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

число до 20, то при отсутствии пены он существенных измене­ ний в абразивные свойства суспензий не внес.

Олеиновокислый натрий вел себя аналогично сульфаиолу, повысив абразивный износ эталона до 155 (см. рис. 15).

Еще больше повысила абразивный износ стандартной магнетнтовой суспензии в отсутствии пены (до -218) Na-соль

фракции С5—С6синтетических карбоновых кислот (см. рис. 15, кривая 2).

В присутствии же пены, как показано на рис. 16, мы име­ ем обратное явление: по мере повышения концентрации Naсоли синтетических карбоновых кислот фракции С5—С6 абра­ зивный износ уменьшился на 60% (кривая 1), а Naсоль синтетической карбо­ новой кислоты фракции С7—Cg понизила абразив- ;ный износ на 35% (кри­

вая 2).

присадки—5,0% (см. табл. 17).

Из водорастворимых катионоактивных веществ исследо­ вались катапин-А и алкамон-ОС. Катапин-А, представляющий

60

собой соль четвертичного аммония, как видно из рис. 17, при отсутствии пены понизил абразивный износ на 25%, по отно­ шению к стандартному эталону, Что касается эталона, обра-

в зависимости от концентрации некоторых химических реагентов и ПАВ

61

Что касается действия другого катионоактивного вещества — алкамона-ОС, — представляющего собой четвертичную аммониевую соль диэтиламинометилдигликолевого эфира выс­ ших жирный спиртов, то, как видно из рис. 17 (кривая 2), добавка его практически не изменила абразивные свойства эталона, т. е. наблюдается незначительное уменьшение износа.

Как было отмечено, нами в качестве эталона исследова­ лась стандартная абразивная суспензия магнетита в воде.. Между тем, применяемые в нефтяном бурении утяжеленные промывочные жидкости содержат в составе твердой фазы, некоторое количество глинистого компонента.

Поэтому необходимо было изучить абразивные свойства полидисперсной магнетитово-глинистой системы в зависимо­ сти от концентрации некоторых исследованных нами хими­ ческих реагентов и поверхностно-активных веществ в составе

5 —K2C2r 0 7;<C—NaaC 03; 7—NaOH на ст. 1Х18Н10Т.

дисперсионной среды, а именно: из реагентов 1-ой группы — нитролигнина, КМЦ и сульфанола; из 2-ой группы — NaOH, Na3C03, К2СГ2О7 и катапина-А.

Результаты экспериментальных исследований приведены в табл. 18 и на рис. 18. Как видно из этих данных, закономер­ ности, ранее полученные (см. рис. 6) относительно характера

62

абразивного действия на металл химических реагентов и ПАВ. как повышающих, так и понижающих износ, подтверждаются.

4. К вопросу о механизме абразивного действия на металл некоторых ПАВ и химических реагентов

При исследовании антиизносного или антикоррозионного действия веществ (ингибиторов) мы имеем дело с металличе­ ской поверхностью и жидкой средой. В этих условиях вполне естественно объяснять, как это и общепринято, действие инги­ биторов тем, что они способствуют образованию на поверхно­ сти металла защитной пленки, увеличивающей сопротивление металла износу или коррозии.

При абразивном износе мы имеем другое положение. В жидкой среде, содержащей ингибитор, противопоставлены две твердые поверхности — металла и абразива. Следователь­ но, можно воздействовать как на поверхность металла, так и на поверхность абразива.

Наши опыты показывают, что некоторые вещества спо­ собны понизить абразивность утяжеленных растворов, дру­ гие— повысить. В первом случае антиабразивное действие вещества может быть с одинаковой вероятностью объяснено или усиливанием прочности металлической поверхности, или же понижением твердости абразива. Во втором случае име­ ется обратная альтернатива: т. е. понижение твердости по­ верхности металла или повышение твердости абразива.

Нужно сказать, что образование защитной пленки на металле в условиях непрерывного шлифования его поверх­ ности абразивом, шлифования, имеющего больше характер задирного действия, вряд ли можно считать вероятным, если даже в химическом отношении такая вероятность есть.

В условиях задирного действия абразива должно усили­ ваться развитие так называемых метаструктур гороподобного рельефа с трещинами, кавернами и проч., куда проникает вода с растворенными в ней поверхностно-активными веще­ ствами. Последние, адсорбируясь в трещинах, способствуют расширению и дальнейшему развитию их, ослабляя прочность поверхностных слоев.

Таким образом, в изученной нами системе абразивного износа, наиболее вероятным результатом действия присадок, является скорее понижение прочности поверхностных слоев как металла, так и абразива. В зависимости от соотношения обоих направлений понижения прочности, конечным эффек­ том будет или понижение абразивности или повышение ее. В первом случае это будет означать, что понижение твер­ дости абразива превалирует, во втором случае, наоборот — превалирует понижение прочности металла.

