2 Тема: «Буровые промывочные жидкости как полидисперсные системы» (стр. 2 )

Нарушение агрегативной устойчивости дисперсной системы вследствие слипания частиц ее дисперсной фазы под действием молекулярных сил притяжения называется коагуляцией. Нарушение агрегативной устойчивости ведет к уменьшению кинетической устойчивости.

Устойчивость дисперсной системы в данных условиях можно повысить, понижая межфазное натяжение с помощью поверхностно-активных веществ, способных адсорбироваться на поверхности и понижать величину свободной энергии. В связи с этим промывочные жидкости как полидисперсные системы должны быть отнесены к термодинамически агрегативно-неустойчивым системам.

Седиментационная устойчивость буровых растворов во многом определяется возможностью и условиями возникновения пространственной структуры, обладающей определенной пpочностью. Такая структура возникает при частичном взаимодействии частиц дисперсной фазы между собой.

Наличие поверхностно-активного вещества, достаточная концентрация твердой фазы, необходимая для построения пространственного каркаса, а в общем случае оба эти фактора являются необходимыми условиями обеспечения устойчивости суспензий, относящихся к грубо-дисперсным системам.

 

2.3 Химия поверхностного слоя буровых растворов

Граница раздела между жидкостью и газом ведет себя как растянутая эластичная мембрана. Сила, сжимающая эту воображаемую мембрану, названа поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение проявляется также на границах между твердым телом и газом, твердым телом и жидкостью, а также между несмешивающимися жидкостями. В последнем случае говорят о межфазном натяжении.

На рисунке 2.1 иллюстрируется действие сил поверхностного натяжения в пространстве между двумя стеклянными пластинами, разделенными тонким слоем воды. Чтобы разъединить эти две пластины, необходимо приложить некоторое усилие, так как по всему периметру пластин образовался вогнутый мениск.

 

 

Рисунок 2.1 - Иллюстрация капиллярных эффектов. Пластины

удерживаются вместе под действием силы на вогнутом мениске по всему периметру пластин: 1 — две стеклянные пластины; 2 — вогнутый мениск пленки воды.

 

 

2.3.1 Измерение поверхностного натяжения

Силы притяжения поверхностных молекул на поверхности раздела жидкость — воздух или жидкость - твердое тело, не уравновешены. Поверхностные молекулы на границе раздела фаз обладают некоторой некомпенсированной избыточной энергией.

В коллоидных растворах, благодаря наличию большого числа мелкораздробленных частиц, поверхность раздела между твердой и жидкой фазами достигает огромных размеров (сотни квадратных метров). Весьма развитая поверхность раздела обусловливает большой запас поверхностной энергии системы. Избыточную поверхностную энергию, приходящуюся на 1 см2 поверхности, называют поверхностным натяжением  на границе раздела фаз.

Абсолютное значение поверхностного натяжения должно измеряться в вакууме, но удобнее измерять его в атмосфере паров жидкости или в воздухе. Наиболее широко распространен метод измерения с помощью тензометра Дю Нуйя, в которой измеряется усилие, необходимое для протягивания кольца вдоль поверхности жидкости. Другой метод заключается в измерении высоты, на которую самопроизвольно поднимается жидкость в капиллярной трубке (рисунок 2.2). При равновесии сжимающее усилие на мениске (сила поверхностного натяжения) уравновешивает силу тяжести, действующую на столбик жидкости, поэтому:

π r² g h p =2 π r σ cosθб (2.3)

где: g — ускорение свободного падения;

h — высота столбика в состоянии равновесия;

p — плотность жидкости;

σ — поверхностное натяжение;

θ — краевой угол;

r — радиус капилляра.

Поверхностное натяжение определяется выражением

σ=ghpr(2cosθ) (2.4)

Значения поверхностного натяжения для различных веществ приведены в таблице 2.1.

Уравнение (2.3) можно записать в следующем виде:

ghp=2σcosθ/r (2.5)

где: ghp определяет усилие, поднимающее жидкость по капилляру, и называется капиллярным давлением.

