БТЖ и ФРГП на весну 16 года / БТЖ - лекции_2015 / СулакшинЧубик
.pdfТермостойкость до 130 °С (зависит от минерализации раствора, жесткости, щелочности, содержания растворенного кислорода и наличия в растворе других реагентов).
Рекомендуемые концентрации:
•пресные глинистые и малоглинистые растворы – 4,3…8,6 кг/м3;
•растворы на основе морской воды – 5,7…10 кг/м3;
•соленасыщенные растворы – 5,7…11,4 кг/м3.
Поставляется в многослойных влагостойких бумажных мешках массой 25 кг. «CMC-700» – сверхвысоковязкая модификация карбоксиметилцеллюлозы
(КМЦ), предназначенная для использования в качестве загустителя и понизителя фильтрации любых типов промывочных жидкостей на водной основе.
Белый или слегка кремовый порошок с содержанием активного вещества не менее 54 %. Термостойкость до 120 °С.
DuotecTM NS («Дуотэк») – высокоочищенный разветвленный биополимер (ксантановая смола) с высокой молекулярной массой. Даже при небольших концентрациях позволяет увеличить показатели реологических свойств (ПВ, ДНС, CHC1/10), а также удерживающую и транспортирующую способность потока промывочной жидкости. Эффективен во всех типах промывочных жидкостей на водной основе, включая утяжеленные, соленые и соленасыщенные растворы, растворы на основе морской воды, различные жидкости заканчивания. Основной особенностью реагента является уникальный реологический профиль – значительное увеличение вязкости раствора при низких скоростях сдвига и низкая вязкость при высоких скоростях сдвига.
Мелкий кремовый порошок плотностью 1500 кг/м3.
Рекомендуемая концентрация зависит от требуемой вязкости и колеблется в пределах от 0,7 до 6 кг/м3. В пресных безглинистых растворах реагент сохраняет эффективность до 120 °С. Термостабильность может быть увеличена добавлением соли, антиоксиданта, специальных стабилизаторов.
Эффективность снижается при высокой жесткости и щелочности раствора. Реагент подвержен биоразложению, поэтому рекомендуется обработка раствора бактерицидом.
Неопасен. Нетоксичен.
Поставляется в многослойных бумажных мешках массой 22,7 или 25 кг. Рекомендуется хранить в сухом прохладном месте.
DuovisTM («Дуовиз») – высокоочищенный разветвленный биополимер (ксантановая смола) с высокой молекулярной массой. Имеет тот же внешний вид и назначение, что и реагент «Дуотэк».
Регуляторы щелочности (рН)
Гидроксид калия (KOH) используется в любых промывочных жидкостях на водной основе для регулирования щелочности и как дополнительный источник ионов калия в ингибированных хлоркалиевых растворах. Может использоваться для снижения жесткости и коррозионной активности промывочных жидкостей на основе морской воды. Также нейтрализует негативные последствия поступления в раствор кислых газов (СO2, H2S).
301
Белый сыпучий кристаллический порошок, чешуйки или гранулы плотностью 2050…2100 кг/м3, pH 1 % раствора ~13,5, растворимость > 120 г / 100 мл пресной воды при 30 °С.
Рекомендуемая концентрация – 0,7…2,5 кг/м3. Для соленасыщенных растворов и растворов на основе морской воды может потребоваться увеличить концентрацию до 2,5…7 кг/м3.
Малоэффективен в растворах и рассолах с высокой жесткостью (хлоркальциевые системы, некоторые типы морской воды).
Исключительно опасен при попадании на кожу, слизистые покровы, в дыхательные пути. Интенсивно реагирует с водой и кислотами. Гигроскопичен. При растворении в воде выделяет тепло. Следует добавлять КОН в воду, а не наоборот. Высококоррозионный материал – любые разливы или россыпи должны устраняться немедленно с использованием слабокислого раствора.
Обычно поставляется в многослойных бумажных или пластиковых мешках массой 25 кг. Также может поставляться в бумажных или пластиковых барабанах или бочонках. Рекомендуется хранить в сухом прохладном месте, вдали от источников огня и воды.
