Билет 1.Буровые растворы.Основные функции буровых растворов

БР - сложная многокомпонентная система используемые для разрушения горных пород и удаления выбуренной породы из ствола скважины. БР - это и ВОДА, заливаемая в ствол скважины, и ВОЗДУХ, нагнетаемый для выдувания шлама из шпура, это и УТЯЖЕЛЕННЫЙ глинистый раствор (ГР), применяемый в разведочных скважинах, чтобы устранить возможность выброса при разбуривании пластов высокого давления, и ПЕНА, используемая для выноса шлама из скважины, которую бурят на воду в ледниковых отложениях, и БЕНТОНИТОВЫЙ РАСТВОР, служащий для поддержания устойчивости стенок при проводке шурфа, и СЛОЖНАЯ ПРОМБ1ВОЧНАЯ СИСТЕМА, приготовляемая на основе нефти с добавкой эмульгаторов, стабилизирующих и структурообразующих реагентов, в частности солевых растворов, а также ЗАКУПОРИВАЮЩЕГО МАТЕРИАЛА, для разбуривания пластов, содержащих коррозионноагрессивные газы с t>260°C.

Основные функции буровых растворов

1)облегчение процесса разрушения породы;

БР в зависимости от содержания в них спец.хим.добавок влияют на эффективность разрушения ГП, снижая их твердость. С увеличением удельного веса БР и концентрации в нем твердой фазы разрушение облегчается.

2)очистка скважины от частиц выбуренной породы (шлама) и вынос их на поверхность;

Чем больше поступает в скважину БР в единицу времени, тем лучше и своевременнее очищается забой скважины, тем эффективнее работает долото при разрушении ГП на забое и тем больше механическая скорость бурения. Большое значение имеет вязкость БР. Маловязкий раствор лучше очищается на поверхности от шлама и эффективнее очищает забой по сравнению с высоковязким раствором.

3)удержание частиц выбуренной породы во взвешенном состоянии при

остановке циркуляции раствора;

Это свойство БР необходимо для того, чтобы частицы выбуренной породы не оседали, образуя пробки в стволе скважины, что приводит к прихвату бурильной колонны, т.е. к невозможности извлечения бурильных труб из скважины. Для выполнения этой функции БР должен обладать тиксотропными свойствами, т.е. способностью загустевать при прекращении прокачивания, образуя структуру, а при механическом воздействии (взбалтывании, перемешивании, циркуляции) вновь приобретать хорошую подвижность и прокачиваемость.

4) охлаждение и очистка долота;

5) уменьшение трения между бурильной колонной и стенками ствола

скважины;

6) создания давления на стенки скважины для предупреждения водо-, нефте- и газопроявлений;

При вскрытии пласта жидкость или газ, заключенные в нем, под действием пластового давления стремятся проникнуть в скважину, но для этого они должны преодолеть давление со стороны БР. Если пластовое давление превышает давление БР, жидкость или газ из пласта будет проникать в скважину, что при высоком перепаде давления может привести к тяжелым авариям. Предотвращение этих осложнений может быть достигнуто увеличением гидростатического давления столба БР с целью уравновешивания пластового давления. Для этого с помощью специальных добавок увеличивают удельный вес БР. В противном случае если это противодавление оказалось недостаточным, газ из пласта начинает проникать в скважину и, попадая в раствор, снижает его удельный вес и еще больше уменьшает давление гидростатического столба БР и противодавление его на проявляющий пласт. В результате давление пласта оказывается намного больше противодавления, создаваемого БР и происходит выброс раствора из скважины и открытое фонтанирование. Для предотвращения этих явлений БР должен обладать соответствующим удельным весом и иметь такую вязкость, чтобы в случае проникновения газа пузырьки его могли проскакивать в растворе, подниматься на поверхность и уходить из него в желобной системе.

Возможны также и случаи обратного явления, когда происходит проникновение БР в пласт, т.е. при пониженном пластовом давлении. В данном случае происходит поглощение БР, что нарушает режим промывки и может привести к прекращению циркуляции и связанным с этим осложнениям в скважине. Это также приводит к газо-, водо-, нефтепроявлениям, осыпям и обвалам неустойчивых пород.