Рисунок 2.2 - Подъем жидкости в капиллярной трубке

 

Таблица 2.1 – Поверхностное натяжение различных веществ на поверхности раздела с воздухом

Вещество	Температу-ра, 0С	Поверхност-ное натяжение, мН/м	Вещество	Температу-ра, 0С	Поверхностное натяжение мН/м
Вода	0	75,6	Олеиновая кислота	20	32,5
20	72,7
50	67,9	Эфир ангидросорбита	25	40,0
100	58,9
Этиловыйспирт	20	22,3	Алюминий	700	840,0
Гексан	20	18,4	Цинк	590	708,0
Толуол	20	28,4	Тефлон *	—	18,5
Ртуть	15	487,0	Полиэтилен *	—	31,0
Насыщенный раствор хлорида натрия	20	83,0	Эпоксидная смола *	—	47,0
* Критическое поверхностное натяжение при смачивании.

 

Наличие асимметрии силового поля в поверхностном слое создает возможность ориентированного расположения близлежащих молекул, если они обладают жестким или индуцированным (наведенным) диполем.

Молекулы, имеющие вокруг себя симметрично расположенное поле, не ориентируются и располагаются на поверхности любой своей стороной.

Молекулы большинства поверхностно-активных веществ (алифатических спиртов, жирных кислот, мыл и др.) имеют асимметричное строение. Одна часть их состоит из углеводородных радикалов, а другая содержит функциональные груп­пы -ОН, -СООН, -СОН, -NН2 и др.

Полярные (поверхностно-активные) вещества в поверхно­стном слое воды расположены так, что полярные группы на­правлены в сторону дисперсионной среды (полярная жид­кость), а неполярные, углеводородные радикалы, располага­ются в воздухе (неполярная фаза). Такое расположение отве­чает минимуму свободной поверхностной энергии, т.е. энергетически наиболее выгодно.

2.3.2 Смачиваемость

Смачивание — явление, возникающее при контакте твердых тел с жидкостями в результате молекулярного взаимодействия между ними. Количественно оно характеризует величиной краевого угла θ.

Смачивание жидкостью твердого тела можно рассматривать как результат действия сил поверхностного натяжения.

Когда на какую либо поверхность твердого тела помещают каплю жидкости, последняя может растекаться или не растекаться по этой поверхности (т.е. смачивать или не смачивать ее) в зависимости от соотношения сил, действующих на каплю (рисунок 2.3).

Вода смачивает стекло, поскольку

σ1,3>σ1,2+σ2,3 cosθ (2.6)

где: σ1,3—поверхностное натяжение на границе раздела воздух—стекло;

σ1,2—поверхностное натяжение па границе раздела вода — стекло;

σ2,3—поверхностное натяжение па границу раздела воздух — вода;

θ — краевой угол смачивания между поверхностью раздела воздух—вода и стеклом.

Ртуть не смачивает стекло, потому что ее поверхностное натяжение слишком велико, а вода не смачивает тефлон,

так как ее поверхностное натяжение с тефлоном очень низко (рисунок 2.4). В обоих случаях

σ1,3+ σ2,3 cosθ< σ1,2 (2.7)

Следует обратить внимание на то, что когда жидкость не смачивает твердое тело θ>90°, следовательно, cosθ отрицателен.

Если две несмешивающиеся жидкости (например, нефть и вода) располагаются рядом на какой-либо твердой поверхности, одна из них лучше смачивает эту поверхность, что определяется относительными натяжениями между жидкостями и твердым телом и натяжением на поверхности раздела жидкостей.

Рисунок 2.3- Силы, действующие на границе воздух вода стекло. Вода растекается на стекле, поскольку σ1,3> σ1,2+σ2,3cosθ

Рисунок 2.4 - Силы, действующие на границе воздух-вода-тефлон. Вода не растекается, поскольку σ1,3+ σ2,3cosθ < σ1,2. Это неравенство применимо и к капле ртути на поверхности стекла

 

	Твердое тело

 

 

Рисунок 2.5 - Предпочтительная смачиваемость. θ<90, поэтому твёрдое тело смачивается водой

 

В этом случае применимо уравнение (2.6), причем σ1,3 и σ1,2 - соответствующие натяжения между жидкостями и твердым телом, а σ2,3 - натяжение на поверхности раздела жидкостей. Угол 0 определяет предпочтительно смачивающую жидкость. Степень смачивания твердого тела водой уменьшается по мере увеличения θ от 0 до 90° (рисунок 2.5), при θ = 90° смачиваемости твердого тела водой и нефтью одинаковы, а при θ, возрастающем от 90 до 180°, твердое тело все сильнее смачивается нефтью.