Для уяснения вопроса следовало прежде всего установить

63

имеется ли какое-нибудь взаимодействие между веществамидобавками и абразивом. Прежде всего, это должно было бы выразиться в адсорбции этих веществ на последнем, в дан­ ном случае — на магнетите. Из исследованных веществ в этом отношении предоставляли интерес те из них, которые обнару­ живали определенную положительную или отрицательную абразивность.

Для исследования адсорбции этих веществ на магнетите из 1-ой группы были взяты ССБ и нитролигнин, а из 2-ой — NaOH, КгСг20 7 и катапин-А, абразивные числа которых пред­ ставлены на рис. би 17.

При определении адсорбции использовались потенциомет­ рический, калориметрический и интерферометрический ме­ тоды.

Адсорбция этих веществ на магнетите исследовалась при 80°С, так как все определения абразивности у нас произво­ дились при этой же температуре. На рис. 19 даны их изотермы адсорбции. Из рассмотре­ ния этих изотерм видно, что вещества как с поло­ жительной, так и отрица­ тельной антиабразивностыо адсорбировались на

магнетите.

В итоге приведенного исследования мы прихо­ дим к заключению, что хо­ тя между присадкой и аб­ разивом и имеет место взаимодействие, но выра­ жающая это взаимодей­ ствие адсорбция сама по себе не отражает резуль­ татов, к которым она должна приводить. Другими словами, факт адсорбции еще не предопре­

деляет, каково будет действие присадки—положительное или отрицательное. Этот вывод не является неожиданным. На ос­ новании проведенных у нас работ мы уже раньше пришли к следующему положению.

Если мы изучаем в дисперсной системе какой-нибудь процесс в зависимости от величины добавки того или другого вещества, и если мы одновременно определяем адсорбцию этого вещества на частицах твердой фазы, то ход этого про­ цесса и ход адсорбции не совпадает. Каждый из них идет сво­ им путем. Для подтверждения этого положения приведем два примера:

64

1. При исследовании влияния щелочи на форму структурообразования в глинистых растворах [121] кривые ад­ сорбции и начала сдвига (Р ) не идут спмбатно.

2. При изучении термостойкости глинистых суспензий было установлено, что щелочь, адсорбируясь на глине, приво­ дит к загустеванию системы. Если же к ней добавить бнхромат, который также адсорбируется на глине, то система раз­ жижается. Следовательно, в обоих случаях имела место ад­ сорбция, а результаты получались различные.

Если считать развитое представление правильным, то можно прийти к заключению, что само понятие адсорбция охватывает лишь внешнюю сторону явления. Сущность же заключается в том, что, адсорбируясь на поверхности частиц, адсоритпв видоизменяет ее состояние; это видоизменение мо­ жет протекать по-разному, в зависимости от природы адсорб? тива и адсорбента. Таким образом, вопрос заключается в том. как адсорбция изменила состояние поверхности частицы. Со­ вершенно очевидно, что изотерма адсорбции не разъясняет это. В лучшем случае она может поведать о мономолекулярном или полнмолекуляриоім характере адсорбции. Отсюда можно заключить, что факт адсорбции не может в достаточной степени объяснить механизма процесса. Для выяснения по­ следнего необходимо определить, какие изменения произошли на поверхности частиц в результате адсорбции. Но для этого требуются уже другие, методы исследования: термографиче­ ский, электронно-микроскопический, рентгеноструктурный, инфракрасно-спектроскопический и пр.

Для уяснения указанного вопроса необходимы более кон­ кретные данные о характере взаимодействия добавок с магнетитовым абразивом. Наибольший интерес представляло взаи­ модействие щелочи, являющейся хорошей антиабразивной до­ бавкой, с магнетитом.

Щелочь, как известно [101], признается понизителем твер­ дости. Если это отнести к металлу, то следовало бы ожидать повышение износа. В действительности щелочь понижает износ. Однако, учитывая, что в данной абразивной системе имеются две поверхности — поверхность металла, подвергаю­ щегося износу, и поверхность абразива (магнетита), обуслов­ ливающего износ — то, очевидно, что твердость понизитель— ное действие среды может распространяться как на ту, так и на другую поверхность, однако с противоположным эффек­ том. Если оно относится к металлу, то должно привести к повышению износа, если к абразиву, — то к понижению его. Окончательный результат формируется доминирующим дей­ ствием одного из этих эффектов.

