а) NaCl, б) CaCl2 электролиттерінің қатысында гидрослюдалы-монтмориллонитті саз балшық үлгілері суспензиясының тұрақтылық коэффициентінің өзгеруі

Натрий хлориді және кальций хлорид әсері бойынша Қынграқ саз балшығымен байытылған суспензияның тұрақтылық коэффициентіне алыған эксперименттік мәндер 11-суретте көрсетілген, бұл электролит-коагуляторлар концентрациясының (NaCl-ді 5%-тен —20%-ға дейін, CaCl₂-ді 0,5%-тен —2%-ға дейін) жоғарылауымен бөлшектер арасындағы саңылаудан дисперсиялық ортаны ығыстыру және саз балшықтың беріктігі аз контакті бөлігінің бұзылуы есебінен суспензияның тұрақтылық коэффициентінің К_у азаюы жүреді. Натрий хлоридтің концентрациясын 5%-дан жоғары, кальций хлоридінің концентрациясын 0,5%-дан жоғары арттыру саз балшық дисперсиясының К_у шамасына аз әсер етеді, бұл кезде К_у ең үлкен шамасына байытылған үлгідегі суспензия ие болады (13-сурет).

Натрий және кальций хлорлы тұздарының бірлесіп әрекеттесуі аддитивті емес (7-кесте). Бұл жүйеге тән ерекшелік тұрақтылық коэффициенті біршама аз коагуляциялық құрылымның түзілуі болып табылады, оған қарамастан суспензия бұл кезде IV-құрылымдық-механикалық типте қалады.

Зерттелетін Қынграқ саз балшығының тұзға тұрақтылығы оның минералдық құрамының ерекшелігімен электролиттер әсеріне неғұрлым тұрақты болып табылатын бұрыш-бұрыш, қабырға-қабырға, бұрыш-қабырға типті дисперсиялық ортаның жұқа қабаттары арқылы беттің неғұрлым аз лиофильді учаскелері бойынша олардың қоспасында неғұрлым берік бірыңғай контактілердің туындауының артықшылығын қамтамасыз ететін қатынастағы гидрослюда және монтмориллонит құрамымен түсіндіріледі.

Одан басқа, гидрослюдалы-монтмориллонитті саз балшықты суспензиясында монтмориллониттің пакет аралық кеңістігінде гидрослюда кристалдарын енгізу кезінде «кірістіру қосылыстары» түзілуі мүмкін, бұған оның пакеттерінің жазықтық арасындағы кеңістікте байланысқан энергия бөлігінің босатылуы есебінен монтмориллонит құрылымының айтарлықтай жетілмеуі себепті оңай қол жеткізіледі. Бұл кезде туындайтын кірістіру қосылыстары Ван-дер-Ваальстің тартылу күші шамасы бойынша айтарлықтай шамадан тыс артуы мүмкін, сондай-ақ бұл тұзға тұрақтылықтың едәуір артуына мүмкіндік береді.

Осылайша, жоғарыда келтірілген құрылымдық-механикалық талдау мәліметтері негізінде күрделі бұрғылау жағдайында қолданылатын, жуатын сұйықтар дайындау үшін зерттелетін Қынграқ кен орнының гидрослюдалы-монтмориллонитті саз балшықты суспензия балшығы тұзға тұрақты минералды шикізат болып табылатындығына қорытынды жасауға болады.

Қынграқ саз балшығымен байытылған суспензиядағы қосылған электролит-пептизаторлар құрылымдық-механикалық және фильтрациялық қасиеттері белгілі сапалы саз балшықты суспензия балшықты суспензия алуға және қасиеттерін кеңінен реттеуге мүмкіндік бермейді.

Оған саз балшықты суспензияларды суда еритін полиэлектролиттерді химиялық өңдеу жолымен қол жеткізуге болады.

Гидрослюдалы-монтмориллонитті саз балшықты суспензиясы тұрақтылығының құрылым түзу процесін бағытты реттеу үшін мочевина және акрил қышқылының жаңа ұнтақ тәрізді суда еритін сополимері—СТММАҚ, құрылысы бойынша оған ең жақын ұнтақ тәрізді толық сабынданған полиакрилонитрил—Унифлок пайдаланылады.

