Понятия о дисперсных системах, степени дисперсности. Виды дисперсных систем.

Понятия о дисперсных системах, степени дисперсности. Виды дисперсных систем.

Системы, в которых одно вещество распределено в среде другого в виде очень мелких частиц, называются дисперсными системами. Вещества, содержащиеся в системе, состоят из нескольких компонентов и имеют различную степень дисперсности (раздробленности). В зависимости от степени дисперсности компонентов системы разделяют на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенной называется однородная система, состоящая из одной фазы и не имеющая между компонентами поверхности раздела. Примером такой системы являются газовые смеси и истинные растворы (растворы щелочей, кислот). В бурении истинные растворы применяются для обработки промывочных и тампонажных растворов. Гетерогенными называются системы, состоящие из двух или большего числа фаз, между которыми существуют реальные поверхности раздела.

Промывочные жидкости и тампонажные растворы, а также некоторые химические реагенты, относятся к дисперсным гетерогенными системам.

Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсной фазой называется вещество мелко раздробленное и равномерно распределенное в другом, которое является дисперсионной средой.

Если частицы дисперсной фазы имеют одинаковый размер, то дисперсная система называется монодисперсной, если разный размер – полидисперсной. Промывочные и тампонажные жидкости относятся к полидисперсным системам [1].

Классификация дисперсных систем по степени дисперсности

Под степенью дисперсности понимают количество частиц, которое можно было бы уложить вплотную на один сантиметр длины. Степень дисперсности или дисперсность определяется величиной обратной поперечному размеру частицы.

D – степень дисперсности, см^-1

a – размер частицы, см

Группа	D, см^-1	а, см
1. Грубодисперсные (простые дисперсии, суспензии)	< 10⁵	> 10 ^-5
2. Коллоидно – дисперсные	10⁵÷ 10⁷	10^-5 ÷ 10^-7
3. Молекулярно – дисперсные	> 10⁷	< 10^-7

Буровые растворы содержат как грубо дисперсные, так и коллоидные частицы.

Характеристика броуновского движения и диффузии в буровых растворах.

Коллоидные растворы представляют собой частный вид гетерогенной дисперсной системы, занимающей промежуточное положение между грубо – дисперсной и молекулярно – дисперсной системами. В коллоидных растворах существует поверхность раздела между фазами. Чем меньше размер частиц, тем больше поверхность раздела между фазами.

Броуновское движение

Броуновским движением называется тепловое движение частиц в коллоидных растворах.

В коллоидных системах молекулы дисперсионной среды находятся в интенсивном молекулярно – кинетическом движении. Броуновское движение выражается в том, что частицы дисперсной фазы под действием ударов молекул дисперсионной среды приходят в состояние непрерывного хаотического движения. Характер движения частиц зависит от их размеров. Если частица велика, то удары молекул дисперсионной среды со всех сторон компенсируются и частица совершает только колебательные движения около некоторого центра. Если частица мала, то число ударов молекул приходящихся на нее с разных сторон неодинаково и частица получает периодические импульсы, заставляющие её двигаться в разных направлениях по сложной траектории.

Диффузия

Диффузией называется самопроизвольно протекающий процесс выравнивания концентраций молекул или коллоидных частиц под влиянием их теплового хаотического движения.

Процесс диффузии выражается в переносе вещества от места с большей концентрацией к месту с меньшей концентрацией. Диффузия происходит в системах с невыравненными концентрациями. Диффузия заканчивается наступлением равновесия, для которого характерно равномерное распределение частиц или молекул по всему объему раствора. Чем выше температура, тем быстрее идет диффузия.

Образование структуры в промывочных жидкостях. Количественная оценка прочности структуры.

Дисперсные системы можно разделить на свободнодисперсные, связнодисперсные и переходные.

В переходных системах отдельные частицы связаны друг с другом в рыхлые агрегаты, но не образуют сплошной структуры и называются структурированными жидкостями.

В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы не взаимодействуют друг с другом и не способны создавать структуру.

В связнодисперсных системах частицы дисперсной фазы взаимодействуют друг с другом, образуя пространственную структуру.

Структура дисперсной системы придает ей определенные реологические (структурно-механические) свойства.

На развитие структуры оказывают влияние следующие факторы:

- концентрация дисперсной фазы;

- состав дисперсионной среды;

- температура;

- давление;

- механическое воздействие;

- время.

Виды структур

По характеру связи между отдельными элементами структуры делятся на коагуляционные (тиксотропно-обратимые) и коагуляционно-кристализационные (необратимо-разрушающиеся).

Коагуляционная структура возникает вследствие коагуляционного сцепления частиц дисперсной фазы через тонкие прослойки жидкой дисперсионной среды. Такую структуру имеют глинистые растворы.

