Строительство скважин - Структурно-механические свойства буровых растворов и коагуляция

СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БУРОВЫХ РАСТВОРОВ И КОАГУЛЯЦИЯ

 

 

По агрегатному состоянию и механическим свойствам дисперсные системы могут быть разделены на две группы: 1) свободнодисперсные, или бесструктурные, и 2)связнодисперсные, или структурированные.

 

 Свободнодисперсные системы отличаются подвижностью и не оказывают сопротивления сдвигу. Частицы дисперсной фазы такой системы находятся в относительно свободном состоянии, под влиянием внешних сил двигаются независимо одна от другой и не связаны в общую структурированную систему. Называются такие системы золями. Если дисперсионной средой является вода, то система носит название гидрозоль, если какая-либо органическая жидкость - органозоль и т. д.

 

Механические свойства этих систем аналогичны механическим свойствам их дисперсионной среды. Если буровой раствор, например водный карбонатный раствор, представляет собой в каком-либо конкретном случае свободнодисперсную, бесструктурную систему, то его механические свойства аналогичны свойствам дисперсионной среды. Он также не оказывает сопротивления сдвигу, т. е. не обладает механической прочностью, и является водной суспензией с низкой вязкостью, без загустевания при спокойном стоянии и без разжижения при движении.

 

Вязкость таких систем изменяется только при изменении количества дисперсной фазы, приходящейся на единицу объема. С увеличением объема частиц дисперсной фазы за счет заполнения части объема дисперсионной среды повышается вязкость системы.

 

Связнодисперсные, структурированные системы называются гелями.

 

В этих системах частички дисперсной фазы связаны между собой молекулярными силами сцепления и образуют пространственные структуры - сетки, каркасы, имеющие определенную механическую прочность.

 

Гели образуются как в лиофильных системах (лиогели), так и в лиофобных(коагели). Лиогели представляют собой студнеобразную систему, сохраняющую однородность во всем своем объеме. В коагелях обычно происходит процесс расслоения раствора: нижний слой - более плотный, концентрированный осадок, верхний слой - малоконцентрированный, рыхлый (менее связанная система).

 

Для получения в дисперсной системе структуры требуется наряду с другими условиями определенная концентрация твердой дисперсной фазы. Разбавленные системы с малой концентрацией твердой фазы обычно являются свободнодисперсными золями.

 

Дисперсная система, имеющая пространственную структуру, обладает такими физико-механическими свойствами, как прочность, упругость, пластичность, вязкость, зависящими от физико-химических свойств веществ, образующих систему, и их количественного соотношения. Структурно-механические свойства растворов определяют во многом их качество. Одной из наиболее важных характеристик промывочных жидкостей является тиксотропность, связанная с созданием и разрушением структуры.

 

Хорошие коллоидные буровые растворы - золии высокодисперсные суспензии, представляющие собой при перемещении маловязкие и подвижные жидкости, обладают способностью, находясь в спокойном состоянии, приобретать с течением времени структуру, загустевать и превращаться в гель. При механическом воздействии (взбалтывании, перемешивании, встряхивании, циркуляции) такой гелеобразный раствор вновь превращается в подвижный золь. Этот процесс может повторяться любое число раз. Превращение находящегося в спокойном состоянии золя в гель и подвергнутого механическому воздействию геля в золь называется тиксотропией.

 

Следовательно, тиксотропия представляет собой процесс, связанный с обратимыми созданием и разрушением пространственной структурной сетки-каркаса дисперсной системы.

 

Процесс образования сплошной сетчатой структуры в глинистых растворах можно представить следующим образом. Глинистые частицы в коллоидном растворе имеют удлиненно-пластинчатую форму. Гидратные оболочки частиц дисперсной фазы при воздействии внешних факторов (например, добавке электролитов} могут уплотняться, утоньшаться и разрываться. При утоньшении они легче всего разрываются в местах наибольшей кривизны на концах и ребрах частиц. Благодаря более тонкой защитной сольватной оболочке на концах и ребрах глинистых пластинок и поэтому более активному действию молекулярных сил при тепловом броуновсном движении на этих участках происходит сцепление глинистых частичек. Сцепленные по концам или ребрам частички образуют в растворе пространственную сетчатую структуру; система приобретает свойства геля. При механическом вмешательстве в период циркуляции глинистого раствора в скважине или при перемешивании в лабораторных условиях связи в этой пространственной решетке нарушаются.

 

Частички глины отрываются одна от другой, структура разрушается и раствор превращается в золь. При спокойном стоянии раствора структура его с течением времени постепенно восстанавливается, вновь происходит сцепление мельчайших глинистых частичек по местам наименьшей сольватации и создается пространственная структурированная сетка-каркас.

