По углу смачивания можно разделить все твердые тела на две группы - гидрофильные, лучше смачивающиеся водой, чем углеводородами, и гидрофобные, наоборот, лучше смачивающиеся углеводородами.

Кроме краевого угла, другой мерой гидрофильности поверхности является теплота смачивания, так как гидрофильные поверхности смачиваются водой с положительным тепловым эффектом.

Лиофильные коллоидные и грубо дисперсные системы прочно связывают молекулы дисперсионной среды. Лиофобные системы отличаются слабым взаимодействием твердых частиц с молекулами растворителя.

Глинистые растворы относятся к гидрофильным системам.
Глины, сравнительно легко диспергируясь, энергично взаимодействуют с водой. Элементарные частицы глины за счет сил молекулярного сцепления покрываются адсорбционной пленкой воды.

Из происходящих в поверхностях раздела фаз явлений, связанных с некомпенсированной поверхностной энергией, большое значение для получения и регулирования свойств буровых промывочных растворов имеет ад­сорбция. Адсорбция - это явление самопроизвольного по­вышения концентрации газообразного или растворенного вещества на поверхности твердого тела или жидкости в гетерогенных (неоднородных) системах. Различают физическую, или ван-дер-ваальсову, адсорбцию и химическую, или хемосорбцию.

Химические поверхностные явления связаны с адсорбцией на поверхности твердого тела или жидкости с последующим химическим взаимодействием.

 

2.3.3 Капиллярность

Вода самопроизвольно поднимается в стеклянном капилляре (рисунок 2.2), поскольку в присутствии воздуха стекло смачивается водой. Жидкости, подобные ртути, не смачивают стекло, и потому в стеклянном капилляре самопроизвольно не поднимаются; для их подъема необходимо приложить давление. Иными словами, капиллярное давление в этом случае отрицательно.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Аналогично, стекло предпочтительно смачивается водой по сравнению с большинством нефтей. Вода будет самопроизвольно вытеснять нефть из стеклянного капилляра, в то время как для вытеснения воды нефтью необходимо приложить определенное давление. Эти явления оказывают значительное влияние на относительные проницаемости коллекторов нефти и газа и на ухудшение продуктивности скважин под воздействием фильтрата буровых растворов.

 

2.3.4 Свободная поверхностная энергия

Поверхностные явления можно также рассматривать с точки зрения изменения свободной поверхностной энергии. Поверхностная энергия существует на любой границе раздела фаз в связи с отсутствием равновесия зарядов вокруг молекул в пограничном слое. Если жидкость смачивает поверхность, свободная поверхностная энергия самопроизвольно снижается, в результате чего выполняется определенная работа (например, происходит подъем воды в стеклянном капилляре). Создание новых поверхностей, сопровождается увеличением свободной поверхностной энергии. Например, когда твердое тело разрушается, химические связи разрываются, и благодаря этому возникает электростатический поверхностный заряд. Поэтому для разрушения твердого тела или создания новых поверхностей другими способами необходимо совершить определенную работу.

Удельная свободная поверхностная энергия - это работа, выполняемая при образовании единицы новой поверхности раздела фаз. Как и поверхностное натяжение, она выражается в динах на сантиметр или в ньютонах на метр, и значения этих величин численно равны.

 

2.3.5 Адгезия

Жидкость будет прилипать к твердому телу, если притяжение ее молекул к поверхности этого тела больше, чем притяжение между молекулами жидкости. Иными словами, для этого необходимо, чтобы работа адгезии была больше работы когезии. Термодинамически этот критерий можно выразить следующим образом:

Wadh=Fs+Ft Fst (2.8)

где: Wadh, — работа адгезии;

Fs — свободная поверхностная энергия твердого тела;

Ft — свободная поверхностная энергия жидкости;

Fst — свободная поверхностная энергия на вновь образованной границе раздела.

Работа когезии — это работа растекающейся жидкости; как следует из уравнения (2.8.), она должна быть равна 2Ft;.

Поэтому критерием адгезии является выражение

Wadh - Wcoh = Fs ­ Ft ­ Fst, (2.9)

где: Wcoh — работа когезии.

Следовательно, жидкость прилипает, когда

Fs > Ft t + Fst,. (2.10)

Силы притяжения действуют и между поверхностями двух твердых тел, но они не слипаются, когда их прижимают друг к другу, так как эти силы проявляются на весьма небольшом расстоянии (составляющем несколько десятых нанометра), а площадь плотного контакта очень мала. Даже две гладкие, хорошо отполированные поверхности имеют микронеровности и контактируют только по микровыступам, как показано на рисунок 2.6.

 

Рисунок 2.6 - Схема контактирования поверхности двух твёрдых тел

 

Клей связывает твердые поверхности, поскольку в жидком состоянии заполняет микронеровности, а затем, при высыхании или схватывании, развивает достаточную прочность сцепления. Твердые тела также могут соединиться друг с другом, если они обладают достаточной пластичностью, чтобы образовался плотный контакт под воздействием внешней нагрузки.