7) образование тонкой фильтрационной корки низкой проницаемости, которая перекрывает поры и другие отверстия в разбуриваемых породах;

8) оказывание физико-химического воздействия на стенки скважины,

предупреждая их обрушение;

9) передача энергии турбобуру (при турбинном способе бурения);

При турбинном способе БР является источником энергии, обеспечивающим работу турбобура и долота. БР, подаваемый через трубы на лопатки турбобура, приводит во вращение вал турбобура, который в свою очередь вращает долото. При движении раствора внутри труб, долота и турбобура возникают местные гидравлические сопротивления, которые снижают эффективность работы турбобура, т.к. не позволяют использовать максимальную производительность буровых насосов, прокачивающих раствор в скважину. Одним из способов снижения гидравлического сопротивления является применение маловязких БР со специальными добавками

Билет 2. Дисперсные системы, их классификация. Основные свойства дисперсных систем. Оптические свойства ДС

Дисперсная система (ДС) - это раздробленная система, в которой одно вещество раздроблено (диспергировано) и распределено в другом веществе.

Вещество, которое диспергировано, называется дисперсной фазой (ДФ), а среда, в которой это вещество распределено - дисперсионной средой (ДСр).

Существуют классификации по:

1) агрегатному состоянию,

2) по межфазному взаимодействию,

3) по дисперсности (или размеру частиц),

а также по структуре, по фазовой различимости и другие. Мы рассмотрим наиболее важные из них.

Классификация по агрегатному состоянию

В зависимости от агрегатного состояния все дисперсные системы можно разделить на 9 типов (таблица 7). Необходимым условием образования ДС является ограниченная растворимость вещества ДФ в Дер. Так, системы Г/Г обычно не фигурируют в классификации вследствие неограниченной взаимной растворимости газов.

Таблица 7

Типы дисперсных систем

Дисперсная фаза Дисперсная среда Обознач. Системы Тип системы Некоторые примеры

1 Твердая Жидкая Т/Ж Золи, суспензии Дисперсии (взвеси) в прир.водах,золи метал¬лов в воде, бактерии

2 Жидкая Жидкая Ж/Ж Эмульсии Молоко, смазки, сырая нефть

3 Газообразная Жидкая Г/Ж Газовые эмульсии, пены Мыльная пена

4 Твердая Твердая Т/Т Твердые коллоидные растворы Минералы, некоторые сплавы (самоцветы, сталь, чугун)

5 Жидкая Твердая Ж/Т Пористые тела капиллярные системы, гели Адсорбенты, почвы, влажные грунты и некоторые минералы (опал, жемчуг)

6 Газообраз-ная Твердая Г/Т Пористые и капил-лярные системы, ксерогели Пемза, силикагель, активные угли

7 Твердая Газообразная Т/Г Аэрозоли (пыли, дымы) Табачный дым, угольная и космич пыль, порошки

8 Жидкая Газообразная ж/г Аэрозоли (туманы) Туман, кучевые облака, тучи

9 Газообразная Газообразная г/г Системы с флук-туациями плот-ти Атмосфера Земли

Классификация по межфазному взаимодействию

Она пригодна только для систем с жидкой дисперсионной средой. Такие системы могут быть лиофильными и лиофобными.

Лиофильные (от греческого слова «лиос»- жидкость, «фило»- люблю) - это системы с сильным межмолекулярным взаимодействием вещества ДФ со средой с образованием сольватных оболочек большой толщины. Лиофильные системы устойчивы и характеризуются самопроизвольным диспергированием. Так, мыла, многие глины (например, бентонитовые) самопроизвольно «распускаются» в воде, а ВМС растворяются в «хорошем» (т.е. хорошо взаимодействующим с ними) растворителе до отдельных макромолекул. Системы, в которых не происходит самопроизвольного диспергирования называются лиофобными (от греч. «фобо»- ненавижу). Это системы, в которых ДФ слабо или вообще не взаимодействуют с ДСр. Поэтому эти системы неустойчивы и постепенно разрушаются, выделяя ДФ. Для придания стабильности таким системам необходимо проводить лиофилизацию поверхности ДФ. Это достигается путем добавления в систему различных добавок, называемых стабилизаторами. Когда в качестве ДСр выступает вода, такие системы называются гидрофильными или гидрофобными, а в случае масла - олеофильными и олеофобными.

Классификация по дисперсности.

По степени дисперсности системы делятся на высокодисперсные или

коллоидные, если поперечный размер частиц находится в пределах 10(57) - 10" см. Эти системы относительно устойчивые. Частицы можно наблюдать в ультрамикроскоп, они прозрачны.

Тонкодисперсные системы с размерами частиц 10(25)- 10 см. Эти системы неустойчивы в отсутствии стабилизаторов, непрозрачны, их можно наблюдать в микроскоп. К ним относятся суспензии, эмульсии, пены.

