Пены, их свойства и методы исследования пенообразующих растворов

 

Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из ячеек – пузырьков газа (пара), разделенных пленками жидкости. Обычно газ (пар) рассматривается как дисперсная фаза, а жидкость – как непрерывная дисперсионная среда. Структура пен определяется соотношением объемов газовой и жидкой фаз и в зависимости от этого соотношения ячейки пены могут иметь сферическую или многогранную (полиэдрическую) форму. Переходная форма ячеек от сферической к многогранной названа Манегольдом «ячеистой» из-за сходства со строением пчелиных сот. Ячейки пены принимают сферическую форму в том случае, если объем газовой фазы превышает объем жидкости не более чем в 10-20 раз. В таких пенах пленки пузырьков имеют относительно большую толщину. Чем меньше отношение объемов газовой и жидкой фаз, тем больше толщина пленки. В процессе старения шарообразная форма пузырьков пены превращается в многогранную вследствие утончения пленок. Состояние пены с многогранными ячейками близко к равновесному, поэтому такие пены обладают большей устойчивостью, чем пены с шарообразными ячейками.

Свойства пен во многом определяются условиями их получения, факторами, влияющими на их свойства и разрушение.

Выделяют следующие основные свойств, характеризующие пенную систему: пенообразующую способность раствора, кратность, стабильность (устойчивость), дисперсность.

Пенообразующая способность растворов ПАВ зависит от типа и состава ПАВ; концентрации ПАВ; наличия стабилизирующих добавок, а в воде - примесей различных солей, нефти, взвешенных минеральных частиц; температуры раствора, давления.

Для оценки пенообразующих растворов и приготовленных из них пен пользуются разнообразными критериями: объемом или высотой столба пены, полученными в определенных условиях проведения эксперимента; отношением объема или высоты столба пены к времени ее полного разрушения; изменением объема (высоты столба) пены во времени, представленным в виде графиков и т.д. До настоящего времени нет и, по-видимому, не может быть единого универсального критерия пенообразования, который бы объективно оценивал все пенящиеся системы в сходных условиях.

По данным ВИТРа, наиболее высокой пенообразующей способностью обладают растворы анионактивных веществ. При этом вещества, наиболее сильно понижающие поверхностное натяжение, как правило, обладают наивысшей пенообразующей способностью. Пенообразующая способность растворов ПАВ возрастает с увеличением концентрации раствора до критической. С увеличением концентрации (начало мицеллообразования) выше критической пенообразующая способность остается неизменной или понижается. Наличие стабилизирующих добавок в составе раствора ПАВ значительно улучшает пенообразующую способность за счет повышения дисперсности и устойчивости пены.

Наличие примесей солей, особенно двухвалентных катионов, в воде, на которой приготовлен раствор ПАВ, значительно снижает пенообразующую способность растворов анионактивных и катионактивных ПАВ. Добиться эффекта пенообразователя раствора ионогенных ПАВ на минерализованной воде можно, введя очень большие концентрации ПАВ, используя явления солюбилизации, либо нейтрализовав действие солей Са²⁺ и Mg²⁺ добавками Na₂CO₃ и триполифосфата натрия. Аналогичное действие на большинство растворов ПАВ оказывают добавки нефти.

Неионогенные вещества подвержены воздействию солей и загрязнению нефтью в значительно меньшей мере, нежели ионогенные.

Добавление глины повышает пенообразующее действие растворов анионактивных веществ и отрицательно действует на растворы неионогенных веществ.

Повышение температуры среды до 40 ⁰С приводит к повышению пенообразующей способности; при температуре 100 ⁰С неионогенные ПАВ теряют способность к пенообразованию и восстанавливают ее по мере снижения температуры.

Пенообразующая способность, как и кратность пены, зависит от конструкции аэрирующего устройства и режима получения пены (соотношения воздуха и пенообразующего раствора).

