Научная статья на тему 'Синергизм биополимерных растворов при взаимодействии с бентонитом'

Синергизм биополимерных растворов при взаимодействии с бентонитом Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
208
31
Поделиться
Ключевые слова
МОНТМОРИЛЛОНИТ / БЕНТОНИТ / КСАНТАН / РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / ЭФФЕКТИВНАЯ ВЯЗКОСТЬ / MONTMORILLONITE / BENTONITE / XANTHANE / RHEOLOGICAL BEHAVIOR / EFFECTIVE VISCOSITY

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Неверов Александр Леонидович, Минеев Александр Васильевич, Баталина Лейла Султановна

Статья посвящена решению актуальной задачи по исследованию эффекта синергизма при взаимодействии биополимеров ксантанового типа с бентонитовыми глинами Таганского и Черногорского месторождений. Показан эффект синергизма при обработке 1% глинистых суспензий биополимерами ксантанового типа, что очень важно для повышения эффективности сооружения скважин в сложных геологических условиях комплексами ССК. Проведены лабораторные исследования буровых растворов, содержащих в своем составе 1 масс.% бентонита, стабилизированных биополимером.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Неверов Александр Леонидович, Минеев Александр Васильевич, Баталина Лейла Султановна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

BIOPOLYMER SOLUTION SYNERGISM WHEN INTERACTING WITH BENTONITE

The article is devoted to researching the synergism effect in xanthan-type biopolymer interaction with bentonitic clays from the Tagansky and Chernogorsky fields. The synergism effect becomes apparent when processing 1% clay suspensions with xanthan-type biopolymers. This procedure raises performance of well construction by SSK complexes under complicated geological settings. The biopolymer-stabilized boring solutions containing 1 mass % bentonite were analyzed in laboratory conditions.

Текст научной работы на тему «Синергизм биополимерных растворов при взаимодействии с бентонитом»

УДК 662.243.063

СИНЕРГИЗМ БИОПОЛИМЕРНЫХ РАСТВОРОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С БЕНТОНИТОМ

12 3

© А.Л. Неверов , А.В. Минеев , Л.С. Баталина

Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.

Статья посвящена решению актуальной задачи по исследованию эффекта синергизма при взаимодействии биополимеров ксантанового типа с бентонитовыми глинами Таганского и Черногорского месторождений. Показан эффект синергизма при обработке 1% глинистых суспензий биополимерами ксантанового типа, что очень важно для повышения эффективности сооружения скважин в сложных геологических условиях комплексами ССК. Проведены лабораторные исследования буровых растворов, содержащих в своем составе 1 масс.% бентонита, стабилизированных биополимером. Библиогр.15 назв. Ил. 1. Табл.4 .

Ключевые слова: монтмориллонит; бентонит; ксантан; реологические свойства; эффективная вязкость.

BIOPOLYMER SOLUTION SYNERGISM WHEN INTERACTING WITH BENTONITE

A.L. Neverov, А.У. Мineev, L.S. Batalina

Siberian Federal University, 79 Svobodny Ave., Krasnoyarsk, 660041, Russia.

The article is devoted to researching the synergism effect in xanthan-type biopolymer interaction with ben-tonitic clays from the Tagansky and Chernogorsky fields. The synergism effect becomes apparent when processing 1% clay suspensions with xanthan-type biopolymers. This procedure raises performance of well construction by SSK complexes under complicated geological settings. The biopolymer-stabilized boring solutions containing 1 mass % bentonite were analyzed in laboratory conditions. 15 references. 1 figure. 4 tables.

Key words: montmorillonite; bentonite; xanthane; rheological behavior; effective viscosity.

Состояние вопросы. Анализ исследовательских работ и практический опыт авторов показывает, что наиболее полно требованиям бурения снарядами ССК удовлетворяют полимерные и по-лимербентонитовые промывочные жидкости с низким содержанием твердой фазы (3-7%). В качестве основного компонента безглинистых буровых растворов чаще всего используются биополимеры. Наибольшую популярность приобрели продукты на основе ксантана

[7], внеклеточного полисахарида бактерии Xanthomonas Campestris, выпускаемые под разными торговыми марками: Rhodоро1-23Р, Zibozan, Flowzan, Flo-Vis и др. Уникальные реологические свойства водорастворимых полисахаридов во многом определяются свойствами упорядоченного строения их цепей в растворах. Такие высокополимеры имеют как первичную структуру, так и высшие пространственные структуры. Это обусловлено слабыми внутримоле-

:Неверов Александр Леонидович, доцент кафедры бурения нефтяных и газовых скважин, тел.: 8(391) 2062894, e-mail: neveroff_men@mail.ru

Neverov Alexander, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Well Drilling, tel.: 8(391)

2062894, e-mail: neveroff_men@mail.ru.

