Bài giảng Dung dịch khoan – ximăng: Chương 3 - Đỗ Hữu Minh Triết - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

Với một nồng độ nhất định, các cation của chất phản ứng còn có khả năng tạo nên một lớp vỏ bảo vệ dày và bền xung quanh mỗi hạt keo, làm cho tính chất keo của dung dịch tốt hơn.. Các [r]

(1)

CHƯƠNG 3

GIA CƠNG HĨA HỌC

DUNG DỊCH SÉT

GEOPET

3-2 Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết

NỘI DUNG

I MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU GIA CƠNG HĨA HỌC

II GIA CƠNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN

III GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ

IV ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH

V NGUN TẮC GIA CƠNG HĨA HỌC DUNG DỊCH SÉT

GEOPET

I MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU

1.1 Mục đích cơng tác gia cơng hóa học

Gia cơng hóa học dung dịch sét nhằm:

9 Tạo dung dịch có thơng sốthích hợp với điều kiện địa chất Khơi phục tính chất dung dịch bịmất trình khoan

dưới tác dụng đất đá hịa tan, nước khống yếu tốkhác; đảm bảo thỏa mãn yêu cầu công tác thiết kếchếđộkhoan Tạo cho dung dịch tính chất đặc biệt cần thiết, ví dụkhi khoan

qua tầng sập lở, trương nởmạnh, nước nặng nề

Sởdĩđạt mục đích tính chất hóa học, chất phụgia nồng độcủa chúng tạo nên phản ứng hóa học dung dịch làm thay đổi tính chất dung dịch ban đầu.

GEOPET

I MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU

1.2 u cầu gia cơng hóa học dung dịch

Bao gồm yêu cầu sau:

9 Độnhớt dung dịch dù gia công chất phụgia khác phải phù hợp với độnhớt chọn trước

9 Bằng cách phải đạt thông sốyêu cầu dung dịch với lượng tiêu hao chất phụgia (phụgia thừa: khơng kinh tếvàảnh hưởng đến việc điều chỉnh thông sốkhác dung dịch)

(2)

GEOPET

I MỤC ĐÍCH VÀ U CẦU

Thời gian lần đo kiểm tra thông sốdung dịch:

4 0,5 0,5 0,5 4

4 2 4 Độthải nước (B)

Ứng suất trượt tĩnh (θ) Tỉtrọng (γ)

Độnhớt quy ước (T) Hàm lượng cát (Π) Nhiệt độ(to)

Phức tạp Bình thường

Khoảng thời gian lần đo (giờ) Thông số

GEOPET

I MỤC ĐÍCH VÀ U CẦU

Phân loại chất phụgia

Theo tính tan:hịa tan khơng hịa tan; hịa tan chất lỏng hữu Theo độbền muối:không bền, bền trung bình, bền

Theo khả chịu nhiệt:chịu nhiệt không chịu nhiệt

Theo công dụng:chất giảm độthoát nước, chất giảm độnhớt, chất tạo cấu trúc, chất tạo bọt khửbọt, chất bơi trơn,…

Tính chất chất phụ gia thay đổi tùy theo điều kiện nồng độsửdụng nhóm chất phụgia chính:

Các chất điện phân

Các chất keo bảo vệ(các chất ổn định) Các chất với công dụng đặc biệt

GEOPET

II GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN

Các chất điện phân chất vơ hịa tan nước phân ly ion âm (anion) ion dương (cation)

Các chất điện phân hoạt động gây ảnh hưởng dung dịch theo nguyên tắc chung sau:

Các cation chất phản ứng sẽthay thếcác cation liên kết hạt sét (H+, Ca2+, Al3+), phá vỡmối liên kết này, gây tượng phân chia nhỏcác hạt sét →mức độphân tán dung dịch sét tăng Với nồng độnhất định, cation chất phản ứng cịn có khả tạo nên lớp vỏbảo vệdày bền xung quanh hạt keo, làm cho tính chất keo dung dịch tốt Các anion chất phản ứng sẽkết hợp với cation khoáng vật sét

vừa giải phóng Sựkết hợp thường gây kết tủa →sẽtránh ảnh hưởng xấu ion giải phóng gây (thường làm giảm tính keo độ ổn định dung dịch) Khi dung dịch giữ ởtrạng thái keo hàng loạt thơng sốcủa cải thiện

