Bài giảng Dung dịch khoan – ximăng: Chương 2 - Đỗ Hữu Minh Triết - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

Sét K nếu không gia công hóa học thì không tạo thành dung dịch tốt.[r]

(1)

DUNG DỊCH SÉT

2-2 Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết I SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG

II DUNG DỊCH SÉT

III CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA DUNG DỊCH SÉT IV ĐIỀU CHẾDUNG DỊCH SÉT

GEOPET I SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG

1.1 Sựhình thành phân loại

1.2 Các tính chất

a Tính dẻo b Tính chịu nhiệt c Tính hấp phụ

d Khả năng sét tạo thành huyền phù bền vững e Tính trương nở

f. Tính ỳvới hóa học

GEOPET I SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG 1.1 Sựhình thành phân loại

Sét loại đá trầm tích phổbiến vỏtrái đất, có khả tác dụng với nước thành vật thểdẻo giữnguyên trạng thái có sẵn khơ, nung lên có độcứng cao

Sét khống chất phyllosilicat nhơm ngậm nước, hình thành kết quảcủa q trình phong hóa khoáng vật fenpat, silicat, cacbonat cảđất đá macma

(2)

2-5

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết I SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG

Hình thành

Môi trường axit

K2OAl2O3.6SiO2+ CO2+ 2H2O = K2CO3+ 4SiO2+ Al2O3.2SiO2.2H2O

Fenspat Kaolinit

Môi trường kiềm

K2OAl2O3.6SiO2+ CO2+ H2O = K2CO3+ 2SiO2+ Al2O3.4SiO2.H2O

Fenspat Montmorillonit

2-6

GEOPET

Phân loại

Theo nguồn gốc hình thành: sét eluvi sét trầm tích

• Sét eluvi:sựtích tụtại chỗcủa sản phẩm phong hóa từđất đá • Sét trầm tích:do sựdịch chuyển lắng đọng chỗkhác

của sản phẩm đất đá bịphong hóa

Trong loại sét trên, người ta lại chia nhỏthành sét lục địa sét biển

Theo thành phần khoáng vật sét: chia sét thành nhiều loại, nhóm, nhóm có thành phần hóa học mạng tinh thểkhác Một dấu hiệu xác định khoáng vật sét tỉsố

Al2O3/SiO2 Tỉsốnàyđánh giá khả trương nởvà phân tán sét gặp nước Tỉsốcàng nhỏthì tính ưa nước đất sét mạnh, sét trương nởvà phân tán mạnh nước

2-7

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết I SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG Theo tỉsốAl2O3/SiO2, có nhóm sét phổbiến quan trọng là:

Al2O3.2SiO2.2H2O

Al2Si2O5(OH)4

Al2O3.3SiO2.2H2O

(K,H3O)(Al,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10[(OH)2,(H2O)]

Al2O3.4SiO2.H2O

(Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·n(H2O)

Công thức phân tử

1/2

Kaolinit (K)

1/3

Hydromica (H)

1/4

Montmorillonit (M)

Tỉsố Al2O3/SiO2 Nhóm sét

2-8

GEOPET

Nhóm Montmorillonit (M)

– Công thức thực nghiệm: Na0.2Ca0.1Al2Si4O10(OH)2(H2O)10 – Tìm thấy vào thếkỉXIX

– Gồm Montmorillenit, beidellit, palưgorkit Có màu trắng hồng, đỏ

nâu, xanh nhạt Mạng tinh thểcó khả mởrộng nên bị

(3)

2-9 Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết

Nhóm Hydromica (H)

– Cơng thức thực nghiệm: K0.6(H3O)0.4Al1.3Mg0.3Fe2+

0.1Si3.5O10(OH)2·(H2O) – Gồm: Ilit, brammalit, montmoternit

– H thường gặp ởdạng sản phẩm phong hóa tầng khống sản kaolin

Nhóm Kaolinit (K)

– Là khống vật phổbiến nhất, gồm kaolinit, dikkit, hakrit, naluazit Màu xám sáng, màu vàng, màu xanh da trời Khi có oxit sắt sẽcó màu từhồng đến đỏ

– K tạo thành ởđiều kiện phong hóa bềmặt mơi trường axit – Được dùng nhiều sản xuất giấy, thành phần quan trọng để

sản xuất giấy glossy

Để điều chếdung dịch sét nhóm M tốt Đất sét chứa nhiều M gọi là sét bentonit Sét K khơng gia cơng hóa học khơng tạo thành dung dịch tốt Sét H có tính chất trung gian loại trên.