2Минеев Александр Васильевич, зав. кафедрой бурения нефтяных и газовых скважин, тел.: 8(391)

2062895.

Mineev Alexander, Head of the Department of Oil and Gas Well Drilling, tel.: 8(391) 2062895. 3Баталина Лейла Султановна, доцент кафедры химии и технологии природных энергоносителей и углеродных материалов, тел.: 8(391) 2062879.

Batalina Leila, Associate Professor of the Department of Chemistry and Technology of Natural Energy Carriers and Carbon Materials, tel.: 8(391) 2062879.

кулярными взаимодействиями, среди которых основную роль играют водородные связи и комплексообразование.

Основная цепь ксантана (кор) построена аналогично целлюлозе (1-4-0-гликопираноза), а в ответвлениях кора — трисахарид, состоящий из 0-0-маннозы, Р-0-глюкуроновой кислоты и а-0-маннозы. Остатки глюкуроновой кислоты и кислые пировиноградные группы придают молекулам ксантана анионный характер. Биополимеры выгодно отличаются от других полимеров, применяемых в бурении. Они характеризуются высокой загущающей способностью, а их растворы - сильно выраженными псевдопластичными свойствами при малой концентрации полимера и устойчивостью к солям. Молекулы ксантана в водных растворах склонны к самоассоциации, и с повышением ионной силы раствора или концентрации полисахарида формируется гель. Он представляет собой трехмерную сетку, образованную из двойных спиралей ксантана, связанных межмолекулярными водородными связями. Уже при концентрации полисахарида 0,1% вязкость системы возрастает на порядок, а при 1,0% — в водном растворе формируется гель.

Для растворов ксантана характерна полидисперсность. К такому заключению пришли [2] на основании исссле-дования биополимера методами нефе-лометрического титрования и гель-хроматографии. Молекулярная масса ксантана варьирует в пределах 105-20х106 и зависит от ассоциации между отдельными цепочками ксантана, формирующими агрегаты. Наличие остатков жирных и уроновых кислот в составе биополимера обуславливает зависимость реологических свойств раствора от состава и концентрации солей и других ингредиентов. Именно с этим связана возможность путем подбора различных добавок создавать композиции с широким спектром свойств. Для ксан-тана характерно образование тиксо-тропных структур. Для повышения

прочности в водные растворы биополимеров вводят соли трехвалентного хрома, действие которых обусловлено способностью ионов хрома образовывать многоядерные комплексные соединения [2,7]. Авторы работы рекомендуют для увеличения вязкости растворов ксанта-на применять соли хрома, что способствует более экономному расходованию ксантана, но применение солей хрома небезопасно. По гигиеническим нормативам в воздухе рабочей зоны для хло-

+3 3

рида хрома (по Сг 0 ПДК =0,01мг/м , аэрозоль, 1 класс опасности, аллерген [1]. Синергизм растворов ксантана проявляется при взаимодействии с водона-бухающими глинами, наблюдается увеличение вязкости и суммарного предельного напряжения сдвига выше аддитивного. Главное назначение ксанта-новой смолы в буровых растворах - повышать их вязкость и несущую способность. Карико [3] пришел к выводу, что несущая способность раствора полимера прямо связана с вязкостью раствора при низких скоростях сдвига. Результаты простого испытания на осаждение показывают, что по несущей способности ксантановая смола превосходит любой другой полимер из числа применяемых в буровых растворах. Ксантановая смола хорошо сочетается с веществами - понизителями фильтрации, такими как бентонит и КМЦ. Для приготовления таких растворов применяется бентонит, основным компонентом является монтмориллонит - слоистый минерал с расширяющейся решеткой. Монтмориллониты относительно легко диспергируются в воде вплоть до частиц чрезвычайно мелкого размера. Это особенно характерно для монтмориллонита, содержащего натрий в качестве обменного катиона. В этом случае частицы могут приближаться к размеру элементарной ячейки. Миленц и Кинг [4] показали, что введение небольших количеств глины в песок или алеврит сильно повышает их сопротивление сжатию и максимальная прочность таких смесей может превышать прочность песка, алеврита и

глины, взятых в отдельности. Добавка небольшого количества (5-10%) глины к смеси неглинистых минералов увеличивает их прочность, располагая при этом в следующем порядке: монтмориллонит, иллит, каолинит [5]. Натриевые монтмориллониты снижают водопроницаемость песка (при насыщении песка частицами минерала примерно на 30% он становится практически непроницаемым).

Использование комплексов ССК при бурении несвязных дисперсных грунтов с безглинистыми полимерными растворами осложняется тем, что стенки скважины оплывают при наращивании и извлечении керноприемной трубы. Практический опыт сооружения скважин в аналогичных условиях на одном из железорудных месторождений Хабаровского края показал, что применение импортных буровых станков, позволяющих производить наращивание бурильной колонны без отрыва от забоя, не решает проблемы устойчивости за счет применения полимерных безглинистых растворов.