Сополимер концентрациясын арттырған кезде деформациялық процестің даму анализі, аз қоспа (0,05—0,1%) қосқан кезде қалыптасатын коагуляциялық құрылымның беріктігінің, созылғыштық мәнінің λ, статикалық иілгіштіктің Р_kl/η₁ біршама ұлғаюы жүретіндігін, тұрақтылық коэффициенті мен нақты релаксация мерзімінің біршама азаятындығын (15-сурет) көрсетті.

Сополимердің аз мөлшерін енгізген кезде саз балшықты суспензияның пластикалық беріктігінің артуы және басқа құрылымдық-механикалық сипаттамаларының өзгеруі саз балшықты суспензия балшық бөлшектеріндегі полимердің полярлық топтарының адсорбциясы және олардың бетіндегі жартылай гидрофобизациялану себепті саз су жүйесіндегі контактінің беріктігі арқылы туындауы мүмкін, бұл саз балшық бөлшектеріне тартылу күші әсер ететін қашықтықта жанасуға мүмкіндік беретін диффузиялық қабаттың сығылуына себепші болады. Бұған дисперсиялық құрылымның (8-кесте) жекелеген элементтері арасындағы ілінісу күшін сипаттайтын деформацияның суспензия Е_ε шартты модулінің ұлғаюымен көз жеткізіледі.

Сополимер концентрациясын (0,1—0,5%) ары қарай арттырған кезде, коагуляциялық құрылым беріктігінің адсорбциялық төмендеу эффектісі байқалады.

Бұған беттік гидрофилизациясы және адсорбциялық-сольваттық қабаттың қалыңдауы нәтижесінде Р_m едәуір төмендеуі және негізгі құрылымдық-механикалық шамалардың өзгеруі арқылы көз жеткізіледі. Ендеше, концентрацияның осы аумағында тек қана жұқа серпімді-сольваттың әдеттегі коагуляциялық қабат арқылы ғана емес, саз бөлшектері бетімен полимер макромолекуласынң өзара әсеріне негізделген, қалыңдатылған адсорбциялық қабаттар арқылы жүзеге асырылатын контактілік өзара әсер ету сипаты өзгереді. Осының нәтижесінде контактілі өзара әсер ету энергиясы азаяды, бұл СТММАҚ қатысында коагуляциялық құрылым беріктігінің төмендеуіне және локальді контактілік кернеудің азаюына әкеліп соғады. Суспензияның артуымен Е_ε артуында да бейнеленген, коагуляция беріктігінің (14-сурет) біршама өсу тенденциясы байқалады, бірақ ол туралы λ және Р_kl/η₁ азаюы (8-кесте) және К_у артуы (15-сурет) білдіретін суспензияның тұрақтылығы бұл кезде жоғарылайды. Полиэлектролит концентрациясының бұл интервалында тұрақтандыру эффекті адсорбциялық қабатқа полимердің молекула үстіндегі құрылымының өтуіне, яғни құрылымдық-механикалық әсеріне негізделген.

Кесте 8.

Қосылатын СТММАҚ сополимерінің концентрациясына байланысты түсірілген жылжу кернеуінен саз балшықты суспензиясының эффективті тұтқырлығы өзгеруінің реологиясының қисықтары 16-суретте көрсетілген. Жылжу кернеуі аз кезде құрылым түзетін бөлшектердің бұрылысы мен жылжуы тудырған конфигурациялық энтропияның әсерінен құрылымдық каркастың серпімді деформациясы және олардың көпшілігі өте аз жылдамдықта тиксотропты қалпына келуге үлгеретін ең әлсіз коагуляциялық байланыстардың үзілуі жүреді. Әр қисық үшін (16-сурет) бұл аумақ кернеудің τ белгілі мәніне сәйкес келеді және қосылатын полиэлектролиттің концентрациясына тәуелді.

Жылжу кернеуін ары қарай арттырған кезде ағудың басталуына және құрылымның екпінді көшкінімен бұзылуына байланысты суспензияның эффективті тұтқырлығының бірденнен төмендеуі жүреді. Кернеудің ары қарай өсуі барысында ағындағы оның қалдықтарының бейімделуімен және дисперленуі мен қоса жүретін құрылымның бұзылуы жалғасады.