2.3.6 Поверхностно активные вещества (ПАВ)

ПАВ - это общепринятое сокращение термина «поверхностно активное вещество». Эти вещества способны адсорбироваться на поверхности твердых тел и на границе раздела фаз, в результате чего происходит снижение свободной поверхностной энергии.

Различают катионоактивные, анионоактивные и неионогенные ПАВ. Катионоактивные ПАВ диссоциируют на крупные органические катионы и простые неорганические анионы. Обычно - это соли жирных аминов или полиаминов, например, триметилдодециламмоний хлорид:

Анионоактивные ПАВ диссоциируют на крупные органические анионы и простые неорганические катионы. Классическим примером может служить мыло, например олеат натрия:

[С8Н17СН : СН (СН2)7СОО] - [Na] + .

Неионогенные ПАВ – это полимеры с длинными цепями, которые не диссоциируют. Например, фенол этиленоксид, который в буровой практике известен как DMS.

Поскольку поверхности глинистых минералов и большинства горных пород заряжены отрицательно, электростатическое притяжение усиливает адсорбцию катионоактивных ПАВ на этих поверхностях, Анионоактивные ПАВ адсорбируются на положительно заряженных участках (у концов кристаллических решеток) глинистых частиц и на поверхностях раздела нефть-вода. Неионогенные ПАВ, такие как DMS, конкурируют с водой в адсорбции на базальных поверхностях кристаллов глинистых частиц, ограничивая тем самым разбухание глинистых частиц, например бентонита.

Другие неионогенные ПАВ адсорбируются на границе раздела нефть - вода. Эти соединения состоят из нефтерастворимой (олеофильной) цепочки атомов, связанной с водорастворимой (гидрофильной) цепочкой. Олеофильная часть соединения растворяется в углеводородной фазе на границе раздела, а гидрофильная – в воде. Чтобы определить, подходит ли данное ПАВ для конкретного применения, используют два показателя: химическое сродство цепочек и число ГОБ (гидрофильно олеофильный баланс). ГОБ - это массовое соотношение гидрофильной и олеофильной частей молекулы неионогенного ПАВ; чем выше значение ГОБ, тем более растворима в воде эта молекула. На (рисунке 2.7), представлено влияние соотношения гидрофильной и олеофильной частей молекул на растворение полиоксиэтилированных сорбитанмоноолеатов. По мере увеличения длины полиоксиэтиленовых цепей и, следовательно, числа ГОБ молекула все больше приобретает сродство к воде. На основании химического сродства цепочек и числа ГОБ производится лишь предварительный выбор неионогенного ПАВ, а окончательный выбор основывается на результатах лабораторных исследований.

Рисунок 2.7 - Влияние соотношения гидрофильной и олеофильной частей молекул на растворение полиоксиэтилированных сорбитанмоноолеатов:

1 — углеводородная цепъ;

2 — сорбитан;

3 — полиоксиэтиленовая цепь C6H5-0-(CH2CH20)30H,

•

 

Многие ПАВ выполняют двойную функцию; например, они могут действовать как эмульгаторы и как смачивающие агенты. Кроме того, для достижения нескольких целей можно использовать смеси совместимых ПАВ. В буровых растворах ПАВ используются в качестве эмульгаторов, смачивающих агентов, пенообразователей, пеногасителей, а также для снижения гидратации поверхности глинистых частиц.

 

2.3.7 Эмульсии

Как уже упоминалось выше системы, в которых дисперсная фаза и дисперсионная среда представляют собой несмешивающиеся жидкости, называются эмульсиями.

В этом случае одна из жидкостей должна быть полярной, а другая неполярной. Обычно полярную жидкость условно называют «водой», а неполярную – «маслом».

Так, например, поверхностное натяжение на границе раздела нефть - вода очень высокое, поэтому смесь этих жидкостей сразу начинает разделяться, как только прекращают механическое перемешивание. Применение ПАВ приводит к снижению поверхностного натяжения на границе раздела и образуется устойчивая дисперсия мельчайших капелек одной жидкости в другой. Чем ниже поверхностное натяжение на границе раздела фаз, тем мельче эти капельки и тем более устойчива эмульсия. Поверхностное натяжение на границе раздела нефть - вода составляет около 50 мН/м, а эффективный эмульгатор снижает его примерно до 10 мН/м.

В большинстве эмульсий нефть является дисперсной фазой, а вода - дисперсионной средой (рисунок 2.8), однако с помощью подходящего эмульгатора можно приготовить «инвертную эмульсию», в которой дисперсной фазой является вода.

Молекулы эмульгатора адсорбируются на границе раздела нефти и воды, образуя поверхностную пленку вокруг капелек (рисунок 2.9) и стабилизируют эмульсию. Эта пленка препятствует слиянию капелек при их соприкосновении.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4