Особенно остро эта проблема возникает при бурении наклонных скважин комплексами ССК. В качестве примера можно привести сооружение наклонных скважин комплексами ССК-HQ на одном из золоторудных месторождений Томской области (глубина скважин до 150 м). Применение безглинистых полимерных растворов с содержанием полимеров акрилового ряда с высокой молекулярной массой (18-20 млн да) 0,20,5 масс.% не позволило осуществлять бурение скважин без геологических осложнений, что в конечном итоге при-

вело к невыполнению подрядных работ в указанные сроки. Кроме этого, необходимо отметить актуальность сооружения скважин глубиной более 1000 метров (например, Норильский промышленный узел). По данным главного технолога ООО «Норильскгеология» применение промывочных жидкостей, обладающих эффектом тиксотропии (структурообразование в состоянии покоя), позволяет более успешно перебу-ривать тектонические нарушения. Вышеизложенное позволяет сформулировать цель данной исследовательской работы: исследование синергетического эффекта биополимерных растворов и монтмориллонитовых глин Таганского и Черногорского месторождений, наиболее доступных для потребителей Красноярского края.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Бентонитовые глины Таганского месторождения. Бентониты, использующиеся для приготовления растворов с низким содержанием твердой фазы, должны обеспечивать высокий выход раствора заданной вязкости из единицы массы глины. По данным Е.М. Сапарга-лиева [13] выделенные в отдельный технологический тип щелочные и щелочноземельные бентонитовые глины Таганского месторождения, основные характеристики которых приведены в табл. 1, 2, позволяют получать порошки в природном виде с выходом бурового

3

раствора более 18 м /т (14 горизонт щелочных бентонитов) и 16-18 м3/т (в смеси 13+14 горизонты).

Анализ приведенных в табл. 1, 2 данных показывает, что монтмориллониты Таганского месторождения образуют незаконченный переходный ряд от

Таблица 1

Средний химический состав бентонитовых глин по горизонтам Таганского месторождения

Номер горизонта Химический состав, соде ржание в весовых процентах

SlO2 Т1О2 АЬОэ Fe2Oз СаО MgO К2О N20 Н2О ШШ S0з

12 52,45 0,20 21,11 2,60 2,06 2,82 0,13 0,58 11,3 12,3 0,32

13 56,06 0,63 16,11 8,00 1,96 2,63 0,06 0,45 7,15 10,97 0,17

14 55,48 0,30 19,38 4,40 1,98 2,18 0,14 0,51 8,49 11,31 0,18

Примечание. ППП - потери при прокаливании.

Таблица 2

Обменная емкость монтмориллонитов по площади Таганского месторождения

Природные Содержание обменных катионов в глинах,

разновидности мг-экв/100 г сухого вещества

N+ К+ Са++ Мв++ Сумма

Щелочные 35,4-43,0 4,0-5,2 26,2-28,3 20,1-24,3 85,7-101,8

Переходные 14,5-18,8 2,1-2,5 36,3-45,3 27,1-30,3 80,0-96,9

Щелочноземельные 4,0-14,5 2,1-2,5 45,0-55,3 30,0-35,3 81,1-107,6

чисто щелочно-земельных разновидностей до монтмориллонитов, в которых обменный катион натрия преобладает в отдельности над катионами кальция и магния, а по сумме уступает. Преобладание натриевого обменного комплекса в отдельности над кальциевым и магниевым компонентами повышает активность бентонитов и увеличивает выход из них бурового раствора в щелочных бентонитах Таганского месторождения. Кроме того, сумма катионов кальция превышает сумму катионов магния, что также положительно влияет на их свойства.

Исследование морфологии частиц естественных Таганских монтмориллонитов методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения показало, что натриевая форма монтмориллонита имеет редко встречающуюся удлиненную брусковидную желобкообразную форму. Размер желобков составляет 50-150 нм в поперечнике, длина 700-1000 нм. [15]. Такая форма глинистых частиц объясняется строением октаэдрического слоя монтмориллонитов и содержанием в них катионов Fe3+ и Mg2+, которые слишком велики (0,65А°-0,67А°), чтобы строго соответствовать решетке монтмориллонита. В результате монтмориллонито-вые минералы со значительными замещениями этими ионами приобретают направленные напряжения, проявляющиеся в удлиненной щепковидной или игольчатой форме частиц. Д.Д. Котельников в [8] показал, что «удлиненно-чешуйчатый» монтмориллонит характеризуется более высоким, чем собственно монтмориллонит, отрицательным

зарядом слоев. Это подчеркивается, в частности, способностью указанного образования интенсивно фиксировать ион калия при обработке его КОН, в отличие от продуктов аградации монтмориллонита (химический состав представлен в табл. 1, горизонты № 13 и 14). Содержание монтмориллонита в глинах составляет 85-97,8 %.