СТММАҚ сополимерінің түрлі қоспалары қосылған суспензия эффективті тұтқырлығының өзгеру қисығы сериялары негізінде жылжу кернеуі тұрақты кезде (τ=100 дин/см²) суспензиядағы полиэлектролит концентрациясына байланысты түсірілген жылжу кернеуінен саз балшықты суспензия эффективті, қорытындылаушы өзгеру қисығы тұрғызылды. 17-суретте көрсетілгендей бұл қисықтың экстремальды сипаты бар. Сонымен, 0,5%-ды сополимер қосқан кезде суспензия тұтқырлығының минимальды мәні максимальды тұрақтандырғыш эффектігі негіз болатын, реттелген, біркелкі құрылым жүйесіндегі дамуына сәйкес келеді. 0,5%-дан жоғары полимер қосқан кезде Қынғрақ саз балшығы суспензияның эффективті тұтқырлығының өсуі полиэлектролиттің өзінің молекула үстіндегі тұтқырлығы жоғары құрылым түзуінің нәтижесі болып табылады.

Құрылымдық-механикалық анализ нәтижелері, реологиялық және фильтрациялық мәліметтер Қынғрақ саз балшығымен байытылған суспензияға 0,5%-дың суда еритін сополимер СТММАҚ қосу оптимальды деп есептеуге мүмкіндік береді.

Зертттелетін саз балшықты бетіндегі Унифлок, ПМАК және СТММАҚ полиэлектролиттерінің сорбциясын зерттеу (0,05-1,0%) зерттелген концентрациясының барлық интервалында Унифлок полимер үшін адсорбцияның максимальдық мәні белгіленетінін көрсетті (8-сурет). Бұл оның саз балшықты суспензияның құрылымын берік етуге қабілеттілігіне сәйкес табылады; Унифлок үшін концентрациялық қисықта барлық экстремальды нүктелер концентрациясы аз аумаққа ығысады (14,15-суреттер). ПМАК үшін, СТММАҚ пен салыстырғанда аз тұрақтандырғыш эффект тән, яғни К_у, θ, Р_kl/η₁ шамалары кіші және суспензияның су қайтару мәндері неғұрлым жоғары.

Зерттелген ПЭ әсеріндегі айымашылық олардың саз балшық бөлшектерінің бетіндегі сорбциялану ерекшеліктеріне байланысты: бұл уақытта ПМАҚ сорбциясы карбоксил топтары бойынша артықшылықпен жүреді, СТММАҚ үшін саз балшықты бөлшектер бетімен амидтік топ бойынша әсер етеді деп болжануы ықтимал. Бұл саз балшықты суспензиялардың екі полиэлектролитімен тұрақтандырылған кальций хлоридімен коагуляциялауды зерттеу бойынша жасалған тәжірибелерден өрбиді.

Бұрын анықталғандай, ПМАҚ және СТММАҚ ерітінділерінде осы электролиттің әсерімен карбоксил (карбоксилат) топтарының Ca²⁺ әрекеттесуі нәтижесінде ерімейтін кальций қосылыстары тұнбаға түседі. Суспензияға полиэлектролиттерді енгізу негізінде CaCl₂ әсер ету сипаты өзгереді. Оның коагуляциялық эффектісі тек ПМАҚ тұрақтандырылған суспензия үшін сақталады, СТММАҚ құрайтын суспензияға CaCl₂ енгізу оның тұрақтылығын едәуір төмендетеді. Бұл жағдайда СТММАҚ полимерінің карбоксил топтары саз балшық бөлшектерінің бетіне таралмаған, сондықтан электролиттің әсеріне ұшырамайды.

19-суретте суда еритін электролиттердін әсерімен Қынғрақ саз балшықты суспензиясындағы салыстырмалы деформацияның өсу көрінісі келтірілген, осыдан ПЭ қосқан кезде жүйеде жанасу сипатының өзгеруі салдарынан жылдам эластикалық деформацияның үлесі артатындығы көрінеді, бұл СТММАҚ және Унифлок сополимері жағдайында жүйенің III құрылымдық-механикалық типтен 0 типке өтуімен бейнеленеді. ПМАҚ сополимерін қосқан кезде, жүйе III құрылымдық-механикалық типте қалатындығына қамастан, жылдам эластикалық деформацияның салыстырмалы мөлшері өседі.

Полиэлектролиттер қосқан кезде Қынғрақ саз балшықты суспензиясының фильтрациялық-технологиялық сипаттамасы 9-кестеде көрсетілгендей едәуір жақсарады. 1%-дық полимер қосқан кезде су беру мәні 30 минут ішінде 20 см³-тен 2-6 см³-ке дейін азаяды, саз балшықты қабық қалыңдығы минимумға дейін түседі, тәуліктік тұну нөлге тең болды. Статикалық шекті жылжу кернеуінің мәні бүкіл жүйеде дамыған коагуляциялық-тиксотроптық құрылымның түзілуі есебінен артты. Жүйенің қатты қоюлануы салдарынан Унифлок полимерін қосқан кезде СЖК (СНС) мәні бірденнен ерекше өседі, суспензияның шартты тұтқырлығы да бірден артады.

ПМАҚ және Унифлок сополимерінің түрлі қоспалары (0,05%-тен 1,0%-ға дейін) қосылған саз балшықты суспензияның жылжу кернеуінен эффективті тұтқырлығының өзгеру қисығы сериялары 20,22-суреттерде көрсетілген.

Олардың негізінде тұрғызылған жылжу кернеуі тұрақты болған кезде (21,23-сурет) қосылатын полиэлектролиттердің концентрациясына байланысты саз балшықты суспензияның эффективті тұтқырлығының өзгеру қисығы СТММАҚ жағдайдағы тәрізді 0,5% қоспа қосқан кезде ПМАҚ сополимерімен өңделген саз балшықтың тұтқырлығы анық бейнеленген минимумға ие екендігін көрсетеді, яғни ол да неғұрлым біркелкі тұрақтандырылған жүйе алуға мүмкіндік беретін, оптимальды болып табылады. Бірақ, шамасы бойынша бұл тұтқырлық, СТММАҚ тұрақтандырылған суспензияның тұтқырлығымен салыстырғанда біршама үлкен. Бұл тағы да саз балшық бетіндегі олардың сорбциялану механизмдегі айырмашылықпен түсіндірілуі мүмкін.

Унифлок қосылған суспензия үшін бұл қисық біршама басқа түрде болады (24-сурет).

СТММАҚ суспензиясымен салыстырғанда анық бейнеленбеген минимум, ондағы концентрациясы аз аумаққа жылжыған және Унифлок қатысуындағы саз балшықты суспензиясының тұтқырлығының минимальды мәні 0,1%-дық қоспа қосқан кезден бастап байқалады. Суспензиядағы Унифлок концентрациясын ары қарай жоғарылатқан кезде, нақты релаксация кезеңі, статикалық жылжу кернеуі, созылмалылық және тұрақтылық коэффициенті біркелкі өседі, бұл кезде жүйенің толық тұрақтандырылғанын білдіре су беру және қабақ қалыңдығы азаяды. Осылайша, Қынғрақ саз балшықты суспензиясын тұрақтандыру үшін Унифлок полимерін қолдана отырып фильтрациялық, құрылымдық-механикалық және реологиялық қасиеттері жақсы, тұрақтылығы жоғары суспензия алуға мүмкіндік беретін 0,1-0,25%-дық қоспаны оптимальды деп санауымызға болады.

СТММАҚ пен салыстырғанда саз балшықты суспензияларды тұрақтандыру кезіндегі Унифлоктың эффективтілігін үлкендігі оның құрылымындағы түрлі активті топтардың үйлесуіне және осыған байланысты оның үлкен адсорбциялық қабілетіне (18-сурет), тағы да молекулалық массасының неғұрлым жоғарғы болуына негізделеді.

Осылайша, полиэлектролиттердің қатысында саз балшықты суспензиялардың қасиетін зерттеу олардың функциональдық құрамына байланысты саз балшық бөлшектері бетімен өзара әрекеттесу механизміндегі айымашылықты анықтауға мүмкіндік берді.