Дисперсные системы и промывочные жидкости - ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

 

 Сущность химической обработки заключается в целенаправ­ленном воздействии на свойства промывочных жидкостей путем введения новых компонентов, получивших название реагентов.  Механизм процессов, происходящих в буровых растворах при химической обработке, хорошо описан Э. Г. Кистером.

Структурно-механические и фильтрационные свойства про­мывочных жидкостей, как уже отмечалось, связаны с характе­ром проявления коагуляционных процессов в дисперсной систе­ме. Изменение этих свойств обусловлено при прочих равных условиях степенью и направлением воздействия на коагуляцию. Пептизация и разбавление дисперсных систем направлены на уменьшение коагуляции; стабилизация и коллоидная защита — на предотвращение; ингибирование — на замедление, регулиро­вание; добавки солей и увеличение концентрации твердой фа­зы— на усиление коагуляции.

При добавлении реагентов смещается равновесие в сторону усиления или ослабления связей между частицами твердой фа­зы, изменяются гидрофильность, дисперсность. Флокулируя ча­стицы определенных размеров, можно регулировать содержание твердой фазы в промывочной жидкости и размеры частиц. В ре­зультате устанавливаются промежуточные равновесные состоя­ния, которые и определяют свойства буровых растворов. Таким образом, все протекающие в растворе изменения — это различ­ные формы единого коагуляционного процесса, управляемого общими закономерностями системы «дисперсная фаза — диспер­сионная среда», его физико-химическим механизмом.

Физико-химическое взаимодействие раствора с пластовыми водами и частицами горных пород в процессе бурения, влияние температуры, атмосферных условий могут смещать равновесие системы в ту или иную сторону. Это приводит к изменению тех­нологических параметров и может вызвать необходимость в по­вторном воздействии на систему реагентов. В зависимости от характера смещения подбирают вид реагента, его состав, кон­центрацию, порядок введения. Реагентами регулируется уро­вень лиофильности системы. При этом действуют факторы, влия­ющие на дисперсность, — набухание, пептизация или, наоборот, структурообразование и агрегирование.

Общий физико-химический механизм процессов, происходя­щих в дисперсной системе, обусловливает тесную взаимосвязь различных, часто противоречивых воздействий на буровой рас­твор. Такая связь, например, существует между противополож­но направленными процессами пептизации и коагуляции. Пеп­тизация — процесс физико-химического диспергирования под влиянием среды — разрушает коагуляционные связи, но в то же время увеличивает число кинетически активных частиц и мо­жет стать предпосылкой, подготавливающей коагуляцию. В свою очередь данный уровень    дисперсности    можно сохранить как торможением пептизации (ингибироваиием), так и предотвраще­нием коагуляционного агрегирования (стабилизацией), а также сочетанием обоих методов. Различные факторы направляют процессы коагуляции в ту или иную сторону, но разграничить их по времени и в пространстве невозможно: они протекают одновременно и во всем объеме системы. Поэтому можно гово­рить лишь о преимущественном направлении.

Практически химическая обработка буровых растворов сво­дится к регулированию этих процессов, обеспечению должного баланса между ними. Обычно коагуляция и пептизация приво­дят к резко различным консистенциям. Однако общность меха­низма, управляющего этими процессами, часто может обусло­вить одни и те же результаты. Так, причиной загустевания мо­жет быть и коагуляция, и увеличение числа частиц в результа­те пептизации. Соответственно разжижение может носить коагуляционный характер или быть следствием пептизационного разрушения структур с последующей стабилизацией (стабили­зационное разжижение).

Коллоидная защита в зависимости от условий также может приводить к загустеванию (в пресных средах) или разжижению (при засолении). Таким образом, изменения консистенции бу­ровых растворов еще ничего не говорят о процессах, их обус­ловивших. Для этого необходим более глубокий анализ, учиты­вающий влияние различных взаимодействующих факторов.

На коагуляционные процессы активно влияет температура. Нагревание ослабляет защитное действие реагентов, но усили­вает агрессию присутствующих электролитов, пептизацию твер­дой фазы и общую кинетическую активность компонентов. В зависимости от содержания дисперсной фазы и ее природы, уровня минерализации, стабилизации и термообработки коагу­ляционные процессы могут развиваться в направлении как за­густевания, так и разжижения. На различных стадиях нагрева­ния и охлаждения результирующая этих процессов может из­меняться по величине и знаку. Буровые растворы, резко увели­чивающие показатель фильтрации и разжижающиеся от нагре­вания, при охлаждении загустевают до нетекучести, но могут восстанавливать показатель фильтрации до исходной величины. В других случаях нагревание вызывает интенсивное загустевание растворов и рост показателя фильтрации при повышении температуры и при охлаждении.

Наиболее сложные взаимодействия происходят при химиче­ской обработке промывочных жидкостей, содержащих глинис­тую твердую фазу. Основные формы взаимодействия глин со средой, по Э. Г. Кистеру, сводятся к обменным реакциям (ион­ный обмен), необменным или частично обменным реакциям замещения и реакциям присоединения. В реальных условиях эти реакции часто проходят одновременно, взаимно накладываясь. Все они происходят на поверхности глины под действием сил, обусловленных следующими причинами:

изоморфными замещениями в кристаллической решетке; наличием ненасыщенных, оборванных связей по краям и уг­лам частиц, возникающих при диспергировании или поверхност­ном растворении;

неоднородностью связей структуры глинистой частицы; замещениями и связями при наличии на поверхности актив­ных гидроксильных групп.

Эти причины вызывают образование вокруг частиц поля сил значительной протяженности. Неоднородность его как вдоль по­верхности, так и по мере удаления от нее обусловливает раз­личную интенсивность связей. Ионообменные процессы характе­ризуются сравнительно подвижными связями. Более прочные ковалентные, поляризованные координационные и водородные связи образуются непосредственно у поверхности и являются причиной необменных присоединений и замещений.