Использование природных монт-мориллонитовых глин для приготовления растворов с низким содержанием твердой фазы в виде «комовых» глин для лабораторных исследований основывается на ионном обмене. В монтмориллоните и вермикулите около 80% обменных катионов размещено на ба-зальной поверхности, а остальная часть - по краям. Скорость обменных реакций у монтмориллонита более медленная, чем у каолинита, в связи с тем, что требуется определенное время для проникновения воды между слоями глинистых частиц (по данным Р.Грима требуется несколько часов). Хаузер и Рид показали, что емкость катионного обмена монтмориллонита не зависит от размера частиц. Однако в некоторых монтмориллонитах, вследствие местных замещений в решетке, она зависит от природы обмениваемого катиона, размеров частиц и т.д. Недоступность поверхности базальной плоскости будет увеличиваться с уменьшением размеров частиц. Например, Келли и Дженни показали, что растирание глинистых, а также неглинистых минералов вызывает увеличение емкости катионного обмена. Рентгенометрическое исследование измельченного материала показало, что дифференциальные кольца расширяют-

ся, становятся более диффузными и полностью исчезают после длительного растирания, т.е структура постепенно разрушается [4].

Черногорское месторождение. Минералогический состав глин Черногорского месторождения определен на основе данных рентгеноструктурного анализа, проведенного на дифрактомет-ре фирмы Shinadzu XRD-6000. Химический состав бентонита представлен в табл. 3. Минералогический состав бентонита (%): каолинит 7-8; монтмориллонит 75-85; гидрослюда 3-5; хлорит 12; кварц 7-8; полевой шпат 3-5; карбонаты 10-12; органическое вещество 1-2 [11]. По составу ионообменного комплекса черногорский бентонит щелеч-ноземельный, поэтому для активации подвергается обработке кальцинированной содой.

Экспериментальная часть. Подготовка бентонитов к исследованию. Известно [14], что в состав бентонитов нередко входят различные количества неглинистых минералов кварца, кристобалита, тридимита, кальцита, доломита, гипса, пирита, фосфатов, полевых шпатов и др. Гли-нопорошок Таганского месторождения (см. табл. 1) был предоставлен инженером ООО «Алтайская сырьевая компания» О.А. Масловой, а бентонит Черногорского месторождения - специалистами Красноярской буровой компании. Готовили 1% водные суспензии глины (вода дистиллированная), тщательно перемешивали с помощью механической мешалки и оставляли в состоянии покоя 24 часа, затем декантировали сифоном наиболее высокодисперсную фракцию. Мо-номинеральность полученных образ-

Средний химический состав бентони

цов проверяли с помощью рентгенографии. Как показала проверка, вышеперечисленных операций оказалось достаточно для получения чистых образцов монтмориллонита. В [6] показано, что истинная причина различных значений рН суспензий глинистых минералов заключается не в количестве окислов, входящих в состав кристаллической решетки того или иного минерала, а в природе поглощенного иона и наличии в суспензии растворимых солей, т.е. тип обменных катионов существенно влияет на величину рН. Поэтому бентониты, обладающие большой емкостью обмена и содержащие щелочно-земельные катионы (Са2+ и Mg2+) и реже щелочные (К+, №+), будут иметь щелочную реакцию водных растворов. Глины, характеризующиеся небольшой емкостью обмена, имеют рН=7,0. М.С. Мерабишвили [10] показал, что добавление кальцинированной соды в количестве 1-3% от массы глины заметно ускоряет процесс ионообмена в водной среде, что способствует переходу глин в натриевую форму. В глинистые суспензии из Таганского бентонита добавляли 1% кальцинированной соды от массы глины.

Методика исследований. Вязкость, или в более общем смысле -кривая течения, представляет собой фундаментальную характеристику механических свойств жидкости [9]. Поэтому этот параметр широко используется в различных приложениях. Результаты измерений соотношения между напряжениями и скоростью деформации представляют собой основу для объективной оценки структурно-механических свойств биополимер-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таблица 3 : глин Черногорского месторождения

Номер пласта Химический состав, содержание в весовых процентах

S1O2 T1O2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O N2O H2O ШШ SO3

7 60,81 0,87 18,22 5,44 1,69 2,43 1,94 1,25 5,39 6,32 0,02

8 65,69 0,57 17,36 2,26 1,55 2,54 1,48 1,36 4,68 5,89 0,05

Примечание. ППП - потери при прокаливании.