GEOPET I SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG

Kaolin Kaolinit

Một mỏkaolin ởBulgaria

GEOPET I SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG 1.2 Các tính chất

a Tính dẻo:khả đất sét hợp với nước thành khối bột nhão Dưới tác dụng ngoại lực, khối bột nhão có thểbiến dạng khơng bịđứt, nứt Hình dạng giữngun sau ngừng tác dụng lực hay đem phơi khô nung nóng

Phân loại: Sét dẻo cao (rất dẻo) - dẻo trung bình (dẻo) - dẻo vừa phải (khá dẻo) - dẻo thấp (hơi dẻo) - không dẻo

Tính dẻo phụthuộc chủyếu vào thành phần khống vật sét, mức độphân tán chúng, lượng nước có chúng lượng muối hòa tan chứa nước

(4)

2-13

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết I SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG b Tính chịu nhiệt:xác định khả chếtạo sản phẩm chịu nhiệt

sửdụng cơng nghiệp, đặc trưng nhiệt độnóng chảy – Sét chịu nhiệt: to

nc> 1580oC – Sét khó nóng chảy: to

nc= 1350 - 1580oC – Sét dễnóng chảy: to

nc< 1350oC

Sét K có độchịu nhiệt cao M H có độchịu nhiệt kém, dễnóng chảy.

2-14

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết I SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG c Khả hấp phụ:khả sét hấp phụlên bềmặt

các ion phần tửcủa môi trường xung quanh

Sét M có tính hấp phụtốt Tính hấp phụcủa sét ứng dụng làm dầu mỡtrong công nghiệp thực phẩm, dầu hỏa, làm nước.

2-15

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết I SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG d Khả sét tạo thành huyền phù bền vững

Sét M Beidellit ởdạng tựnhiên có khả tạo thành huyền phù có thừa nước

Trong huyền phù hạt sét riêng biệt bịdính lại với nồng độ

sét nước đủlớn chúng sẽtạo thành mạng lưới liên tục tồn bộthểtích huyền phù Mạng lưới ngăn cản hạt lớn

cát không bịlắng xuống huyền phù

Dung dịch sét dùng khoan địa chất yêu cầu có khả giữđược hạt chất làm nặng (barit, hematit ) hạt mùn khoan ởtrạng thái lơ lửng

2-16

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết I SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG e Tính trương nở: khả tăng thểtích sét bịthấm nước gọi

là tính trương nở

Sét có cấu tạo thành phần khác tính trương nởcủa chúng khác Một yếu tốxác định tính trương nởlà thành phần khoáng vật sét Sét Na (M) nởmạnh Các loại sét sau có tính nởgiảm dần là: Beidellit, Monnoternit, Hydromica, Kaolinit (hầu không nở)

(5)

2-17 Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết f Tính ỳvới hóa học: tính chất sét khơng tham gia vào liên kết hóa

học với vài loại axít hay kiềm

Nguyên nhân tượng thành phần hóa học sét

Ứng dụng: K tạo nên độcứng độchịu axit cao su làm trắng giấy, B dùng đểtạo nhiều bọt cơng nghiệp xà phịng

2.1 Khái niệm vềdung dịch

2.2 Hệphân tán

2.3 Dung dịch sét

GEOPET II DUNG DỊCH SÉT

2.1 Khái niệm vềdung dịch:đường kính φhạt hòa tan <10-6mm. Dung dịch hệđồng thểbao gồm hay nhiều vật chất Vật chất bị

phân chia thành phân tửriêng biệt gọi làchất hòa tan Cịn chất chứa phân tửbịphân chia gọi làmơi trường hòa tan

Dung dịch thật: nước muối, dung dịch kiềm, dung dịch axit Trong chất hịa tan bịphân chia thành phân tử, nguyên tửhay ion phân bốđều mơi trường hịa tan Tính chất dung dịch thật không thay đổi khơng đểmột phản ứng hóa học xảy chúng Ngồi dung dịch thật cịn có loại dung dịch khác phần tử

bịphân chia phân tửbao gồm hàng chục, trăm, nghìn hay hàng triệu phân tửví dụ như: sữa, thủy tinh lỏng (Na2SiO3), thuốc màu hòa với nước

