книги из ГПНТБ / Мискарли, А. К. Влияние состава дисперсионной среды на абразивные свойства утяжеленных промывочных систем

желителя: 17, 25, 37, 45%. Свыше 45%, получались очень гу­ стые массы, не поддающиеся определениям, да и в практике бурения такие концентрации не встречаются.

Абразивный износ определяли по описанной методике. Полученные результаты приведены в табл. 10 и изображены графически на рис. 5.

Из этих данных видно, что с увеличением концентрации утяже­ лителя в суспензии абразивность

еерастет.

2.Исследование абразивных свойств глинистого компонента

значительна и с увеличением концентрации глины практиче­ ски не возрастает.

Т а б л и ц а 10

Зависимость величины износа от концентрации утяжелителя в суспензии

Предыдущие исследования относились или к чисто магнетитовым или чисто глинистым суспензиям. На практике, од­ нако, утяжеленные системы всегда содержат некоторое коли­ чество глины. Поэтому важно было выяснить: как различное содержание глины влияет на абразивный износ. При этом мы считаем целесообразным исходить из утяжеленных систем одинакового удельного веса т=2,18 гісм3.

40

ГЛАВА IV

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИСПЕРСИОННОЙ СРЕДЫ НА АБРАЗИВНЫЕ СВОЙСТВА УТЯЖЕЛЕННЫХ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Впоследние два десятилетия широкое развитие получила новая отрасль науки — физико-химическая механика, разра­ батываемая, главным образом, акад. П. А. Ребиндером и его школой [87—94].

Всаімам общем виде эта наука основывается на следую­

щем:

1) імехаиические свойства твердых тел не являются неиз­ менными, а могут видоизменяться под влиянием среды, в которой эти материалы находятся: 2) воздействуя на твердые тела физико-химическими методами, можно получить мате­ риалы с заданными механическими свойствами как в сторону ослабления, так и в сторону упрочнения их.

П. А. Ребиндер характеризует эту науку как образовав­ шуюся в смежных областях трех наук: молекулярной физики, механики материалов и физико-химии поверхностных явлений и дисперсных структур — важнейшего раздела коллоидной химии. Такое научное «родословие» делает понятным тот раз­ мах, который получила за последние годы физико-химическая механика.

Многообразные вопросы большого народнохозяйственного значения становятся объектами исследования данной науки. Эти вопросы в общем виде могут быть сгруппированы в две области кардинальных проблем современной техники:

1.Создание конструкционных и строительных материалов

сзаданными механическими свойствами.

2.Управление процессами деформации твердых тел, в особенности, связанными с тонким измельчением.

Вобоих этих направлениях советские ученые, применяя физико-химические методы воздействия на материалы, до-

42

стигли больших результатов, получивших применение на практике [95—100].

К числу ранних работ в области физико-химической ме­ ханики, относящихся к проблемам разрушения, измельчения материалов, принадлежат работы П. А. Ребиндера, Л. А. Шрейнера, К. Ф. Жигача [101—102] по физико-химическому воздействию на твердость пород при бурении нефтяных сква­ жин с помощью так называемых «понизителей твердости».

Применение на практике «понизителей твердости» повы­ сило скорость бурения и одновременно износостойкость инст­ румента [9]. Последнее, очевидно, может быть объяснено из­ бирательностью в адсорбции понизителей твердости. С другой стороны, если речь идет о режущей части инструмента, оно может быть в некоторой степени объяснено притираемостыо инструмента в ходе долбления, сглаживающей дефекты поверхностной структуры и понижающей в результате этого износ. Последнее происходит аналогично явлениям износа при притирке металлических поверхностей, когда в начальной стадии из-за большой шероховатости поверхностей наблю­ дается сильный износ, который после притирки и улучшения качества поверхности значительно уменьшается. Следует учесть также и упрочнение поверхности при трении [103].

Большое значение имеют работы П. А. Ребиндера и Г. С. Ходакова [104] в области тонкого измельчения. Авторы иссле­ довали явления, протекающие при тонком измельчении, и роль поверхностно-активных добавок.

Большой интерес представляет обнаруженное авторами явление ассоциации частиц при воздушном помоле. Авторы приходят к выводу, что «тонкое диспергирование вообще не­ возможно в отсутствие поверхностно-активной среды и адсор­ бирующихся добавок».

Проблема тонкого измельчения в настоящее время при­ обрела первостепенное значение в связи с развитием многих технологических процессов, основанных на применении мате­ риалов в диспергированном, а часто в высокодиспергированном состоянии.