С другой стороны, надо иметь в виду, что среда не обя­ зательно должна привести к понижению твердости. Она мо­ жет при известных условиях, как указывает П. А. Ребиндер

тайного Щелочью и отмытого от NaOH магнетита, а также чистой гидроокиси железа (рис. 20). На термограммах (б и д) ясно выражен экзотермический эффект при 410—417°С, кото­ рый соответствует переходу гидрата окиси железа в Ре20 з [124], отсутствующий на термограмме исходного образца маг­ нетита (см. рис. 20).

То обстоятельство, что на термограмме (с), несмотря на отмывку магнетита от NaOH, сохранился зкзоэффект, со­ ответствующий переходу гидрата окиси железа из аморфного состояния 'в кристаллическое в виде окисла железа Fe2Ö3, сви­ детельствует о том, что образование Fe(OH) 3 есть результат каталитического действия NaOH на магнетит.

Об образовании гидрата окиси железа на поверхности магнетита свидетельствует также рентгеноструктурные ис­ следования осадка, выделенного из центрифугата после кон­ такта магнетита с NaOH.

Перед снятием рентгенограмм осадок обезвоживался в муфельной печи при t = 400-—500°С.

Ь табл. 19 сравниваются межплоскостные расстояния ң

Т а б л и ц а 19

Сравнительные межплоскостные расстояния и интенсивность линий рентгеновского спектра исследуемого осадка Fea0 3

интенсивность линий рентгеновского спектра исследуемого осадка и Fe20 3.

Как видно из табл. 19 и рис. 21, рентгенограммы иссле­ дуемого вещества и Fe2Ü3 полностью совпадают.

Таким образам, образование гидрата окиси железа на поверхности абразива должно привести к уменьшению его твердости и, соответственно, к понижению абразивного дейст« вия.

67

mm

ь<

Что касается одновременного действия щелочи на металл, то оно тоже должно было бы рассматриваться как результат понижения твердости, следовательно, привести к повышению износа металла, но так как конечным эффектом действия NaOH является уменьшение абразивного износа, то пониже­ ние прочности металла подавляется эффектом действия гид­ рата окиси натрия на абразив.

К такому же роду действия следует отнести влияние других щелочных электролитов, а также щелочных поверхно­ стно-активных реагентов, широко применяемых в бурении нефтяных скважин, абразивные числа которых представлены на рис. 6.

68

Рассмотрим теперь реагенты, повышающие абразивный износ, — КМЦ, ССБ и др. На рис. 22 представлены сравни­ тельные термограмімы исходного утяжелителя, утяжелителя, обработанного КМЦ, и чистой карбоксиметилцеллюлозы. Из сопоставления указанных термсграмм видно, что КМЦ не внесла существенных изменений в форуму кривой дифферен­ циального нагревания утяжелителя. Точно так же в центрифугате методом химического анализа не обнаружен переход соединения железа в раствор. Таким образом, повышение абразивного износа в результате влияния карбоксиметилцеллюлозы остается приписать действию последней на металл.

На рис. 23 представлены термограммы другого исследуе­ мого реагента из группы повысителей абразивного износа — сульфит — спиртовой барды. Из сопоставления этих термо­ грамм видно, что они отличаются между собой. На термо­ грамме утяжелителя, обработанного ССБ, появляется напри­ мер, экзоэффект при температуре 415°С, характерный для чистого препарата ССБ (с), дифференциальная кривая кото­ рой имеет несколько критических точек.

Очевидно, сульфолигниновые кислоты и образуют поверх­ ностные соединения с магнетитом, которые разлагаются в довольно широком интервале температур, но не в состоянии содействовать уменьшению износа ввиду того, что сульфо­ лигниновые кислоты, как и поверхностно-активные вещества, более эффективно изменяют твердость поверхности самого металла, результатом чего и является увеличение его абразив­ ного износа.

К группе повысителей абразивного износа относится также и олеат натрия. Последний, будучи поверхностно-актив- ныім веществом, очевидно, действует как понизитель твердо­ сти на поверхность металла, что и приводит к повышению абразивного износа.

Из группы понизителей абразивного износа следует от­ метить действие катионоактивного вещества — катапина-А. Термограмма чистого катапина-А (рис. 24) характеризуется множеством эндоэффектов, соответствующих постепенному его выгоранию.

Дифференциальная кривая магнетита, бывшего в кон­ такте с катапином-А, полностью воспроизводит термограмму исходного утяжелителя. Вероятно, уменьшение износа метал­ ла в зависимости от концентрации катапина-А в абразивной суспензии (см. рис. 24) можно объяснить тем, что, адсорби­ руясь на поверхности металла анионной частью, катапин-А приводит к упрочению поверхностных слоев іметалла посред­ ством заполнения кристаллических несовершенств поверхно­ стной структуры, подобно действию активных ионов серы, фтора и хлора [123].

В заключение остановимся на бихромате калия, который

69