 

Если сольватная оболочка прорывается на концах и ребрах глинистых частиц, а в остальной части их поверхности сохраняется достаточно высокая сольватация, процесс соединения частичек твердой фазы с образованием сетчатой структуры называется гидрофильной коагуляцией.

 

Под коагуляциейпонимается процесс укрупнения (соединения, слипания, слияния) частиц дисперсной фазы в коллоидных и грубодисперсных системах, происходящий под действием молекулярных сил сцепления.

 

В зависимости от физико-химических свойств дисперсной системы коагуляция приводит к образованию пространственной структуры раствора и последующему застудневанию или же к агрегированию укрупненных частиц твердой фазы и выпадению их в виде хлопьевидного или довольно плотного порошкообразного осадка.

 

Первый случай принято называть скрытой, или гидрофильной коагуляцией, второй- явной, или гидрофобной, коагуляцией. Коагуляция вызывается различными причинами: изменением состава дисперсионной среды или температуры, добавлением в систему электролита. В бурении имеет значение коагуляция, возникающая при поступлении в промывочную жидкость электролитов.

 

В процессе проводки скважин при разбуривании горных пород, насыщенных минерализованными пластовыми водами, нередко наблюдается явная коагуляция глинистого раствора. Пластовые воды, насыщенные электролитами, проникают в глинистый раствор и способствуют укрупнению частичек твердой фазы, образованию осадка, толстой и рыхлой корки на стенках скважины. Для возникновения коагуляции необходима определенная концентрация электролита. Минимальная концентрация электролита, при превышении которой начинается коагуляция, называется порогом коагуляции.

 

Коагуляция коллоидных растворов в присутствии полностью или частично распадающихся на ионы растворенных в системе электролитов связана с воздействием этих ионов на разность потенциалов вблизи поверхности дисперсной частички. Добавка электролита-коагулятора вызывает изменение двойного электрического слоя, сжатие его диффузной части и уменьшение заряда частиц. У гидрофильных и гидрофобных коллоидов процесс коагуляции протекает различно.

 

Устойчивость гидрофильных коллоидов зависит главным образом от достаточной прочности гидратной оболочки-пленки на поверхности частиц твердой дисперсной фазы. Эти оболочки препятствуют агрегированию (слипанию) частиц, оказывают при некоторой их толщине «расклинивающее» действие.

 

Для коагуляции гидрофильного коллоида необходимо предельно уменьшить толщину сольватной оболочки или прорвать ее.

 

Устойчивость гидрофобных систем зависит от заряда поверхности частиц и от действия поверхностно-активных веществ-стабилизаторов (защитных коллоидов).

 

Добавка в систему электролита-коагулятора приводит к уменьшению зарядов частиц или к их нейтрализации. При этом образованные при помощи стабилизатора гидратные оболочки могут уменьшаться. Частички твердой фазы, встречаясь друг с другом вследствие теплового броуновского движения, при относительных перемещениях (постепенной седиментации) или движении с небольшими скоростями (легком перемешивании и т. д.) слипаются, агрегируют в более крупные и коагулируют.

 

Добавка специальных реагентов к коагулированным коллоидным системам может вызвать расщепление укрупненных агрегатов частичек дисперсной фазы, возникших в результате коагуляции. Восстановление дисперсности коагулированной коллоидной системы называется пептизацией. Пептизация происходит под влиянием адсорбционного воздействия жидкой дисперсионной среды системы при добавлении специальных адсорбирующих веществ - пептизаторов.Под влиянием этих веществ преодолеваются коагуляционные силы (силы сцепления частичек в агрегаты), агрегаты разукрупняются и увеличивается число частичек в единице объема. Вновь образующиеся на поверхности частичек адсорбционно-сольватные оболочки и пространственные двойные электрические слои начинают препятствовать сближению твердых частичек. Система восстанавливается и стабилизируется. Адсорбирующийся на поверхности частиц дисперсной фазы пептизатор обычно действует как стабилизатор.

 

В определенных условиях пептизация может быть одним из основных факторов образования структуры раствора. Если не вся поверхность частичек одинаково покрывается адсорбционно-сольватными оболочками, т. е. появляется мозаичность, может произойти их соединение и слипание на обнаженных участках, по местам контактов с образованием коагуляционной пространственной структурной сетки. Коагуляция и пептизация как процесс обратимого образования золя и геля (по П. А. Ребиндеру).

 

При частичной коагуляции с образованием пространственной структурной сетки-каркаса эта сетка механически заполняется жидкой дисперсионной средой - растворителем. В дальнейшем при спокойном стоянии системы и сближении частиц под действием молекулярных сил жидкость-растворитель может выделиться из системы при сохранении формы застуденевшего геля.

 

Выделение жидкости из системы при сохранении формы геля студня называется синерезисом