Оксид магния – твердый частично растворимый в воде реагент для контроля и стабилизации щелочности промывочных жидкостей. Рекомендуется для буферизации щелочности безглинистых полимерных растворов, таких как «Фло-Про», в диапазоне рН 8,5–9,5. В отличие от традиционно используемых для регулирования щелочности гидроксида натрия и гидроксида калия, оксид магния обладает гораздо меньшей химической активностью, коррозионностью и опасностью. Благодаря частичной растворимости оксид магния обладает способностью буферизовать щелочность промывочных жидкостей в диапазоне рН 8,5–10 в зависимости от рецептуры, минерализации раствора и забойной температуры.
Мелкий белый порошок.
Рекомендуемая концентрация – от 2 до 5 кг/м3.
Может вызвать частичную флокуляцию малообработанных глинистых растворов. Неопасен и нетоксичен.
Поставляется в многослойных влагостойких бумажных мешках массой 25 кг. Рекомендуется хранить в прохладном проветриваемом помещении. Срок хранения не ограничен.
Ингибиторы глинистых пород
Kla-Cure® («Кла-Кью») – органический ингибитор глин и глинистых сланцев на основе смеси полиаминокислот и поверхностно-активных веществ. Принцип действия основан на процессах катионного обмена и адсорбции. Молекулы «КлаКью» присоединяются к активным зонам по краям глинистых частиц, эффективно подавляя процесс гидратации и предотвращая их взаимодействие. Поверхностноактивные вещества снижают липкость выбуренного шлама и препятствуют образованию сальников. Реагент можно использовать во всех типах промывочных жидкостей на водной основе.
Полупрозрачная желтая жидкость плотностью 1190 кг/м3, рН 1%-го раствора – 5,5–7,5, температура загустевания –17 °C.
Рекомендуемая концентрация – от 11 до 23 кг/м3. Оптимальный уровень рН для обеспечения максимальной эффективности – 8–9.
302
Термостабилен до 150 °С. Экологически безопасен.
Поставляется в металлических и пластиковых бочках объемом 208 л. Рекомендуется хранить в сухом прохладном месте. Сохраняет свои свойства при замерзании и последующем оттаивании.
Kla-Gard® («Кла-Гард») – органический ингибитор глин и глинистых сланцев. Подавляет процессы гидратации глинистых пород в любых типах промывочных жидкостей, включая пресные, минерализованные и соленасыщенные растворы. Особенно эффективен в сочетании с 3–5 % хлорида, ацетата или карбоната калия. Рекомендуется в качестве вспомогательного ингибитора в хлоркальциевых системах.
Прозрачнаяголубаяжидкостьплотностью1100 кг/м3, pH 1%-гораствора– 6,5–8,5. В отличие от неорганических ингибиторов глинистых пород, «Кла-Гард» не увеличивает коррозионную активность раствора и практически не оказывает влияния на электропроводимость и результаты электрокаротажа в концентрации вплоть до 17 кг/м3, что позволяет рекомендовать его как универсальный реагент для любых
условий.
Рекомендуемая концентрация – от 10 до 20 мг/м3. Термостабилен до 200 °С.
Не рекомендуется использовать совместно с разжижителями на базе лигнитов, лигносульфонатов, танинов и с катионными полимерами.
Подвержен бактериальному разложению. При использовании в пресных или слабоминерализованных растворах требуется обязательная обработка бактерицидом.
Неопасен. Нетоксичен.
Поставляется в металлических и пластиковых бочках объемом 208 л. Рекомендуется хранить в сухом прохладном месте. Сохраняет свои свойства при замерзании и последующем оттаивании.
Poly-Plus® («Полиплас») – частично гидролизованный полиакриламид с высокой молекулярной массой, предназначен для ингибирования глин и глинистых сланцев путем инкапсуляции глинистых частиц. Кроме того, реагент может выступать в качестве загустителя, флокулянта, понизителя фильтрации в различных типах промывочных жидкостей на водной основе, включая безглинистые и малоглинистые системы, утяжеленные растворы, растворы на основе морской воды.
Прозрачная жидкость кремового оттенка (в жидкой форме) или кремовый сыпучий порошок (в сухой форме) с легким запахом углеводородов плотностью
1070…1100 кг/м3, рН 1%-го раствора – 8–9.