Устойчивость пен из растворов неионогенных ПАВ практически всегда ниже, чем из растворов анионактивных ПАВ. Эффективными стабилизаторами пен являются карбоксиметилцеллюлоза, полиакриламид, поливиниловый спирт. Устойчивость пены, образованной под давлением, значительно выше устойчивости пены, образованной при атмосферном давлении.

Способность пен сохранять определенное время свою первоначальную форму в отличие от жидкостей позволяет рассматривать их как структурированные системы, обладающие свойствами твердых тел.

Исследования напряжения сдвига свидетельствуют о том, что эта величина зависит от концентрации ПАВ в растворе. Кривые зависимости пенообразующей способности (или кратности пены) и напряжения сдвига от концентрации ПАВ подобны, а максимумы указанных свойств примерно соответствуют области критической концентрации мицеллообразования – ККМ. Это указывает на то, что пена с тонкими пленками обладает наиболее прочной структурой.

На вязкость пен влияет ряд факторов: вид вспенивающего агента, его концентрация в растворе, дисперсность пены.

С увеличением градиента скорости вязкость пены значительно уменьшается. При одной и той же скорости вязкость пены определяется объемным соотношением воды и воздуха, повышаясь с увеличением содержания последнего. В связи с этим увеличение давления на пену снижает ее вязкость. Например, при увеличении давления на пену от 0,125 до 0,63 МПа вязкость пены уменьшается от 1,09×10^-2 до 1,9×10^-3 Па×с. При этом значения вязкости пены под давлением и содержащей меньшее количество воздуха эквивалентны.

Отмечено также снижение вязкости пены при повышении температуры, добавлении к пенообразующему раствору NaCl, спиртов и других веществ. В процессе старения пен вязкость их вначале увеличивается, а затем в зависимости от типа ПАВ может остаться постоянной или уменьшаться.

Механическая прочность пен увеличивается при добавлении метилцеллюлозы и пропиленгликоля.

Важное свойство пен при использовании их в качестве очистного агента в бурении – способность эффективно выносить из скважины шлам выбуренной породы. При этому существенную роль играют поверхностные явления (поверхностное натяжение, угол смачивания), создающие прочную связь системы «частица шлама – пузырек воздуха».

Интенсивная очистка забоя скважины от шлама при использовании пены происходит в результате действия гидродинамической силы потока промывочной жидкости в сочетании с эффектом флотации шлама.

В процессе бурения с применением пены условия для удержания частиц выбуренной породы на поверхности пузырька более сложны, чем при прекращении циркуляции, когда движение пены в кольцевом канале обусловлено только ее упругими свойствами. Двух- и трехфазные пены, хотя и относятся к псевдопластичным телам, существенно отличаются от глинистых растворов, прежде всего упругими свойствами. Структурная вязкость и предел текучести этих растворов непостоянны и зависят от глубины скважины. На пути от забоя до устья пена увеличивает свой объем вследствие увеличения размеров пузырьков при снижении давления. Одновременно выделяется часть растворенного газа, изменяются густота пены, скорость ее потока, структурная вязкость и предел текучести.

Стуртурно-механический свойства пены по мере приближения ее к устью скважины подвергаются изменениям вследствие снижения плотности и увеличения скорости потока, структурной вязкости и напряжений сдвига. Обобщенное число Рейнольдса для потока пены в кольцевом канале будет тем больше, чем ниже давление. Следовательно, вынос шлама пеной происходит более эффективно, чем другими видами растворов.

Пена, как и любая дисперсная система, является агрегатно неустойчивой, что объясняется избытком поверхностной энергии, пропорциональной поверхности раздела «жидкость-газ». Известно, что замкнутая система с избытком свободной энергии находится в неустойчивом равновесии, поэтому ее свободная энергия уменьшается до момента достижения минимального значения, при котором наступает равновесие. Если такая система состоит из жидкости и газа, как в пенах, то минимальное значение свободной энергии, а значит, и поверхности раздела, будет достигнуто тогда, когда вся пена превратиться в жидкость и газ.

