Устойчивость дисперсных систем

Химия поверхностного слоя буровых растворов

Измерение поверхностного натяжения

Смачиваемость

Капиллярность

Свободная поверхностная энергия

Адгезия

Поверхностно активные вещества (ПАВ)

Эмульсии

Гидрофобизирующие агенты

2.4 Коагуляция и стабилизация

физикохимия буровых промывочных жидкостей (БПЖ) — это наука о специфических свойствах многокомпонентных гетерогенных полидисперсных систем и о протекающих в них процессах. Анализ состояния БПЖ, а также управление их свойствами для рационального проведения технологического процесса бурения воз­можны лишь на базе глубокого понимания их физико-химической природы.

Основные понятия физико-химии дисперсных систем

Каждое вещество в зависимости от условий может существовать в трех различных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Агрегатное состояние вещества обусловливается взаимодействием составляющих его частиц, которое определяет характер их возможного движения и взаимного расположения. Взаимодействие частиц является результатом одновременного существования сил отталкивания и притяжения, величина которых зависит от расстояния.

Системой называют тело или совокупность тел, находя­щихся во взаимодействии. Система является изолированной, если отсутствует возможность обмена веществом или энергией с окружающей средой.

Гомогенной называется система, внутри которой отсутствует поверхность раздела, отделяющая одну от другой ее части, различные по свойствам. Фаза - это совокупность всех гомогенных частей системы, одинаковых по составу, физическим и химическим свойствам.

Гомогенные системы являются молекулярно-ионно-дисперсными системами, так как вещества в них находятся в виде или диспергированы (раздроблены) до размеров отдельных молекул, ионов (а < 10^-7см).

Примером гомогенных систем могут служить истинные растворы (водные растворы солей, щелочей и кислот, растворы ПАВ и полимерные растворы).

Всякий раствор состоит из растворенных веществ и растворителя, т.е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов.

Обычно растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в таком же агрегатном состоянии, что и полученный раствор. Если оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии, то растворителем считается тот компонент, которого больше.

Растворы с низким содержанием растворенного вещества называются разбавленными, а с высоким – концентрированными (пасты).

Различают растворы водные (полярные), когда растворителем является вода, и неводные (неполярные), когда растворителем являются органические и неорганические вещества.

В бурении примером гомогенных систем (до попадания в них шлама) могут служить: техническая вода, полимерные растворы, водные растворы электролитов (солей), водные растворы ПАВ, газообразные агенты.

Физико-химические системы, состоящие из двух и более числа фаз, называются гетерогенными (неоднородными).

Дисперсной фазой называется вещество, мелко раздробленное в другом, которое является непрерывной дисперсионной средой. Если частицы дисперсной фазы имеют одинаковый размер, то дисперсная система называется монодисперсной, в противном случае - полидисперсной.

Учитывая понятие дисперсности, можно определить гомогенные системы как молекулярно-ионно-дисперсные. Примером таких систем могут служить газовые смеси, а также истинные растворы - как твердые (различные сплавы металлов), так и жидкие (щелочи, кислоты и др.). В бурении гомогенные системы (истинные растворы) применяются для обработки буровых и тампонажных растворов (например, водный раствор едкого натра). Составные части гетерогенных систем представляют собой крупные ассоциаты атомов или молекул различных веществ.

Буровые промывочные жидкости представляют собой многокомпонентные гетерогенные полидисперсные системы и могут быть изучены методами физикохимии дисперсных систем.

Если состояние системы не изменяется самопроизвольно
во времени, то ее называют равновесной. В противном случае
система является неравновесной и для нее характерно протекание необратимых процессов.

Степень раздробленности или дисперсность системы является ее важнейшей характеристикой и определяется величиной, обратной поперечному размеру частицы а:

D = 1/а (2.1)

• где а – характерный размер частиц дисперсной фазы, см: диаметр (для сферических и волокнистых частиц), длина ребра (для частиц кубической формы), толщина пленки (для пластинчатых частиц).

Степень дисперсности численно равна числу частиц, которые можно плотно уложить в ряд длиной 1 см.

Общая поверхность раздела фаз резко возрастает с увели­чением дисперсности. Удельная поверхность S_уд, под которой понимают отношение общей поверхности S дисперсной фазы к ее общему объему V, также может служить мерой дисперсности системы:

S_уд=S/V=K·1/a=КD, (2.2)

где К — коэффициент формы частиц.

Рисунок 2.1 – Площадь поверхности частиц

По дисперсности системы делятся на высокодисперсные, или коллоидные, если значение поперечного размера частиц а находится в пределах 10^-7-10^{-5 см, а дисперсность} D составляет 10⁷-10⁵ см^-1, и грубодисперсные, если размер частиц больше указанных значений.

Буровые растворы содержат как грубодисперсные, так и коллоидные частицы. По размеры эти частицы удобно разделить на три группы:

1 - коллоиды размером от 0,1 до 2 мкм, определяющие вязкостные и фильтрационные свойства раствора;

2 - илы, утяжелители с размером частиц от 1 до 70 мкм, обеспечивающие необходимую плотность раствора;

3 - песок с размером частиц от 50 до 400 мкм, которые хотя и закупоривают крупные отверстия в некоторых очень пористых пластах, в остальном оказывают отрицательное воздействие в силу высокой абразивности.

Вследствие малого размера частиц дисперсной фазы суммарная поверхность в гетерогенных системах очень велика и может составлять десятки, сотни и даже тысячи м² на 1 г дисперсной фазы.

