Bài giảng Dung dịch khoan và xi măng - Chương 3: Gia công hóa học dung dịch sét - Đỗ Hữu Minh Triết

Nội dung text: Bài giảng Dung dịch khoan và xi măng - Chương 3: Gia công hóa học dung dịch sét - Đỗ Hữu Minh Triết

1. I. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU GEOPET GIA CÔNG HÓA HỌC 1.1. Mục đích công tác gia công hóa học Gia công hóa học dung dịch sét nhằm: 9 Tạo ra dung dịch có các thông số thích hợp với từng điều kiện địa chất. 9 Khôi phục các tính chất của dung dịch đã bị mất đi trong quá trình khoan dưới tác dụng của đất đá hòa tan, nước khoáng và các yếu tố khác; đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu của các công tác thiết kế chế độ khoan. 9 Tạo cho dung dịch những tính chất đặc biệt khi cần thiết, ví dụ khi khoan qua các tầng sập lở, trương nở mạnh, mất nước nặng nề Sở dĩ đạt được các mục đích trên là do các tính chất hóa học, các chất phụ gia và nồng độ của chúng tạo nên các phản ứng hóa học trong dung dịch làm thay đổi các tính chất của dung dịch ban đầu. 3-3 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết I. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU GEOPET GIA CÔNG HÓA HỌC 1.2. Yêu cầu gia công hóa học dung dịch Bao gồm 4 yêu cầu sau: 9 Độ nhớt của dung dịch dù được gia công bằng các chất phụ gia khác nhau đều phải phù hợp với độ nhớt đã được chọn trước. 9 Bằng mọi cách phải đạt được các thông số yêu cầu của dung dịch với lượng tiêu hao chất phụ gia ít nhất (phụ gia thừa: không kinh tế và ảnh hưởng đến việc điều chỉnh các thông số khác của dung dịch). 9 Cần tiến hành thí nghiệm trước trong phòng để tìm được liều lượng chất phụ gia thích hợp, tránh gây lãng phí, mất thời gian tại hiện trường. 9 Điều kiện thí nghiệm trong phòng phải tương tự điều kiện ngoài lỗ khoan. 3-4 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
2. II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN GEOPET Các chất điện phân là những chất vô cơ khi hòa tan trong nước thì phân ly ra các ion âm (anion) và ion dương (cation). Các chất điện phân điển hình trong gia công dung dịch sét: 1. Na2CO3 (xôđa) 2. NaOH (xút) 3. Na2OnSiO2 (thủy tinh lỏng) 4. Na3PO4 5. NaCl (muối ăn) 3-7 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN GEOPET Các chất điện phân hoạt động và gây ảnh hưởng trong dung dịch theo nguyên tắc chung như sau: ƒ Các cation của chất phản ứng sẽ thay thế các cation liên kết các hạt sét (H+, Ca2+, Al3+), phá vỡ mối liên kết này, gây hiện tượng phân chia nhỏ các hạt sét → mức độ phân tán của dung dịch sét tăng. 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. ƒ Các anion của chất phản ứng sẽ kết hợp với các cation của khoáng vật sét vừa được giải phóng. Sự kết hợp này thường gây kết tủa → sẽ tránh được những ảnh hưởng xấu do các ion mới được giải phóng gây ra (thường làm giảm tính keo và độ ổn định của dung dịch). Khi dung dịch được giữởtrạng thái keo thì hàng loạt những thông số của nó được cải thiện. 3-8 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