Грубодисперсные системы с размерами частиц равными или больше 10" см. К ним относятся взвеси почвы, песка и других материалов в жидкости. Эти системы неустойчивы даже в присутствии стабилизаторов, быстро разделяются на фазы, непрозрачны, частицы видны невооруженным глазом.

Все три системы являются гетерогенными и имеют поверхность раздела между ДФ и ДСр, что обусловливает наличие свободной поверхностной энергии на границе раздела фаз.

Основные свойства дисперсных систем определяются поверхностными явлениями: адсорбцией, образованием двойного электрического слоя и обусловленных им электрокинетических явлений, контактными взаимодействиями частиц дисперсной фазы. Размер частиц определяет оптические (светорассеяние и другие) и молекулярно-кинетические свойства (диффузия, термофорез, осмос)

Оптические свойства дисперсных систем обусловлены взаимодействием электромагнитного излучения, обладающего определенной энергией, с частицами дисперсной фазы. Особенности оптических свойств определяются природой частиц и их размерами, соотношением между длиной волны электромагнитного излучения и размерами частиц. Одним из наиболее характерных оптических свойств дисперсных систем является рассеяние света.

В зависимости от свойств частиц дисперсной фазы и их размеров свет, проходя через систему, может поглощаться, отражаться или рассеиваться. Последствия воздействия света на дисперсную систему определяются законами геометрической оптики.

Дисперсные системы способны к рассеянию света, если размеры частиц (а) намного меньше длины волны света (l).

Теорию рассеяния света развил английский физик Рэлей. Способностью рассеяния обладают не только частицы, но и ассоциаты молекул, макромолекулы. Рассеяние заключается в преобразовании света веществом, которое сопровождается изменением направления света и проявляется как несобственное свечение вещества.

Билет 3. Виды устойчивости ДС (агрегативная, седиментационная,термодинамическая)

Сидементационная(кинетическая) устойчивость - характеризует способность дисперсной системы сохранять равновесное распределение фазы по объему дисперсионной среды или ее устойчивость к разделению фаз.

Агрегативная устойчивость – это способность дисперсной системы сохранять неизменной во времени степень дисперсности, т.е. размеры частиц и их индивидуальность. Она обусловлена способностью дисперсных систем образовывать агрегаты (т.е. укрупняться). По отношению к агрегации дисперсные системы могут быть устойчивыми кинетически и термодинамически.

Термодинамическая устойчивость - образуются в результате самопроизвольного диспергирования одной из фаз, т.е. самопроизвольного образования гетерогенной свободнодисперсной системы. Дисперсные системы также делят на: • лиофильные, обладающие термодинамической устойчивостью; • лиофобные, которые термодинамически неустойчивы к агрегации, но могут быть устойчивы кинетически, т.е. обладать значительным временем жизни. Особенности этих двух видов устойчивости показаны на схеме:Термодинамическая устойчивость лиофильных систем означает, что они равновесны (энергия Гиббса G  min), обратимы и образуются самопроизвольно, как из макрофаз, так и из истинных растворов. Поскольку образуются гетерогенные системы, то поверхностная энергия должна быть скомпенсирована энтропийной составляющей, т.е. частицы дисперсной системы должны участвовать в молекулярно кинетическом (тепловом) движении. Отсюда следует, что лиофильные системы могут быть только ультромикрогетерогенными, а поверхностное натяжение на границе «частица – среда» должно быть очень малым. Значение поверхностного натяжения, при котором обеспечивается термодинамическая устойчивость дисперсных систем

Билет 4. Основные явления ДС (адсорбция, сорбция, хемосорбция, поверхностное натяжение, смачиваемость).

Адсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo — поглощаю) — увеличение концентрации растворенного вещества у поверхности раздела двух фаз (твердая фаза-жидкость, конденсированная фаза - газ) вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз.Адсорбция является частным случаем сорбции, процесс, обратный адсорбции – десорбция. Поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, называют адсорбтив, поглощённое — адсорбат. В более узком смысле под адсорбцией часто понимают поглощение примеси из газа или жидкости твёрдым веществом (в случае газа и жидкости) или жидкостью (в случае газа) — адсорбентом. При этом, как и в общем случае адсорбции, происходит концентрирование примеси на границе раздела адсорбент-жидкость либо адсорбент-газ. Процесс, обратный адсорбции, то есть перенос вещества с поверхности раздела фаз в объём фазы, называется десорбция. Если скорости адсорбции и десорбции равны, то говорят об установлении адсорбционного равновесия. В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остается постоянным сколь угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и состав системы)

Сорбция (от лат. sorbeo — поглощаю) — поглощение твёрдым телом либо жидкостью различных веществ из окружающей среды. Поглощаемое вещество, находящееся в среде, называют сорбатом (сорбтивом), поглощающее твёрдое тело или жидкость — сорбентом.