GEOPET II DUNG DỊCH SÉT

2.2 Hệphân tán:đường kính Φchất phân tán ≥10-6mm.

Là hệbao gồm hay nhiều pha (tướng) mà pha bị

phân chia thành phần tửrất nhỏtrong pha khác Chất bịphân tán thành phần tửrất nhỏgọi chất phân tán hay pha phân tán, chất chứa phần tửnhỏbịchia gọi môi trường phân tán

Hệphân tán chia làm nhiều loại:

– Hệphân tán có mơi trường phân tán chất lỏng:dầu nước, khí tựnhiên dung dịch

(6)

2-21

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết II DUNG DỊCH SÉT

2.3 Dung dịch sét

Khi sét tiếp xúc với nước, nước phủlên khối sét thấm vào bên chúng theo khe nứt vết rạn nhỏ- làm chúng bịphân tán thêm thành phần tửnhỏ Sựphân tán có hiệu

khi có thêm tác dụng lực học hay thủy lực trình phân tán

Kết quảcủa trình phân tán tạo thành hệphân tán gồm pha: pha phân tán sét môi trường phân tán nước

Tùy theo tính chất loại sét mà rơi vào nước, chúng phân tán thành hạt có kích thước khác nhau, mức độphân tán khác tạo thành các hệphân tán có chất lượng khác nhau.

Hệphân tán keo: kích thước hạt sét từ10-6- 10-4mm

Hệthống huyền phù: kích thước hạt >10-4mm

2-22

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết II DUNG DỊCH SÉT

Do thành phần sét tự nhiên không đồng nên loại sét tiếp xúc với nước, tất cảcác hạt sét đạt tới kích thước định, mà bên cạnh hạt sét nhỏvẫn hạt sét lớn, cấu tạo thân không thểphân tán nhỏ Như vậy, dù

điều chếbằng bất cứmột loại sét ta thu hệ

phân tán đồng chất

Trong dung dịch sét tồn hai hệphân tán: hệphân tán keo hệphân tán huyền phù, gọi hệphân tán keo - huyền phù, chứkhông phải dung dịch ta thường gọi Nhưng thói quen nên người ta dùng tên gọi

Sét Bentonit Na + H2O →các thểmisel (hạt keo)

Do trọng lượng nhỏ+ chuyển động Brawn →Hệphân tán bền vững Sét Bentonit Ca + H2O →không phân chia thành hạt sét nhỏ

→hệphân tán không bền

2-23

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết III CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN

CỦA DUNG DỊCH SÉT Bao gồm thông sốsau:

1 Trọng lượng riêng (γ) Độnhớt (µ)

3 Ứng suất trượt tĩnh (τ) Độthải nước (B) Hàm lượng cát (Π) Độ ổn định (C) Độlắng ngày đêm (O)

o Omega Ω ω m Mu Μµ ps Psi Ψ ψ l Lambda Λ λ ch Chi Χ χ k Kappa Κ κ ph Phi Φ φ i Iota Ι ι u, y Upsilon Υ υ th Theta Θ θ t Tau Τ τ e, ē Eta Η η s Sigma Σ σ, ς z Zeta Ζ ζ r Rho Ρ ρ e Epsilon Ε ε p Pi Π π d Delta ∆ δ o Omicron Ο ο g Gamma Γ γ x Xi Ξ ξ b Beta Β β n Nu Ν ν a Alpha Α α 2-24 GEOPET

CỦA DUNG DỊCH SÉT

3.1 Trọng lượng riêng (ρ, kg/m3)

Trọng lượng riêng dung dịch trọng lượng đơn vịthểtích.

P: Trọng lượng khối dung dịch

V: Thểtích khối dung dịch

m: Khối lượng khối dung dịch

ρ: Khối lượng riêng dung dịch

g: gia tốc rơi tựdo

Trọng lượng riêng dung dịch sét phụthuộc vào tỷlệvà tính chất nước sét đểpha chếdung dịch, phụthuộc vào lượng chất phản ứng, chất làm nặng, cát, bọt, khí.

