ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Ассоциация коллоидных частиц из "Состав и свойства буровых агентов" Как отмечалось в начале этой главы, коллоидные частицы остаются во взвешенном состоянии неопределенно долгое время благодаря своему чрезвычайно малому размеру. Конечные скорости осаждения частицы приобретают только в том случае, если происходит их агрегация. Будучи взвешены в чистой воде, они не могут агломерировать из-за взаимодействия между сильно диффундированными двойными электростатическими слоями. Однако если в суспензию добавить электролит, двойные электростатические слои сжимаются при добавлении достаточного количества электролита коллоидные частицы могут настолько сблизиться, что под влиянием сил притяжения произойдет их слияние в более крупные агрегаты. Это явление известно под названием флокуляции, а наименьшая концентрация электролита, при которой она происходит, называется порогом флокуляции. [c.155] Порог флокуляции глин можно легко определить добавлением все больших количеств электролита к разбавленным суспензиям. Начало флокуляции суспензии отчетливо видно. Перед флокуляцией более крупные частицы могут выпадать в осадок, однако отстоявшийся слой жидкости всегда остается мутным. В момент начала флокуляции образуются сгустки частиц, достаточно большие, чтобы их можно было видеть невооруженным глазом в отстоявшемся слое жидкости эти сгустки отсутствуют. Частицы очень слабо ассоциированы в хлопьях, которые включают в себя большие количества воды (рис. 4.19), впоследствии они образуют осадки в больших объемах. [c.155] По своей флокулирующей способности одновалентные соли несколько отличаются друг от друга. Такое различие можно представить в следующем виде Сз КЬ ЫН4 К Ма Ы. Это называется рядом Гоффмейстера, или лиотропным рядом. [c.156] Если концентрация глины в суспензии достаточно высока, флокуляция вызовет образование из отдельных хлопьев пространственной структуры (геля). Гели, обычно наблюдаемые в буровых растворах на водной основе, являются результатом флокуляции под действием растворимых солей, которые всегда присутствуют в концентрациях, достаточных по крайне мере для умеренной флокуляции. [c.156] Структурообразование протекает очень медленно, так как под влиянием броуновского движения молекул воды частицы ориентируются в положении с минимальной свободной поверхностной энергией (положение с минимальной свободной поверхностной энергией достигается, например, когда положительно заряженное ребро одной частицы располагается против отрицательно заряженной поверхности другой). Время, необходимое для приобретения гелем максимальной прочности, зависит от порога флокуляции, а также от концентраций глинистых частиц и соли в системе. При очень низких значениях этих концентраций может потребоваться несколько суток, чтобы гелеобразова-ние стало заметным, в то время как при высоких концентрациях соли образование геля может произойти почти мгновенно. [c.156] Флокуляцию можно предотвратить и даже перейти к пепти-зации добавлением натриевых солей некоторых сложных комплексов, особенно полифосфатов, таннатов и лигносульфонатов. Например, если в разбавленную суспензию натриевого монтмориллонита добавить приблизительно 0,5 % гексаметафосфата натрия, порог флокуляции возрастет с 15 до 400 мэкв/л хлорида натрия. Аналогичная добавка полифосфата приведет к разжижению структурированного бурового раствора. Это действие известно под названием пептизации (или дефлокуляции), а подходящие добавки к буровым растворам называются пептизато-рами, или понизителями вязкости. [c.156] Возникли некоторые сомнения относительно действия ферро-хромлигносульфоната, так как было установлено, что происходит катионообмен между Fe + и Сг + лигносульфоната и Na+ и a + глины этот обмен дает основание предположить, что лигносульфонаты адсорбируются на базальных поверхностях. Тем не менее, в результате рентгеноструктурного анализа не было обнаружено значительных изменений с-расстояния. Объяснить это можно тем, что лигносульфонаты, по-видимому, реагируют с алюминием у ребер кристаллов, но при этом высвобождаются ионы хрома и железа, которые затем вступают в ионообменную реакцию с ионами натрия и кальция на базальных поверхностях. [c.158] Хотя Б классической коллоидной химии все формы ассоциации частиц называются одним термином флокуляция , в технологии промывки ствола скважины буровым раствором необходимо делать различие между двумя формами ассоциации, оказывающими соверщенно разное воздействие на реологию суспензий. Термин флокуляция относится только к свободной ассоциации пластинок глины, в результате чего образуются хлопья или гели, как это описывалось в предыдущем подразделе. Термин агрегация используется в этой книге, чтобы охарактеризовать ассоциацию частиц в результате сжатия диффузных частей ДЭС и образования агрегатов из параллельных пластинок, отстоящих друг от друга максимум на 2 мм. Агрегация — это процесс, противоположный внезапному увеличению с-расстояния, которое наблюдал Норриш, когда слои чешуйки натриевого монтмориллонита преодолевали силы притяжения, действующие между ними, и расходились, образуя практически самостоятельные элементы. Таким образом, в то время как флокуляция вызывает повышение предельного статического напряжения сдвига, агрегация способствует его снижению, так как она уменьшает число элементов, доступных для образования структур, и площадь поверхности, на которой может происходить взаимодействие частиц. [c.158] Введение солей многовалентных металлов в суспензии натриевого бентонита показало, что сначала (при низких концентрациях) происходит флокуляция, а с повышением концентрации солей начинается агрегация (рис. 4.23 и 4.24). Следует отметить, что с повышением валентности катиона критические концентрации снижаются. Механизм ассоциации частиц усложняется реакциями ионообмена. Другие исследования показали, что предельное статическое напряжение сдвига максимально, когда концентрация добавленных ионов кальция составляет 60 % емкости обмена, и минимально при концентрации этих ионов 85%. [c.162] Многие глины, встречаемые в процессе бурения, преимущественно кальциевые и магниевые, поэтому они агрегируют. При обработке понизителем вязкости одновременно происходят пептизация под действием аниона и диспергирование за счет перехода глины в натриевую форму. Диспергирование нежелательно, так как оно повышает пластическую вязкость его можно предотвратить путем добавления вместе с понизителем вязкости многовалентной соли или щелочи. [c.162] Вернуться к основной статье