В последнее время разрабатываются процессы получения сверхпрочных материалов, также основанные на предвари­ тельном тонком измельчении последних [109].

В области применения физико-химических методов для получения прочных материалов следует отметить важные ра­ боты П. А. Ребиндера, Н. Б. Урьева и Н. В. Михайлова

[110—113].

Авторы разработали новую технологию производства высокопрочных водонепроницаемых и долговечных бетонов и других строительных материалов. Принцип этой технологии «состоит в обеспечении оптимально высокой концентрации дисперсной фазы (частиц цемента для цементно-водных сус­

43

пензий) в дисперсионной среде (коэффициент заполнения — максимум, водосодержание — минимум) при условии опти­ мально высокой дисперсности частиц и предельной упаковки,, уплотнения системы эффективными механическими воздей­ ствиями» [113].

В. И. Лихдманом, Н. С. Горбуновым, И. Г. Шаталовой, П. А. Ребиндером [114, 115] проведены опыты по получениюплотных и высокопрочных материалов из тонких порошков— металлокерамики и керамики, а С. И. Контарович, М. М. Сандомирской и Е. Е. Сегаловой [116] — по повышению прочности окисномагниевого катализатора.

Наша работа посвящена исследованию абразивного из­ носа бурового оборудования под углом зрения влияния среды, на износ.

Особенность изучаемых в данной работе систем заклю­ чается в том, что в них мы имеем дело с двумя твердыми поверхностями, в отношении которых ставятся противополож­ ные задачи: поверхность металла должна всемерно упрочнять­ ся, или по крайней мере сохранять свою твердость, а поверх­ ность абразива (магнетита), наоборот, должна понижать свою твердость.

Поверхности металла и абразива, как и всякие другиеповерхности твердых тел, представляют собой нарушения, дефекты основной структуры материала, обусловливающие значительное снижение реальной прочности по сравнению с теоретической.

Адсорбция поверхностно-активных веществ на этих по­ верхностях обычно усиливает дефекты и приводит к дальней­ шему ослаблению твердости и разрушениям [117].

Это благоприятное явление для измельчения материалов неблагоприятно в области износа.

Однако, как показывает практика, среда не всегда приво­ дит к дальнейшему усилению дефектов. В зависимости от состава и физико-химических свойств среды, последняя в ря­ де случаев может привести к залечиванию их. Примером мо­ жет служить адсорбция атомов хрома на поверхности ме­ талла.

В этом отношении большой интерес представляют рабо­ ты Р. Н. Дубинина, изучавшего механические свойства стали после насыщения поверхности хромом [118, 119]. Отмечая известный эффект облегчения деформации и разрушения твер­ дого тела под влиянием поверхностно-активных веществ, автор пишет [119]: «Однако реакция поверхности на сопротив­ ление внешним усилиям, по-видимому, может быть различна и существенно зависит от природы среды и характера взаимо­ действия ее с поверхностью металла.

В случае, если можно изменить энергетическое состояние поверхностных слоев металла в сторону повышения энергии

44

связи между атомами, это должно привести к торможению развития микротрещин и таким образом увеличить длитель­ ную прочность металла».

Как на источник упрочнения поверхности металла автор указывает на окисную пленку, роль которой может быть раз­ личной в зависимости от ее природы.

Следует отметить, что поверхностно-активные вещества не всегда понижают прочность. Так, при применении в каче­ стве ингибиторов коррозии на металл таких ПАВ, как Naсоли карбоновых кислот, сульфанол и др. [120], очевидно,

•образуется пленка, которая препятствует разрушительному адсорбционному действию поверхностно-активного вещества.

Промывочные абразивные жидкости, применяемые в практике бурения и являющиеся объектами нашего исследо­ вания, представляют собой весьма сложные системы по со­ ставу твердой и, в особенности, жидкой фаз.

Большой ассортимент реагентов органической и неорга­ нической природы, применяемый на практике, делает среду многообразной не только на каждом отдельном объекте бу­ рения, но даже в процессе бурения одной скважины.

Таким образам, при таком разнообразии сред, расширен­ ном применением различных присадок, можно было ожидать наличие веществ, являющихся как понизителями твердости, так и повысителями ее. То обстоятельство, что в наших абра­ зивных системах имеются две поверхности противоположного назначения, позволяет судить о характере влияния среды только по результирующему эффекту, представляющему со­ бою своего рода алгебраическую сумму эффектов воздействия на металл и абразив.