(7)

2-25 Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết Trọng lượng riêng dung dịch có tác dụng tạo nên áp suất thủy tĩnh

tác động vào thành lỗ khoan đểchống lại tượng sập lở, tượng phun, dầu, khí, nước

Khi khoan vào tầng đất đá có áp lực vỉa cao, dung dịch cần có trọng lượng riêng lớn đểtạo nên áp lực thủy tĩnh lớn thành lỗ

khoan Trong điều kiện khoan bình thường khơng nên tăng trọng lượng riêng dung dịch tác hại sau: làm giảm tốc độ khoan, tăng công suất tiêu hao cho bơm, tăng tổn thất dung dịch vào khe nứt, lỗ

hổng

9Trong điều kiện khoan bình thường: ρ= 1,05 - 1,25 g/cm3 9Trong điều kiện khoan phức tạp: ρ= 1,3 - 1,8 g/cm3

2-26 Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết Trọng lượng riêng xác định phù kế& tỷtrọng kếdạng cân

Tỉtrọng kếdạng cân Phù kế

GEOPET III CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN

CỦA DUNG DỊCH SÉT Mud balance

cup lid

base knife edge

rider spirit level

counterweight graduated arm

Tỷtrọng của một sốthành phần dung dịch thông thường

770 137

18,3 2,2

Muối

874 156

20,8 2,5

Sét

1500 268

35,8 4,3

Barite

0,8 1,0 g/cm3

Đơn vị

280 50

6,66 Dầu

350 62,4

8,33 Nước

lb/bbl lb/ft3

(8)

2-29

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết

Công thức quy đổi cơ bản:

– Kích thước: in = 2,54 cm, ft = 0,3048 m – Thểtích: in3 = 16,39 cm3; m3= 35,31 ft3 – Khối lượng: kg = 2,205 lbm

– Tốc độ: m/s = 196,85 ft/min = 2,237 mph

– Áp suất: psi = 6,8948 kPa = 0,068 at = 51,715 mmHg – Công suất: kW = 1,341 hp

– Khối lượng riêng: g/cm3= 62,3 lb/ft3= 8,33 lb/gal

Biết dầu có khối lượng riêng ρ= 900 kg/m3,

hãy tính khối lượng riêng của dầu đó bằng đơn vịpsi/ft?

2-30

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết

Ví dụđổi kg/m3thành psi/ft:

– Nước: ρ= 1000 kg/m3= 0,434 psi/ft – Dầu: ρ= 900 kg/m3= 0,39 psi/ft

– Khơng khíởđk thường: ρ= 1,168 kg/m3= 5.10-4psi/ft

3

6,8948 10 6894,8 / 0,3048 0,3048 (6894,8/ 9,81) 2305,89 /

0,3048

psi P N m

ft m m

kg kg m

m

×

= =

2-31

GEOPET

3.2 Độnhớt (µ, cp)

Lưu biến học: nghiên cứu sựbiến dạng chảy vật chất, bao gồm chất rắn có tính dẻo (chất dẻo, cao su,…) chất lỏng phi Newton (dầu, dung dịch khoan, ximăng, sơn, mực in, thực phẩm, dịch thể

người,…) Vềtổng quát, tính lưu biến phụthuộc ứng suất trượt, vận tốc trượt, nhiệt độvà áp suất

Độnhớt: đặc tính lưu chất, thểhiện khả chống lại sựdịch chuyển tương đối phần tửcủa lưu chất

2-32

GEOPET

Chất lỏng Newton:dung dịch khơng chứa phần tửlớn kích thước phân tử: nước, dung dịch muối, dầu, glycerine,… Độnhớt hệsốgóc

đường đặc tính ổn định (consistency curve)

Chất lỏng phi Newton:dung dịch chứa đáng kểcác phân tửkích thước lớn phân tử, bao gồm:

– Chất lỏng Bingham: đặc trưng ứng suất trượt tới hạn (yield-point) -ứng suất tối thiểu đểchất lỏng bắt đầu xuất sựbiến dạng Khi ứng suất vượt quáứng suất trượt tới hạn, chất lỏng tuân theo mô hình Newton Ví dụ: dung dịch sét có hàm lượng hạt rắn cao

– Chất lỏng tuân theo mô hình hàm mũ: quan hệgiữa ứng suất trượt tốc độ

trượt tuân theo quy luật hàm mũ

(9)

2-33 Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết Các mơ hình chất lỏng

