия закупорки (кольматацию) продуктивных горизонтов и восстановить первоначальную проницаемость продуктивных пластов.

В исследованиях был использован природный минерал доломит, взятый с Ходжакульского месторождения и кальцит, очищенный от примесей, используемых в производстве строительных материалов (Республика Каракалпакстан).

Для того чтобы судить о пригодности доломита для данной цели, провели экспериментальный анализ, который показал потери при прокаливании, сумму полуторных оксидов М2О3, состоящих из Fe2О3, Al2О3 и др.

При высоких температурах доломит теряет влагу, двуокись углерода и органические вещества. Навеску вещества перед прокаливанием высушивали в сушильном шкафу при температуре 110 ºС до постоянной массы. Затем навеску прокалили до постоянной массы в муфельном шкафу. При обработке навески доломита хлористоводородной кислотой остается нерастворимый осадок, которого отделили от раствора и прокалили до постоянной массы. После охлаждения взвешивали. По полученным данным рассчитывали количества нерастворимых в кислотах веществ.

Определение полуторных оксидов основано на выделении в один общий осадок гидроокисей железа, алюминия и других катионов, осаждающихся при воздействии раствора аммиака. Получаемая масса при прокаливании гидроокисей отвечает общим соединениям формулой М2О3. В результате проведенных экспериментов установлено, что потеря при прокаливании природного доломита составляет 3,6 % от общей массы, общее количество полуторных оксидов составляет всего 2,1 %.

Для установления количества окиси кальция использовались фильтрат и промывные воды, оставшиеся после определения полуторных окислов. Их выпаривали до достижения объема 200 мл, подкисляли 5 мл 6 н. раствором хлористоводородной кислоты и определяли количество кальция.

Пригодность доломитового и кальцитового минералов в качестве утяжелителей буровых растворов оценивались на оснований требований существующих технических условий, согласно которым утяжелители должны иметь следующие физико-химические характеристики (табл. 1).

Таблица 1.

Физико-химические характеристики доломитовых и кальцитовых утяжелителей

Характеристики

Доломит

Кальцит

Плотность не менее, г/см3

2,7

2,6

Общее содержание Ca+2 не менее, %

29

54

Массовая доля влаги не более, %

1

1

Растворимость в 15% растворе соляной кислоте по массе не менее, %

98

98

pH водяной вытяжки при 10% содержании твердой фазы

6–8

6–8

Водорастворимые вещества, общие не более, %

0,25

0,3

Гранулометрический состав, остаток на сите № 008 не более, %

12

8

 

При создании и регулировании состава и свойств утяжеленных растворов большое значение имеет дисперсность утяжелителя, от которой сильно зависит ряд физико-химических свойств растворов. При переходе от грубодисперсных к высокодисперсным системам некоторые свойства растворов проявляются сильнее. С уменьшением размера частиц повышается растворимость, т.е. скорость диффузии частиц дисперсной фазы [1, с. 11].

С увеличением степени дисперсности значительно повышается удельная поверхность утяжелителя, что в свою очередь способствует гидратации и структурообразованию [2, с. 45].

В результате исследования утяжеляющих способностей доломита и кальцита обнаружилось, что увеличением количества доломитового и кальцитового минерала плотность их водных дисперсий увеличивается от 1,3 до 1,8 г/см3 (табл. 2).

Таблица 2.

Характеристика водных суспензий утяжелителей

Минеральное сырье

Плотность водных дисперсий утяжелителей, г/cм3

Массовое соотношение сырья : вода

50 : 100

100 : 100

150 : 100

200 : 100

Доломит

1,28

1,49

1,65

1,78

Кальцит

1,27

1,47

1,63

1,75

 

При выполнении эксперимента была поставлена задача получить утяжеленные глинистые суспензии с плотностью порядка 1,4 г/см3 и выше. Все растворы на водной основе перед утяжелением имели параметры θ1 = 15-25 мгс/см2; Т = 25-30 с; Ф = 15 см3/30 мин. При больших значениях СНС и вязкости при утяжелении происходит загустевание раствора, а при большей водоотдачи – седиментация частиц утяжелителя. Плотность исходных 10 %-ных глинистых растворов составила 1,06-1,09 г/см3. При добавке к этому раствору 50; 100; 150 и 200 % по массе доломитового утяжелителя его плотность соответственно увеличилась до 1,35; 1,56; 1,71 и 1,84 г/см3.

Важной характеристикой карбонатных утяжелителей являются их механические, пластические, абразивные и прочностные свойства, а также адсорбционные явления, развивающиеся на границах раздела фаз. Доломитовое и кальцитовое сырье гидрофобные, т.е. молекулярное взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой выражено слабо и их частицы самопроизвольно коагулируют. Известно, что образование адсорбционных слоев реагентов-стабилизаторов на твердой поверхности дисперсной фазы приведет систему к стабилизации. Поэтому нами была изучена стабилизирующая способность КМЦ и ПАА, которая качественно оценивалась по состоянию фильтрационных, реологических свойств утяжеленных растворов.