По характеру поглощения сорбата сорбционные явления делятся на два типа: адсорбцию — концентрирование сорбата на поверхности раздела фаз или его поглощение поверхностным слоем сорбента и абсорбцию — объёмное поглощение, при котором сорбат распределяется по всему объёму сорбента.

В свою очередь, различают два типа адсорбции — физическую адсорбцию, при которой повышение концентрации сорбата на поверхности раздела фаз обусловлено неспецифическими (то есть не зависящие от природы вещества) силами Ван-дер-Ваальса и химическую адсорбцию (хемосорбцию), обусловленную протеканием химических реакций сорбата с веществом поверхности сорбента. Физическая адсорбция слабоспецифична, обратима и её тепловой эффект невелик (единицы кДж/моль). Хемосорбция избирательна, обычно необратима и её теплота составляет от десятков до сотен (хемосорбция кислорода на металлах) кДж/моль

Хемосорбция, химическая сорбция, поглощение жидкостью или твёрдым телом веществ из окружающей среды, сопровождающееся образованием химических соединений. В более узком смысле хемосорбцию рассматривают как химическое поглощение вещества поверхностью твёрдого тела, т. е. как химическую адсорбцию. При хемосорбции выделяется значительное количество тепла: обычно теплоты хемосорбции лежат в пределах 84—126 кдж/моль (20—30 ккал/моль), а в некоторых случаях, например при хемосорбции кислорода на металлах, могут превышать 420 кдж/моль (100 ккал/моль). Подобно химическим реакциям, хемосорбция требует, как правило, значительной энергии активации. Поэтому при повышении температуры хемосорбция ускоряется (т. н. активированная адсорбция). Хемосорбция избирательна, т. е. зависит от химического сродства адсорбируемого вещества к поверхности твёрдого тела. Для изучения хемосорбции применяют физические методы: спектроскопию, электронный парамагнитный и ядерный магнитный резонанс, электронный и ионный проекторы, дифракцию медленных электронов и др. Хемосорбция играет большую роль в гетерогенном катализе, очистке газов, вакуумной технике и др.

Пове́рхностное натяже́ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости[1].

Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка. Коэффициент пропорциональности — сила, приходящаяся на единицу длины контура — называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он измеряется в ньютонах на метр. Но более правильно дать определение поверхностному натяжению, как энергии (Дж) на разрыв единицы поверхности (м²). В этом случае появляется ясный физический смысл понятия поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение может быть на границе газообразных, жидких и твёрдых тел. Обычно имеется в виду поверхностное натяжение жидких тел на границе «жидкость — газ». В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз.

СМАЧИВАЕМОСТЬ, смачивание — поверхностное явление, возникающее на границе соприкосновения фаз, одна из которых твёрдое тело, а другие — несовмещающиеся жидкости или жидкость и газ. Смачиваемость проявляется в частичном или полном растекании жидкости по твёрдой поверхности, пропитывании пористых тел и порошков.

Смачиваемость твёрдых веществ характеризуется углом смачиваемости Q или соs Q, значения которых получают при рассмотрении равновесного состояния сил поверхностного натяжения для капель жидкости (ж) на твёрдой поверхности (т) в газовой среде (г):

где sтг — поверхностное натяжение на границе раздела фаз твёрдое тело — газ;

sтж — поверхностное натяжение на границе раздела фаз твёрдое тело — жидкость;

sжг — поверхностное натяжение на границе раздела фаз жидкость — газ.

Смачиваемость твёрдой поверхности жидкостью увеличивается по мере уменьшения угла Q. При рассмотрении угла смачиваемости учитывается гистерезис смачиваемости, зависящий от состояния твердой поверхности — её шероховатости, химической неоднородности, препятствующих перемещению границы раздела фаз (уменьшение угла смачиваемости при оттекании жидкости и увеличение угла Q при натекании жидкости).

