WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

Подобное деление для буровых растворов, на наш взгляд, является достаточно условным, т.к. величина 0 является переменной величиной и зависит от состояния и особенностей поведения межчастичных сил в воде. Поэтому, при различных скоростях сдвига, термодинамических условиях нахождения, содержания твердой фазы, вида используемых реагентов и их концентрации, буровой раствор может одновременно проявлять свойства реопектических, вязких и дилатантных жидкостей. Все эти изменения обусловлены содержанием различных форм воды в составе бурового раствора, а также величиной и характером действия межчастичных сил в буровом растворе.

Таким образом, исходя из данных рассуждений, будут справедливыми следующие положения. Буровой раствор представляет собой жидкость, являющаяся в состоянии покоя сплошной средой, свойства которой определяются свойствами водородных связей в ней. Сохранение и образование новых связей в процессе движения характерно для псевдопластичных жидкостей.

Показатель нелинейности N будет зависеть от способности водородных связей образовывать новые связи в растворе и является показателем, оценивающим ее внутреннюю сплошность, а показатель консистенции – величину прочности водородных связей. В соответствии с этим для псевдопластической жидкости будет справедливо, что чем больше величина N тем более дискретен раствор, а чем больше К, тем большей прочностью обладают водородные связи в объеме раствора. Количественной мерой оценки величины нелинейности N, когда структура бурового раствора приобретает дискретный характер, может служить расчет величины потерь давления при течении псевдопластичной жидкости, приведенный на рис. 1. Из представленных графиче © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru ских данных следует, что при значениях величины нелинейности N более 0,3 резко возрастают потери давления при прокачивании бурового раствора. Поэтому можно утверждать, что при обладании буровым раствором величиной N менее 0,3 он сохраняет сплошность своей структуры, а при значениях N более 0,3 затраты энергии на преодоление внутреннего сопротивления жидкости резко увеличиваются. Это, на наш взгляд, будет свидетельствовать о большей дискретности жидкости и быстром разрушении связей в ее структуре.

Быстрое разрушение связей, без их восстановления, характерно для Бингамовских жидкостей. Поэтому, с увеличением скорости сдвига, разрушением гелевой воды и увеличением доли ее мономеров, буровой раствор будет уже представлять собой дискретную структуру и превращается в ньютоновскую жидкость. Данная структура представлена мономерами воды и гидратированными компонентами бурового раствора. Для каждого из компонентов бурового раствора, использованного в процессе его получения, будет фиксироваться свой предел прочности по переходу из сплошной структуры в дискретную. Он обусловлен свойствами связей, образованных водой с частицами твердой фазы и химическими реагентами. В соответствии со свойствами этих связей мы будем фиксировать тот или иной вид реологической модели, описывающей поведение жидкости.

В соответствие со свойствами межчастичных сил и предлагаемым уточнением характера их поведения в буровом растворе в процессе его движения, за дилатантное поведение дисперсных систем на водной основе будут ответственны гидрофобные взаимодействия, или электростатические взаимодействия одноименно заряженных компонентов раствора. За поведение ньютоновских жидкостей отвечают дисперсионные силы, т.е. дискретность бурового раствора.

Водородные связи отвечают за поведение Бингамовских и псевдопластичных жидкостей. Разделяющим отличием в Бингамовских и псевдопластичных жидкостей является прочность водородных связей и индукционный период их образования. Индукционный период определяется прочностью образуемых водородных связей, которая в свою очередь, зависит от качества заполнения структурных пустот в воде, электроотрицательности атомов взаимодействующих с водой и т.д. Т.е. чем прочнее водородная связь между компонентами жидкости, раствора, суспензии, тем больше вероятность, что жидкость в процессе своего движения приобретет дискретный характер и в соответствии с этим свойства вязкопластичных жидкостей, и наоборот.

Таким образом, управление реологическими параметрами бурового раствора сводится к задаче управления состоянием воды и прочностью водородных связей в ней, а через это и характером действия межчастичных сил в буровом растворе. Рассмотрим способы решения этой задачи. Для этого первоначально рассмотрим поведение известных реагентов в воде и буровом растворе.