глинистых суспензий, приготовленных из монтмориллонитовых глин Таганского и Черногорского месторождений. В приготовленные глинистые (1%) суспензии добавляли различные биополимеры отечественного и импортного производства в количестве 0,5 масс.%. Концентрация биополимера была определена в результате анализа экспериментальных работ, представленных в [2]. Понижение вязкости биополимерных растворов в пластовой воде по сравнению с их вязкостью в пресной не является величиной постоянной при разных концентрациях биополимера. Так, например при концентрации ксан-тана 0,2 масс.% разница вязкости в пресной и пластовой водах в 4 раза превышает таковую при концентрации ксантана 0,1 масс.%. При концентрациях 0,3 и 0,2 масс.% ее величина около 3, а при 0,5 и 0,3 масс.%. - около 1,8.

Таким образом, при более низких концентрациях ксантана влияние состава воды на вязкость более значительно, чем при высоких. Вязкость растворов биополимеров является важнейшей реологической характеристикой. На вязкость любого полимера влияют прежде всего факторы, определяющие объем, занимаемый макромолекулой в растворе: молекулярная масса, характер взаимодействия растворителя с полимером, строение полимера и концентрация раствора [12].

Реологические свойства растворов с низким содержанием твердой фазы. Экспериментальные точки аппроксимируются теми или иными приближенными уравнениями, и выбор наиболее удобного из них во многом определяется удобством его применения при прикладных расчетах. Существует множество материалов, которые не текут при низких напряжениях сдвига, или, по крайней мере, их вязкость в этой области столь высока, что ею можно пренебречь при технологических приложениях. Однако в широкой области более высоких напряжений сдвига эти материалы могут течь и транспор-

тироваться как любые другие жидкости. Для характеристики свойств таких материалов необходимо ввести понятие о пределе текучести ту как одном из фундаментальных параметров. В литературе [9] предлагается большое количество различных реологических уравнений для таких материалов. К числу наиболее простых относятся следующие уравнения:

-уравнение Бингама т = ту + чру; (1)

-уравнение Кэссона

т ; (2) -уравнение Хершеля-Балкли

т = ту-КГп . (3)

Во всех этих уравнениях ту - предел текучести; gp - «пластическая вязкость»; K и n - экспериментально определяемые параметры. Пластическая вязкость gp - величина, отличная от эффективной вязкости g жидкости. Согласно стандартному определению, g = т/у, так что эффективная вязкость бингамовской вязкопластичной среды выражается как

г ■ ■ (4) ч = ъ + Чу

Последнее уравнение показывает, что эффективная вязкость бингамовской среды убывает с ростом скорости сдвига. В пределе при низкой скорости сдвига g^-ro, а при высокой скорости сдвига эффективная вязкость приближается к gp. Все эти уравнения справедливы только при т > ту.

Все приведенные выше уравнения показывают, что сразу после перехода через предел текучести эффективная вязкость жидкости, определенная стандартным образом, очень велика. Это не отвечает действительности, поскольку сразу после разрушения структуры, при т > ту, материал течет как обычная жидкость с не очень высокой вязкостью. Поэтому необходимо модифицировать уравнение Хершеля-Балкли следующим образом [9]. Принимаем условие, что вязкость неограниченно высока при т< ту, а в области течения реологические

свойства жидкости описываются степенным законом Оствальда-ДеВале т= K у", причем предполагается, что степенной закон выполняется только в области т > ty. Тогда модель такой вязкопластич-ной среды приобретает следующий вид: f ОС, при Т < Tj,

г " 1 -;■■ r?i: 7 ::= 7у •

Исследование реологических свойств полимерглинистых суспензий проводили в лаборатории буровых промывочных жидкостей кафедры бурения нефтяных и газовых скважин Сибирского федерального университета на ротационном вискозиметре фирмы OFITE (модель 900), позволяющем рассчитывать реологические параметры уравнения (5) в автоматическом режиме с использованием программного обеспечения ORCADA. Исследования проводили по методике, изложенной в ISO 13503-1 (зарегистрировано Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии ФГУП «Стандартин-форм», номер регистрации: 5364/ISO, дата регистрации 31.03.2011).

