Частинками розчину в момент структуроутворення

При порівняно великих віддалях між частинками r між ними енергія молекулярного протягування змінюється обернено При всіх рівних умовах збільшують шляхом зменшення концентрації іонів та збільшення їх зарядів в дисперсійному середовищі. А у випадку низької глибини тверді частинки взагалі розходяться і система стає агрегативно стійкою (система набула стану “золь”).

Оскільки значення потенційної енергії у близькому мінімумі ( на віддалі ) набагато більше значень кінетичної енергії, то коагуляція носить незворотній характер і супроводжується збільшенням дисперсності сформованих агрегатів. І найголовніше, що у випадку коли глибина далекого мінімума достатньо велика ( на віддалі ), то не залежно від висоти реалізується далека взаємодія дисперсної фази між собою на віддалі r = 0.1-1 мкм. При достатній концентрації дисперсна фаза дисперсної системи повністю структуризується , формуючи суцільну просторову структурну сітку. У цьому випадку частинки зберігають свою дисперсність та питому поверхню. Зв’язок між частинками слабкий і коагуляція носить зворотній характер.

В залежності від сил міжмолекулярного притягування та електростатичного відштовхування в гідратному шарі між частинками виникає розклинюючий тиск, який запобігає злипанню усіх частинок, внаслідок гідратних оболонок навколо глинистих частинок електростатичні сили відштовхування між частинками дисперсної фази бурового розчину виникають тільки тоді, коли взаємно перекриваються їх іонні атмосфери. У цьому випадку іони, які потрапили в зону перекриття знаходяться під впливом дії однаково заряджених внутрішніх шарів обох частинок. Власне цей факт і є причиною перерозподілу іонів, що порушує електростатичну рівновагу системи появою неврівноважених сил відштовхування частинок одна від одної. Розклинюючий тиск сприяє потоншенню прошарку із частинок і утворення контакту між ними.

Розклинюючий тиск заважає частинкам дисперсних систем зближуватися до появи сил прилипання. Цей тиск відіграє важливу роль у процесах пептизації та набрякання глинистих мінералів, він сприяє утворенню стійких глинистих суспензій. У бурових розчинах структури формуються, як близькому так і далекому мінімумі. Ці структури визначають технологічні властивості розчину.

7.2 Типи структур в дисперсних системах і їх видозміни у буровому розчині

Глинисті частинки – у водному розчині мають від’ємний заряд, а ребра і вершини аморфні, під час перемішування виникає три види орієнтації глинистих частинок:

1 – ребро - ребро (вершина)

2 – грань - ребро

3 – грань – грань

В залежності від орієнтування глинистих частинок розрізняють чотири різні стани: дисперсне, агрегатоване, флокульоване, дефлокульоване.

У випадку, коли глинисті частини не мають контакту між собою але знаходяться у взмуленому стані і між ними відсутній будь – який зв’язок, то така суспензія продисперговована.

Якщо частинки з’єднані одна з одною вершинами, ребрами чи гранями то суспензія знаходиться у стані коагуляції і систему можна називати флокульованою.

Взаємодія глинистих частинок між собою гранями призводить до агрегатування розчину і розділення його на тверду і рідку фази.

І нарешті, якщо флокульовану систему ребро – ребро, ребро – грань зруйнувати за допомогою хімічного розрідження то отримана система називається дефлокульована.

Питання структуроутворення у бурових розчинах міцно зв’язані із явищем коагуляції та стабілізації дисперсних систем і відіграють важливу роль у регулюванні технологічних параметрів.

7.3 Вплив температури на зміну тіксотропних властивостей

бурового розчину

Нагрівання та охолодження суттєво впливають на тіксотропні властивості бурових розчинів, які оцінюються реологічними показниками. Коли буровий розчин нагрівається у ньому відбуваються найрізноманітніші фізико-хімічні процеси. В цьому випадку необхідно розрізняти зворотні та незворотні зміни.

Незворотні зміни обумовлені деструкцією реагентів – стабілізаторів, які спричиняють його коагуляцію, а також диспергування глинистих частинок, виникненням новоутворень на поверхні глинистих мінералів.

Зворотні зміни спричинені в основному зменшенням в’язкості дисперсійного середовища, зсувом динамічної рівноваги, як між адсорбційними і десорбційними процесами на межі фаз, так і між процесами розчинення і кристалізації солей у системі, зміною просторової конфігурації оболонок захисних високотемпературних колоїдів.

Вплив температури на тіксотропні властивості досліджується методом петель гістерезису, які утворюються із кривих нагрівання та охолодження у координатах характеристик температур. Під час аналізу важливо враховувати положення і форму кожної кривої, а також обмежену ними площу.

На рисунку 7.2 наведені дві узагальнені ділянки петлі гістерезиса для ефективної в’язкості, які можуть зустрітися під час дослідження глинистих суспензій. Відмінність рис.7.2,а від рис.7.2,б полягає у тому, що у першому випадку крива охолодження лежить вище кривої нагрівання. Так при нагріванні розчину від Т₁ до Т₂ ефективна в’язкість змінюється від значення А₁ до значення В₁. Ця зміна спричинена, як зворотними так частково і не зворотними процесами у системі витримки розчину при температурі Т₂ до завершення усіх фізико-хімічних процесів при цій температурі відповідає досягненню постійної величини ефективної в’язкості у точці В₁ (у зв’язку із тривалістю незворотних процесів виконання цієї умови одночасно означає досягнення однакової ступені руйнування структури). Відрізок В₁^’В наближається до нуля при зменшенні швидкості нагрівання і різниці температур. У цьому випадку ламана лінія між А₁ В₁ В₁^’ переходять у дійсну криву нагрівання А₁В₁ позначену пунктиром.

а)

б)

а – збільшення числових значень  під впливом температури;

б – зменшення числових значень  під впливом температури

Рисунок 7.2 – Вплив зміни температури на ефективну в’зкість розчину

При зменшенні температури від Т₂ до Т₁ ефективна в’язкість системи буде змінюватися за лінією В₁ А₂, яка відображає тільки зворотні процеси у суспензії.

Площа петлі А₁В₁А₂ є мірою тих незворотних змін, що пройшли у розмірі при нагріванні його до Т₂. Величину незворотних змін у розчині крім різниці відповідних величин ефективних в’язкостей можна охарактеризувати площею А₂А₁В₁.

Під час повторного нагрівання зразка від Т₁ до Т₂ ефективна в’язкість буде змінюватися за лінією А₂В₁, оскільки внаслідок завершення у системі у цьому інтервалі температур незворотних процесів криві охолодження та нагрівання співпадають.

Подальше нагрівання до температури Т₃, витримка при цій температурі та охолодження до Т₁ викликає зміну ефективної в’язкості за лінією В₁С₁ С₁В₂А₃. Площа петлі иксотропної А₂В₁С₁ В₂А₃ характеризує незворотні зміни, які відбулися у розчині попередньо нагрітому до температури Т₂, а площа А₁В₁С₁ В₂А₃ є мірою незворотних процесів у вихідному розчині.

У випадку, якщо крива охолодження лежить вище кривої нагрівання, то можна передбачити перевагу процесів, які пов’язані з зміцненням просторової структури (диспергування глини і деструкція і десорбція молекул захисних колоїдів). В інших випадках найбільш імовірна флокуляція системи. При збільшенні температури визначення петель иксотропної для однієї і тієї ж суспензії дозволяє простежити всі стадії зміни її фізико-хімічного стану.