6.4 Гідрофобна і гідрофільна коагуляція
Структурно-механічні властивості бурових розчинів
За агрегатним станом та механічними властивостями дисперсні системи можуть бути розділений на дві групи:
► вільно-дисперсні, або безструктурні;
► зв'язно-дисперсні, або структуровані.
Вільно-дисперсні системи відрізняються рухливістю і не чинять опору зсуву. Частинки дисперсної фази такої системи знаходяться у відносно вільному стані, під впливом зовнішніх сил рухаються незалежно одна від одної і не є зв'язані в загальну структуровану систему. Називаються такі системи золями.
Якщо дисперсійним середовищем є вода, то система носить назву гідрозоль, якщо яка-небудь органічна рідина - органозоль і т.д.
Зв'язно-дисперсні, структуровані системи називаються гелями. В цих системах частинки дисперсної фази є зв'язані між собою молекулярними силами зчеплення і утворюють просторові структури - сітки, каркаси, що мають певну механічну міцність.
Для отримання в дисперсній системі структури потрібна разом з іншими умовами певна концентрація твердої дисперсної фази. Розбавлені системи з малою концентрацією твердої фази звичайно є вільно-дисперсними золями.
Дисперсна система, що має просторову структуру, володіє такими фізико-механічними властивостями, як міцність, пружність, пластичність, в'язкість, залежними від фізико-хімічних властивостей речовин, утворюючих систему, і їх кількісного співвідношення. Структурно-механічні властивості розчинів визначають багато в чому їх якість.
Процес утворення суцільної сітчастої структури в глинистих розчинах можна представити таким чином Глинисті частинки в колоїдному розчині мають подовжений-пластинчату форму. Гідратні оболонки частинок дисперсної фази при дії зовнішніх чинників (наприклад, добавці електролітів) можуть ущільнюватися, потоншуватися і розриватися. При потоншенні вони легше за все розриваються в місцях найбільшої кривизни на кінцях і ребрах частинок. Завдяки більш тонкій захисній сольватній оболонці на кінцях і ребрах глинистих пластинок і тому більш активній дії молекулярних сил при тепловому броунівському русі на цих ділянках відбувається зчеплення глинистих частинок. Зчеплені по кінцях або ребрах частинки утворюють в розчині просторову сітчасту структуру; система набуває властивості гелю. При механічному втручанні в період циркуляції глинистого розчину в свердловині або при перемішуванні в лабораторних умовах зв'язки в цих просторових ґратах порушуються. Частинки глини відриваються одна від одної, структура руйнується і розчин перетворюється в золь. При спокійному стані розчину структура його з часом поступово відновлюється, знову відбувається зчеплення найдрібніших глинистих частинок по місцях якнайменшої сольватації і створюється просторова структурована сітка-каркас.
Часто зустрічаються частинки, в яких змішана поверхня – окремі ділянки їх можуть бути гідрофобними (грані, ребра), а інша поверхня гідрофільна. При зустрічі такі частинки злипаються тільки в окремих точках і проходить утворення сітчастої структури. Така коагуляція називається гідрофільною.
Під коагуляцією розуміється процес укрупнення (з'єднання, злипання, злиття) частинок дисперсної фази в колоїдних і грубодисперсних системах, що відбувається під дією молекулярних сил зчеплення.
Залежно від фізико-хімічних властивостей дисперсної системи коагуляція приводить до утворення просторової структури розчину і подальшого загустіння або ж до агрегатизації укрупнених частинок твердої фази і випаданню їх у вигляді пластівчастого або досить щільного порошкоподібного осадка. Такий процес злипання частинок, викликається їх гідрофобністю, Злипаючись, частинки утворюють грудки, точніше агрегати злиплих частинок і дисперсна система стає нестійкою. Таку нестійкість, на відмінність від седиментаційної, називають агрегативною. В результаті агрегативної нестійкості розмір частин збільшується і вони випадають в осад – проходить седиментація.