Под пенообразующей способностью раствора (вспениваемостью) понимают количество пены, выражаемое ее объемом или высотой столба, которое образуется из постоянного объема раствора при соблюдении определенных условий в течение определенного отрезка времени.

Для оценки пенообразующей способности растворов ПАВ в настоящее время существует ряд относительных методов: встряхивание, взбивание, продувание воздуха (впервые использованное в приборе Тютюникова); перемещение, применяемое в промышленности биосинтеза, производстве моющих средств; выливание, например в приборе Росс-Майлса, широко применяемом в различных отраслях промышленности; трение.

ВИТР рекомендует при исследовании свойств растворов модифицированный метод Росс-Майлса, который утвержден Международной организацией по стандартизации (ИСО).

Прибор Росс-Майлса показан на рис.. Воронка 1 зафиксирована так, что расстояние между нижним срезом трубки 3 и исходной поверхностью раствора в мерном цилиндре 4 равно 450 мм. Внутренний диаметр цилиндра составляет 65 мм. Калиброванная трубочка длиной 70 мм выполнена из нержавеющей стали, ее внутренний диаметр равен 1,9±0,02 мм. Емкость 5, сделанная из прозрачного материала, предназначена для термостатирования мерного цилиндра и его содержимого прокачиванием термостатирующей жидкости.

В мерный цилиндр 4, содержащий первоначально 50 мл раствора ПАВ, из воронки 1 через трубку 3 выливают 500 мл того же раствора. По окончании истечения одновременно с закрытием крана 2 включают секундомер и измеряют высоту столба пены в мерном цилиндре через 30 с (пенообразующая способность) и через 3 и 5 мин после окончания пенообразования.

Устойчивость пены к определенному моменту времени определяют по высоте ее столба, т.е. по объему, зафиксированному в этот момент. Выражается она в миллиметрах или в процентах по отношению к пенообразующей способности. При определении стабильности пены, используемой в качестве очистного агента, промежуток времени следует увеличить до 20 или даже 30 мин.

Кратность пены b - отношение объема пены V_см к объему раствора V_ж из которого она образована.

,

где V_г – объем газа.

Кратность пен (соотношение воздуха и жидкости в пене) оценивается методами взвешивания, электропроводности Кларка и радиоактивным на установке, состоящей из источника радиоактивного излучения (цезий-137) и счетчика (сцинциллятора).

Известен ряд методов определения дисперсности пен: микрофотографирования, основанный на фотографировании с многократным увеличением участка пены и подсчета не нем числа пузырьков; оценка ее удельной поверхности; радиографический.

Для определение факторов, влияющих на эффективность выноса воды и шлама воздухом или пеной, в ВИТРе использовали установку, показанную на
рис..

Из воздухопродувки 2 с приводом от электродвигателя 1 определенное (отрегулированное посредством системы заслонок 3 и газового счетчика 4) количество воздуха подается в модель скважины 8 и дозатор 7. Воздух по центральной трубе, имитирующей колонну бурильных труб, подает на забой модели скважины поднимается по кольцевому каналу и через отводы поступает в емкость 12. Система трубок и краны 9 и 11 позволяют имитировать водоприток различной интенсивности в модель скважины. При закрытых кранах 5 и 6 с помощью крана 10 можно под давлением подаваемого в дозатор 7 воздуха осуществить подачу в модель свежины раствора ПАВ в строго определенных количествах. При необходимости одновременно с водой в модель скважины вводится шлам той или иной породы. Давление циркулирующего по модели скважины воздуха фиксируется манометром 13.

Регулируя подачу воздуха, раствора ПАВ, водоприток, количество подаваемого шлама и изменяя состав воды, можно оценить эффективность действия ПАВ по количеству вынесенной пеной воды и шлама.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: