9.3 Тампонажные смеси на основе карбамидных смол

Карбамидные смолы, как отмечено выше, представляют собой олигомеры (продукт поликонденсации мочевины и формальдегида), по своей формуле сходные с полимерами аминокислот (например, белками). Поэтому и структуры карбамидных гелей близки к белковым структурам. Подобно белкам они имеют первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру.

Первичная структура представляет собой образование длинных макромолекул олигомеров. Вторичная - образование спиралевидных макромолекул ("первичных элементов" из "спиралевидных волокон"|7]). Такая структура образуется - благодаря водородным связям между группами -СО- и NН₂, расположенными на соседних витках спирали. При закручивании спирали амидные группы оказываются снаружи спирали. Третичные структуры - это структуры в виде глобул, которые образуются из закрученных в спираль макромолекул.

Четвертичные структуры представляют собой надмолекулярные структуры, образованные в результате взаимодей­ствия глобул друг с другом при их коагуляции за счет гидрофобизации гидрофильных функциональных групп отвердителями (кислотами, гидрофобными жидкостями, катионовыми электролитами).

В обычном состоянии смола представляет собой коллоидный раствор с глобулами диаметром -0,02.-0,05 мкм. При добавлении отвердителя (чаще всего щавелевой кислоты) в результате понижения электрокинетического потенциала глобул наблюдается их коагуляция, образование коллоидных агрегатов и пространственной структуры. Через некоторое время происходит интенсивное нарастание прочности смолы за счет межмолекулярного и электростатического взаимодействия глобул.

Время твердения можно менять в широких пределах от нескольких часов до нескольких минут, в зависимости от концентрации смолы и отвердителя, а также температуры раствора.

Вследствие гидрофобизации глобул часть воды удаляется из пространственной решетки и образец сокращается в объеме.

Усадка смолы резко снижает качество тампонажных работ, в затвердевшей смоле образуются трещины. Для понижения усадки в смолу добавляют различные пластификаторы: битум, полимеры, акриламид, метилен-бис-акриламид и др.

Рецептура карбамидной смолы с пластификаторами может быть такой: ММФ 50-100 акриламид-10, метилен-бисакриламид-0,4, соляная кислота-5,. гидросульфат натрия - 0,014 частей.

Водопроницаемость карбамидных смол с пластификаторами при малом давлении практически отсутствует, при больших давлениях весьма незначительна.

Вязкость и растекаемость тампонажных растворов регулируют путем добавления воды и понизителей вязкости.

Сцепляемость карбамидных смол с горными породами зависит от составляющих их минералов, в первую очередь, от их полярности.

Наиболее полярными являются кварцесодержащие минералы, поверхность которых представлена весьма полярными атомами кислорода. Поверхностный потенциал понижается при наличии катионов: чем выше заряд катионов, тем интенсивнее нейтрализуется поверхностный потенциал минерала. Так, например, полярность плагиоклазов, содержащих ионы кальция, ниже, чем полярность калиевых шпатов. Кальцит - минерал почти нейтральный.

В соответствии с правилом Ребиндера вещество может адсорбироваться па поверхности раздела фаз, если его присутствие в межфазном слое уменьшает разность полярностей этих, фаз в зоне их контакта. Из правила Ребиндера следует, что молекулы полимера должны ориентироваться в адсорбционном слое так, чтобы их полярные (функциональные) группы были обращены к полярной фазе, причем полярные функциональные группы активно взаимодействуют только с полярными минералами. Чем выше их полярность, тем прочнее связь. Поэтому карбамидные смолы-полимеры с высоко-полярными функциональными группами имеют высокую сцепляемость с кварцсодержащими породами, более низкую - с микроклином, еще ниже - с плагиоклазами, а с каль-цитом могут совсем не сцепляться.

Для сцепления карбамидной смолы с кальцитом необходимо нейтрализовать полярность смолы в контакте с породой. Для этого поверхность кальцитсрдержащей породи (контакт кальцита со смолой) обрабатывают соляной кислотой.

Можно обрабатывать контакт и электролитами. Так, например, наличие железистых пленок на минералах повышает активность взаимодействия минеральных поверхностей с карбамидными смолами.

Добавление фурфурилового спирта также улучшает сцепляемоеть смолы с горной породой (в 8-10 раз).

Образцы из карбамидной смолы в течение времени упрочняются неравномерно. Наиболее интенсивное упрочнение структуры смолы происходит в первые трое суток. Через 13 суток прочность образцов на сжатие в воздушно-влажной и водной средах достигает, соответственно, 149 -и 134 кгс/cm², нарастая с течением времени.

Прочность смолобитумных образцов в 1,5-2 раза ниже.

Прочность образцов песка, пропитанных карбамидными смолами, с уменьшением размеров зерен возрастает вследстие увеличения поверхности контакта. При 50 % смолы МФ-17 прочность образцов в атмосфере 55, в воде - 41 кг/см².

Большим недостатком растворов на основе синтетических смол является, как отмечено, слабое взаимодействие их с бентонитовой коркой, однако его, можно увеличить при со ответствующем подборе катализаторов (например, комплексного соединения анилина).

Слабое взаимодействие смол с бентонитовой коркой можно объяснить трудностью пропитывания ее смолой.

Для повышения закупоривающей способности тампонажных растворов на основе синтетических смол вводят 5-8 % наполнителей.