2 ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАГЕНТОВ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БУРОВЫХ РАСТВОРОВ 2.1 Процессы растворения реагентов и их влияние на состояние воды Процесс растворения является сложным и мноступенчатым процессом. Поэтому очень важно уточнить понятия о растворах. Растворы можно разделить на два типа [1, 4, 8, 15, 16]:

растворы замещения и растворы внедрения. Раствор замещения представляет собой механическую смесь молекул, которую создают вещества близкие по природе. Движущей силой образования такого вещества является увеличение энтропии, т.к. при смешивании каждое вещество расширяется до объёма системы. Если один из компонентов имеет большую склонность к структурированию, а молекулы другого дают в основном дисперсионные связи, то образуются растворы внедрения, в этих растворах компоненты не равноправны. Компонент, частицы которого образуют структуру, называется “хозяином”, а компонент, молекулы которого являются наполнителем полостей в структуре – “гостем”. Частицы хозяина максимально реализуют свои специфические связи за счёт молекул гостя, нейтрализующих дисперсионные связи, препятст © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru вующие структурированию. При образовании раствора внедрения уменьшается свобода, как частиц хозяина, так и молекул гостя. Поэтому энтропия, являющаяся мерой свободы элементарных частиц при образовании раствора внедрения уменьшается, а его движущей силой является уменьшение энергии, обусловленная суммарным упрочнением межчастичных связей. При образовании раствора внедрения растворимость, согласно принципу Ле-Шателье, увеличивается с понижением температуры. Раствор замещения образуется быстро, скорость его определяется интенсивностью механического воздействия. Раствор внедрения образуется медленно. Если вещество в данном растворителе может дать и тот и другой раствор, то сначала он даёт раствор замещения, а затем раствор внедрения. Если вещество в данном растворителе даёт устойчивый раствор внедрения, но не даёт раствор замещения, то из веществ, взятых в конденсированном состоянии, никакого раствора не получается. Зато при совместной конденсации веществ получают устойчивый раствор внедрения. Примером тому являются гидраты газов [1, 15].

Исходя, из существующих представлений о природе растворов рассмотрим особенности процессов, происходящих при растворении различных соединений и их влияние на термодинамические параметры процесса растворения. Управление свойствами буровых растворов осуществляется использованием соединений, различающихся по своей химической природе, но, на наш взгляд, их можно объединить по термодинамическим характеристикам их растворения. В первую очередь это обусловлено следующим.

Свободная энергия любого процесса будет определяться двумя составляющими, а именно – энтальпийным и энтропийным факторами. Так, при растворении реагента энтальпийная составляющая будет отвечать за донорно-акцепторный и электростатический механизм растворения, а энтропийная составляющая за механизм гидрофобной гидратации. Поэтому, какой бы ни была химическая природа соединений, растворяться и взаимодействовать с водой из состава бурового раствора они будут по тому или другому, или же совмещенному механизму. Следовательно, зная известные термодинамические параметры данных соединений (групп) и учитывая их аддитивность, становится возможным оценочно предсказать поведение и действие соединений, используемых в бурении, на поведение бурового раствора.

Имеются обширные данные по термодинамическим параметрам растворения различных неэлектролитов. Однако при их использовании проявляется некоторая сложность. Термодинамические параметры – слагающие гиббсовых энергий растворения рассматриваются из условия переноса 1 моля неэлектролита из стандартного состояния при данных Т, Р в бесконечно разбавленный раствор. Подобный подход не позволяет рассматривать реальные процессы, происходящие при переносе реагента из состава, например, бурового раствора в гидратирующую глину. Поэтому затруднительно рассчитать и получить какие-либо конкретные результаты, необходимые для практической деятельности. Но выделим для себя, что преобладающее действие тех или иных сил при растворении реагентов, а также и при их взаимодействии с водой из состава бурового раствора в целом подобно. Сведем в табл. 1 и 2 данные работы [2, 16] по термодинамическим свойствам различных соединений. В табл. 1 представлены значения термодинамических параметров гидратации отдельных ионов электролитов, а в табл. 2 различных неэлектролитов. Сопоставим влияние термодинамических параметров в процессе растворения реагентов и их возможное влияние структуру воды.

Неорганические соли, растворимые в воде имеют ионное строение, поэтому в водных растворах находятся в виде ионов. Ионы обладают очень напряжённым электрическим полем, поэтому сильно влияют на строение воды. В первую очередь, их влияние сказывается на свободных молекулах воды, т.к. он являются диполями. Ионы создают вокруг себя из молекул воды гидратные оболочки, этим как бы структурируют воду. Они связывают свободные молекулы воды в ячейках водной сетки, уменьшают их активность и разрушающее действие на сетку, чем укрепляют последнею. Поэтому ионы, с одной стороны, способствуют структурированию воды, это действие ионов называется положительной гидратацией. С другой стороны, ионы непосредственно действуя на водную сетку, разрушают её на отдельные молекулы, т.е. снижают структурированность воды. Такое действие ионов называется отрицательной гидратацией. Иными © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru словами, ион на структурирование воды оказывает два противоположных действия. У одних ионов преобладает одно действие, у других другое. Относительная эффективность этих действий зависит от природы и концентрации ионов. Если рассматривать ионы как заряженные шарики, то они различаются только радиусом и зарядом. При прочих равных условиях размер катионов меньше размера анионов. При одинаковом заряде у поверхности меньшего иона напряжённость поля больше. Поэтому с уменьшением радиуса ионов, степень гидратации их растёт и катионы гидратированны сильнее анионов. При одинаковом радиусе, напряжённость электрического поля иона пропорциональна его заряду, поэтому многозарядные ионы гидратированны сильнее однозарядных. С увеличением заряда размер катионов уменьшается, а анионов увеличивается. Поэтому по степени гидратации катионы различаются очень сильно, а анионы - незначительно, и различие во влиянии солей на строение воды сильнее обуславливается различием свойств катионов (см. табл. 1).