Нормальная концентрация реагента «Полиплас» варьирует от 2 до 8 кг/м3. Часто используется в безглинистых растворах в качестве загустителя и ингибитора глин (инкапсулятора), особенно при бурении скважин малого диаметра и отборе керна. Обычный диапазон концентраций реагента в таких растворах составляет 1,5…5 кг/м3.
«Полиплас» химически реагирует с многовалентными катионами (ионы кальция, магния, железа, хрома). При высокой концентрации таких ионов (более 300 мг/л) возможно полное или частичное выпадение полиакриламида в осадок.
При бурении скважин с высоким содержанием сероводорода рекомендуется использовать оксид или карбонат цинка для связывания H2S. Твердые нерастворимые реагенты предпочтительнее жидких, так как они не реагируют с полиакриламидом.
303
При первом добавлении реагента наблюдается интенсивная флокуляция и загустевание раствора. По мере увеличения концентрации реагента и полной инкапсуляции активной твердой фазы вязкость раствора постепенно уменьшается до нормальной. Во избежание чрезмерного увеличения вязкости рекомендуется использовать «Полиплас» в промывочных жидкостях, содержащих менее 40 кг/м3 бентонита.
При жесткости раствора более 300 мг/л эффективность реагента значительно снижается.
Оптимальный уровень pH – от 8,5 до 10,5. Высокая щелочность раствора может послужить причиной гидролиза полиакриламида с выделением аммиака.
Предел термостабильности реагента – около 175 °С.
Полимер подвержен гидродинамической деструкции, что снижает вязкость раствора, но не отражается на ингибирующих свойствах реагента.
Неопасен. Нетоксичен.
Поставляется в многослойных бумажных мешках массой 22,7 или 25 кг (в сухом виде) или пластиковых бочонках разной емкости (в жидком виде). Рекомендуется хранить в сухом прохладном месте.
SaltexTM («Солтэкс») – водорастворимый битуминозный материал. Используется в промывочных жидкостях на водной основе для стабилизации глинистых сланцев. Реагент закупоривает трещины в аргиллитах и глинистых сланцах, предотвращая контакт неустойчивых пород с промывочной жидкостью. Кроме того, «Солтэкс» эффективно подавляет набухание глинистых пород и диспергирование глинистого шлама в растворе.
Черный порошок.
Рекомендуемая концентрация – от 10 до 18 кг/м3. Помимо своих основных функций, реагент помогает улучшить качество фильтрационной корки, снизить коэффициент трения, увеличить эмульгирующую способность раствора.
Термостабилен до 180 °С.
Эффективность реагента снижается в растворах с жесткостью более 400 мг/л и содержанием хлорид-ионов более 20 000 мг/л.
Неопасен. Нетоксичен.
Поставляется в многослойных бумажных мешках массой 11,3; 22,7 и 25 кг. Рекомендуется хранить в сухом прохладном месте.
Shale ChekTM («Шейл-Чек») – ингибитор активных глин и глинистых сланцев. Предназначен для снижения негативных эффектов, связанных с гидратацией глин, предотвращения образования сальников и зашламования долота. Улучшает реологические и фильтрационные свойства. Активен в любых типах промывочных жидкостей на водной основе.
Темно-коричневый порошок плотностью 1570 кг/м3, рH 1%-го раствора – 8,7–9,0. Рекомендуемая начальная концентрация реагента в растворе – 14,3 кг/м3. Может вызвать разжижение слабообработанных недиспергированных глини-
стых растворов, поэтому при вводе реагента может потребоваться дообработка раствора реагентами-загустителями.
Термостабилен до 150 °С. Неопасен. Нетоксичен.
Поставляется в многослойных бумажных мешках массой 11,3; 22,7 и 25 кг. Рекомендуется хранить в сухом прохладном месте.
304
Пеногасители
Defoam-ATM («Дефоам-А») – универсальный пеногаситель для любых типов промывочных жидкостей на водной основе, включая утяжеленные и соленасыщенные растворы, растворы на основе морской воды и жидкости заканчивания.