3. II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN GEOPET 2.2. Xút ăn da (NaOH) Chất kiềm màu trắng, có thểởdạng rắn hay lỏng và được chứa trong bao cách ẩm và bảo quản ở nơi khô ráo. Để ngoài trời xút hút ẩm và bị chảy ra. Khối lượng riêng của xút rắn là 2,13 g/cm3. Ảnh hưởng của xút đối với dung dịch sét tương tự như xôđa, nhưng không tạo thành chất kết tủa. NaOH rất dễ hấp phụ trên thành lỗ khoan làm đất đá ở thành lỗ khoan kém ổn định và chất lượng dung dịch giảm. 3-11 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN GEOPET 2.3. Thủy tinh lỏng (Na2OnSiO2) (trong kỹ thuật khoan thường dùng n = 2,4 – 3) Dạng chất lỏng sệt (ρ = 1,36 - 1,5 g/cm3), dễ bị hỏng dưới tác dụng của khí o o CO2 và bị đông cứng ở nhiệt độ t = 0 C. Cần bảo quản thủy tinh lỏng trong thùng kín và để nơi ấm áp. Ảnh hưởng chủ yếu của thủy tinh lỏng là tăng ứng suất trượt tĩnh và độ nhớt của dung dịch. Dung dịch như vậy được dùng để rửa lỗ khoan trong những tầng mất nước. Ngoài ra thủy tinh lỏng còn dùng để pha chế hỗn hợp đông nhanh trám lỗ khoan. Nồng độ pha chế của thủy tinh lỏng: –2 - 5%: tăng khả năng chịu nhiệt của dung dịch khoan, chuyển các cation kim loại hóa trị cao thành hợp chất khó tan, không hoạt tính – 0,1 - 1%: giảm độ nhớt của dung dịch không chứa muối 3-12 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
4. II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN GEOPET Ngoài các chất kể trên thì vôi sống, xi măng cũng thuộc nhóm các chất điện phân. Nhóm vật liệu này được sử dụng trong các trường hợp đặc biệt. Vôi sống được pha vào dung dịch trong trường hợp phải tăng nhanh độ nhớt của dung dịch mà không có cách nào khác. Xi măng cũng được sử dụng như vôi sống để tăng độ nhớt của dung dịch nhưng với nồng độ cao hơn. Nhược điểm của xi măng là làm tăng nhanh tỷ trọng của dung dịch. 3-15 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Khi trộn lẫn các chất hữu cơ với kiềm, trước tiên thành phần axit hữu cơ chứa trong chúng tác dụng với kiềm, tạo thành một loại muối hữu cơ tương ứng. Các muối hữu cơ này thường dễ dàng hòa tan trong nước, tạo thành dung dịch keo là những hạt rất nhỏ bị bao bọc bởi lớp vỏ bảo vệ, có khả năng bám lên bề mặt các hạt sét, tạo nên lớp vỏ bảo vệ xung quanh mỗi hạt. Do khả năng phân tán chia nhỏ và bám xung quanh các hạt sét tạo nên lớp vỏ bảo vệ mà các chất keo bảo vệ làm cho các hạt sét không bị dính lại với nhau, dung dịch được giữởtrạng thái keo tốt hơn. Qua nghiên cứu, người ta thấy các chất keo bảo vệ có tác dụng giảm độ thoát nước, độ dày vỏ sét và tăng độ ổn định, độ keo của dung dịch. 3-16 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
5. III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Khi gia công dung dịch sét bằng chất phản ứng KTN, các hạt muối hữu cơ sẽ bám lên bề mặt các hạt sét tạo thành lớp vỏ bảo vệ không cho các hạt sét dính lại với nhau. Đồng thời làm cho độ thải nước, độ dày vỏ sét, ứng suất trượt tĩnh và độ nhớt của dung dịch sét bị hạ, độ ổn định và độ keo tăng lên. Thành phần của chất phản ứng kiềm than được biểu thị bằng hai chữ số, thí dụ 180: 20 có nghĩa là trong 1m3 chất phản ứng kiềm than thì chứa 180kg than nâu thô và 20kg xút. Nếu sử dụng than nâu ẩm thì tính toán khối lượng của nó theo thể khô bằng cách nhân với đại lượng W là độ ẩm của than nâu (%). Thí dụ: 100kg than nâu ẩm, với độ ẩm W = 30% thì tương ứng với 70kg than nâu khô. 3-19 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Nếu không có xút ăn da, có