Любая соль в воде состоит из катионов и анионов. Поэтому действие соли на воду складывается из действий составляющих её ионов. Большие ионы с малым зарядом слабо связывают молекулы воды, а места занимают много. Свободные молекулы воды, вытесняясь из ячеек водной сетки разрушают её. Происходит как бы частичное расплавление льдообразных ассоциатов. Это явление получило название отрицательной гидратации. Такой гидратацией обладают ионы: NH4+, К+, Cs+, Cl-, I- и другие. Напротив, небольшие многозарядные ионы хорошо гидратируются, прочно связывают молекулы воды в ячейках водной сетки и этим укрепляют её.

Это явление называют положительной гидратацией. Ею обладают ионы Al+3, Cr+3, Mg+2, Ca+2, Na+, OH-, SO4-2 и др.

Таблица 1 Энтальпия гидратации некоторых ионов [16] Катион Анион Н, кДж/г-ион Н, кДж/г-ион H3O+ 26,4 F 27,Li+ 30,48 Cl 20,Na+ 24,24 I 14,K+ 19,44 OH 29,Rb+ 18 CO3 79,Cs+ 16 HCO3 21,NH4+ 18,72 SO4 58,Ca++ 92,64 ClO3 16,Ba++ 76,8 CN 19,Fe+++ 253,44 HCOO 23,Al+++ 270 CH3COO 26,С увеличением концентрации солей водная сетка разрушается полностью. Диэлектрическая проницаемость системы повышается, полярность химической связи повышается, усиливаются ионные свойства воды. Это повышает ионизирующее действие воды на контактирующие с ней вещества, что повышает растворимость в ней полярных веществ. Так растворимость гипса в воде, содержащей 10 % NaCl возрастает в 10 раз, а растворимость барита в 1 % растворе MgCl– даже в 14 раз. В высококонцентрированных растворах солей все молекулы воды расходуются на гидратацию ионов, на что указывает низкая диэлектрическая проницаемость и электропроводность насыщенных растворов солей. Таким образом, с изменением концентрации ионов гидратация может изменять знак гидратации.

Так, при значениях Н гидратации соединений более 50 кДж/г-ион (например, для NaCl см. табл.1), характерной для растворения неорганических солей, вода ведет себя подобно ионному веществу. Соответственно обеспечивается разрушение структуры воды и плотная упаковка молекул и ионов воды. При больших концентрациях кислоты и щелочи ведут себя подобно © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru неорганическим солям, но в области малых концентраций их поведение отлично от поведения солей.

Кислоты и щелочи как правило являются сильными электролитами и дают один ион входящий в состав воды: гидроксония Н3О+ и гидроксила ОН-. Некоторая концентрация этих ионов имеется и в чистой воде. Согласно закону действующих масс ионное произведение воды Сн•Сон=ИП зависит только от температуры. Протон по размеру близок к электрону, поэтому имеет сильное электрическое поле и среди молекул в свободном виде существует очень короткое время, необходимое для перескока от одной молекулы к другой. Тем не менее эти перескоки имеют место и довольно часто. Поэтому ионы гидроксила и гидроксония довольно быстро перемещаются. Если протон перескакивает от одной молекулы к другой, он не исчезает, хотя и существует большую часть времени в связанном виде. Если протон перескакивает от гидроксония к гидроксилу, то пропадает. Поэтому, гидроксил можно рассматривать как дырку для протона. Вода представляет собой полупроводник со смешанной проводимостью. В нейтральной воде концентрация протонов и протонных дырок одинакова. Электрические свойства воды, как и обычных полупроводников, очень сильно зависят от примесей. Примесями генерирующими протоны являются кислоты, а протонных дырок – щёлочи. Поэтому при подкислении или подщелачивании электропроводность воды резко возрастает. При одинаковом влиянии на электропроводность и диэлектрическую проницаемость кислоты и щелочи влияют на структуру воды значительно слабее.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.