Полупрозрачная жидкость.
Реагент весьма эффективен даже при небольших концентрациях – 0,1…0,3 кг/м3. При длительном вдыхании испарения спиртовой основы «Дефоам-А» могут
вызвать раздражение верхних дыхательных путей.
Defoam-XTM («Дефоам-Икс») – имеет то же назначение, что и «Дефоам-А», но является более предпочтительным для использования в соленасыщенных растворах и жидкостях заканчивания, в том числе загущенных полимерами.
Белая вязкая жидкость плотностью 910 кг/м3.
Неопасен. Нетоксичен. Поставляется в пластиковых бочонках емкостью 18,9 л. Рекомендуется хранить в сухом прохладном месте.
Поверхностно-активные вещества
Dril-Kleen® («Дрил-Клин») – концентрированная смесь поверхностноактивных веществ для снижения поверхностного натяжения растворов на водной основе и тем самым снижения липкости выбуренных глинистых частиц. «ДрилКлин» совместим с большинством промывочных жидкостей на водной основе, включая пресные, соленасыщенные и утяжеленные растворы, растворы на основе морской воды и т. п.
Прозрачная жидкость плотностью 1100 кг/м3, рН 1%-го раствора – 9,3–9,5. Рекомендуемая концентрация – от 0,5 до 1,5 кг/м3. При интенсивном сальни-
кообразовании концентрацию реагента увеличивают до 1,4…2,8 кг/м3.
При резком введении больших количеств «Дрил-Клин» может наблюдаться значительное пенообразование. При жесткости раствора более 250 мг/л эффективность реагента снижается.
Реагент неопасен и нетоксичен.
Поставляется в пластиковых ведрах объемом 9,5 л или металлических или пластиковых бочках объемом 208 л. Рекомендуется хранить в сухом прохладном месте.
Смазочные добавки
Dril-FreeTM («Дрил-Фри») – экологически чистая смазывающая добавка на основе модифицированных растительных масел для всех типов промывочных жидкостей на водной основе. Рекомендуется использовать для снижения коэффициента трения при бурении протяженных наклонно-направленных и горизонтальных скважин при значительной репрессии на пласт. Позволяет заметно снизить вероятность возникновения дифференциальных прихватов, избежать сальникообразования и зашламования долота.
Полупрозрачная жидкость плотностью 920 кг/м3. Легко диспергируется в пресной или минерализованной воде.
Рекомендуемая концентрация – 1,5–4 % по объему.
Избегать попадания в глаза и длительного контакта с кожей. Рекомендуется использовать средства индивидуальной защиты (очки, перчатки) и соблюдать правила личной гигиены.
Поставляется в металлических или пластиковых бочках объемом 208 л.
305
Lube-100TM («Люб-100») – диспергируемая в воде смазочная добавка (смесь полигликолей и растительных масел) для всех типов промывочных жидкостей на водной основе. Рекомендуется использовать для снижения сил трения и крутящего момента при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин (особенно при использовании забойных двигателей или невозможности частого вращения и расхаживания бурильной колонны), скважин малого диаметра, а также для профилактики дифференциальных прихватов.
Полупрозрачная желтая или коричневая жидкость плотностью 980…1040 кг/м3, pH 1%-го раствора – 8,75.
Рекомендуемая концентрация – 2–4 %. Не содержит углеводородов, нетоксичен, взрыво- и пожаробезопасен, термостабилен до 230 °С.
Может вызывать увеличение вязкости в пресных малообработанных промывочных жидкостях с высоким содержанием глины, а также образовывать сгустки при жесткости системы по магнию и кальцию выше 800 мг/л и высокой щелочности раствора.
Рекомендуется использовать средства индивидуальной защиты (очки, перчатки) и соблюдать правила личной гигиены.
Поставляется в металлических и пластиковых бочках объемом 208 л. При замерзании и последующем оттаивании требуется тщательное перемешивание реагента для восстановления его свойств.
Lube-167TM («Люб-167») – диспергируемая в воде смазочная добавка (смесь пропиленглиголя, производных эфиров пропиленгликоля и соевого масла), совместимая со всеми промывочными жидкостями на водной основе.