Билет 5.Буровые растворы как ДС. Классификация БР

Она облегчает выбор БР при бурении. Имеется богатый выбор БР, отличающийся по составу и свойствам. Единой и приемлемой во всех отношениях классификации БР нет. Сложность состоит в том, что некоторые БР представляют собой ДС уже в исходном виде, а другие можно отнести к ДС лишь после циркуляции в скважине, поскольку ДФ таких БР появляется в скважине, а именно частички выбуренной породы.

БР могут быть классифицированы, исходя из следующих признаков:

• состава дисперсионной среды (вода, водные суспензии, рассолы, эмульгированные суспензии, инвертные эмульсии, растворы на нефтяной основе, аэрированные жидкости, воздух, газ);

• состава твердой фазы (малоглинистые, глинистые, бентонитовые, палыгорскитовые, глинокарбонатные, утяжеленные, из выбуриваемых глинистых или неглинистых пород и т.п.);

• метода химической обработки и назначения (необработанные, ингибированные, солестойкие, термостойкие, с добавками ПАВ, растворы для вскрытия пласта идр.).

Каждый из этих признаков в отдельности не может достаточно полно охарактеризовать БР. Например, эмульсионный раствор носит чрезмерно общий характер. Это определение необходимо дополнить другими признаками такими, как утяжеленный известковый эмульсионный раствор на бентонитовой основе.

В качестве газообразных агентов при бурении скважин используют воздух от компрессорных установок, природный газ из магистральных газопроводов или близлежащих газовых скважин, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Хотя вид агента не оказывает значительного влияния на технологический процесс бурения, тем не менее при выборе газообразного агента необходимо учитывать не только экономическую сторону, но и безопасность проведения буровых работ.

Как в СНГ, так и за его рубежами наибольшее распространение получили бурение скважин и вскрытие продуктивного пласта по схеме прямой циркуляции с использованием сжатого воздуха или газа.

Сжатый воздух как промывочный агент применяется главным образом при бурении в сухих устойчивых многолетнемерзлых породах, в районах, где затруднено обеспечение промывочной жидкостью (пустынные районы Средней Азии, гористая местность), реже в водонасыщенных и неустойчивых породах, так как технология и организация продувки при этом значительно усложняются. Воздух сжимается в специальных, обычно передвижных компрессорных установках, которые располагаются недалеко от скважины. Перед использованием воздух должен быть соответствующим образом подготовлен: охлажден, очищен от капелек масла и воды.

Применение сжатого воздуха позволяет за счет резкого снижения давления на породы забоя скважины, улучшения очистки и выноса выбуренной породы повысить механическую скорость бурения в 2 - 2.5 раза.

В сжатый воздух при бурении в осложненных условиях (водопроявления, липкие глины и т. д.) с помощью специальных устройств можно вводить в небольших количествах в виде мельчайших капелек воду или водные растворы ПАВ. Такой воздух является уже дисперсной системой с водной дисперсной фазой. При введении повышенных количеств воды образуется пена.

Сжатый воздух можно вводить в качестве составного компонента в плотные промывочные жидкости. При этом получаются аэрированные промывочные жидкости, также являющиеся дисперсными системами. При повышенном содержании воздуха аэрированные жидкости переходят в пены.

Пена представляет собой агрегативно-неустойчивую дисперсную систему, состоящую из пузырьков газа (ДФ), разделенных пленками жидкости или твердого вещества (ДСр). Более широко на практике применяют пены с жидкой дисперсионной средой.

Пены могут эффективно использоваться при бурении скважин в твердых породах (известняках, доломитах), многолетнемерзлых породах, пористых поглощающих горизонтах, при вскрытии продуктивных пластов, освоении и капитальном ремонте скважин, если пластовое давление составляет 0.3 - 0.8 от гидростатического.

Для получения устойчивой пены в жидкой фазе кроме растворителя должен находиться хотя бы один поверхностно - активный компонент (ПАВ), адсорбирующийся на межфазной поверхности раствор - воздух.

Для повышения стабильности пен в них добавляют реагенты -стабилизаторы (КМЦ, ПАА, ПВС), увеличивающие вязкость растворителя и

способствующие замедлению процесса истечения жидкости из пленок.

Билет 6.Коллоидные растворы, их свойства. Строение коллоидных частиц.Двойной электрический слой.

