Смеси, растворы, эмульсии и дисперсии

Эти термины имеют особое значение для инженера по буровым растворам, ведь они обозначают совершенно разные вещи. Смесь – это сочетание двух и более веществ, консистенция смеси может быть неоднородной. Смесью является, например, ассорти из шоколадных конфет или разных видов орехов. Каждый компонент смеси сохраняет свои уникальные свойства. Раствор же – это однородная смесь из двух и более веществ. Раствор имеет один и тот же состав в любой его части. Растворами могут состоять из твердых веществ (например, сплавы металлов), из растворенного в жидкости твердого вещества (сахар в воде), из жидкостей (спирт в воде), газов в жидкости (газированные напитки), газов в газе (воздух). Дисперсия – это двухфазная система, в которой одна фаза состоит из мелких твердых частиц, равномерно распределенных во второй фазе. Буровые растворы с глинопорошком и твердыми частицами являются дисперсиями. Эмульсия – это стабильная смесь несмешивающихся жидкостей, соединенных эмульгаторами. Дизельное топливо и солевой раствор хлорида кальция взаимно нерастворимы, однако они могут образовывать эмульсию при эмульгировании раствора дизельным топливом для приготовления бурового раствора на углеводородной основе.

Общие химические реакции в химии буровых растворов

В данном разделе освещены некоторые проблемы химического характера, наиболее часто встающие перед инженерами по буровым растворам. Рассмотрены реакции с разнообразными добавками, указаны продукты реакций и образующиеся в процессе реакции осадки. Более подробно данная тема изложена в главе «Загрязнение буровых растворов».

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГИПСОМ ИЛИ АНГИДРИТОМ

Ионы кальция, попадающие в буровой раствор при проходке гипса или ангидрита, являются причиной загрязнения большинства растворов на водной основе. Одним из способов борьбы с этим видом загрязнения служит добавление кальцинированной соды. Приведенное ниже уравнение служит иллюстрацией того, как сульфат кальция (или гипс) удаляется из бурового раствора при добавлении карбоната натрия (кальцинированной соды); продукт реакции – карбонат кальция. Направленная вниз стрелка обозначает выпадение нерастворимого осадка, если стрелка направлена вверх – это означает выделение газа.

CaSO₄ + Na₂CO₃ ® CaCO₃ ¯ + 2Na+ + SO₄^2–

Для борьбы с загрязнением ангидритом можно применить и кислый пирофосфат натрия. Однако при добавлении этого реагента необходимо соблюдать осторожность, т.к. пирофосфат снижает рН и не обладает термостабильностью в качестве разбавителя. Реакция между гипсом и кислым пирофосфатом натрия имеет следующий вид:

Na₂H₂P₂О₇ + H₂O ® 2NaH₂PO₄;

2NaH₂PO₄ + 3CaSO₄ ® Ca₃(PO₄)₂¯ + 2Na⁺ + 3SO₄^2– + 4H⁺

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ЦЕМЕНТОМ

Цемент содержит известь – Ca(OH)₂ – источник кальция и флоккулянт. Для его удаления применяют бикарбонат натрия (NaHCO₃). Реакция имеет вид:

Ca(OH)₂ + NaHCO₃ ® CaCO₃¯ + NaOH + H₂O

Продуктом реакции является гидроксид натрия, в результате чего уровень рН повышается даже после выведения кальция из цемента. В случае обильного загрязнения бурового раствора цементом, для поддержания рН на приемлемом уровне следует использовать кислоту в сочетании с бикарбонатом натрия. С бикарбонатом натрия обычно применяют лимонную, уксусную кислоту, кислый пирофосфат натрия, и органические кислоты – лигнит или лигносульфонат.

МОРСКАЯ ВОДА

Морская вода содержит ионы магния и кальция, которые особенно пагубно сказываются на качестве буровых растворов на водной основе. Так как гидроксид магния (Mg(OH)2) и гидроксид кальция (Ca(OH)2) относительно малорастворимы при высоком рН, для удаления из раствора магния и пассивирования растворимости кальция следует использовать каустик. Реакции магния и кальция с каустиком имеют вид:

Mg²⁺ + 2NaOH ® Mg(OH)₂¯ + 2Na⁺ (pH >10)

Ca²⁺ + 2NaOH ® Ca(OH)₂¯ + 2Na+ (pH >11)

Каустическая сода применяется для снижения содержания магния и кальция в морской воде сперва путем осаждения Mg(OH)₂, а затем путем увеличения рН для снижения растворимости кальция и осаждения извести. Если в морскую воду добавили известь, она тоже в свою очередь позволит удалить из бурового раствора магний, однако концентрация кальция в растворе будет чрезмерно высокой, что нежелательно. Для обработки морской воды из Мексиканского залива с осаждением всего находящегося в ней магния, преобразования кальция в известь с конечным уровнем рН>11,0 (см. Рис. 10) необходимо от 1,5 до 2 фунтов/баррель каустической соды (4,3 – 5,7 кг/м³). Оптимальный метод удаления магния из морской воды – добавление каустика, тогда как для удаления кальция – кальцинированная сода.