СИНЕРГЕТИКА КАК ОСНОВОПОЛАГАЮЩЕЕ НАУЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В ПОЛУЧЕНИИ НАПОЛНЕННЫХ ГЛИНОПОРОШКОВ
В. НИКОЛИН, доктор технических наук
ЯШ
Общеизвестно, что технико-экономические показатели бурения существенно зависят от качества глинопорошков, которое не всегда удовлетворяет современным требованиям. Поэтому разработка научно-обоснованной технологии для получения наполненных глинопорошков с заданными свойствами является актуальной задачей [1, 2].
Современная теория высокодисперсных систем предлагает физико-химические основы управления свойствами коагуляционных структур глинистых систем путем искусственного варьирования дисперсностью, величиной сольватных оболочек частиц, изменением характера контактов и, как следствие, преобразованием микроструктуры. Однако справедливость этих принципов подтверждена лишь в условиях, при которых глина предельно диспергирована, а ее исходный состав мономинерален. В рядовых глинах как коллоидно-дисперсных системах существуют
определенные связи, природа которых весьма сложна и до конца не изучена. Для разработки новых технологий должны быть досконально исследованы закономерности изменения физико-химических и коллоидно-химических свойств глиняных суспензий под влиянием совокупности различных факторов, обуславливающих их формирование, что неоправданно сложно и дорого [3, 4].
Поэтому наиболее приемлемый научный подход к исследованию и повышению качества наполненных глинопорошков для буровых работ видится только с точки зрения теории синергетики композитных материалов, основы которой разработаны академиком В. И. Солома-товым и его учениками. Композитные материалы состоят из дисперсионной среды и дисперсной фазы и способны образовывать в процессе своего формирования специфические структуры и приобретать уникальные свойства, не присущие компонентам системы в отдельности [5]. Данная теория позволяет объяснить самоорганизацию дисперсных систем избытком свободной поверхностной энергии, а формирование микроструктуры керамических масс рассматривать как активный объект влияния внешней среды, обладающей гибкой реакцией на все воздействия. Такая возможность представляет большой интерес при изучении и прогнозировании свойств наполненных глинопорошков на всех этапах его получения.
Глиняные массы можно представить многокомпонентными и многофазовыми системами, в которых возможно добиться оптимальной микроструктуры, где все
частицы будут уравновешивать друг друга. В этом случае наполненные керамические массы целесообразно рассматривать как типичные композитные системы, находящиеся на двух микроуровнях: суспензии, где матричным материалом является вода, а частицами дисперсного наполнителя - глина, и шликера, где соответственно -суспензия и тонкомолотые наполнители (одновременно выполняющие роль инертных фракций для создания требуемой плотности раствора).
Формирование такой структуры начинается с разрушения первоначальных связей в суспензиях, а затем трансформации сольватных оболочек ее микрочастиц при введении тонкодисперсных компонентов. Частицы наполнителя при введении в такую систему начинают адсорбировать на себя молекулы воды из реликтовой суспензии, разрушают первоначальные связи и инициируют ее выход из термодинамического равновесия. Высвободившаяся при этом энергия приводит частицы дисперсной фазы в равновесное состояние, в котором они сближаются и объединяются в так называемые микро- и гетерогенные системы, где нижний масштабный уровень (суспензия) инициирует переорганизацию микроструктуры верхнего уровня (шликера). Такая иерархия обуславливает скольжение частиц различного диаметра друг относительно друга до момента, пока они не займут устойчивое с точки зрения термодинамики положение с более сложной и оптимальной микроструктурой.
Количественные особенности дисперсных систем взаимосвязаны
J
\а
А1
Рис. 1. Изменение электросопротивления суспензий от количества и вида наполнителя: 1, 2 - виды суспензий; а, б - тонкомолотые наполнители
и взаимообусловлены, а топологическая связь между частицами наполнителя и глиняных суспензий основана на структурных процессах, связанных с изменениями удельного электросопротивления всей массы [6]. Это позволяет применить при расчете и подборе составов наполненных глинопорош-ков "Способ оптимизации составов и расчета структурообразования наполненных фарфоро-фаянсовых шликерных масс" [7]. При помощи этого способа можно определить количество воды в гидратных сло-
ях частиц "чистой" суспензии и оставшуюся в них влагу после введения наполнителя ^п) (рис. 1). Вычитая из W0 Wn, получаем количество воды, которое адсорбировали на себя частицы наполнителя для образования собственных гид-ратных оболочек. Разделив полученную величину на общее количество частиц наполнителя N0, определяем объем сольватной оболочки частицы. Затем, подставляя полученные значения в формулу условия протекания по касающимся сферам: и = N0 л ПИ / 6,
где N0 - количество частиц наполнителя, й! - сумма среднего диаметра частицы й и ширины ее сольватной оболочки Ь0, - путем их сопоставления можно прогнозировать и регулировать эксплуатационные характеристики наполненных керамических масс. В качестве примера рассмотрим экспериментальные данные по изменению вязкости шликера с различными техногенными наполнителями (см. табл., [1-3]). Из аналитической обработки следует, что наилучшие эксплуатационные ха-
Табл.