Chất lỏng d

ẻo Bingham

Mơ hình h àm mũ lý t

ưởng

Chất lỏng Ne wton Dd khoan điển hình

Độnhớt dẻo

Độnhớt

Ứ

ng s

u

ấ

t t

r

ượ

t t

ớ

i h

ạ

n

Ứ

ng s

u

ấ

t t

r

ượ

t

Tốc độ trượt

Độnhớt thực: tỉsốcủa ứng suất trượt tốc độ trượt

Đối với dung dịch khoan, độnhớt thực tỉlệnghịch với tốc độ trượt Hiện tượng gọi làshear thinning (giảm trượt)

Ứ

ng s

u

ấ

t t

r

ượ

t

Tốc độ trượt V1 V2 V3

µ1µ2

µ3

GEOPET III CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN

CỦA DUNG DỊCH SÉT Trong cần khoan:tiết diện nhỏ, tốc độdung dịch cao

Ỵđộnhớt thấp

Ỵít hao tốn công suất bơm

Trong khoảng không vành xuyến:tiết diện lớn, tốc độdung dịch thấp

Ỵđộnhớt cao

Ỵkhả nâng mùn khoan cao

Tỉsốcủa ứng suất trượt tới hạn (yield point) độnhớt dẻo (plastic viscosity) đặc trưng tỉlệthuận với độlớn tượng giảm trượt Ngồi ra, dung dịch khoan cịn có tượng thixotropy: độbền gel dung dịch tăng theo thời gian sau kết thúc dao động Nếu sau giữ

trạng thái yên tĩnh, dung dịch khoan bị trượt đều, độnhớt sẽgiảm theo thời gian hệthống gel bịbẻ gãy Khi đạt tới trạng thái cân bằng, độ

nhớt ổn định

CỦA DUNG DỊCH SÉT Độnhớt dung dịch <> Tốc độkhoan

9Khi tăng độnhớt dung dịch, khoan đất đá nứt nẻ, nhiều lỗhổng, có áp lực vỉa thấp dung dịch đỡbịmất mát Đồng thời, tăng độnhớt giúp cho việc lấy mẫu đạt tỷlệcao, tạo điều kiện tốt đểmang mùn khoan lên mặt đất tăng độ ổn định thành giếng khoan đất đá bởrời

9Tuy nhiên, độnhớt tăng, tổn hao công suất bơm tăng, hệsốhút

(10)

2-37

GEOPET

Khi khoan qua tầng sét, độnhớt dung dịch sét không ngừng tăng dần lên Vì phải xửlý dung dịch hóa chất pha thêm nước lã vào dung dịch sét theo chu kỳ

Các chất làm giảm độbền gel dung dịch gốc nước lại gây tác dụng ngược: chúng làm phân tán sét thành mảnh nhỏ Các mảnh không thểtách bềmặt mà tiếp tục tuần hồn cịn kích thước keo

Ỵviệc kiểm sốt độnhớt dung dịch khó khăn tốn khoan qua thành hệsét keo dung dịch gốc nước

2-38

GEOPET

Đo độnhớt:trong thực tế thường dùng khái niệm độnhớt qui ước, xác định nhớt kếMarsh: chỉsốchảy loãng dung dịch biểu thịbằng thời gian (đo giây) chảy hết 946 cm3dung dịch qua phểu có dung tích 1500 cm3và đường kính lỗphễu 4,75 mm Ví dụ:độnhớt ổn định nước ở20oC 26s

9Trong điều kiện khoan bình thường: độnhớt T = 30 - 35s

9Trong điều kiện khoan phức tạp: độnhớt T > 60s

Nhớt kếMarsh

2-39

GEOPET

Độnhớt thực µ(mPa shay cp) xác định tỉsốgiữa ứng suất trượt (τ) tốc độ trượt (Vt)

Trong thực tếviệc xác định độnhớt thực khó Độnhớt biểu kiến dung dịch xác định cơng thức thực nghiệm sau:

Trong đó:

θn: sốđo nhớt kếFann, biểu diễn giá trịngẫu lực dung dịch

khoan truyền cho xilanh bên ứng với tốc độquay xác

định nhớt kế Fann, độ N: tốc độcủa nhớt kếFann, vòng/phút

N

n a

θ

µ =300

t

V τ µ=

2-40

GEOPET