Как о гомогенных и гетерогенных дисперсных системах

Важнейшей особенностью промывочных жидкостей служит их агрегатное состояние. Не всякая жидкость обладает удерживающей способностью по отношению к выбуренным частицам породы. Так называемая истинная жидкость не будет удерживать эти частицы, они будут оседать на забой скважины, на дно емкости, в которой хранится жидкость. Такая жидкость не обладает также и способностью к коркообразованию, она полностью будет проходить через стенки скважины в пласт. Только дисперсные системы, состоящие из мелких частиц, взвешенных в жидкости, обладают свойствами, которые обеспечивают возможность реализации рассмотренных выше функций. При этом частицы должны обладать достаточно малыми размерами, чтобы их содержание в жидкости не препятствовало работе буровых насосов и другого оборудования.

В основе коллоидной химии, изучающей дисперсные системы, лежат два важнейших понятия: дисперсионная среда, в которой находятся взвешенные частицы, и дисперсная фаза. Таким образом, тело, состоящее из дисперсной фазы и дисперсионной среды, представляет собой дисперсную систему. Различие между дисперсными системами определяется агрегатным состоянием фазы и среды. И дисперсионная среда, и дисперсная фаза могут быть твердыми, жидкими и газообразными.

Промывочные жидкости относятся к дисперсным системам, у которых дисперсионная среда представляет собой жидкость. Частицы дисперсной фазы в промывочных жидкостях могут быть различными. Если эти частицы твердые, система в коллоидной химии именуется суспензией. Если частицы жидкие (не растворяющиеся в дисперсионной среде, например частицы масла в воде), систему называют эмульсией. Если это частицы газа (пузырьки), система называется пеной или аэрированной жидкостью (если пузырьки образованы воздухом). Характерным для всех систем является существование границы раздела между частицами и средой – межфазной границы. Система может быть и трехфазной, содержащей кроме дисперсионной среды (жидкой) частицы дисперсной фазы твердые и газообразные.

Процесс измельчения частиц дисперсной фазы называется диспергированием. Повышение дисперсности возможно механическим диспергированием, путем приложения к твердой фазе внешних усилий (дробление, растирание, переминание) и физико-химическим диспергированием – пептизацией, являющейся результатом взаимодействия дисперсионной среды и твердой фазы. По мере диспергирования частицы дисперсной фазы уменьшаются в размерах, число частиц при этом возрастает. Степень измельчения называют степенью дисперсности. Чем выше степень дисперсности, тем меньше частица. Существуют дисперсные системы, которые содержат частицы дисперсной фазы только одинакового размера – монодисперсные. Обычно встречаются системы, содержащие частицы разных размеров – полидисперсные, их большинство (в том числе и промывочные жидкости). Наиболее показательна характеристика степени дисперсности по удельной поверхности частиц, которая представляет собой суммарную поверхность частиц дисперсной фазы, общий объем которых равен 1 см³. Количественно удельная поверхность определяется, исходя из отношения поверхности данной частицы к ее объему. По мере диспергирования поверхность частицы, имеющей, например, форму шара, уменьшается пропорционально квадрату ее радиуса, а объем – пропорционально кубу радиуса, т.е. при уменьшении радиуса вдвое поверхность уменьшится в четыре раза, а объем в восемь раз. Следовательно, удельная поверхность частиц дисперсной фазы возрастает по мере диспергирования. Величина удельной поверхности ограничена пределом механической делимости вещества – размером его молекулы.

Степень дисперсности, соответствующая молекулярным размерам, присуща уже не дисперсной системе, а истинному раствору, в котором граница раздела фаз отсутствует. Поэтому по мере диспергирования удельная поверхность сначала возрастает, а при приближении к молекулярным размерам быстро исчезает. Существует такая степень дисперсности, при которой величина удельной поверхности максимальна. Эта степень дисперсности характерна для частиц коллоидного размера. Величина удельной поверхности является очень важной характеристикой, определяющей свойства дисперсных систем.