GEOPET

Các chất điện phân điển hình gia cơng dung dịch sét: 1 Na2CO3 (xôđa)

2 NaOH (xút)

3 Na2OnSiO2(thủy tinh lỏng) 4 Na3PO4

(3)

GEOPET

2.1 Natri cacbonat (Na2CO3 - xôđa)

Là chất bột mịn màu trắng đến xám, hút ẩm, dễ hòa tan nước, cần bảo quản nơi khô

Trong dung dịch: Na2CO3→2Na++ CO

2-Các ion Na+thay thếcác ion H+, Ca2+, Al3+có khống vật sét, chia nhỏ

các hạt sét bám quanh chúng tạo nên lớp vỏbảo vệchắc chắn Các ion CO32-sẽkết hợp với ion H+, Ca2+, Al3+vừa được giải phóng tạo thành

chất kết tủa lắng xuống Ví dụ: CO32-+ Ca2+= CaCO 3↓

Tác dụng: - nồng độthấp: làm giảm độthải nước độdày vỏsét - nồng độcao: làm tăng độnhớt vàứng suất trượt tĩnh Ngoài Na2CO3còn dùng đểgiảm độcứng nước

GEOPET

Chú ý vềnồng độNa2CO3

- 1,5% : độthải nước độdày dung dịch sét giảm nhanh, (B = 10 cm3/30'), độ ổn định độ keo tăng.

- 3,5% : ứng suất trượt tĩnh độnhớt tăng lên cực đại (Tmax = 38 – 40 s, Qmax = 50 mg/cm3)

3,5% : hạt sét sẽtách khỏi dung dịch, chất lượng dung dịch sẽxấu (độlắng ngày đêm tăng, độkeo tính ổn định giảm, độ thải nước độdày vỏsét tăng )

> 3,5% : lớp vỏbịphá hủy hồn tồn, khơng cịn khả bảo vệ nữa, dung dịch không tồn ởtrạng thái keo

(Nồng độ1% nghĩa là1 kg chất phản ứng pha vào 100 lít dung dịch, nồng độ quy ước dùng cho tất cảcác chất điện phân)

GEOPET

2.2 Xút ăn da (NaOH)

Chất kiềm màu trắng, ởdạng rắn hay lỏng chứa bao cách ẩm bảo quản nơi khô Đểngoài trời xút hút ẩm bịchảy Khối lượng riêng xút rắn 2,13 g/cm3 Ảnh hưởng của xút đối với dung

dịch sét tương tự xôđa, không tạo thành chất kết tủa NaOH dễhấp phụtrên thành lỗkhoan làm đất đáởthành lỗkhoan ổn định chất lượng dung dịch giảm

GEOPET

2.3 Thủy tinh lỏng (Na2OnSiO2)

(trong kỹthuật khoan thường dùng n = 2,4 – 3)

Dạng chất lỏng sệt (ρ= 1,36 - 1,5 g/cm3), dễbịhỏng dưới tác dụng của khí

CO2và bịđơng cứng ởnhiệt độto= 0oC Cần bảo quản thủy tinh lỏng

thùng kín để nơi ấm áp

Ảnh hưởng chủyếu thủy tinh lỏng làtăng ứng suất trượt tĩnh vàđộ

nhớtcủa dung dịch Dung dịch dùng đểrửa lỗkhoan tầng nước Ngoài thủy tinh lỏng cịn dùng đểpha chếhỗn hợp đơng nhanh trám lỗkhoan

Nồng độpha chếcủa thủy tinh lỏng:

(4)