Светло-коричневая жидкость плотностью 960…1040 кг/м3, pН 1%-го раствора –
8,8–9,2.
Рекомендуемая концентрация – от 8,6 до 30 кг/м3.
Может вызывать легкое пенообразование в свежеприготовленном растворе на основе морской воды с ультранизким содержанием твердой фазы.
Неопасен. Нетоксичен. Рекомендуется использовать средства индивидуальной защиты (очки, перчатки) и соблюдать правила личной гигиены.
Поставляется в металлических или пластиковых бочках объемом 208 л.
Бактерициды
BacbanTM III («Бакбан-3») – бактерицид, предназначенный для предотвращения бактериального разложения полисахаридов и биополимеров.
Светлые зеленовато-желтые гранулы. Рекомендуемая концентрация – от 0,08 до 0,026 кг/м3.
Сильный раздражитель – при продолжительном контакте может вызвать раздражение кожи и повреждение слизистых оболочек. Рекомендуется использовать средства индивидуальной защиты (очки, перчатки) и соблюдать правила личной гигиены.
Поставляется в пластиковых банках массой 2,8 или 25 кг. Рекомендуется хранить в сухом прохладном месте.
M-I CideTM («Эм-Ай Сайд») – жидкий бактерицид, предназначенный для тех же целей, что и «Бакбан-3». Представляет собой ~ 50%-й водный раствор гидроксиэтилтриазина. Благодаря высокой концентрации активного вещества значительно эффективнее бактерицидов, выпускаемых в твердой форме.
306
Прозрачная жидкость плотностью 1000 кг/м3.
При использовании для обработки раствора крахмала достаточная начальная концентрация «Эм-Ай Сайд» составляет около 0,1 кг/м3. При дальнейшей обработке достаточно 0,04…0,05 кг/м3 реагента. Дообработка раствора в процессе бурения или хранения производится обычно один раз в 5–7 дней.
Не подвержен старению и влиянию температуры.
Сильный раздражитель кожи и слизистых покровов. Рекомендуется использовать средства индивидуальной защиты (очки, перчатки) и соблюдать правила личной гигиены.
Поставляется в пластиковых бочках (канистрах) объемом 19 л. Рекомендуется хранить в сухом прохладном помещении. Реагент не теряет своих свойств при замораживании и последующем оттаивании.
Ингибиторы коррозии и нейтрализаторы
Sulf-X® («Сульф-Икс») – твердый мелкодисперсный на основе оксида цинка нейтрализатор сероводорода в любых промывочных жидкостях. Нейтрализация сероводорода осуществляется путем реакции оксида цинка с растворенным сероводородом, в результате чего образуется нерастворимый осадок сульфида цинка, удаляемый из раствора с помощью технических средств очистки от шлама.
Мелкий белый порошок.
Для более полного растворения сероводорода в растворе и диссоциации его на сульфид-, бисульфид-ионы рН необходимо поддерживать на уровне не менее 11.
Начальная профилактическая обработка раствора реагентом обычно осуществляется из расчета 3…6 кг/м3. Последующая обработка производится из расчета 2,8 кг/м3 «Сульф-Икс» на каждые 600 мг/л сероводорода, измеренных при помощи прибора Гаррета (максимальная теоретическая поглотительная способность оксида цинка составляет ~ 385 мг cероводорода на 1 г реагента).
Поставляется в многослойных влагостойких бумажных мешках массой 25 кг. Рекомендуется хранить в прохладном проветриваемом помещении. Срок хранения не ограничен.
4.8. Физико-химические основы регулирования свойств промывочных жидкостей
В отличие от гомогенных очистных агентов, подверженных лишь микробиологической и календарной (старению во времени) деструкции, гетерогенные очистные агенты являются потенциально неустойчивыми, так как стремятся разделиться на отдельные фазы, например в случае суспензий – на твердую и жидкую.
Очевидно, что функциональные свойства гетерогенных очистных агентов будут проявляться только в том случае, если эти очистные агенты будут устойчивыми. В этой связи необходимо знать основные факторы, определяющие устойчивость гетерогенных очистных агентов, в частности глинистых растворов, и причины, ведущие к ее нарушению.