Результаты исследований и их обсуждение. В табл. 4 представлены результаты реологических измерений растворов с содержанием глины 1 масс.% и биополимера 0,5 масс.%. Анализ экспериментального материала наглядно показал, что при взаимодействии 1% глинистых суспензий с биополимерами различных торговых марок отечественного (Биоксан, Гаммаксан, Петроксан) и зарубежного производства (Флоксан, Дуовис, Баразан, Экстра-кс) реологические параметры возрастают на 21-59%. Кроме этого, необходимо отметить, что все исследуемые суспензии обладают тиксотропным эффектом, что подтверждается измеренными значениями статического напряжения сдвига (гель 1, гель 10), которые изменяются от 4 до 11 Па через 10 секунд и от 5 до 12 Па через 10 минут покоя. Синергетиче-ский эффект проявляется сильнее при использовании глинистых суспензий, приготовленных из глины Таганского месторождения. Показатель нелинейно-

сти суспензий находится в пределах 0,24-0,36, что позволяет прогнозировать пологий профиль скоростей и соответственно более улучшенную выносную способность исследованных суспензий. Это позволяет рекомендовать биополи-мерглинистые суспензии для применения с комплексами ССК при бурении в сложных горно-геологических условиях. Нелинейность графиков консистенции буровых растворов определяется с помощью ротационного вискозиметра с большим набором частот вращения. Поэтому, по мнению Грея и Дарли полезность реологических параметров PV и YP ограничена. Для прогнозирования характера течения при малых скоростях сдвига лучше рассчитывать эффективную вязкость при преобладающей в трубе и затрубном пространстве скорости сдвига. На рисунке представлены вязкостно-скоростные кривые течения биополимерглинистых суспензий, содержащих 1 масс.% глины и 0,5 масс.% ксантана. Каждая точка на кривых течения соответствует состоянию динамического равновесия между процессами изменения и восстановления структуры. При течении происходят обратимые изменения состояния и структуры поли-мерглинистых суспензий. Это явление всегда протекает во времени и называется тиксотропией, что подтверждается экспериментальным материалом -наличием петли гистерезиса. Снижение вязкости исследуемых суспензий с увеличением скорости сдвига объясняется тем, что повышение вязкости может быть обусловлено межмолекулярными взаимодействиями (например, в случае водородного соединения), которые с увеличением скорости сдвига разрушаются. При этом очевидно, что среднее расстояние между нитями спирали ксантана равно радиусу действия по закону Кулона сил отталкивания между многочисленными отрицательно заря-женны-ми группами COO, находящимися на нитях спирали. Это обеспечивает максимально возможное между ними расстояние, что вызывает уменьшение

Таблица 4

Реологические параметры биополимер-глинистых суспензий ( содержание глины 1 масс.%, биополимер 0,5 масс.%) при

варьировании скорости сдвига от 50 до 1022 с"1

Cd tt п н S м

О

ю

№ п/п Глина Биополимер pH-1* pH-2** Гель!, Па ГельЮ, Па Реологические параметры обобщенного степенного закона

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

п Kv К Kf Кр R2

1 - Bioxan 7,48 - 5 5 0,27 2,404 2.297 2,733 2,641 0,993

2 ПБМА(Ч) Bioxan 10,22 9,79 5 6 0,2632 2,7170 2,5953 3,087 2,9842 0,9958

3 Таганка Bioxan 9,76 8,94 6 7 0,2563 2,9157 2,7841 3,3113 3,2018 0,9948

4 - Duovis 6,50 - 5 5 0,26 2,402 2,295 2,730 2,639 0,994

5 ПБМА(Ч) Duovis 10,05 9,70 5 6 0,2761 2,4285 2,3213 2,7608 2,6679 0,9926

6 Таганка Duovis 9,60 8,96 5 6 0,2629 3,009 2,8742 3,4187 3,305 0,9934

7 - Floxan-200 6,70 - 6 7 0,30 2,456 2,352 2,794 2,698 0,985

8 ПБМА(Ч) Floxan-200 10,26 9,69 7 8 0,2549 3,4519 3,2957 3,9197 3,9703 0,9927

9 Таганка Floxan-200 9,74 8,71 8 8 0,2642 3,9168 3,7416 4,4504 4,3021 0,9906

10 - Gammaxan 7,090 - 8 8 0,36 3,666 3,522 4,162 4,018 0,996

11 ПБМА(Ч) Gammaxan 10,55 10,21 8 8 0,2899 2,9022 2,7763 3,3001 3,1886 0,9866

12 Таганка Gammaxan 9,91 9,16 11 12 0,3081 4,7264 4,5260 4,5763 5,1920 0,9759

13 - Petroxan 7,40 - 4 5 0,2646 2,00334 1,91374 2,2763 2,2004 0,9812

14 ПБМА(Ч) Petroxan 10,18 9,35 4 5 0,2737 2,2213 2,1230 2,5251 2,4403 0,9959

15 Таганка Petroxan 9,6 8,62 5 6 0,2571 3,0365 2,8995 3,4486 3,3346 0,9941

16 - Экстра-КС 6,50 - 5 6 0,3359 1,9168 1,8386 2,1794 2,1041 0,9932

17 ПБМА(Ч) Экстра-КС 10,18 9,5 6 6 0,2935 3,1426 3,0068 3,5744 3,4527 0,9850

18 Таганка Экстра-КС 9,6 9,19 5 6 0,2859 2,6268 2,5131 2,9882 2,8870 0,9892

19 - Barazan 6,25 - 5 6 0,3552 2,5536 2,4521 2,9001 2,8007 0,9809

20 ПБМА(Ч) Barazan 10,18 9,45 5 6 0,2825 2,6588 2,5425 3,024 2,9213 0,9941

21 Таганка Barazan 9,6 8,96 6 7 0,2477 3,6628 3,4958 4,1569 4,0208 0,9900

п

к о -1

о о н

ы

S

п

» о

п К С

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

SS

V!