Составы,% Расчетные данные Вязкость, спз
№ Керамическая масса* Наполнитель* (вид-%) Массовая доля ПАВ от наполнителя, %** Критическое число сфер, Nc Объем частицы с гидратной оболочной, е3 Критическая доля сфер Dt
1 Шл-75,0 ОК-25,0 4,20 х 1010 3560 0,153 7,30 67,0
2 Шл-82,0 Зл-18,0 1,50 х 109 8991 0,136 6,91 69,0
3 Шл-92,5 Шм-7,5 -««- 8,60 х 109 8310 0,071 7,70 68,5
4 Шл-73,5 ОК-26,5 2,00 4,53 х 1010 3800 0,160 8,10 69,5
5 Шл-78,9 Зл-21,1 1,60 1,80 х 1010 8890 0,160 7,00 69,5
6 Шл-79,5 Шм-20,5 1,74 1,76 х 1010 8890 0,159 7,00 70,0
* Шл - заводской шликер; 0К - отработанный катализатор ИМ2201; Зл - зола ТЭЦ; Шм - тонкомолотый шамот ** Жидкое стекло
рактеристики отмечаются у образцов с оптимальной структурой, отвечающей топологическим условиям: 0,076<u<0,16 и Dt/h0 «7.
Физический смысл предлагаемого авторского "Способа оптимизации составов и расчета структу-рообразования наполненных фар-форофаянсовых шликерных масс" заключается в том, что частицы тонкомолотых наполнителей, имея свою поверхностную энергию, при внесении в исследуемую массу выводят ее из равновесного состояния. Для стабилизации равновесия системе необходимо отдать часть воды из собственных гидратных слоев. Окончание этого процесса фиксируется вырождением кривой электросопротивления в прямую линию. Точка вырождения на кривых удельного электросопротивления фиксирует тот момент, когда сила притяжения молекул воды в гидратных слоях глиняных частиц по абсолютной величине сравняется с поверхностной энергией тонкомолотых частиц. Поскольку глиняная суспензия остается непрерывной фазой, то дальнейшее введение частиц компонентов не влечет за собой каких-либо изменений удельного электросопротивления системы. При этом в полу-
ченной керамической массе наблюдается снижение эксплуатационных характеристик, происходящее вследствие того, что вновь вводимые частицы черпают влагу для образования собственных сольватных слоев не из суспензии, а из слоев таких же тонкомолотых частиц. В результате снижается качество упорядоченности системы. Когда размер сольватных оболочек достигает критического, а затем они совсем распадаются на отдельные островки, частицы наполнителя слипаются в комки, являющиеся потенциальными зонами напряжения. Поэтому в структуре наполненной керамической массы нежелательны прямые контакты частиц наполнителя друг с другом.
На основе вышеприведенных способов разработаны методики оценки изменений процессов самоорганизации, управления кинетическими процессами, происходящими при формировании микроструктуры и подбору составов высококачественных наполненных керамических масс на обычных или модифицированных ПАВ дисперсных наполнителях. Исследования эффективности применения таких методов в технологии полу-
чения керамических масс для буровых работ ранее нигде не проводились, но очевидно, что они позволят прогнозировать и регулировать их коллоидно-химические свойства и получать высококачественные глинопорошки, не уступающие зарубежным аналогам.
Литература
1. Рябченко В. И. Управление свойствами буровых растворов. - М.: Недра, 1990. - 230 с.
2. Михеев В. Л. Технологические свойства буровых растворов. - М.: Недра, 1979. - 239 с.
3. Бобрышев А. Н., Козомазов В. Н., Бабин Л. О., Соломатов В. И. Синергетика композитных материалов. - Липецк, 1994. - 152 с.
4. Николин В. А., Соломатов В. И. Отделочные и санитарные строительные изделия из наполненных керамических масс. - Самара, 1999. - 150 с.
5. Патент РФ 2160443. Способ оптимизации составов и расчета структурообразования наполненных фарфоро-фаянсовых шликерных масс / Николин В. А. Опубл. 10.12. 2000. Бюл. № 24.
Пеногасители для тампонажных растворов
Кремнийорганические (силиконовые) пеногасители широко используются в качестве высокоэффективной пеногасящей или предупреждающей пенообразование добавки для тампонажных растворов.
Пеногасители Пента®-463А, Пента®-465, Пента®-470 прошли испытания на ОАО НПО «Буровая техника» — ВНИИБТ (Москва), ОАО НПО «Бурение» (Краснодар), «СЕВЕРНИПИГАЗ» (Ухта), ОАО «ГИПРОВОСТОКНЕФТЬ» (Самара) и рекомендованы к применению для любых типов тампонажных растворов.
Специалистами компании Пента Силикон производится подбор оптимального пенога-
000 «ПЕНТА СИЛИКОН»
сителя для каждого конкретного субстрата и геологических особенностей района применения.
Пеногасители уже используются буровыми и тампонажными управлениями ведущих компаний России (Газпром, ТНК, Татнефть, ССК и др.).
Пеногасители устойчивы при хранении, морозостойки (до -30° С), работоспособны при pH от 2 до 12, имеют гигиенические сертификаты и сертификаты соответствия ГЦСС «НЕФТЕПРОМХИМ».
к\ //
109044 г. Москва, ул. 1-ая Дубровская,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.