5.7. Дезактивация дисперсной фазы гидрофобными веществами (пав, полимерами, маслами)

Дезактивацию гидрофильной твёрдой фазы гидрофобизирующими ПАВ и полимерами производят с целью её использования в неполярных средах (в качестве стабилизаторов инвертных эмульсий). Гидрофобные ПАВ и полимеры используют также для гидрофобизации стенок скважин и бурильных труб с целью уменьшения фильтрации воды в горную породу стенок скважин и снижения трения бурильной колонны при её вращении.

В качестве гидрофобизирующих ПАВ чаще всего используют катионо-активные соединения с длинными углеводородными цепями. Так, в качестве эмульгатора нефти в воде применяют диамины (например N-алкилтриметилендиаминхлорид). Неполярная часть цепи катиона располагается в нефтяной фазе, а полярная азотистая часть цепи - в воде, придавая капельке нефти положительный заряд. Поскольку большинство металлов и минералов несут отрицательный поверхностный заряд, капельки нефти с ПАВ притягиваются к этим поверхностям, где образуют тонкие плёнки. При адсорбировании нефти с ПАВ на бурильных трубах снижается трение при вращении труб и их коррозия.

Для гидрофобизации барита при его введении в углеводородные растворы в США применяют лецитин, а гидрофобизации бентонита - ониевую соль [С₁₄Н₂₉NН₃]⁺С1^- или мелаталовое масло.

В отечественном бурении в качестве стабилизаторов инвертных эмульсий, гидрофобизаторов твёрдой фазы и структурообразователей применяют синтетические жирные кислоты (СЖК),таловое масло, мылонафт, эмультал, аминосодержащие (катионоактивные) ПАВ и др.

Гидрофобное структурирование глинистого раствора битумными эмульсиями, дизтопливом, нефтью и т.д. используют обычно для стабилизации стенок скважин и тампонирования трещиноватых зон.

Произвольное гидрофобное структурирование инвертных эмульсий происходит при попадании в них большого количества пластовой воды, когда нефть всплывает в воде, а частицы твёрдой фазы, покрытые гидрофобной плёнкой, активно взаимодействуют друг с другом.

5.8 Стабильность (седиментационная и агрегативная устойчивость) раствора.

Стабильной дисперсной системой называют дисперсную систему, в которой дисперсная фаза длительное время равномерно распределена по всему объему.

Стабильность раствора определяется в основном его седиментационной и агрегативной устойчивостью (Песков) .

Агрегативная устойчивость может быть определена как способность системы к сохранению дисперсности частиц.

Агрегативная устойчивость определяется двумя факторами: потенциалом частиц и наличием адсорбированной гидрофильной пленки на поверхности частиц.

При высоком потенциале поверхности частиц вокруг частиц образуется гидратный слой, предотвращающий сближение частиц, на расстояние межмолекулярного взаимодействия частиц. При введении катионоактивных электролитов отрицательный заряд частиц нейтрализуется, гидратный слой устраняется или становится тоньше, и частицы сближаются на расстояние действия межмолекулярных сил. Если концентрация катионов невелика, частицы нейтрализуются на определенных ее участках, слияние частиц происходит с образованием пространственного каркаса, образуется гель. При высокой концентрации катионов, происходит нейтрализация частиц на всей поверхности.

Происходит слияние частиц в виде крупных агрегатов, выпадающих в осадок.

Нейтрализовать потенциал частиц можно электролитами, неполярными ПАВ и другими неполярными жидкостями.

Седиментационная устойчивость - это устойчивость дисперсных систем к осаждению твердой фазы.

Различают кинетическую и термодинамическую седиментационную устойчивость.

Мерой кинетической седиментационной устойчивости является величина, обратная константе седиментации.

Константу седиментации можно определить следующим образом.

На каждую частицу твердой фазы в дисперсной системе будут действовать две силы – гравитационная

F_g=mg= рVg

и архимедова сила выталкивания

F_a=р_oVg

где m - масса частицы твердой фазы; р — плотность частицы; V - объем частицы; р0-плотность раствора.

Если р > р0, наблюдается прямая седиментация (оседание) частиц, которая зависит от площади, взаимодействующей с молекулами воды, ее гидрофильности и скорости движения (по закону Стокса):

F_TP=6πηrv

где η- вязкость раствора; α — коэффициент, определяющий гидрофильность чатиц; V- скорость движения частиц; d -размер частиц; S -площадь поверхности частиц.

И, наконец, при опускании частиц возникает разность концентрации твердых частиц в растворе в верхней и нижней его части, что вызовет диффузные силы.

где q₁ и q₂ - заряды частиц и молекул воды; г - расстояние между ними; ε₀ -электрическая проницаемость раствора; ε - электрическая постоянная.

Диффундирование частиц твердой фазы происходит вследствие притяжения молекулами - диполями воды заряженных дисперсных частиц (гидратации частиц). В результате взаимодействия молекул воды с частицами твердой фазы вокруг каждой частицы образуется слой воды. При таком взаимодействии частицы втягиваются в раствор, что ведет к их равномерному распределению в объеме.

Диффузные силы весьма слабы и при седиментации обычно их не учитывают; учитывают при седиментации только гравитационные силы F_g-F_а и силы гидравлического сопротивления F_гс, состоящие из двух сил: сил трения F_mр и сил любовного сопротивления:

Fg-Fa=(р-р₀) Vg

тогда сила действующая на частицу будет:

F = (р- р₀)Vg - 6πηrvα

При малой скорости движения и малых размерах частиц лобовое сопротивление жидкости ничтожно мало (рV2 /2 = 0)тогда с учетом активности частиц α

откуда выражая объем частиц через радиус г получим скорость седиментации

а константа седиментации

т.е. скорость седиментации твердой фазы определяется вязкостью раствора (η) плотностью ( р ) , дисперсностью ( г ) и активностью ( гидрофильностью) ее частиц (α).

Термодинамическая седиментационная устойчивость определяется высотой Ье, на протяжении которой концентрация дисперсной фазы изменяется в «е» раз. где V - скорость движения частиц, Т - температура раствора по Кельвину.

Условно стабильность промывочной жидкости определяют с помощью прибора ЦС-2, представляющего собой металлический цилиндр объемом со сливным отверстием посередине. При замере отверстие перекрывают пробкой, раствор заливают в цилиндр, который закрывают стеклом и оставляют на 24 часа. По истечении срока через отверстие сливают из верхней части цилиндра, а затем из нижней части цилиндра ареометром определяют стабильность раствора.

Стабильность можно условно определить и по суточному отстою в стеклянных мерных сосудах. За показатель отстоя принимают отношение осветленной воды в верхней части ко всему объему раствора.

Наконец, стабильность раствора можно условно определить на водоотдаче раствора на приборе ВМ-6 . За показатель водоотдачи принимают количество воды, профильтровавшейся через бумажный фильтр через 30 минут при перепаде давления 1 атм.

Стабилизацию буровых растворов осуществляют путем активации структурообразователя щелочными реагентами (УТР,ТЩР и ЗО), щелочными электролитами и гидрофильными полимерами.