к о

U)

п §

п

hd

>

И Я

К)

о

Примечание. ПБМА(Ч) - Черногорский глинопорошок; Таганка - глинопорошок Таганского месторождения:К, - коэффициент консистенции, зависимый от геометрии вискозиметра (мПас11); К - независимый от геометрии вискозиметра коэффициент консистенции (мПас11); коэффициент консистенции в щели (мПас11); Кр - коэффициент консистенции в трубе (мПас11); Я2 - коэффициент корреляции.

Реологические параметры и коэффициент корреляции обобщенного степенного закона рассчитывались по 52 экспериментальным точкам.

Зависимость вязкости биополимерглинистыхрастворов от скорости сдвига

межмолекулярного взаимодействия. В данном случае нити могут легче двигаться относительно друг друга и псевдопластичность уменьшается. Таким образом, увеличение вязкости при низкой скорости сдвига происходит в результате распада двойных спиралей, исчезает сильное межмолекулярное куло-новское отталкивание. Изменение вязкости биополимерных растворов с повышением скорости сдвига указывает на способность этих систем образовывать тиксотропные структуры, обусловленные ориентацией расположенных

линейно молекул полимера. Тиксотроп-ные коагуляционные структуры способны полностью восстанавливаться после разрушения. С ростом градиента скорости напряжение сдвига повышается. Необходимо отметить, что в области скоростей и напряжений сдвига, в которой суспензии ведут себя как неньютоновские жидкости, зависимость вязкости от физико-химических свойств ослабевает с увеличением интенсивности их деформирования. На кривых течения эта область наиболее ярко выра-

жена при деформации, возникающей при скорости сдвига 400-1022 с-1.

Заключение. Выявлен и экспериментально доказан синергетический эффект при взаимодействии глинистых 1% суспензий, приготовленных из глин Черногорского и Таганского месторождений, с биополимерами ксантанового типа. Причем более ярко выраженный эффект проявляется при использовании таганской глины, что позволяет рекомендовать ее к широкому применению для приготовления буровых растворов при бурении скважин в сложных горногеологических условиях. Выявленный эффект синергизма показал, что можно получать суспензии с малым содержанием глины в виде устойчивых структурированных систем.

Библиографический список

1. Вредные вещества в промышленности. Т. III: Неорганические и эле-ментоорганические соединения / под ред. Н.В. Лазарева, И.Д. Гдаскина. Л.: Химия, 1977. 608 с.

2. Гвоздяк Р.И., Матышевская М.С., Григорьев Е.Ф. и др. Микробный полисахарид ксантан. Киев: Наук. думка, 1989. 212 с.

3. Грей Дж.Р., Дарли Г.С.Г. Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей): пер. с англ. М.: Недра, 1985. 509 с.

4. Грим Р.Е. Минералогия глин. М.: Недра, 1959. 452 с.

5. Грим Р.Е. Минералогия и практическое использование глин. М.: Мир, 1967. 510 с.

6. Гудок Н.С., Богданович Н.Н., Мартынов В.Г. Определение физических свойств нефтесодержащих пород. М.: Недра, 2007. 592 с.

7. Дедусенко Г.Я., Иванников В.И., Липкес М.И. Буровые растворы с малым содержанием твердой фазы. М.: Недра, 1985. 160 с.

8. Котельников Д.Д., КонюховА.И. Глинистые минералы осадочных пород. М.: Недра, 1986. 247 с.

9. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения. СПб.: Профессия, 2007. 560 с.

10. Мерабишвили М.С. Бентонитовые глины. Л.: Госгеолтехиздат, 1962. 128 с.

11. Никифорва Э.М., Еромасов Р.Г., Ступко Т.В. и др. Физико-химические процессы перехода от конденсационной к кристаллизационной структуре в керамических системах «бентонит-минерализатор» // Фундаментальные исследования. 2013. №1. С.723-726.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

12 Рафиков С.Р., Павлова С.А., Твердохлебова И.И. Методы определения молекулярных весов и полидисперсности высокомолекулярных соединений. М.: Изд-во АН ССР, 1963. 335 с.

13. Сапаргалиев Е.М. Формирование, закономерности размещения и разработка новых технологий использования бентонитовых глин Восточного Казахстана: автореф. дис. ...докт. г-м.наук. Усть-Каменогорск, 2010. 142 с.