thể gia công chất phản ứng kiềm than bằng xôđa. Khi đun sôi xôđa thì natri hyđrôxit và khí cacbonic được tạo thành theo công thức: Na2CO3 + H2O = 2NaOH + CO2↑ Khí CO2 bị bay đi, còn lại NaOH sẽ tác dụng với than nâu như đã xét ở trên. Như vậy để đạt được khối lượng xút theo tính toán, cần phải tốn xôđa lớn hơn hai lần theo trọng lượng. Thí dụ để gia công 1m3 chất phản ứng kiềm than với tỷ lệ 180:20, cần phải đổ vào thùng trộn 40kg xôđa, 180kg than nâu và đổ đầy nước với nhiệt độ 85 đến 100oC. Khuấy trộn và đun sôi hỗn hợp khoảng 15 phút. 3-20 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
6. III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET 3.2. Chất phản ứng kiềm than bùn Kiềm than bùn (KTB) là hỗn hợp hóa học của dung dịch xút và than bùn. Than bùn là một loại than có nguồn gốc hữu cơ, màu nâu tối, ở dạng lớp phân phiến với kích thước từ 2 đến 5cm. Ngoài đặc điểm cấu tạo, các đặc tính khác của than bùn tương tự như than nâu. Khi trộn lẫn than bùn với dung dịch xút cũng tạo thành muối hữu cơ (humát natri). Sự hoạt động và ảnh hưởng của nó trong dung dịch như đã phân tích trong chất kiềm than nâu. Đặc biệt do có đặc điểm cấu tạo riêng như trên nên nó dễ dàng làm tăng độ nhớt của dung dịch sét. 3-23 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Dung dịch gia công bằng chất phản ứng kiềm than bùn dùng để rửa lỗ khoan khi khoan trong tầng mất nước rửa rất tốt, vì nó có độ thải nước nhỏ, độ nhớt cao. Ngoài ra, khi bị khuấy trộn, những lớp than bùn phân phiến sẽ chuyển sang dạng sợi, có khả năng bịt kín các kẽ nứt nhỏ. Dung dịch gia công bằng chất phản ứng kiềm than có độ thải nước nhỏ nhất là 2 – 3 cm3/30’. Để sản xuất 1m3 chất phản ứng kiềm than bùn, chi phí vật liệu và cách sản xuất nói chung cũng như khi sản xuất 1m3 chất phản ứng kiềm than nâu, nhưng thành phần xút thường từ 20 đến 30 kg. Nồng độ pha chế của kiềm than bùn khoảng 150 – 200 lít/1m3 dung dịch. 3-24 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
7. III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET So với kiềm than nâu và kiềm than bùn thì axít lignosulfonit có những điểm khác cơ bản sau đây: –Khi cómặt các muối, chất phản ứng lignosulfonat không làm tăng mà tiếp tục giảm độ thải nước của dung dịch: giá trị nhỏ nhất của độ thải nước có thể đạt được là 2 – 5 cm3/30’. Nhưng khả năng làm giảm độ thải nước của chất phản ứng này cũng rất dễ thay đổi khi có sự thay đổi nồng độ muối như khi giảm bớt hay tăng nồng độ này đều làm độ thải nước dễ dàng tăng lên. –Chất phản ứng lignosulfonat luôn luôn tạo bọt khi chế tạo cũng như khi dùng để gia công dung dịch, làm bão hòa, hạ khối lượng riêng dung dịch và giảm khả năng nạp đầy của máy bơm. 3-27 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Với những đặc điểm và ảnh hưởng trên, lignosulfonat thường được sử dụng để gia công dung dịch bằng nước biển khi khoan qua các tầng chứa muối và khi khoan vào các vỉa có áp suất thấp. Dung dịch gia công bằng lignosulfonat có ưu điểm là không làm sét bị trương nở khi khoan qua. Trong những trường hợp đó, dung dịch có độ nhớt giảm xuống và lignosulfonat được coi là chất để pha loãng dung dịch. 3-28 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