Дисперсная система не является постоянной, ей свойственна неустойчивость. Удельный вес твердых частиц дисперсной фазы за редким исключением выше удельного веса дисперсионной среды. Поэтому, под воздействием силы тяжести частицы дисперсной фазы должны тонуть в жидкой среде и накапливаться на дне сосуда, образуя осадок. В эмульсиях типа "масло – в воде" удельный вес дисперсной фазы ниже, и частицы должны всплывать, образуя слой масла на поверхности воды. В обоих случаях неустойчивость дисперсной системы проявляется в расслоении с образованием осадка на дне или слоя на поверхности. Процесс оседания частиц на дно называется седиментацией, а неустойчивость кинетической или седиментационной. Скорость седиментации дисперсной фазы тем меньше, чем меньше разность между величинами удельного веса частиц дисперсной фазы и среды, чем меньше размер частиц и чем больше вязкость среды.

Другим видом неустойчивости дисперсной системы является агрегативная неустойчивость – коагуляция. Частицы дисперсной фазы в результате теплового движения многократно встречаются и вновь расходятся (броуновское движение). В результате действия сил поверхностного натяжения в элементарном объеме жидкости (дисперсной системы) накапливается избыточное количество молекул воды, которое в пространстве между частицами дисперсной фазы усилит расклинивающее давление на них. Под его влиянием частицы будут расходиться в пространстве. Если же притяжение со стороны молекул воды будет сильнее, молекулы воды, уходя из пространства между частицами, вызовут разряжение, в результате которого частицы дисперсной фазы сойдутся вместе, слипаясь друг с другом. Чем гидрофобнее тело, тем сильнее слипание. Процесс слипания частиц, вызванный их гидрофобностью, и называется коагуляцией. Слипаясь частицы, образуют агрегаты. Дисперсная система оказывается неустойчивой. Эта неустойчивость, в отличие от седиментационной, называется агрегативной, в результате размер частиц увеличивается, и они выпадают в осадок – происходит седиментация.

Таким образом, воздействие агрегативной неустойчивости приводит к неустойчивости седиментационной. Системы, образованные гидрофильными частицами, подвержены только седиментационной неустойчивости, они не образуют агрегатов. В то же время частицы дисперсной фазы, вся поверхность которых гидрофобна, способны при коагуляции образовывать плотные слипшиеся комки, быстро седиментирующие. Такая коагуляция называется гидрофобной. У частиц со смешенной поверхностью (некоторые участки гидрофобные, а остальная поверхность гидрофильная) слипание при встрече происходит в отдельных точках. Такая коагуляция называется гидрофильной. В этом случае в результате коагуляции образуются только рыхлые агрегаты, и они седиментируют медленнее. Осадок, полученный в результате седиментации, называется гелем, система из взвешенных, не слипающихся частиц – золем. В концентрированных дисперсных системах образуется сплошной рыхлый агрегат – сетка из слипшихся частиц, занимающих весь объем сосуда, в котором находится дисперсная система – структурная сетка или структура, называемая также коагуляцинной структурой, а процесс ее образования – коагуляционным структурообразованием.

Структурная сетка обладает прочностью: для того, чтобы такая дисперсная система текла, структуру необходимо разрушить – преодолеть прочность сетки. Энергия разрушения расходуется на отрыв частиц друг от друга. Разрушение осуществляется обычно путем перемешивания дисперсной системы. После длительного перемешивания система может полностью потерять прочность и стать обыкновенной жидкостью. После прекращения перемешивания свободные частицы под влиянием теплового движения начинают сталкиваться и образовывать структуру. По всему объему вновь восстанавливается структурная сетка и ее прочность. В процессе перемешивания система представляла собой золь, при прекращении перемешивания вследствие слипания во всем объеме образуется гель. Это можно продолжать сколь угодно долго. Процесс перехода золя в гель и обратно называется обратимым, а это свойство дисперсных систем – тиксотропией. Придание дисперсным системам тиксотропных свойств используется в процессе бурения скважин.