1.5 Процеси на межі розділу фаз у дисперсних системах
Для приготування стабільних і стійких бурових промивальних рідин та цілеспрямованого регулювання їх властивостей необхідно розглянути фізико-хімічні основи процесів і явищ, які відбуваються на межі розділу фаз. Власне, високий ступінь подрібненості дисперсної фази у бурових розчинах обумовлює високий розвиток поверхні розділу фаз.
Частинки (молекули, атоми, іони) у внутрішніх шарах речовини підлягають у середньому однаковій силі протягування зі сторони оточуючих частинок. Ті частинки, що знаходяться ближче до поверхні розділу підлягають різним за величиною силам протягування, як з боку внутрішніх шарів, так і з боку межуючого з ними середовища (рис. 1.1.).
Рисунок 1.1 – Схема взаємодії між частинками дисперсної системи на межі розподілу фаз
Оскільки міжмолекулярна взаємодія в середовищі сильніша, то рівнодійна сила притягування буде направлена нормально до поверхні у сторону середовища. Щоб вивести частинки із об’ємної фази у поверхневий шар необхідно збільшити площу поверхні розділу, виконуючи при цьому роботу проти сил взаємодії між частинками. Ця робота в ізотермічних умовах пропорційна зміні площі і дорівнює вільній поверхневій енергії (ЕS)
, (1.3)
де σ – коефіцієнт поверхневого натягу, який представляє роботу утворення одиниці поверхні; S – площа поверхні розділу фаз; dS – зміна поверхні розділу фаз;
σ – є основною характеристикою поверхні розділу і означає, що на одиницю довжини контура, обмежуючого яку-небуть ділянку поверхні розділу, діє сила за величиною рівною σ і спрямована дотично до поверхні за внутрішньою нормаллю до контуру. σ завжди > 0, коли б σ < 0, то на контурі діяли б сили, які розтягують поверхню до необмежених розмірів. Коли σ > 0, поверхня розділу намагається зайняти як можна менше місця при даному об’ємі фаз. Тому ми бачимо бульбашки. Все намагається зайняти сферу.
Поверхнева
енергія – це та енергія, яка необхідна
для утворення одиниці нової поверхні.
Некомпенсованість міжмолекулярних сил
у молекул поверхневого шару системи
проявляється як надлишок величини
вільної енергії в об’ємі речовини. З
позицій основних законів термодинаміки
система завжди намагається перейти в
стан, що характерний мінімальною вільною
поверхневою енергією, тобто
.
Цього можна досягнути за рахунок
зменшення поверхні частинок дисперсної
фази та за рахунок зменшення поверхневого
натягу. Це положення реалізується за
рахунок самозбільшення частинок з
наступним зменшенням площі поверхні
розділу фаз та площі притягування до
молекул дисперсійного середовища. Також
досягти, щоб
можна шляхом розчинення у дисперсійному
середовищі речовин, які зменшують
поверхневий натяг. Такі речовини
називають поверхнево-активні речовини
(ПАР). Величиною поверхневого натягу
бурових промивальних рідин і особливо
фільтрату оцінюється придатність рідин
для буріння в ділянках продуктивних
покладів і для освоєння свердловин. Чим
менший поверхневий натяг фільтрату,
тим більшою буде нафтовіддача пласта.
Застосування ПАР вимагає застосовувати
ефективні піногасники.
В бурових промивальних рідинах процеси, які відбуваються на межі розділу фаз мають важливе значення для їх приготування та практичного застосування. Ці процеси носять фізичний і хімічний характер. Поверхневі явища також відбуваються за рахунок того, що молекули у поверхневому шарі електростатично не урівноважені, тобто, на одній стороні поверхневого шару молекули заряджені однаково, а на іншій ні і на межі поділу фаз виникає електростатичний заряд, що виводить систему із стану рівноваги.
Фізичні процеси, пов’язані із надлишками вільної енергії у поверхневому шарі та наявністю поверхневого натягу.
До цих процесів відносяться змочування, злипання глинистих частинок та їх агрегатування чи структуроутворення.