14. Тарасевич Ю.И., Овчаренко Ф.Д. Адсорбция на глинистых минералах. Киев: Наукова думка, 1975. 350 с.

15. Финевич В.П., Аллерт Н.А., Карпова Т.Р., Дуплякин В.К. Современное состояние процесса каталитического риформинга бензиновых фракций. Опыт производства и промышленной эксплуатации катализаторов риформинга серии ПР // Журнал Рос. хим. общ-ва им. Д.И. Менделеева. 2007. Вып. 4. С. 69-74.

References

1. Harmful substances in industry. V. III. Inorganic and element-organic compounds. [Verednye veschestva v promysh-lennosti. Neorganicheskie I elemento-organicheskie soedinenija]. Lazarev N.V., Gdaskin I.D. (Eds.) L.: Chemistry, 1977, 608 p.

2. Gvozdjak R.I., Matyshevskaya M.S., Grigorjev E.F., Livinchuk О.А. Microbe polysaccharide of xanthans. [Mikrobniy polisaharid xantan]. Kiev: Naukova Dumka, 1989, 212 p.

3. Gray J.R., Dralie G.S.G. Composition and properties of drill agents (wash liquids). [Sostav I svoistva burovyh agentov (promyvochnyh zhidkostey)]. Moscow: Nedra, 1985, 509 p. (translated from English).

4. Greem R.E. Clay mineralogy. [Mineralogia glin]. Moscow: Nedra, 1959, 452 p.

5. Greem R.E. Clay mineralogy ansd its practical use. [Mineragi I prakticheskoe ispolzovanie glin]. Moscow: Mir, 1967, 510 p.

6. Gudok N.S., Bogdanovich N.N., Martynov V.G. Determination of physical properties of oil-containing rocks. [Opre-delenie fizicheskih svoistv nefte-soderzhaschih porod]. Moscow: Nedra, 2007, 592 p.

7. Dedusenko G.Ya., Ivannikov V.I., Lipkes M.I. Drill mud with minor content of solid phase. [Burovye rastvory s malym soderzhaniem, tverdoy fazy]. Moscow: Nedra, 1985, 160 p.

8. Kotelnikov D.D., Konjukhova A.I. Clay minerals of sedimentary rocks. [Glin-istye mineraly osadochnyh porod]. Moscow: Nedra, 1986, 247 p.

9. Malkin A.Ya., Isaev A.I. Rheolo-gy: concepts, methods, applications. [Reo-logia: koncepcii, metody, prilozhenia]. St.Pt.: Professia, 2007, 560 p.

10. Merabishvili M.S. Bentonite clays. [Bentonitovye gliny]. L.: GosGeolTehIzdat, 1962, 128 p.

11. Nikiforova E.M., Eromasov R.G., Stupko T.V., Kravtsova E.D., Spektor Yu.E. Physico-chemical processes of transition from condensation to crystal-

lization structure in ceramic systems -ben-tonite-mineralizator". [Fizico-himicheskie procecci perehoda ot kondensacionnoy k kristallizacionnoy strukture v keramichskih sistemah «bentonit-mineralizator»]. Fundamental research. 2013, no. 1, pp.723726.

12. Rafikov SR., Pavlova S.A., Tverdohlebova I.I. Methods of determination of molecular weights and multidispersion of high-molecular compounds. [Metody opredelenia moleculjarnyh vesov i polidispersnosti vysokomolekuljarnyh soedinenii]. Moscow: Publ. H. Ac.Sci. USSR, 1963, 335 p.

13. Sapargaliev E.M. Formation pattern of distribution and development of new technologies to utilize bethonite ores of Eastern Kazakhstan. [Formirovanie, za-konomernosti razmeschenia I razrabotka novyh tehnologii ispolzovania bentoni-tovyh glin Vostochnogo Kazahstana]. Avtoreferat Dokt. Diss. - Abstract of Doct. Thes. Geol.Min.Sci. Ust-Kamenogorsk, 2010, 142 p.

14. Tarasevich Yu.I., Ovcharenko F.D. Adsorption on clay minerals. [Ad-sorbtcia na glinistyh mineralah]. Kiev: Naukova Dumka, 1975, 350 p.

15. Finevich V.P., Allert N.A., Kar-pova T.R., Duplyakin V.K. Recent status of the process of catalytic reforming of benzene fractions. [Sovremennoye sos-tojanie processa kataliticheskogo reforminga benzinovyh frakcii]. Zhurnal Ross. Him. Obsch. - J. Russ. Chem. Soc. after Mendeleev. 2007, issue 4, pp. 69-74.

Рецензент кандидат технических наук, доцент Иркутского государственного технического университета Л.В. Николаева