1

КРАСНОЯРСК СФУ 2013

В.И.Зварыгин

Очистные агенты

Министерство образования и науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

В. И. Зварыгин

Очистные агенты Учебное пособие

Красноярск

СФУ

2012

ВВЕДЕНИЕ

Очистные агенты – это жидкие и газообразные вещества, предназначенные для очистки забоя скважины от продуктов разрушения горных пород, образованных в процессе бурения скважин.

Все очистные агенты представляют собой дисперсные системы, состоящие из дисперсной тонкоразмельченной твердой, газообразной или жидкой фазы и дисперсионной среды (средой, в которой распределено дисперсное вещество).

Системы, состоящие из одной дисперсной фазы, называют гомогенными, а из нескольких фаз – гетерогенными. К гомогенным системам можно отнести истинные растворы, к гетерогенным – воздух, коллоиды, суспензии, эмульсии, пены.

Дисперсность – это обратная величина размера частиц а:

D = 1/a.

Дисперсные системы делят на три группы: с газовой жидкой и твердой дисперсионной средой. Системы с газовой дисперсионной средой называют аэрозолями, а с жидкой – лиозолями.

Тонкодисперсные системы с твердой фазой и жидкой дисперсионной средой называют суспензиями.

Дисперсные системы, представленные жидкой дисперсионной средой и газообразной дисперсной фазой, называют аэрированными промывочными жидкостями, а дисперсные системы, в которых дисперсионной средой являются пленки воды, а дисперсной фазой – газ (иногда до 99%), называют пенами.

Дисперсные системы с жидко-дисперсной средой и жидкой дисперсной фазой носят название эмульсий.

Назначение очистных агентов

В процессе бурения скважин очистные агенты выполняют следующие функции:

1) транспортирование разрушенного материала с забоя на поверхность;

2) стабилизацию стенок скважин (кольматация пор и трещин, компенсация пластового давления, предотвращение набухания породы);

3) смазку стенок скважины, бурильной колонны и породоразрушающего инструмента и снижение их износа;

4) охлаждение породоразрушающего инструмента.

В соответствии с указанными функциями промывочные жидкости для бурения в осложненных условиях должны иметь следующие свойства:

1) для выноса шлама, удержания его во взвешенном состоянии, кольматации пор и трещин в стенках скважин - иметь необходимую структуру (статическое напряжение сдвигу) и вязкость;

2) для компенсации пластового давления, предотвращения водопроявлений , водопоглощений и обвалов скважин – регулируемую плотность , соответствующую пластовому давлению;

3) для модификации (упрочнения) неустойчивых горных пород стенок скважин – обладать крепящими свойствами;

4) для снижения трения и износа бурового снаряда ,нагревания породоразрушающего инструмента – обладать смазывающими свойствами.

Часть 1 очистные агенты

Глава 1

Коллоидные растворы

1. .Структура воды

Вода является основой всех коллоидных растворов. Она находит широкое применение при бурении устойчивых горных пород в качестве самостоятельной промывочной жидкости.

Под структурой воды понимают наличие устойчивых связей атомов в молекуле воды и порядок их соединения.

Вода, как известно - это природное неорганическое соединение, имеющее молекулярное строение, близкое соединениям водорода с галогенами: HI, НСl, HBr, соединениям водорода c серой H₂S, селеном H₂Se, теллуром Н₂Те, азотом NH₃. углеродом СН₄ и т.д. Однако в отличие от воды все перечисленные соединения в атмосферных условиях являются газами, хотя молекулярный вес большинства из них превышает молекулярный вес воды. Вода же является жидкостью. Такая аномалия объясняется наличием связей между молекулами, обусловленных специфическим строением молекул воды.

Молекула воды, состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Атом кислорода на втором энергетическом уровне имеет два подуровня: 2S (орбиталь с двумя электронами 2 S²) и 2Р (с четырьмя электронами: орбиталъ с двумя электронами 2Р² и два неспаренных электрона).

Совместно с электронами двух атомов водорода Н неспаренные электроны кислорода образуют спаренные орбитали (рис. 1.1). Таким образом, образуется ковалентная связь между атомом кислорода и двумя атомами водорода. Длина этой связи 0,96 А.

Рис. 1.1. Схема строения молекулы воды

Энергия связи Н-ОН составляет 493 кДж/молъ.

Рис. 1.2. Схема строения молекулы воды

Молекулы воды состоят из гетерогенных атомов, отличающихся энергией связи, а, следовательно, различной электроотрицательностью. В результате большой разности электроотрицательностей кислорода (3,5) и водорода (2,1) как спаренные орбитали, так и орбитали с неподеленными парами подвергаются гибридизации типа ЗР³. Орбитали вытягиваются в сторону образования связей. Молекула воды принимает форму тетраэдра, в двух вершинах которого расположены атомы водорода (рис. 1.2.). Угол между спаренными орбиталями составляет 104,5.

Поскольку электроотрицательность атомов водорода и кислорода значительно отличаются, то, как было отмечено выше, ионное облако (спаренная орбиталь) смещается в сторону более электроотрицательного атома (атома кислорода). Молекула воды поляризуется: на атоме кислорода (в вершинах орбиталей с неподеленными электронными парами) возникает отрицательный заряд, а на атомах водорода - положительный . За счет разноименности зарядов вершин, образованных таким образом молекул (диполей) воды возникает их взаимное притяжение по вершинам тетраэдров, что и обусловливает прочность связи молекул воды.

Энергия межмолекулярного взаимодействия молекул воды складывается из всех трех видов ван-дер-ваальсового взаимодействия (ориентационного, индукционного и дисперсного) и энергии водородной связи. Дисперсионное взаимодействие - результат появления мгновенных диполей в момент совпадения электронных орбиталей соседних атомов. В основе их лежит элекстростатическое взаимодействие диполей. При ориентационном взаимодействии соседние диполи ориентируются противоположно заряженными полюсами. при индукционном - атомы индуциируют возникновение диполей в соседней молекуле.

Диссоциация воды.

Чистая воды обладает малой электропроводностью, которая обьясняется небольшой диссоциацией воды на ионы водорода и гидроксид-ионы:

Исследования показывают, что для чистой воды при постоянной температуре количество ионов величина постоянная, равная моль/л. В кислых растворах ионов водорода > моль/л, в щелочных растворах [ ]< моль/л Практически кислотность или щелочность раствора определяют по десятичному логарифму концентрации раствора с обратным знаком. Зту величину называют водородным показателем:

pH = -lg[ ]

Например, если [ ] = моль/л, то pH = 5, если [ ] = моль/л, то pH=9, в нейтральном растворе pH= 7

Для измерения pH существуют различные методы: с помощью индикаторов - реактивов, лакмусовой бумаги, приборов pH-метров.