Хімічні процеси на поверхні розділу фаз пов’язані із адсорбцією на поверхні твердого тіла чи рідини із наступною хімічною взаємодією (рис. 1.2). Адсорбція – це збільшення концентрації елементарних частинок однієї речовини на поверхні іншої.
Рисунок 1.2 – Схема орієнтації диполів води поверхнею дисперсної фази під час адсорбційної взаємодії
Речовина, яка адсорбується на поверхні іншої, називається адсорбат, а та речовина, на поверхні якої відбувається адсорбція, називається адсорбентом. Якщо одна речовина поглинає іншу всім об’ємом, то це є абсорбція, яка не має відношення до поверхневих колоїдно-хімічних процесів. Під час взаємодії компонентів у бурових промивальних рідинах спостерігається фізична адсорбція, обумовлена міжмолекулярною взаємодією і хемосорбція, обумовлена хімічними реакціями, які не виходять за межі поверхневого шару.
Хімічна адсорбція забезпечується іонним, ковалентним та координаційним зв’язком.
Під час аналізу явищ на межі розділу фаз розглядають окремо змочування і адсорбцію розчинних речовин.
Між фізичною адсорбцією, хемосорбцією і простою хімічною реакцією чіткої межі не існує, їх розрізняють за значенням питомої теплоти.
ЛЕКЦІЯ № 2
ГЛИНИСТІ РОЗЧИНИ. СКЛАД, БУДОВА ТА
ВЛАСТИВОСТІ ОСНОВНИХ КОМПОНЕНТІВ
ГЛИНИСТИХ РОЗЧИНІВ
2.1 Глинисті розчини, як дисперсні системи
Всі, хто займається технологічними питаннями бурових промивальних рідин, повинні мати добрі уявлення про мінералогію глин і про основні положення фізико-хімії дисперсних систем. Це обумовлено здатністю глин із водою утворювати глинисті розчини, як колоїдні суспензії. Крім цього глина:
– це колоїдна складова більшості бурових розчинів на водній основі та бурових розчинів на вуглеводневій основі;
– це частинки вибуреної породи, які переходять у розчин і змінюють його властивості;
– це у багатьох випадках складова продуктивних пластів, яка під дією фільтрату схильна до збільшення об’єму та зменшення проникності.
Мінералогія глин та фізико-хімія колоїдних систем, науки дуже об’ємні, і фахівцям, які працюють з глинистими розчинами, важливо знати ті аспекти цих наук, які суттєво відображають технологічні питання бурових промивальних рідин.
Застосування дисперсних систем у бурінні продиктовано необхідністю виконувати певні функції, які “чисті” рідини виконувати не можуть. В бурінні найбільш поширена дисперсна система – це суспензія глини, де розчинник (дисперсійне середовище) рідина, а розчинена речовина (дисперсна фаза) є тверде тіло або тверда фаза. Дисперсійне середовище і дисперсна фаза лежать в основі фізико-хімії колоїдних систем.
При бурінні свердловини у склад бурового роз чину входять тверда і рідка фази. Слід зауважити, що основні фізико-хімічні та технологічні властивості в значній мірі визначаються складом дисперсної фази. В якості твердої фази в бурових розчинах можуть бути мінеральні, синтетичні, органічні, неорганічні та мінерально-органічні сполуки. Із мінеральних речовин для приготування бурових промивальних рідин застосовують різного роду глинисті породи, карбонатні породи, рідше азбест.
В якості синтетичних сполук для приготування бурових розчинів застосовують слаборозчинні у водних середовищах неорганічні та органічні солі та комплекси, які отримують в дисперсійному середовищі шляхом створення у ньому відповідних умов. До таких сполук відносяться деякі гідроксиди, сульфати, силікати, органічні комплекси полівалентних металів. Також у буровому розчині завжди присутні, як активний компонент, вибурені частинки гірської породи (шлам) та різноманітні технологічні компоненти, наприклад, обважнювачі, хімічні реагенти.