Различают два вида устойчивости гетерогенных дисперсных систем (очистных агентов):
•агрегативную;
•кинетическую (седиментационную).
307
Под агрегативной устойчивостью понимают способность дисперсной системы противостоять слипанию частиц дисперсной фазы.
Кинетическая (седиментационная) устойчивость характеризует способность частиц дисперсной фазы противостоять действию силы тяжести, т. е. удерживаться во взвешенном состоянии равномерно распределенными по всему объему.
Согласно современным представлениям агрегативная устойчивость дисперсных систем обусловлена действием трех факторов:
•электростатического;
•адсорбционно-сольватного;
•структурно-механического.
При гидратации и диспергировании глины в воде частицы, на которые она распадается, приобретают определенное строение, называемое мицеллой.
Мицелла – это наименьшее количество глинистого вещества, способного к самостоятельному существованию.
Внутренняя часть мицеллы называется ядром. На поверхности ядра концентрируются гидроксил – ионы ОН-, сообщающие ему отрицательный заряд. Эти ионы прочно связаны с ядром и образуют внутреннюю обкладку двойного электрического слоя (ДЭС). Вокруг нее располагается слой также прочно притянутых к ядру, но положительно заряженных ионов Н+.
Часть мицеллы, включающая в себя ядро с двумя слоями неподвижных ионов, называется гранулой, вокруг которой располагается третий слой также положительно заряженных ионов, но имеющих очень слабую связь с ядром. Слой подвижных ионов называется диффузным.
Слой отрицательно заряженных ионов и слои положительно заряженных ионов образуют двойной электрический слой (ДЭС).
Между диффузным и неподвижным слоями катионов существует динамическое равновесие: одни катионы переходят из неподвижного слоя в диффузный, другие – возвращаются из диффузного в неподвижный.
Если разбавленную глинистую суспензию поместить в электрическое поле, то будет происходить явление электрофореза, суть которого заключается в том, что под влиянием электрического поля гранулы перемещаются к катоду, а катионы диффузного слоя – к аноду, т. е. происходит разрыв ДЭС.
Потенциал, возникающий на плоскости скольжения при отрыве диффузного слоя, называется электрокинетическим потенциалом или ξ (дзета)-потенциалом и может быть измерен различными способами. Величина ξ-потенциала прямо пропорциональна толщине диффузного слоя.
На величину ξ-потенциала (толщину диффузного слоя) влияют следующие факторы:
• валентность ионов диффузного слоя (чем выше валентность, тем сильнее электрическое притяжение между ионами диффузного слоя и ионами ядра, тем сильнее диффузный слой прижат к поверхности ядра, а значит, тем меньше его толщина и величина ξ-потенциала);
•температура (с повышением температуры ξ-потенциал увеличивается, поскольку увеличивается тепловое движение катионов и толщина ДЭС);
•концентрация в растворе электролитов (при увеличении в растворе концентрации электролита катионы диффузного слоя переходят в слой неподвижных
308
катионов, происходит сжатие диффузного слоя и уменьшение величины ξ-потенциала).
При определенной концентрации электролита все катионы диффузного слоя переходят в слой неподвижных катионов и ξ-потенциал становится равным нулю. Мицеллы при этом становятся электронейтральными и теряют свою агрегативную устойчивость, т. е. слипаются и выпадают в осадок с полным расслоением гетерогенной дисперсной системы на твердую и жидкую фазы. Этот процесс называется гидрофобной коагуляцией (при гидрофильной – агрегатированные частицы образуют сплошную структуру, именуемую гелем).
Электролиты, снижающие величину ξ-потенциала, называются коагулянтами. Концентрация электролита, вызывающая начало коагуляции, называется порогом коагуляции.
При введении в раствор некоторых коагулянтов, например щелочей NaOH, KOH, Na2CO3 в количествах, меньших порога коагуляции, происходит дробление агрегатов частиц дисперсной фазы на более мелкие. Этот процесс, обратный коагуляции, называется пептизацией, а вещества, его вызывающие – пептизаторами. Пептизаторы вызывают создание на поверхности глинистых частиц мощных диффузных слоев, что вызывает их химическое диспергирование и повышение агрегативной устойчивости дисперсной системы.
