Теоретические сведения

Особенности физико-химического состояния буровых растворов как тиксотропных дисперсий обусловливает выполнение ими всех важнейших функций в бурении. Исследование закономерностей образования и деформирования дисперсных систем, а также управления ими является предметом физико-химической механики, созданной акад. П.А. Ребиндером. Эта наука позволяет изучать с единых позиций проблемы реологии, молекулярной физики, механики материалов и поверхностных явлений в дисперсных системах.

Свойствами буровых растворов, исходя из коллоидно-химических представлений, можно управлять, изменяя:

- концентрацию, дисперсность и фракционный состав дисперсной фазы;

- энергию взаимодействия частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой;

- энергию взаимодействия частиц дисперсной фазы, образующих пространственную решетку коагуляционно-тиксотропных структур;

- тип сопряженной пространственной коагуляционно-тиксотропной структуры.

Это достигается выбором материалов для приготовления буровых растворов, добавкой ПАВ, изменением рН, изменением минерализации дисперсионной среды и т.д.

Основное состояние бурового раствора - состояние коагуляционного структурообразования. Задача технолога - управлять этим состоянием с учетом режимов и условий течения в скважине, не допуская чрезмерного загустевания или потери устойчивости в результате коагуляционного разжижения.

Структурно-механические и фильтрационные свойства буровых растворов - не только главные характеристики их технологического качества, но и отражение коллоидно-химического состояния этих дисперсий. Показатели этих свойств являются интегральными характеристиками происходящих в них коллоидно-химических процессов. На их регулирование используют основную массу реагентов. Вместе с тем оценка и целенаправленное изменение физико-химического состояния бурового раствора на основе показателей структурно-механических и фильтрационных свойств - задача сложная и решать ее надо на этапе проектирования жидкости для приготовления того или иного вида раствора. Поэтому для совершенствования технико-экономических показателей промывки скважин одной из актуальных является задача получения технологических решений на основе физико-химической механики дисперсных систем.

Объектом исследования следует принять наиболее распространенный водный буровой раствор, в котором активными структурообразователями являются глинистые материалы. Установлено, что для буровых растворов этого типа характерны коагуляционно-тиксотропные структуры, возникающие вследствие взаимодействия частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды. Тиксотропное структурообразование определяет явления коагуляции, протекающие в два этапа -гидрофильный и гидрофобный. Буровые растворы, представляя собой промежуточные системы между гидрофобными и гидрофильными системами и примыкая к последним, кинетически и агрегативно неустойчивы вследствие соответственно действия гравитационных сил и молекулярного взаимодействия между частицами. Состояние коагуляции - основное для таких систем, а их устойчивость связана с возникновением внутреннего пространственного каркаса, препятствующего разделению фаз.

Добавление электролита в свободнодисперсный кинетически устойчивый золь ведет, начиная с некоторой пороговой концентрации, к такому уменьшению двойного электрического слоя вокруг частиц, при ко­тором возникают условия для взаимодействия их по наиболее активным гидрофобным участкам поверхности и для образования рыхлых агрегатов -флокул (гидрофильная коагуляция). Порог флокуляции буровых растворов зависит от многих факторов, в том числе от типа глинистого минерала, состава и емкости его обменного комплекса, валентности катиона соли и температуры. Золь в результате флокуляции переходит в гель (а не расслаивается) только при условии достаточности содержания твердой фазы для построения из нее пространственного каркаса. Чем выше дисперсность активной глинистой фазы бурового раствора, тем при меньшей ее концентрации (а следовательно, и плотности системы) возникает коагуляционная структура.

Остановку процесса флокуляции в целях стабилизации системы, а затем и разрушение возникших агрегатов (дефлокуляция) под действием химических реагентов - разжижителей рассматривают как процесс пепти­зации. По П.А.Ребиндеру, факторы устойчивости дисперсий, препятствующие сближению частиц, в порядке возрастания эффективности, следующие:

- наличие двойного электрического слоя;

- возникновение на поверхности частиц стабилизирующей адсорбционной пленки ПАВ, являющейся структурно-механическим барьером между частицами.

Для управления свойствами буровых растворов используют изменение характера взаимодействия частиц дисперсной фазы, который при данном составе и дисперсности частиц зависит от минерализации и рН дисперсионной среды, концентрации и типа ПАВ, температуры, давления и т.д., диспергирование частиц дисперсной фазы на этапе приготовления бурового раствора.

Основная проблема физико - химии буровых растворов - обоснование комплекса показателей структурно-механических свойств, которые адекватно отражают их коллоидно-химическую природу, обладают строгим физическим смыслом.

Исходя из вышесказанного, важно знать характеристики дисперсионной среды на момент начала приготовления бурового раствора.

Наиболее значимыми можно считать поверхностные явления и вязкостные характеристики, а также рН дисперсионной среды.

Дата добавления: 2015-07-12