4

3. Компоненты буровых растворов. Жидкая фаза промывочных жидкостей

Жидкости для промывки скважин используются как гомоген­ные среды, так и в качестве одной из фаз гетерогенных систем (суспензий, эмульсий, пен). В гетерогенных дисперсных системах жидкости, как правило, являются той средой, которая в наиболь­шей степени ответственна за физико-химические процессы в систе­ме, и ее свойства находятся в теснейшей зависимости от свойств жидкой фазы. В буровой практике в качестве жидкой фазы приме­няют углеводородные жидкости (нефть, дизельное топливо) и осо­бенно воду. Поэтому, не останавливаясь на роли этих жидкостей в дисперсной системе, рассмотрим некоторые физико-химические особенности их строения. Это важно еще и потому, что при анали­зе процессов, происходящих в промывочных жидкостях, до сих пор, к сожалению, не учитываются свойства их жидкой фазы.

3.1. Свойства и строение воды

Вода выделяется среди многих природных соединений рядом аномалий физических свойств:

скачкообразным увеличением теплоемкости при плавлении, со­провождаемым не расширением, а сжатием (причем температура плавления воды высока и аномальна для гидридных веществ);

увеличением плотности при повышении температуры и достиже­нием максимума при 277 К;

уменьшением вязкости с ростом давления до 200-300 МПа, в интервале температуры 273-303 К;

исключительно высокой диэлектрической проницаемостью (80 Ф/м по сравнению с 10—50 Ф/м у других полярных раство­рителей) .

Эти свойства жидкой воды связаны с необычайностью ее струк­туры, которая и заключается в наличии водородной связи, обра­зующейся в молекулах воды вследствие существования неподеленных электронных пар. Электронные пары расположены на двух орбиталях, лежащих в плоскости, перпендикулярной к плоскости НОН (рис. 2.1).

Рис. 2.1 Схема строения молекулы воды

За счет неподеленных пар электронов в каждой молекуле воды могут возникнуть две водородные связи. Еще две связи могут обеспечить два водородных атома. Таким образом, только одна молекула воды в состоянии образовать четыре водо­родных связи. Благодаря этому результирующее распределение зарядов в молекуле воды напоминает тетраэдр, два угла которого заряжены положительно, а два - отрицательно. Результирующий центр положительных зарядов находится посредине между прото­нами. Он отделен от результирующего центра отрицательных заря­дов, расположенного вблизи атома кислорода с противоположной от протона стороны. Вследствие этого молекула воды оказывается электрическим диполем с дипольным моментом, равным 1,8•10^-18 Кл-м (отсюда и высокая диэлектрическая проницаемость воды, и связанная с ней способность растворять ионные вещества).

Установлены следующие расстояния (см) между отдельными атомами в молекулах воды:

Водородная связь Н. . . .0 в 1,76 раз длиннее ковалентной О — H. Этим отчасти можно объяснить относительную слабость водород­ных связей и возможность их сравнительно легкого разрушения и восстановления. По данным различных исследователей, энергия Н-связи в воде составляет 12,6—33,5 кДж/моль.

Благодаря наличию в воде водородных связей и тетраэдрическому характеру структуры в расположении ее молекул отмеча­ется высокая степень упорядоченности - они объединяются в рои (рис. 2.2). Внутренняя часть роев содержит молекулы воды, сохра­няющие четыре водородные связи не нарушенными, т.е. объеди­ненными в тетраэдрический льдоподобный каркас. При такой ажурной льдоподобной структуре в воде возникают многочислен­ные пустоты, обусловливающие большую ее рыхлость.

Рис. 2.2 Схема строения капельной воды

В результате теплового движения, состоящего из колебаний и вращательных качаний около каких-то временных положений равновесия и скачкообразных перемещений (трансляционное движе­ние) из одного положения равновесия в другое, молекулы воды, разорвав водородные связи, попадают в пустоты льдоподобных структур. Они остаются там некоторое время, пока вновь не при­водят в трансляционное движение. Молекулы воды, попавшие в пустоты, энергетически неэквивалентны молекулам, которые нахо­дятся в положении равновесия. Им соответствуют разорванные водородные связи. Благодаря этому самодиффузия частиц молекул в воде происходит по пустотам льдоподобного каркаса и имеет ха­рактер активированных скачков. С понижением температуры воды тепловое движение частиц замедляется, в ней восстанавливаются разорванные водородные связи и уменьшается число мономерных молекул. До 277^о К преобладает тенденция уменьшения объема воды. При температуре ниже 277 ^о К начинается переход молекул воды из пустот и плотной тетраэдрическои упаковки в менее плотную гексагональную упаковку, свойственную льду (рис. 2.3). Этот процесс заканчивается практически при темпера­туре 273 ^о К.

Рис. 2.3 Структура льда