Золь иначе лиозоль; коллоидный раствор (англ. sol от лат. solutio — раствор) — высокодисперсная коллоидная система (коллоидный раствор) с жидкой (лиозоль) или газообразной (аэрозоль) дисперсионной средой, в объеме которой распределена другая (дисперсная) фаза в виде капелек жидкости, пузырьков газа или мелких твердых частиц, размер которых лежит в пределе от 1 до 100 нм (10−9—10−7м)

В зависимости от дисперсионной среды золи бывают твердыми, аэрозолями (газообразная дисперсионная среда) и лиозолями (жидкая дисперсионная среда). В зависимости от природы среды лиозоли называют гидрозолями (вода), органозолями (органическая среда) или, более конкретно, алкозолями (спирты), этерозолями (эфиры) и др. 3оли занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами (суспензиями, эмульсиями). Золи диффундируют медленнее, чем неорганические соли, обладают эффектом светорассеяния (Эффект Тиндаля). В противоположность гелям, в золях частицы дисперсной фазы не связаны в пространственную структуру, а свободно участвуют в броуновском движении.

Частицы дисперсной фазы лиозоля вместе с окружающей их сольватной оболочкой из молекул (ионов) дисперсионной среды называют мицеллами. К лиозолям относятся мицеллярные растворы различных типов, водные растворы биополимеров, органо- и гидрозоли металлов, синтетические латексы.

Примером аэрозоля на основе жидкости является туман — взвесь капель воды в воздухе; находящийся в воздухе дым или пыль — пример твердотельного аэрозоля

1.большая удельная поверхность;

2.адсорбция и плёнкообразование на поверхностях раздела;

3.агрегация, как следствие взаимодействия частиц;

4.частицы на поверхности обладают большей энергией, чем частицы внутри фазы

Строение коллоидных частиц.Специфической особенностью коллоидных растворов по сравнению с истинными является их агрегативная неустойчивость, т.е. способность разделяться на фазы под влиянием незначительных внешних воздействий. Еще легче такое расслоение происходит в случае грубодисперсных гетерогенных систем (неустойчивых эмульсий, суспензий и т.п.)

Причиной принципиальной неустойчивости гетерогенных дисперсных систем является наличие у них большой межфазной поверхности. Эта поверхность обладает большим избытком энергии. При разделении фаз (расслаивании гетерогенной системы) межфазная поверхность становится минимальной, общая энергия системы понижается, система становится более стабильной.

При своем хаотическом тепловом движении частицы дисперсной фазы сталкиваются и объединяются, так как на близких расстояниях между ними возникают межмолекулярные (ван-дер-ваальсовские) силы притяжения. Далее укрупненные частицы под действием гравитационных сил объединяются, образуя слои фаз, например, осадок твердой фазы отделяется от жидкой фазы, или более плотная жидкость опускается вниз, а более легкая остается наверху, или пузырьки газа отделяются от жидкости и т.д.

Однако, если частицы дисперсной фазы достаточно малы, многие коллоидные растворы и другие ультрамикрогетерогенные системы в определенных условиях могут существовать как угодно долго, не смотря на большую избыточную поверхностную энергию. Это означает. что сближению частиц и их укрупнению препятствуют какие-то силы.

В ряде случаев устойчивость ультрамикрогетерогенных систем можно объяснить редкими столкновениями между частицами. Например, аэрозоли (дисперсионная среда – газ) существуют только благодаря малочисленности столкновений между частицами в результате их низкой концентрации в газе. Относительная устойчивость вязких коллоидных систем, особенно твердых, объясняется медленным броуновским движением частиц, что также приводит к редким столкновениям.

Иногда сближению частиц, при котором начинают действовать ван-дер-ваальсовские силы притяжения, может препятствовать сольватная оболочка из молекул среды.

Но главной причиной устойчивости коллоидных систем считают наличие одноименного заряда на поверхности коллоидных частиц. Частицы не могут подойти близко друг к другу из-за электростатического отталкивания одинаковых по знаку зарядов.

С современной точки зрения, заряд на коллоидных частицах обусловлен наличием на их поверхности двойного электрического слоя (ДЭС) из ионов, возникающего либо в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита, находящегося в растворе, либо за счет ионизации поверхностных молекул вещества.

Билет 7.Электрокинетические явления в ДС. Электрокинетический потенциал,термодинамический потенциал

Электрокинетические явления, группа явлений, наблюдаемых в дисперсных системах, мембранах и капиллярах; включает электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал оседания (седиментационный потенциал, или эффект Дорна). Электроосмос - течение жидкости в капиллярах и пористых телах, вызванное внеш. электрич. полем; обратное ему электрокинетическое явление – потенциал течения - появление электрич. разности потенциалов на концах капилляра или мембраны при протекании жидкости. Электрофорез – движение твердых частиц или капель, взвешенных в электролите, при наложении электрич. поля. Обратное электрокинетическое явление – -появление электрич. разности потенциалов на границах облака оседающих (седиментирующих) частиц, взвешенных в электролите (эффект Дорна).