GEOPET

2.4 Natri phốt phát (Na3PO4)

Natri phốt phát (Na3PO4) có dạng bột, màu trắng, dễ hịa tan nước Nó chứa bao cách ẩm bảo quản nơi khô

Ảnh hưởng natri phốtphát nồng độpha vào dung dịch sét tương tự Na2CO3 Nó tạo thành hợp chất kết tủa Ca2+và Mg2+ Vì

thếNa3PO4được sửdụng chủyếu đểgiảm độcứng nước

Ngồi Na3PO4cịn nhiều loại phốt phát tổng hợp khác phức tạp hơn, ví dụ tripơli phốt phat Na(Na5P3O10), pirơphơtphat Na(Na4P2O7) dạng bột màu trắng hòa tan tốt nước Chúng dùng chủyếu đểhạđộnhớt dung dịch (khi khoan qua tầng sét dày) với nồng độpha chếkhông lớn 1,2%

GEOPET

2.5 Muối ăn (NaCl)

Muối ăn có tác dụng hạnhiệt độđóng băng dung dịch

Muối ăn dùng đểphòng ngừa sựđông tụcủa nước rửa khoan tầng vôi tầng đất đá acgilit, alêrôlit (nồng độ0,5 - 3%) để tăng ứng suất trượt tĩnh dung dịch xửlý chất keo bảo vệtùy theo trường hợp mà nồng độ thay đổi từ3 - 26% Ngồi chất kểtrên, vơi sống, xi măng thuộc nhóm chất điện phân Vơi sống pha vào dung dịch trường hợp phải tăng nhanh độnhớt dung dịch mà khơng có cách khác Xi măng sử dụng vôi sống để tăng độnhớt dung dịch với nồng độ cao Nhược điểm xi măng làm tăng tỷtrọng dung dịch

GEOPET

Khi trộn lẫn chất hữu với kiềm, trước tiên thành phần axit hữu chứa chúng tác dụng với kiềm, tạo thành loại muối hữu tương ứng Các muối hữu thường dễdàng hòa tan nước, tạo thành dung dịch keo hạt nhỏbịbao bọc lớp vỏbảo vệ, có khả bám lên bềmặt hạt sét, tạo nên lớp vỏbảo vệxung quanh hạt Do khả phân tán chia nhỏvà bám xung quanh hạt sét tạo nên lớp vỏbảo vệmà chất keo bảo vệlàm cho hạt sét khơng bịdính lại với nhau, dung dịch giữ ởtrạng thái keo tốt Qua nghiên cứu, người ta thấy chất keo bảo vệcó tác dụng giảm độthốt nước, độdày vỏsét tăng độ ổn định, độkeo dung dịch

GEOPET

Các chất keo bảo vệđiển hình gia cơng dung dịch sét: 1 Chất phản ứng kiềm than nâu

(5)

GEOPET

3.1 Chất phản ứng kiềm than nâu

Kiềm than nâu (KTN) hỗn hợp hóa học dung dịch NaOH than nâu Than nâu loại than có nguồn gốc hữu cơ, ởdạng bột màu nâu với kích thước hạt từ3 - 5mm Than nâu chứa axit hữu tên làaxit humic

Ởthểkhô, than nâu có khối lượng 0,8 – 1kg/lít Dung dịch axit humic ởtrong kiềm chất tạo keo làm tốt chất lượng dung dịch

Qua nghiên cứu thửnghiệm, người ta thấy thành phần muối hữu (humátnatri) sựkết hợp axit humic kiềm tạo thành chất háo nước có khả hoạt động bềmặt hạt sét

