2.2 Устойчивость дисперсных систем

Основная задача физикохимии дисперсных систем - изучение условий, влияющих на их устойчивость и разрушение, и разработка рекомендаций, позволяющих получать и использовать системы с заданными физико-химическими свойствами.

При изучении устойчивости дисперсных систем Н.П. Песковым предложено различать кинетическую (седиментационную) и агрегативную устойчивость. Кинетическая или седиментационная устойчивость характеризует способность дисперсных частиц удерживаться во взвешенном состоянии. Агрегативная устойчивость определяет способность частиц не слипаться и не образовывать агрегаты. Учет и использование этих факторов имеют большое значение при создании и регулировании дисперсных систем, применяемых при бурении скважин.

Устойчивость дисперсной системы можно объяснить балансом сил сцепления и отталкивания. Так, при сближении частиц Ван-дер-ваальсовы межмолекулярные силы сцепления быстро возрастают. Противодействующими сближению частиц силами отталкивания могут быть электрические силы, возникающие в результате избирательной адсорбции межфазной поверхностью одного из ионов электролита; содержащихся в системе. Образование на поверхности частиц сольватной оболочки молекул дисперсионной среды тоже может препятствовать сближению дисперсных частиц. Возникновение сольватной оболочки обусловлено непосредственной адсорбцией молекул среды на поверхности дисперсной фазы или сольватацией третьего компонента системы.

Нарушение агрегативной устойчивости дисперсной системы вследствие слипания частиц ее дисперсной фазы под действием молекулярных сил притяжения называется коагуляцией. Нарушение агрегативной устойчивости ведет к уменьшению кинетической устойчивости.

Устойчивость дисперсной системы в данных условиях можно повысить, понижая межфазное натяжение с помощью поверхностно-активных веществ, способных адсорбироваться на поверхности и понижать величину свободной энергии. В связи с этим промывочные жидкости как полидисперсные системы должны быть отнесены к термодинамически агрегативно-неустойчивым системам.

Седиментационная устойчивость буровых растворов во многом определяется возможностью и условиями возникновения пространственной структуры, обладающей определенной пpочностью. Такая структура возникает при частичном взаимодействии частиц дисперсной фазы между собой.

Наличие поверхностно-активного вещества, достаточная концентрация твердой фазы, необходимая для построения пространственного каркаса, а в общем случае оба эти фактора являются необходимыми условиями обеспечения устойчивости суспензий, относящихся к грубо-дисперсным системам.

2.3 Химия поверхностного слоя буровых растворов

Граница раздела между жидкостью и газом ведет себя как растянутая эластичная мембрана. Сила, сжимающая эту воображаемую мембрану, названа поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение проявляется также на границах между твердым телом и газом, твердым телом и жидкостью, а также между несмешивающимися жидкостями. В последнем случае говорят о межфазном натяжении.

Силы поверхностного притяжения f₁ и f₂ поверхностных молекул, например, на поверхности раздела жидкость – воздух или жидкость – твердое тело, не уравновешены (рисунок 2.2). В связи с этим поверхностные молекулы на границе раздела фаз обладают некоторой некомпенсированной избыточной энергией.

В коллоидных системах, благодаря наличию большого числа мелкораздробленных частиц, поверхность раздела между твердой и жидкой фазами достигает огромных размеров. Весьма развитая поверхность раздела обуславливает большой запас поверхностной энергии системы. Избыточная поверхностная энергия, приходящаяся на 1 см² поверхности представляет собой поверхностное натяжение на границе раздела фаз.

Рисунок 2.2 – Схема компенсации молекулярных сил в системе жидкость – газ (в объеме молекулярные силы компенсированы, на поверхности некомпенсированы)

Весьма развитая поверхность раздела обуславливает большой запас поверхностной энергии системы. Избыточная поверхностная энергия, приходящаяся на 1 см² поверхности, представляет собой поверхностное натяжение на границе раздела фаз.

На рисунке 2.3 иллюстрируется действие сил поверхностного натяжения в пространстве между двумя стеклянными пластинами, разделенными тонким слоем воды. Чтобы разъединить эти две пластины, необходимо приложить некоторое усилие, так как по всему периметру пластин образовался вогнутый мениск.

Рисунок 2.3 - Иллюстрация капиллярных эффектов. Пластины удерживаются вместе под действием силы на вогнутом мениске по всему периметру пластин: 1 — две стеклянные пластины; 2 — вогнутый мениск пленки воды.