Таким образом, одно и то же вещество в зависимости от концентрации может быть коагулянтом и пептизатором.
Наличие одинаково заряженных ДЭС на поверхности глинистых частиц препятствует их слипанию в результате электростатического отталкивания. Электростатическое отталкивание мицелл проявляется только при достаточном их сближении, когда происходит перекрытие диффузных слоев, при этом, чем больше они перекрыты, тем выше энергия отталкивания. Таким образом, электростатический фактор будет препятствовать агрегатированию частиц тем мощнее, чем больше будет величина ξ-потенциала (толщина диффузного слоя).
Молекулы воды, попадая в электрическое поле, создаваемое глинистой частицей, принимают ориентированное положение. Они группируются главным образом вокруг ионов диффузного слоя и, кроме этого, притягиваются непосредственно ядром. В результате вокруг глинистой частицы образуется гидратная оболочка (в общем случае – сольватная). По мере удаления от поверхности глинистой частицы силы, вызывающие ориентацию молекул воды, постепенно ослабевают. На некотором расстоянии от поверхности частицы действие их прекращается, и молекулы воды получают свободу перемещения независимо от глинистой частицы.
Внешние границы гидратной оболочки и диффузного слоя примерно совпадают. Таким образом, о степени гидратации глинистых частиц можно судить по величине ξ-потенциала.
Мицеллы Na-бентонита могут ориентировать до 40 слоев молекул воды, при этом толщина гидратной оболочки превышает 10 нм. Гидратная оболочка Ca-бентонита имеет толщину не более 1,5 нм.
Гидратные оболочки (связанная вода) обладают аномальной вязкостью, плотностью, упругостью и высокой механической прочностью. Согласно данным различных исследователей плотность связанной воды колеблется в пределах 1300…2400 кг/м3, ее растворяющая способность стремится к нулю, а вязкость в 100 раз больше, чем у
309
свободной воды. Модуль сдвига прочносвязанной воды всего в 300 раз меньше модуля сдвига свинца.
При сближении частиц дисперсной фазы в соприкосновение в первую очередь приходят их гидратные оболочки, которые, благодаря своей упругости, препятствуют сближению частиц на расстояние, где начинают преобладать силы межмолекулярного притяжения.
Молекулы растворенных в воде органических веществ, особенно высокомолекулярных соединений (полимеров), которые характеризуются достаточно большими размерами молекул, имеют собственные гидратные оболочки. Покрывая поверхность частиц дисперсной фазы, они создают адсорбционно-гидратные слои, обладающие еще большей упругостью и механической прочностью, чем гидратные оболочки.
Образование таких адсорбционно-гидратных твердообразных поверхностных слоев академик П.А. Ребиндер назвал структурно-механическим фактором стабилизации дисперсных систем.
Вещества, образующие на поверхности частиц адсорбционно-гидратные слои, препятствующие агрегатированию частиц, принято называть стабилизаторами или защитными коллоидами.
Частицы дисперсной фазы (глинистые частицы) имеют более или менее развитый диффузный слой катионов, гидратную оболочку и при обработке химическими реагентами на их поверхности образуются слои из молекул реагента. В результате действия всех этих факторов глинистые растворы могут сохранять свою агрегативную устойчивость в течение длительного времени (суспензии некоторых бентонитов 7–10%-й концентрации могут без видимых изменений свойств храниться многие годы).
При небольшой концентрации дисперсной фазы гетерогенные системы сохраняют свою кинетическую устойчивость благодаря броуновскому движению – беспорядочному, хаотичному движению коллоидных частиц (мицелл), связанному с тепловым движением молекул дисперсионной среды.
Кроме броуновского движения, другими факторами, влияющими на кинетическую устойчивость разбавленных суспензий, являются степень дисперсности частиц твердой фазы, вязкость дисперсионной среды, различие плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Кинетическая устойчивость гетерогенных систем при относительно высоком содержании частиц дисперсной фазы обеспечивается прочностью образующейся в результате сцепления этих частиц пространственной структуры, именуемой гелем.
310