Дисперсные системы и промывочные жидкости - РАСТВОРЫ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

РАСТВОРЫ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

 

Промывочные жидкости представляют собой физико-химиче­ские системы, состоящие из одной или нескольких фаз. Одно­фазные системы из двух или более веществ, не имеющие между компонентами поверхности раздела, называются гомогенными. Примером таких систем являются истинные растворы. Компоненты раствора — растворитель и растворенное вещество (вещества). Растворителем называется среда, в которой равномерно распределены растворенные вещества. Растворитель содержится в системе в относительно большем количестве.

Процесс растворения в общем случае не представляет собой простого распределения молекул или ионов одного вещества сре­ди молекул или ионов другого, но большей частью связан с раз­личными взаимодействиями между ними физического и химиче­ского характера. Растворы характеризуются концентрацией, т. е. количеством растворенного вещества в определенном объ­еме раствора. Концентрация выражается в массовых долях, мас­совых частях, молях растворенного вещества.

В бурении истинные растворы применяются либо для обра­ботки промывочных жидкостей, либо (реже) в качестве само­стоятельной промывочной среды, например растворы солей при бурении в зонах многолетнемерзлых пород.

Системы, состоящие из двух или большего числа фаз, между которыми существуют реальные поверхности раздела, называют­ся гетерогенными. Значительная часть гетерогенных систем— дисперсные системы. К последним относится большинство промывочных жидкостей и тампонажных растворов.

Дисперсной фазой дисперсной системы называется ве­щество, мелко раздробленное и равномерно распределенное в другом, получившем название дисперсионной среды. И дис­персионная среда, и дисперсная фаза могут быть твердыми, жид­кими и газообразными. Если частицы дисперсной фазы имеют одинаковый размер, то система называется монодисперсной, в противном случае — полидисперсной.  В зависимости от вида и количества дисперсной фазы дисперсные системы относятся к жидкостям или твердым (твердообразным) телам. Промывочные жидкости и тампонажные смеси относятся в основном к поли­дисперсным системам.

Дисперсная фаза промывочной жидкости может быть пред­ставлена одним или несколькими компонентами. Чаще всего промывочные жидкости являются многокомпонентными систе­мами.

Степень раздробленности частиц дисперсной фазы характеризуется дисперсностью (или степенью дисперсности) D— величиной, обратной поперечному размеру частицы d (см-1): D=1/d.                                                                                                                 (I.1)

Чем выше степень дисперсности, тем больше общая поверх­ность раздела фаз. Мерой дисперсности системы может также служить удельнаяповерхностьS', под которой понимают отношение общей поверхности 5 дисперсной фазы к ее об­щему объему VS'=S/V=kD, (I.2) где k— коэффициент формы частиц.

Так, для шарообразной формы частиц дисперсной фазы при уменьшении размера частиц дисперсной фазы удельная поверх­ность возрастает. Например, при круглой форме частиц поверх­ность 1 см3 дисперсной фазы при диаметре частиц 1 мм составит 60 см2, при диаметре частиц 0,1 мм — 600 см2, а при диаметре частиц 0,01 мм — 6000 см2. Общая поверхность твердой фазы в промывочной жидкости и тампонажных смесях может достигать десятков и сотен квадратных метров на 1 г массы.

Дисперсность определяет многие свойства дисперсных си­стем, в частности водоотдачу и структурно-механические свой­ства промывочных жидкостей. По степени дисперсности системы делятся на высокодисперсные или коллоидные, если поперечный размер частиц находится в пределах 1•10-5—1•10-8 см, и грубодисперсные, если размер частиц больше. Дисперсность систе­мы характеризует ее устойчивость.

Как правило, размер частиц дисперсной фазы неодинаковый. В системе всегда встречаются более крупные и более мелкие частицы, но большинство частиц имеют размеры, близкие по ве­личине. Эти размеры частиц обусловливают в большинстве слу­чаев свойства системы и отнесение ее к той или иной группе. В то же время свойства дисперсной системы во многом зависят от содержания наиболее мелких, коллоидных частиц. Вид и объем твердой фазы определяют консистенцию (густоту) си­стемы.

Из грубодисперсных систем в качестве промывочной жидко­сти применяются суспензии, эмульсии и аэрированные жидко­сти (пены).

Суспензии представляют собой мутные жидкости с на­ходящимися в них во взвешенном состоянии частицами твердо­го вещества. Суспензии характеризуются неустойчивостью ком­понентов во времени. Частицы твердой фазы при прекращении движения под влиянием силы тяжести довольно быстро оседа­ют (седиментируют), система расслаивается.

Эмульсиями называются многофазные жидкие системы, в которых в одной жидкости находятся во взвешенном состоя­нии мельчайшие капельки другой жидкости. Эмульсии — также неустойчивые системы и могут существовать только при наличии поверхностно-активных веществ — эмульгаторов. Эмульсии раз­рушаются в результате коалесценции — укрупнения частиц дис­персной фазы при слиянии между собой.

Аэрированной жидкостью называется многофазная система, содержащая дисперсную фазу в виде пузырьков возду­ха. При высоком содержании воздуха, когда последний играет роль дисперсионной среды, такие жидкости называются пенами.