3.2. Структурирование промывочной жидкости за счет повышения концентрации дисперсной фазы
Прочность структуры гидрофильных дисперсных систем в соответствии с теорией ион-дипольного и ориентационного взаимодействия может быть определена по формуле (2.12).
Для разбавленных растворов в связи со значительными расстояниями между частицами и молекулами воды будет действовать преимущественно ион-дипольное взаимодействие, а межмолекулярное взаимодействие будет близко к нулю:
(3.1)
здесь m- число взаимодействующих ионов.
Расстояние между частицами твердой фазы можно ориентировочно определить исходя из геометрических соображений:
(3.2)
где V - объем раствора; n- число частиц дисперсной фазы; Vср - объем одной усредненной частицы; \/ф - объем всех частиц; С. - концентрация дисперсной фазы.
Подставив значение r в формулу (3.1), получим
,
(3.3)
т.е. для разбавленных растворов промывочных жидкостей прочность структура будет прямо пропорциональна концентрации дисперсной фазы и ее дисперсности.
С другой стороны, как известно, прочность структуры промывочной жидкости прямо пропорциональна суммарной поверхности всех частиц твердой фазы, т.е. объемной энергии промывочной жидкости, а плотность объемной энергии, как отмечено выше, можно определить через величину осмотического давления. Для разбавленных растворов осмотическое давление выражается уравнением:
,
(3.4)
что подтверждает для разбавленных растворов линейную зависимость прочности структуры от концентрации.
Изотонический коэффициент i зависит от степени диссоциации растворенных веществ. С разбавлением раствора он растет. В сильноразбавленных растворах, при концентрации, исчисляемой десятыми и сотыми долями процента их массового объема [7], диссоциация веществ возрастает, прямолинейная зависимость прочности структуры от концентрации твердой фазы несколько нарушается. Прочность структуры θ (а следовательно и вязкость) растет несколько быстрее, чем концентрация раствора (см. рис.4.2).
В концентрированных промывочных жидкостях частицы твердой фазы располагаются на незначительных расстояниях, на которых действуют преимущественно сильные межмолекулярные (ориентационные) силы
,
(3.5)
подставив в формулу (3.5) значение r, получим:
(3.6)
Результаты экспериментальных исследований автора (табл. 3.1 рис. 3.1) и других ученых [17, 40] подтверждают справедливость полученных выводов.
Рис.3.1. Зависимость прочности структуры глинистого раствора от концентрации глинопорошка.
Рис.3.2.Зависимость прочности структуры полимерглинистого раствора q1/10 от концентрации: 1-2 – бентонита; 3-4– ксантана, сплошной линией
показаны теоретические кривые.
Подобная зависимость наблюдается и для полимеров и полимербентонитовых растворов [17].
Одновременно с повышением прочности структуры промывочной жидкости при возрастании концентрации твердой фазы количество прочносвязанной воды увеличивается, а количество свободной воды соответственно понижается, следовательно, понижается и водоотдача промывочной жидкости (табл. 3.1).
Таблица 3.1.
Зависимость прочности структуры и водоотдачи бентонитового раствора от его концентрации.
Концентрация глины С, % |
СНС, дПа за 1 минуту |
Водоотдача за 30 минут, см3 |
Плотность r, кг/м3 |
|
эксперимент |
по формуле |
|||
2 4 5 6 8 15 |
1,67 8,30 15,0 23,0 46,3 95 |
1,76 8,8 14,9 23,0 45,5 93,5 |
полная 40 34 20 15 4 |
1010 1020 1025 1030 1040 1130 |