Осн. роль в возникновении электрокинетических явлений играет двойной электрический слой (ДЭС), формирующийся у поверхности раздела фаз. Внеш. электрич. поле, направленное вдоль границы раздела фаз, вызывает смещение одного из ионных слоев, образующих ДЭС, по отношению к другому, что приводит к относит. перемещению фаз, т. е. к электроосмос. или электрофорезу. Аналогичным образом при относит. движении фаз, вызываемом мех. силами, происходит перемещение ионных слоев ДЭС, что приводит к пространственному разделению зарядов (поляризации) в направлении движения и к перепаду электрич. потенциала (потенциал течения, потенциал оседания).

Рассмотрим, например, электроосмотич. скольжение электролита в капилляре или порах мембраны. Примем для определенности, что на поверхности адсорбированы отрицат. ионы, которые закреплены неподвижно, а положит. ионы формируют диффузную часть ДЭС. Внеш. поле Е направлено вдоль поверхности. Электростатич. сила, действующая на любой произвольный элемент диффузной части ДЭС, вызывает движение этого элемента вдоль поверхности. Поскольку плотность заряда в диффузной части ДЭС Ф(х) меняется в зависимости от расстояния до поверхности х (рис.), разл. слои жидкого электролита движутся с разными скоростями. Стационарное состояние (неизменность во времени скорости течения) будет достигнуто, когда действующая на произвольный слой жидкости электростатич. сила скомпенсируется силами вязкого сопротивления, возникающими из-за различия скоростей движения слоев жидкости, находящихся на разном удалении от поверхности. Уравнения гидродинамики, описывающие движение жидкости при постоянных вязкости жидкости и ее дизлектрич. Проницаемости

Электрокинетический потенциал x-потенциал, дзета-потенциал, часть общего скачка потенциала на границе двух фаз, определяющая относительное перемещение этих фаз при электрокинетических явлениях. Общий скачок потенциала при пересечении межфазной границы в дисперсных системах обусловлен существованием двойного электрического слоя. Э. п. - перепад потенциала по той части диффузного слоя, в пределах которой жидкость может быть вовлечена в тангенциальное движение относительно межфазной поверхности при внешнем воздействии на систему. Под влиянием сильно адсорбирующихся на поверхности ионов или изменения pH жидкости может произойти перемена знака на противоположный ("перезарядка" поверхности). Э. п. в изоэлектрической точке равен нулю

Билет 8.Коагуляция. Гидрофобная, гидрофильная коагуляции. Порог коагуляции.Коллоидная защита

Коагуляция - процесс укрупнения (слипания, слияния) частиц ДФ под действием молекулярных сил сцепления или сил тяжести.

Для коагуляции гидрофильных коллоидов требуется большее количество электролита, чем для гидрофобных. Основную роль в этом процессе играет разрушение гид-ратной оболочки частиц, в то время как роль заряда частиц становится второстепенной.При коагуляции гидрофильных коллоидов происходит захват ими почти всего растворителя. При этом образуется студень, или гель. Гидрофобные коллоиды при коагуляции растворитель не захватывают - выпадает твердый осадок, который при подсушивании образует порошок.Для коагуляции гидрофильных коллоидов требуется большее количество электролита, чем для гидрофобных. Основную роль в процессах коагуляции гидрофильных золей играет разрушение гидратной - оболочки частиц, в то время как роль заряда частиц становится второстепенной. На рис. 14 показана схема коагуляции гидрофильного и гидрофобного золей.При коагуляции гидрофильных коллоидов происходит захват ими почти всего растворителя, при этом образуется студень, или гель. Гидрофобные коллоиды при коагуляции растворитель не захватывают; выпадает твердый осадок, который при подсушивании образует порошок.С коагуляцией гидрофильных коллоидов тесно связано одно явление, характерное только для белков, - это свертывание их. Ввиду того что высокая устойчивость гидрофильных коллоидов определяется двумя факторами - наличием электрического заряда и сольватацией коллоидных частиц, для коагуляции гидрофильного коллоида необходимо не только нейтрализовать заряд коллоидной частицы, но и разрушить жидкостную оболочку, которая окружает частицы обратимого коллоида.