Второй тип структуры возникает в результате образования сначала коагуляционных связей между частицами цементных зерен, а затем в процессе кристаллизации происходит сращивание кристаллов, т. е. образуется коагуляционно-кристаллизационная структура. Эта структура разрушается необратимо. Такую структуру имеют цементные растворы.

Большинство промывочных жидкостей представляют связнодисперсные системы. Частицы глины, имеющие вид пластинки, сталкиваясь друг с другом, могут соединяться различными поверхностями, плоскость с плоскостью, ребро с ребром и плоскость с ребрами.

Соединение частиц плоскость с плоскостью приводит к агрегированию их, выпадению в осадок и к коагуляции раствора.

В результате слипания глинистых частиц ребро с ребром или плоскость с ребром образуется пространственный каркас, который называется структурой. Внутри заключается вода, т. е. дисперсионная среда.

Возникновение коагуляционных структур глинистых растворов связано с явлением коагуляции, которая протекает в два этапа. На стадии скрытой (гидрофильной) коагуляции образуется структура.

Коагуляционные структуры характеризуются прочностью и восстановлением во времени. Если разрушить коагуляционную структуру путем перемешивания, после покоя в глинистом растворе вновь образуется структура.

Способность глинистого раствора восстанавливать структуру после перемешивания называется тиксотропией.

В состоянии покоя прочность структуры увеличивается во времени. Количественно прочность структуры оценивается по статическому напряжению сдвига. Промывочная жидкость должна обладать способностью образовывать структуру с минимальной прочностью достаточной для удержания утяжелителя и частичек выбуренной породы во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции раствора.

Лигносульфонатные растворы

Лигносульфонатные растворы – буровые глинистые растворы, стабилизированные лигносульфонатными реагентами (иногда в сочетании с УЩР).

Используются при разбуривании глинистых отложений, гипсов, ангидритов и карбонатных пород. Главной функцией лигносульфонатных реагентов является понижение вязкости, основанное на сочетании стабилизирующего и ингибирующего эффектов. Ингибирующее действие кальциевой ССБ в пресных растворах мягче, чем действие извести. Раствор термостоек до 130^оС.

При бурении в глинистых разрезах наиболее эффективно разжижается раствор при комбинированных обработках ССБ и УЩР.

В зависимости от качества исходной глины на приготовление 1м³лигносульфонатного раствора требуется (в кг): глины 80-200, ССБ 30-40, УЩР 10-20, Na OH 5-10, пеногасителя 5-10, воды 940-900, утяжелителя – до получения раствора необходимой плотности.

Указанные пределы компонентного состава обеспечивают получение растворов с показателями: плотность 1, 06-2, 2 г/см³, условная вязкость 18-40с, показатель фильтрации 5-10 см³/30 мин, СНС₁= 6÷ 45 дПа, СНС₁₀=12÷ 90 дПа, рН = 8÷ 10.

Соленасыщенные растворы

Во избежание кавернообразований соли разбуривают с использованием соленасыщенных растворов.В зависимости от пластовых давлений, мощности и состава соленосные породы бурят с применением рассола, глинистого соленасыщенного раствора, не обработанного реагентами-понизителями фильтрации, и соленасыщенного глинистого раствора, стабилизированного реагентами.

Гипсоизвестковый раствор

Гипсоизвестковый раствор – ингибирующий кальциевый раствор, содержащий в качестве носителя ионов кальция гипс и гидроксид кальция.

Добавка гипса (алебастра) в раствор составляет 20 –25 кг/м³. Содержание растворимого кальция зависит от качества гипса, используемых лигносульфонатов, рН бурового раствора и может быть в пределах 700-3000 мг/л.

Гипсовые растворы предназначены для разбуривания высоко- коллоидных глинистых пород, в условиях высоких забойных температур (до 160^оС).

На приготовление 1м³ гипсоизвесткового раствора необходимо (в кг): глины 80-200, воды 950-900, окзила (или ФХЛС) 5-10, Са (ОН)₂(или КОН) 2-3, КМЦ 3-5, Na₂ Cr₂O₇(или К₂Cr₂O₇) 0.5-1, гипса (или алебастра) 15-20, пеногасителя 3-5, утяжелителя – до получения раствора необходимой плотности.

Показатели раствора: плотность 1, 04-2, 2 г/см³, условная вязкость 25-40с, показатель фильтрации 3-6 см³/30 мин, СНС₁ = 12÷ 60 дПа, СНС₁₀ =30÷ 90 дПа, рН= 8, 5÷ 9, 5.