Частинки дисперсної фази, вся поверхня яких гідрофобна, здатні при коагуляції утворювати щільні злиплі грудки, які швидко седиментують. Така коагуляція називається гідрофобною.
Перший випадок прийнято називати прихованою, або гідрофільною коагуляцією, другою — явною, або гідрофобною коагуляцією. Коагуляція викликається різними причинами: зміною складу дисперсійного середовища або температури, додаванням в систему електроліту. В бурінні має значення коагуляція, що виникає під час вступу до промивальної рідини електролітів.
В процесі проводки свердловин при розбурюванні гірських порід, насичених мінералізованими пластовими водами, нерідко спостерігається явна коагуляція глинистого розчину. Пластові води, насичені електролітами, проникають в глинистий розчин і сприяють укрупненню частинок твердої фази, утворенню осадка, товстої і рихлої кірки на стінках свердловини. Для виникнення коагуляції необхідна певна концентрація електроліту. Мінімальна концентрація електроліту, при перевищенні якої починається коагуляція, називається порогом коагуляції.
Злипання гідрофобних частинок в пластівці (грудки) називають флокуляцією.
Системи, утворені гідрофільними частинами, підлягають тільки седиментаційній нестійкості, вони не створюють агрегатів.
Якщо в системі концентрація дисперсної фази невелика, то в результаті такої коагуляції утворюються рихлі агрегати (рисунок 6.2,а). В результаті такої будови ці агрегати седиментують повільніше ніж при гідрофобній коагуляції.
а
— мала концентрація частинок, які
утворили агрегати;
б —
висока концентрація частинок
(утворення
структурної сітки)
Рисунок
6.2 –
Коагуляція частинок
б)
В більш концентрованих системах утворюється суцільний рихлий агрегат – сітка із злиплих частинок, яка займає весь об’єм, в якому знаходиться дисперсна система (рисунок 6.2,б). Така сітка називається структурною, або структурою. Так як структура виникла в результаті коагуляції, то її називають теж і коагуляційною структурою, а процес її утворення – коагуляційним структуроутворенням.
Структурна сітка володіє певною міцністю: для того щоб така дисперсна система текла (здатність текти викликається дисперсійним середовищем), структуру необхідно зруйнувати – подолати міцність сітки. Енергія руйнування витрачається на відривання частинок одна від одної. Руйнування здійснюється шляхом перемішування дисперсної системи. Після достатнього перемішування система може повністю втратити міцність і стати звичайною рідиною. Але як тільки перемішування припинити, вільні частинки під впливом теплового руху починають зіштовхуватись. При зіштовхуванні гідрофобних ділянок утворюється структура. По всьому об’єму системи відновлюється структурна сітка і її міцність.
Однією з найважливіших характеристик промивних рідин є тиксотропність, пов'язана із створенням і руйнуванням структури.
Якісні колоїдні бурові розчини (золі) - це високодисперсні суспензії, що при переміщенні є малов’язкі і жваві рідини, володіють здатністю, знаходячись в спокійному стані, придбати з часом структуру, загустівати і перетворюватися на гель. При механічній дії (збовтуванні, перемішуванні, струшуванні, циркуляції) такий желеподібний розчин знову перетворюється на жвавий золь. Руйнувати структуру шляхом перемішування можна скільки завгодно разів. Коли перемішування припиняється, структура відновлюється.
Отже, перетворення в спокійному стані золя в гель (загустівання) і, навпаки, в процесі циркуляції гелю в золь (розріднення) називається тиксотропією.
Тобто, тиксотропія – це здатність суспензій утворювати у стані спокою структуру з певною міцністю і втрачати її при перемішуванні або при струшуванні.
Надання дисперсних систем тиксотропних властивостей (зміцнення в спокої і втрата міцності при русі) використовується при циркуляції бурових розчинів в процесі буріння свердловин.