8. III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Nồng độ pha chế của chất lignosulfonat vào dung dịch sét từ 30 đến 150 kg/1m3. Định lượng tốt nhất được xác định bằng thực nghiệm. Ngoài các chất chủ yếu trên, trong nhóm các chất keo bảo vệ còn nhiều chất như: chất phản ứng kiềm kết hợp, tinh bột v.v Chất phản ứng kiềm kết hợp gồm 90% than nâu, 7% NaOH, 3% axit lignosulfonit theo khối lượng chất khô trên một đơn vị thể tích chất phản ứng. Chất phản ứng kiềm kết hợp không còn những nhược điểm của kiềm than nâu và kiềm than bùn. Khi xử lý dung dịch sét bằng chất phản ứng kiềm kết hợp, độ thải nước giảm xuống, độ nhớt tăng không đáng kể, độ dày vỏ sét nằm trong giới hạn cho phép và không sinh bọt. 3-31 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET 3.4. Cacboxymetyl cellulo (CMC) CMC là sản phẩm nhân tạo, là loại dung dịch nhớt, đục hòa tan tốt trong nước. Nó làm giảm độ thải nước và độ nhớt của dung dịch sét. Tùy theo thành phần khoáng vật và muối, nó bảo vệ tốt dung dịch sét khỏi bị ngưng kết do muối gây ra. Vì vậy CMC rất quý khi khoan qua đất đácómuối. Người ta thường dùng CMC với nồng độ 10-50 kg/m3dd. Chất phản ứng trên được dùng hạn chế vì giá thành cao. Khi tăng liều lượng, CMC không làm giảm chất lượng của dung dịch sét. Trong thực tế đôi khi rửa lỗ khoan bằng dung dịch nước lã pha CMC. 3-32 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
9. III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Để tránh hiện tượng lên men, có thể dùng các phương pháp sau: + Tăng hàm lượng muối của dung dịch (có thể tăng >20% NaCl) + Thêm vào dung dịch các chất chống lên men (CaCl2, formalin) + Giữ tinh bột trong môi trường kiềm cao (độ pH>12) Trộn tinh bột vào dung dịch xút sẽ được một chất phản ứng có tác dụng làm giảm độ thải nước của dung dịch trong điều kiện đất đábị nhiễm mặn đồng thời cũng làm cho độ nhớt của dung dịch tăng lên. 3-35 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Khi sử dụng tất cả những chất phản ứng thuộc nhóm điện phân cũng như nhóm chất keo bảo vệ để gia công hóa học dung dịch, cần phải chú ý những điểm sau: 9 Nồng độ chất phản ứng phải căn cứ vào kết quả thí nghiệm trong từng điều kiện cụ thể. Những số liệu chỉ ra ở tất cả các chất chỉ có tính chất đặc trưng. 9 Phải thực hiện nghiêm ngặt những biện pháp kỹ thuật an toàn đối với từng chất phản ứng khi bảo quản cũng như khi sử dụng. Khi sử dụng phải có găng tay, kính, giày, ủng bảo hộ lao động. 3-36 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
10. IV. ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH GEOPET Các chất làm nặng phải đảm bảo: − Khả năng phân tán nhỏ trong dung dịch: đủ nhỏ để giữ trạng thái lơ lửng và không quá nhỏ để tránh làm tăng độ nhớt dung dịch. − Tính trơ: không tác dụng hóa học với các thành phần của dung dịch. −Độẩm: > 12% sẽ làm loãng dung dịch; quá khô sẽ tốn hao năng lượng khi sấy, dễ dính vào nhau và lắng đọng. Thông thường độ ẩm chất làm nặng tùy điều kiện khô hoặc ướt từ 6 – 12%. − Hàm lượng muối: phải thấp để tránh gây ngưng kết trong dung dịch. Yêu cầu: muối hóa trị 1 ≤ 0,35%, muối hóa trị 2 ≤ 0,05%. 3-39 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH GEOPET Tùy theo tỷ trọng, các chất làm nặng được chia thành 3 nhóm: – Nhóm 1 (γ≈3): sét, bột phấn, đávôi – Nhóm 2 (γ≈3,8 – 5): barit và quặng sắt hematit, manhetit. Hematit (Fe2O3) có độ cứng cao gây mài mòn thiết bị. Manhetit (FeOFe2O3- Fe3O4) có từ tính, dễ bám vào cần khoan và ống chống, làm bó hẹp giếng khoan và dễ gây kẹt cần. – Nhóm 3 (γ≈6 – 7): hợp chất sắt-mangan, sắt-phốtpho. Nhìn chung không được sử dụng vì khi phân hủy tạo sản phẩm dễ nổ và độc. 3-40 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