Кальциевые растворы

Кальциевые растворы – ингибирующие глинистые промывочные растворы, содержащие кроме глины, воды, нефти и утяжелителя, реагентов-понизителей вязкости, фильтрации и регуляторов щелочности специальные вещества – носители ионов кальция.

Действие их заключается в основном в предотвращении перехода выбуренной глины в натриевую форму, в переводе натриевой глины в кальциевую, в результате чего снижаются гидратация и набухание сланцев.

Хлоркальциевые растворы (ХКР) – ингибирующий кальциевый раствор, содержащий в качестве ингибирующей добавки хлорид кальция.

Установлено, что оптимальное содержание катионов кальция, при котором достигается ингибирование, составляет 3000-5000мг/л. Хлоркальциевые растворы наиболее эффективны при разбуривании аргиллитов. Присутствие в фильтрате бурового раствора ионов кальция способствует значительному сокращению осыпей и обвалов при разбуривании неустойчивых аргиллитоподобных отложений.

Вследствие отсутствия эффективных кальциестойких реагентов термостойкость его ограничена(100^оС).

В процессе бурения контролируют содержание кальция в фильтрате и общую минерализацию.

Готовят глинистую суспензию на пресной воде, которую обрабатывают раствором КМЦ и КССБ. Одновременно с КССБ в раствор добавляют пеногаситель. После получения оптимальных показателей (вязкость 25-30с, СНС₁ =12÷ 24 дПа, СНС₁₀ =30÷ 60 дПа, показатель фильтрации 3-5см³/30мин)раствор обрабатывают хлоридом кальция и известью.

На приготовление 1м³ раствора требуется (в кг): глины 80-200, КССБ 5-70, КМЦ (или крахмала) 10-20, CaCI₂10-20, Са(ОН)₂ 3-5, NaOH 3-5, воды 920-870, пеногасителя 5-10.

Калиевые растворы

Калиевые растворы содержат в качестве ингибирующих электролитов соединения калия. Действие калиевых растворов обусловлено насыщением ионами калия глинистых минералов. Наиболее быстрое насыщение глин ионами калия происходит при рН =9÷ 10.

Калиевые растворы эффективны при бурении неустойчивых глинистых сланцев. Существует ряд разновидностей калиевых растворов, отличающихся составом и некоторыми свойствами.

Хлоркалиевые растворы

Хлоркаливые растворы содержат в качестве ингибирующего электролита хлорид калия, а в качестве регулятора щелочности – гидроксид калия. Раствор предназначен для эффективного повышения устойчивости стенок скважины при бурении в неустойчивых глинистых сланцах различного состава.

На приготовление 1м³ хлоркалиевого раствора требуется (в кг): глины 50-100, КСI 30-50, полимера (КМЦ, М-14, метас, крахмал) 5-10, КССБ 30-50, КОН 5-10, пеногасителя 2-3, воды 940-920, утяжелителя до получения раствора необходимой плотности.

Показатели раствора: плотность 1, 08-2 г/см³, условная вязкость 25-40с, показатель фильтрации 4-8 см³/30 мин, СНС₁= 12÷ 60 дПа, СНС₁₀= 36÷ 120 дПа, рН = 9÷ 9, 5.

Основной показатель качества – содержание хлорида калия в фильтрате, которое в большинстве случаев должно быть в пределах30-70 г/л, однако в зависимости от условий бурения может быть увеличено до 150 г/л.

Калиево-гипсовый раствор

Калиево-гипсовый раствор содержит в качестве ингибирующих электролитов соединения калия и кальция, в частности гипс. В отличии от хлоркальциевого такой раствор менее подвержен коагуляционному загустеванию, его ингибурующее действие сильнее.

Калиево-гипсовые растворы используют для разбуривания высококоллоидальных глин, когда хлоркалиевый раствор недостаточно эффективен. Термостойкость зависит от используемого защитного реагента, но не превышает 160^о С.

На приготовление 1м³ калиево-гипсового раствора требуется (в кг): глины 60-150, окзила (КССБ-4) 30-50, КМЦ (крахмала) 5-10, KCI 10-30, КОН 5-10, гипса (CaSO₄) 10-15, пеногасителя 2-3, воды 930-890, утяжелителя – до получения раствора необходимой плотности.

Показатели раствора: плотность 1, 08-2, 2 г/см³, условная вязкость 20-30с, показатель фильтрации 4-8см³/30 мин, СНС₁ = 6÷ 36 дПа, СНС₁₀ = 12-72 дПа, рН = 8÷ 9.

Основные показатели качества, определяющие назначение раствора, - содержание хлорида калия в фильтрате (30-70 г/л) и ионов кальция (1000-1200 мг/л).

Понятия о дисперсных системах, степени дисперсности. Виды дисперсных систем.

12 3 4 5 6 7 8 Следующая ⇒