Высокая степень дисперсности и сильно развитая межфазная поверхность определяют многие важнейшие свойства гетерогенных систем: их кинетическую (седиментационную) устойчивость, вязкость, фильтрационную способность и др.

При этом перечисленные свойства в значительной степени зависят от концентрации в системе частиц коллоидных размеров вследствие того, что на них будет приходиться основная часть общей межфазной поверхности.

Дисперсные системы можно классифицировать по различ­ным признакам. В настоящее время принята классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, предложенная Оствалъдом и Зигмонди.

Следующим отличительным признаком гетерогенных систем с жидкой дисперсионной средой является агрегатное состояние дисперсной фазы, которая может быть твердой, жидкой и газообразной.

Системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой называются суспензиями: ТДФ + ЖДС = суспензия.

Системы, в которых дисперсная фаза и дисперсионная среда представляют собой несмешивающиеся жидкости, называются эмульсиями: ЖДФ + ЖДС = эмульсия.

В этом случае одна из жидкостей должна быть полярной, а другая неполярной. Обычно полярную жидкость условно называют «водой», а неполярную – «маслом».

Различают два типа эмульсий: прямые «масло в воде» или гидрофильные; обратные «вода в масле» или гидрофобные.

Для эмульсий характерна коаленсценция капель дисперсной фазы, т.е. их самопроизвольное слияние. Чтобы получить устойчивую эмульсию в систему добавляют стабилизаторы, обычно ПАВ.

Для нефтяной и газовой промышленности особое значение имеют системы с жидкой дисперсионной средой, но в некоторых случаях используются системы с газообразной дисперсионной средой (например, при бурении с продувкой скважины воздухом или газом).

Системы с газообразной дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой называются газовыми эмульсиями (в бурении – аэрированными растворами): ГДФ + ЖДС = газовая эмульсия. Аэрация – процесс насыщения жидкости газом (воздухом). Для аэрированных растворов характерно свободное перемещение в объеме несвязанных между собой пузырьков газа.

Когда концентрация газа велика, а дисперсионная среда представляет собой тонкие вытянутые пленки, то такие высококонцентрированные ячеисто-пленочные связные дисперсные системы уже называются пенами.

В качестве дисперсной фазы буровых растворов могут быть использованы порошки глин, бурого угля, цемента, шлака, утяжелителя, молотого песка и других материалов. Дисперсионной средой может являться вода с истинно растворенными в ней веществами, нефть, дизельное топливо и др. Концентрированные суспензии называют пастами.

В коллоидно-дисперсных системах огромное значение имеют поверхностные свойства дисперсной фазы, поскольку эти системы обладают развитой поверхностью раздела. Поведение грубодисперсных систем, напротив, во многом определяется их объемными свойствами. Так, фильтрация дисперсных систем зависит от размера частиц дисперсной фазы: частицы коллоидных размеров проходят через бумажный фильтр, а частицы суспензии через него не проходят. Несмотря на то, что в буровых и цементных растворах доля частиц, имеющих коллоидные размеры, относительно невелика по сравнению с грубодисперсными фракциями, они во многом определяют свойства этих полидисперсных систем.

Устойчивость дисперсных систем

Основная задача физикохимии дисперсных систем - изучение условий, влияющих на их устойчивость и разрушение, и разработка рекомендаций, позволяющихполучать и использовать системы с заданными физико-химическими свойствами.

При изучении устойчивости дисперсных систем Н.П. Песковым предложено различать кинетическую (седиментационную) и агрегативную устойчивость. Кинетическая или седиментационная устойчивость характеризует способность дисперсных частиц удерживаться во взвешенном состоянии. Агрегативная устойчивость определяет способность частиц не слипаться и не образовывать агрегаты. Учет и использование этих факторов имеют большое значение при создании и регулировании дисперсных систем, применяемых при бурении скважин.

Устойчивость дисперсной системы можно объяснить балансом сил сцепления и отталкивания. Так, при сближении частиц Ван-дер-ваальсовы межмолекулярные силы сцепления быстро возрастают. Противодействующими сближению частиц силами отталкивания могут быть электрические силы, возникающие в результате избирательной адсорбции межфазной поверхностью одного из ионов электролита; содержащихся в системе. Образование на поверхности частиц сольватной оболочки молекул дисперсионной среды тоже может препятствовать сближению дисперсных частиц. Возникновение сольватной оболочки обусловлено непосредственной адсорбцией молекул среды на поверхности дисперсной фазы или сольватацией третьего компонента системы.

Нарушение агрегативной устойчивости дисперсной системы вследствие слипания частиц ее дисперсной фазы под действием молекулярных сил притяжения называется коагуляцией. Нарушение агрегативной устойчивости ведет к уменьшению кинетической устойчивости.

Устойчивость дисперсной системы в данных условиях можно повысить, понижая межфазное натяжение с помощью поверхностно-активных веществ, способных адсорбироваться на поверхности и понижать величину свободной энергии. В связи с этим промывочные жидкости как полидисперсные системы должны быть отнесены к термодинамически агрегативно-неустойчивым системам.

Седиментационная устойчивость буровых растворов во многом определяется возможностью и условиями возникновения пространственной структуры, обладающей определенной пpочностью. Такая структура возникает при частичном взаимодействии частиц дисперсной фазы между собой.

Наличие поверхностно-активного вещества, достаточная концентрация твердой фазы, необходимая для построения пространственного каркаса, а в общем случае оба эти фактора являются необходимыми условиями обеспечения устойчивости суспензий, относящихся к грубо-дисперсным системам.

Дата добавления: 2015-07-10