GEOPET

Khi gia công dung dịch sét chất phản ứng KTN, hạt muối hữu bám lên bềmặt hạt sét tạo thành lớp vỏbảo vệkhông cho hạt sét dính lại với Đồng thời làm cho độthải nước, độdày vỏsét, ứng suất trượt tĩnh độnhớt dung dịch sét bịhạ, độ ổn định độ keo tăng lên Thành phần chất phản ứng kiềm than biểu thịbằng hai chữsố, thí dụ180: 20 có nghĩa 1m3chất phản ứng kiềm than chứa 180kg

than nâu thô 20kg xút

Nếu sửdụng than nâu ẩm tính tốn khối lượng theo thểkhơ cách nhân với đại lượng W độ ẩm than nâu (%) Thí dụ: 100kg than nâu ẩm, với độ ẩm W = 30% tương ứng với 70kg than nâu khơ

GEOPET

Nếu khơng có xút ăn da, có thểgia cơng chất phản ứng kiềm than xôđa Khi đun sôi xơđa natri hyđrơxit khí cacbonic tạo thành theo công thức:

Na2CO3+ H2O = 2NaOH + CO2↑

Khí CO2bị bay đi, cịn lại NaOH sẽtác dụng với than nâu nhưđã xét Như đểđạt khối lượng xút theo tính tốn, cần phải tốn xơđa lớn hai lần theo trọng lượng Thí dụđểgia công 1m3chất phản ứng kiềm

than với tỷlệ180:20, cần phải đổvào thùng trộn 40kg xôđa, 180kg than nâu đổđầy nước với nhiệt độ 85 đến 100oC Khuấy trộn đun sôi hỗn hợp

khoảng 15 phút

GEOPET

Ngồi cách gia cơng chất phản ứng kiềm than ởthểlỏng trên, người ta cịn có thểtạo dạng bột nhão cách tăng lượng than nâu, xút lên hai, ba bốn lần giảm lượng nước tùy theo độđặc Chất phản ứng chếtạo dạng bột nhão dễchuyên chở có thểtận dụng cảnhững thành phần cịn lại

(6)

GEOPET

Đểsản xuất dung dịch sét chất phản ứng kiềm than, người ta cho trước lượng chất phản ứng nước lã vào thùng trộn, cho máy làm việc đổđất sét vào Thời gian máy làm việc tùy thuộc dung tích thùng trộn yêu cầu cụthểvềcác thông sốcủa dung dịch

Nồng độpha chếvào dung dịch chất keo bảo vệđều tính theo lít/1m3dung dịch Nồng độcụthểphải xác định bằng thực nghiệm Với chất

phản ứng kiềm than nâu, nồng độpha chế thường từ 150 đến 200 lít/1m3

dung dịch

GEOPET

3.2 Chất phản ứng kiềm than bùn

Kiềm than bùn (KTB) hỗn hợp hóa học dung dịch xút than bùn Than bùn loại than có nguồn gốc hữu cơ, màu nâu tối, ởdạng lớp phân phiến với kích thước từ đến 5cm Ngồi đặc điểm cấu tạo, đặc tính khác than bùn tương tự than nâu

Khi trộn lẫn than bùn với dung dịch xút tạo thành muối hữu (humát natri) Sựhoạt động vàảnh hưởng dung dịch nhưđã phân tích chất kiềm than nâu Đặc biệt có đặc điểm cấu tạo riêng nên dễdàng làm tăng độnhớt dung dịch sét

GEOPET

Dung dịch gia công chất phản ứng kiềm than bùn dùng đểrửa lỗkhoan khoan tầng nước rửa tốt, có độthải nước nhỏ, độnhớt cao Ngồi ra, bịkhuấy trộn, lớp than bùn phân phiến sẽchuyển sang dạng sợi, có khả bịt kín kẽnứt nhỏ Dung dịch gia công chất phản ứng kiềm than có độthải nước nhỏnhất – cm3/30’. Đểsản xuất 1m3chất phản ứng kiềm than bùn, chi phí vật liệu cách sản

xuất nói chung sản xuất 1m3chất phản ứng kiềm than nâu,

nhưng thành phần xút thường từ 20 đến 30 kg

Nồng độpha chếcủa kiềm than bùn vào dung dịch khoảng 150 đến 200 lít/1m3.