1. Исследование влияния различных химических реагентов на абразивный износ нержавеющей стали

Исследовано влияние на абразивный износ стали сле­ дующих химических реагентов, нашедших применение в прак­ тике нефтяного бурения, а также некоторых электролитов:

•сульфит спиртовой барды (ССБ), нитролигнина, карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), П’а-гуматов, лесохимических по­ лифенолов (ПФЛХ), крахмала, квебрахо, каустической соды, силиката натрия, бихромата (хромата) калия, кальцинирован­ ной соды, фтористого натрия, 3- и 2- замещенного фосфорно­ кислого натрия, хлористого натрия, хлористого кальция, сер­ нокислого натрия и т. д.

Полученные данные приведены в табл. 13 и графически представлены на рис. 6. Как видно из рис. 6, изученные веще­ ства в зависимости от природы и химического состава оказы­ вают различные действия на абразивные свойства утяжелен­ ных магнетитовых суспензий.

45

Т а б л и ц а 1$

Изменение абразивного числа стандартной суспензии магнетита (эталона) в зависимости от концентрации различных химических

46

Из реагентов наибольшее повышение абразивности вызы­ вает ПФЛХ: при концентрации его уже 0,5% в жидкой фазе абразивное число суспензии магнетита повышается со 100 до 138. При дальнейшем увеличении концентрации реагента в суспензии до 2,0 %. абразивное число растет и достигает своего максимума — 240.

Абразивное число системы с 0,5%-ной концентрацией ннтролигнина при pH = 7 повысилось со 100 до 138. При даль­ нейшем увеличении концентрации нитролигнина абразивные числа не претерпевают дальнейших изменений и кривая идет параллельно оси абсцисс.

КМЦ и ССБ дали сходные кривые абразивного износа с максимумом при концентрации соответственно 0,5 и 1,0%. Абразивные числа в обоих случаях достигали 127 с дальней­ шим понижением примерно до ПО по мере увеличения кон­ центрации реагентов.

Что касается влияния Na-гуматов на износ, то, как видно из рис. 6, хотя они содержат на практике, как правило, свободную щелочь и могут искажать свои истинные абразив­ ные свойства, однако приготовленные при pH = 7, гуматы нат-

47

рия также повышают абразивность суспензии, аналогично КМЦ и ССБ.

Такое же действие оказывают также крахмал и квебрахо, т. е. кривая зависимости износа от концентрации их в жидкой фазе ложится выше эталона.

На рис. 7 даны абразивные числа магнетитовой суспензии для щелочных реагентов NaOH, Na2C03, Na2Si03 в зависимо­ сти от концентрации их в жидкой фазе. Как видно, все эти реагенты оказывают существенное антиабразивное дейст­ вие. Даже при небольших концентрациях — порядка 0,25— 0,5%— абразивные числа снижались до 77,8 и даже до 68. Однако при дальнейшем увеличении концентрации этих реа­ гентов в дисперсионной среде абразивные числа оставались почти неизменными.

Из рис, 8 видно, что небольшая добавка бихромата калия

48

находит широкое применение в практике нефтяного бурения, заслуживают особого внимания, ибо помимо улучшения абра­ зивных свойств утяжеленных растворов, К2СГ2О7 придает про­

мывочным системам устойчивость при высоких температурах и давлениях.

Аналогичное явление дает NaF, который по от­ ношению к эталону пока­ зывает антиабразивное действие (рис. 8, кривая 2), понижая абразивное число при концентрации 1,0% до 65. Следует отме­

Рис. 8. Изменение абразивного числа тить своеобразную кри­ ѵагнетитовой суспензии в зависимости от вую износа NaF в виде вы­

концентрации: I —К 2Сг20 7, 2—NaF пуклой, по отношению к оси абсцисс, отличающей

ее от кривых других реагентов этой группы.

Реагенты К2СГ2О7 и NaF, обладающие сами по себе анти­ абразивными свойствами, на практике самостоятельно не при­ меняются, а являются добавками к уже обработанным про- імывочиым жидкостям. Поэтому представлял интерес выяснить их антиабразивные свойства в условиях практического при­ менения.

В табл. 14 показано антиабразивное действие бихрсшата калия по отношению к эталону, обработанному УЩР. Как видно, бихромат калия оказал значительное антиабразивное действие. Отсюда видно, что антиабразивное действие бихро­ мата калия имеет аддитивный характер.

Как видно из той же таблицы, и NaF понижает абразив­ ное число по отношению к эталону, обработанному УЩР, хотя и менее значительно — всего на 10, чем в случае добавки бихромата калия. Следовательно и антиабразивные свойства NaF имеют аддитивный характер.