Перед утяжелением буровой раствор (7 % глина; 0,5 % кальцинированная сода; 1 % КМЦ-700) на основе Крантауского бентонита имел следующие характеристики: плотность – 1,044 г/см3; условная вязкость – 29 с; водоотдача 3 см3/ 30 мин; СНС1 – 15 мгс/см2; СО – 0; рН – 10. Добавление к суспензию доломита в количестве 20 % от массы исходной суспензий привело к увеличению плотности до 1,168 г/см3 а условной вязкости до 33 с.

Добавка доломита также изменяет СНС суспензий. Эксперименты показали, что концентрация глины оказывает влияние на структурообразующую способность суспензий в процессе утяжеления. В малоглинистых суспензиях, содержащих до 7 % глины, возможно осуществление добавки доломита только до 80 % от массы исходной суспензий без заметного нарушения стабильности суспензий. Дальнейшая добавка доломита нарушает стабильность, вызывает выпадение осадка частиц утяжелителя. При этом увеличивается плотность (1,46 г/см3) и условная вязкость (45-48 с) суспензии, что связано с увеличением общих количеств дисперсной фазы. В высоконцентрированных суспензиях глин возможно осуществить утяжеление с добавкой доломитов до 100 % и более. Так, при добавке доломита в 1,2 раза больше чем масса исходной 15 % суспензий КР2, образуется стабильная во времени суспензия с плотностью 1,67 г/см3 и условной вязкостью 75-80 с.

Добавка концентрированным суспензиям ПАА в количестве 0,5 % и более вызывает резкое увеличение вязкости суспензий. Поэтому для изучения влияние доломита на технологические свойства суспензий обработанных с ПАА использовали 7 % суспензию глин.

Статическое напряжение сдвига утяжеленных растворов увеличивается в зависимости от времени, что свидетельствует об образовании коагуляционных структур.

Исследуемые реагенты-стабилизаторы адсорбируются на поверхности твердых фаз и образуют гелеобразную оболочку. Они препятствуют образованию агрегатов частиц и обладают повышенной вязкостью, что способствует сохранению низких значений водоотдачи.

Увеличение доломита от 20 до 100 % способствует повышению плотности глинистых растворов от 1,144 до 1,67 г/см3. Концентрация утяжелителя отражается на фильтрационных параметрах исследуемых суспензий, стабилизированных 1 % ПАА: водоотдача увеличивается от 3 до 8 см3, условная вязкость растет и достигает 76 с. Это свою очередь свидетельствует необходимость обработки таких буровых растворов с понизителями вязкости.

Таблица 3.

Технологические свойства 7 % суспензий обработанных с КМЦ-700 и ПАА в количестве 1 %

Полимер

Доломит, %

ρ, г/см3

В, см3/30мин

СНС1

рН

Т, с

СО, %

КМЦ-700

 

1,043

4

14

10

38

0

25

1,19

5

25

10

41

0

50

1,311

8

43

9

44

2

75

1,42

9

59

9

46

4

100

1,51

11

53

8,5

54

6

ПАА

 

1,043

2

14

10,5

38

0

25

1,190

3

28

10

44

0

50

1,311

4

41

9,5

49

1

75

1,420

5

57

9,5

57

2

100

1,510

6

61

9

76

3

 

Влияние концентрации утяжелителя и полимерных соединений на технологические свойства суспензий глин приведены в табл. 3.

Таким образом, проведенные исследования доказали возможность использования доломита и кальцита в качестве утяжелителей буровых растворов. Кроме утяжеляющей способности они имеют также и другие преимущества перед другими утяжелителями: утяжелитель состоит в основном из карбонатных пород, легко растворяющихся в кислотах. Это не кольматирует призабойную зону продуктивных пластов и они меньше подвержены действию солей электролитов и высоких температур и не представляют трудностей при приготовлении.

 

Список литературы:
1. Нурмамедов А., Лукманов. Разработка утяжёленных буровых растворов на основе местного сырья в Турк-менистане // Стандарт, качество и безопасность. – 2001. - №4. – С. 11-12.
2. Урьев К.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов - М. Химия, 1988 - 324 с.

 

Информация об авторах

д-р техн. наук, профессор, зав. лабораторией «Коллоидной химии» Института общей и неорганической химии АН РУз., Республика Узбекистан, г. Ташкент

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Laboratory of Colloid Chemistry, Institute of General and Inorganic Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Republic of Uzbekistan, Tashkent

доктор (PhD) философии по техническим наукам, ассистент кафедры Общей и неорганической химии, Каракалпакский государственный университет, 230112, Каракалпакстан, г. Нукус, ул. Ч. Абдирова 1

Doctor of Philosophy (PhD) on Technical Sciences, Assistant of General and Inorganic Chemistry Chair, Karakalpak State University, 230112, Karakalpakstan, Nukus, Ch. Abdirov Street, 1

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top