GEOPET

3.3 Axit lignosulfonit (bã rượu sunfit)

Axit lignosulfonit có nhiều chất thải cơng nghiệp thủy phân (công nghiệp chếbiến giấy từgỗhoặc công nghiệp chếbiến rượu) Nó chất lỏng sánh, màu nâu tối, tỷtrọng khoảng 1,2 - 1,3 g/cm3, chứa khoảng 50%

các chất khơ Có người ta chếtạo chất ởdạng đóng băng

Axít hữu lignosulfonit, dễdàng chuyển sang dung dịch keo chất hoạt động bềmặt Khi cho chất vào môi trường kiềm (NaOH), axit lignosulfonit tác dụng với kiềm, tạo thành muối axit lignosulfonit có tác dụng làm ổn định dung dịch

(7)

GEOPET

Ảnh hưởng chất phản ứng kiềm axít lignosulfonit dung dịch sét tương tự kiềm than nâu kiềm than bùn, nghĩa làm giảm độthải nước, độdày vỏsét, tăng độ ổn định v.v với hiệu quảthấp So với kiềm than nâu kiềm than bùn chất có điểm khác sau đây:

– Khi có mặt muối, chất phản ứng lignosulfonat không làm tăng mà tiếp tục giảm độthải nước dung dịch: giá trịnhỏnhất độthải nước đạt – cm3/30’ Nhưng khả làm giảm độthải nước chất phản ứng dễ thay đổi có thay đổi nồng độmuối giảm bớt hay tăng nồng độnày làm độthải nước dễdàng tăng lên

– Chất phản ứng lignosulfonat luôn tạo bọt chếtạo dùng đểgia cơng dung dịch, làm bão hịa, hạkhối lượng riêng dung dịch giảm khả nạp đầy máy bơm

GEOPET

Với đặc điểm vàảnh hưởng trên, lignosulfonat thường sửdụng đểgia công dung dịch nước biển khoan qua tầng chứa muối khoan vào vỉa có áp suất thấp

Dung dịch gia công lignosulfonat có ưu điểm khơng làm sét bị trương nởkhi khoan qua Trong trường hợp đó, dung dịch có độnhớt giảm xuống lignosulfonat coi chất đểpha lỗng dung dịch

Trình tựsản xuất chất phản ứng lignosulfonat sau:

- Đổ nước nóng (70 đến 80oC) đến 2/3 dung tích của thùng trộn 1m3, rồi đổ

380 kg axit lignosulfonit dạng mảnh nhỏvào cho máy làm việc - Sau 30 phút khuấy trộn, đổdung dịch xút (ρ= 1,18 g/cm3) theo lượng đã

tính tốn đổ nước đến miệng thùng trộn

GEOPET

- Khuấy trộn chất phản ứng thêm 15 đến 20 phút đổvào thùng chứa kim loại gỗ

Đểgiảm tượng tạo bọt, người ta đổvào lượng dầu rượu tạp thích hợp từ 0,05 đến 0,3% theo thểtích

Nếu axit lignosulfonit ởthểlỏng người ta sản xuất trực tiếp thùng chứa phương pháp thủcông (khuấy tay) có thểsửdụng nước có nhiệt độbình thường

Xút đổvào theo tính tốn từ45 - 60kg ởthểlỏng (nồng độ 50%) Đểgiảm tượng tạo bọt pha chất kiềm bã rượu sunfít vào dung dịch sét, người ta có thểcho thêm lượng dầu mỏ, dầu rượu tạp, dầu nhựa cây, chất xúc tát đen trung tính v.v với tỷlệ0,05% theo dung tích

GEOPET

Nồng độpha chếcủa chất lignosulfonat vào dung dịch sét từ 30 đến 150 kg/1m3 Định lượng tốt nhất được xác định bằng thực nghiệm.

Ngoài chất chủyếu trên, nhóm chất keo bảo vệcịn nhiều chất như: chất phản ứng kiềm kết hợp, tinh bột v.v

Định dạng
Số trang	7
Dung lượng	235,04 KB