Порог коагуляции-это наименьшая концентрация электролита,достаточная для того чтобы вызвать коагуляцию золя

Коллоидная защита — предохранение коллоидных растворов от коагуляции и, следовательно, повышение их устойчивости добавлением небольших количеств высокомолекулярных веществ (белков, крахмала, агар-агара и др.), так называемых защитных веществ

Вопрос 9.Глинистый раствор как дс. Компонентный состав гр. Глины,применяемые в бурении. Особенности строения кристаллической решетки важнейших глинистых минералов

Глины являются наиболее активной частью глинистых растворов (ГР), поэтому свойства ГР во многом определяются свойствами исходных глин

Наиболее важными свойствами глин являются набухаемость, пластичность, гидрофильность, ионный обмен и способность диспергироваться в воде на мельчайшие частички. Глинистые минералы отличаются тонкодисперсностью

К монтмориллонитовая группа ; сапонит, бейделлит, нонтронит, вермикулит. Глины, в которых преобладают минералы этой группы, называют бентонитами

2группа - палыгорскитовая Палыгорскит иначе называют аттапульгитом, он хорошо набухает в

пресной и соленой воде, может применяться как структурообразующий компонент буровых растворов, насыщенных солью. Палыгорскитовые суспензии характеризуются высокой водоотдачей, не увеличивающейся при засолении, что выгодно отличает его от других глин. Минерал сепиолит представляет собой магнезиальный водный силикат, волокнистый минерал, имеет высокую солеустойчивость.

3группа - каолинитовая (КЛ), имеет формулу (OH)8Si4 Al4O10 n H2O. Каолинит почти не набухает в воде, обладает небольшой емкостью поглощения катионов и адсорбционной способностью. К этой группе относятся минералы накрит, галлуазит, диккит, аноксит, энделлит.

4группа - гидрослюдистая (ГС) Гидрослюды представляют собой промежуточные соединения между минералами каолинитовой группы и слюдами, являются продуктами их частичной каолинизации и не имеют постоянного состава. К гидрослюдистой группе относятся минералы гидромусковит, иллит.

В основе строения большинства глинистых минералов лежат два структурных элемента. Один структурный элемент состоит из двух слоев плотноупакованных атомов кислорода или гидроксогрупп, между которыми в октаэдрической координации расположены атомы алюминия, железа и магния, которые равноудалены от атомов кислорода и гидроксогрупп. Второй элемент структуры построен из кремнекислородных тетраэдров, в центре которых расположены атомы кремния, равноудаленные от 4-х гидроксогрупп или атомов кислорода. Кремнекислородные тетраэдры расположены в форме бесконечно повторяющейся гексагональной сетки, образующей слой Si4O6(OH)4.

Указанные структурные элементы составляют основу кристаллической решетки минералов группы монтмориллонита, палыгорскита, гидрослюд и каолинита.

Вопрос 10. Свойства глинистых растворов, их роль при бурении и заканчивают скважин. Методы оценки свойств. Структурные, реологические свойства,тиксотропия

Наиболее важными свойствами глин являются набухаемость, пластичность, гидрофильность, ионный обмен и способность диспергироваться в воде на мельчайшие частички. Глинистые минералы отличаются тонкодисперсностью. К основным породообразующим минералам глинистых пород, используемых для растворов, относятся минералы групп монтмориллонита, гидрослюд, палыгорскита и каолинита

Тиксотропия (от греч. thíxis — прикосновение и tropé — поворот, изменение) - это способность некоторых структурированных дисперсных систем самопроизвольно восстанавливать разрушенную механическим воздействием исходную структуру.

Тиксотропия проявляется в разжижении при достаточно интенсивном встряхивании или перемешивании гелей, паст, суспензий и др. систем с коагуляционной дисперсной структурой и их загущении (отвердевании) после прекращения механического воздействия. Тиксотропное восстановление структуры — механически обратимый изотермический процесс, который может быть воспроизведён многократно.

В более широком смысле тиксотропия — временное понижение эффективной вязкости вязко-текучей или пластичной системы в результате её деформирования независимо от физической природы происходящих в ней изменений.

Тиксотропия имеет важное практическое значение. Тиксотропные материалы используют в технологии силикатов, пластических масс, пищевых продуктов. Тиксотропными свойствами обладают некоторые водоносные грунты (плывуны), биологические структуры, различные технические материалы (промывочные глинистые растворы, применяемые при бурении нефтяных скважин, краски, смазки и др.).