11. IV. ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH GEOPET Điều chỉnh ứng suất trượt tĩnh Sử dụng đường cong pha loãng theo phương pháp Giukhovitski để xác định trạng thái của dung dịch: ngưng kết thừa (quá ngưng kết), ngưng kết tốt và ổn định thừa (kém ngưng kết). ƒ Tăng ứng suất trượt tĩnh (khi dung dịch kém ngưng kết): giảm nồng độ các chất ổn định, giảm θ Ngưng kết thừa khả năng bảo vệ của các chất ổn định, t tăng tỷ lệ sét. tố ết k ng ƒ Giảm ứng suất trượt tĩnh gư N (khi dung dịch quá ngưng kết): thêm Ổn định thừa nước, bổ sung các chất ổn định, lưu ý nồng độ muối trong dung dịch T để chọn chất ổn định phù hợp. 3-43 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH GEOPET 4.3. Giảm độ thải nước Độ thải nước của dung dịch phụ thuộc nhiều vào nồng độ và loại muối hòa tan. Nồng độ muối cao thì độ thải nước lớn và khó điều chỉnh. Để giảm độ thải nước, dùng các chất điện phân và các chất keo bảo vệ. –Chất điện phân chứa các ion Na+ sẽ thay thế ion Ca2+ (hoặc các kim loại hóa trị cao khác) làm cho sét dễ trương nở, tăng độ phân tán, hạt keo sét có lớp vỏ OH dày và bền vững. –Chất keo bảo vệ: sử dụng tùy thuộc nồng độ muối. • Dung dịch có nhiều muối: dùng bã rượu sunfit, tinh bột, KTN, các polime • Dung dịch có ít muối (nồng độ 3-5%): dùng KTN hoặc dùng kiềm kết hợp. • Dung dịch không muối: dùng KTN. 3-44 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
12. V. NGUYÊN TẮC GIA CÔNG HÓA HỌC GEOPET DUNG DỊCH SÉT 5.2. Sự thay đổi một thông số của dung dịch thường kéo theo nhiều thông số khác thay đổi Ví dụ: khi khoan qua tầng sét, trọng lượng riêng của dung dịch tăng và độ nhớt, ứng suất trượt tĩnh của dung dịch cũng tăng v.v Do đó trong trường hợp chỉ yêu cầu một thông số của dung dịch thay đổi thì phải dùng hai hay nhiều chất hóa học để các chất này đồng thời điều chỉnh các thông số khác nhau của dung dịch. 3-47 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết V. NGUYÊN TẮC GIA CÔNG HÓA HỌC GEOPET DUNG DỊCH SÉT 5.3. Khi chọn chất hóa học, tính chất và liều lượng của chúng phải căn cứ vào ba yếu tố sau: 9 Mục đích gia công hóa học là đạt được các thông số yêu cầu của dung dịch với mức tiêu tốn ít nhất chất phản ứng (ý nghĩa kinh tế) và không khó khăn khi gia công dung dịch lần hai. 9 Liều lượng pha chế chất phản ứng xác định từ trước không thể dùng cho những lần gia công sau. Những kinh nghiệm tích lũy được chỉ giúp cho việc chọn chất phản ứng ở một chừng mực nào đó. Công thức pha chế và nồng độ chất phản ứng phụ thuộc vào một số lớn yếu tố, không thể tính toán trước được. 9 Liều lượng pha chế các chất phải xác định bằng thực nghiệm tại lỗ khoan hoặc bằng thí nghiệm với những điều kiện hoàn toàn giống lỗ khoan (nhiệt độ ở đáy, mức độ phức tạp v.v ). 3-48 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết