Напруження зсуву відповідного градієнта швидкості

6.3 Степеневий закон

Деякі рідини мають реограми, що проходять через початок координат і мають нелінійну залежність. В цьому випадку залежність між дотичними напруженнями та описується степеневим законом:

, (6.5)

де: – коефіцієнт консистенції системи; – показник степені, який змінюється в залежності від швидкості зсуву (рис. 6.8).

1 – m=1; 2 – m< 3 – m>1

Рисунок 6.8 – Зміна ефективної в’язкості залежно від відношення напруження зсуву до відповідного градієнта швидкості

m1 псевдопластичні рідини (розчини з великим вмістом твердої фази);

m=1 ньютонівські рідини;

m1 дилатантні рідини (розчини полімерів).

Степеневий закон описує експериментальні криві в діапазоні помірних швидкостей деформації.

Лекція № 7 тіксотропні властивості бурових промивальних рідин

7.1 Поняття про механізм структуроутворення

Процеси структуроутворення в дисперсних системах вивчаються та досліджуються фізико-хімічною механікою, а тому доцільно навести тільки ті положення, які необхідні для регулювання структурно – механічних властивостей бурових розчинів на водній основі.

Для бурових розчинів на водній основі, у яких активним структуроутворювачем є глинисті мінерали, характерні коагуляційні тіксотропні структури, які виникають внаслідок взаємодії частинок дисперсної фази.

Здатність суспензії утворювати у стані спокою структуру з певною міцністю і втрачати її при перемішуванні або при струшуванні називається тіксотропією.

Тіксотропне структуроутворення визначає явище коагуляції, яке спостерігається у два етапи – гідрофільний та гідрофобний. Бурові промивальні рідини відносяться до проміжних систем між гідрофобними та гідрофільними системами. За ознаками вони більше походять на гідрофільні і є кінетично і агрегативно нестійкими внаслідок електростатичної та міжмолекулярної взаємодії між частинками. При гідрофільній коагуляції формуються розсипчасті агрегати. Осад із частинок, що злиплися, внаслідок гідрофільної коагуляції називається гелем, а верхня частина у цьому випадку називається золем. У концентрованих дисперсних системах формується суцільна розсипна система – сітка із частинок дисперсної фази, які злиплися під дією міжмолекулярних та електростатичних сил.

Оскільки така структура виникла внаслідок коагуляції її називають коагуляційною структурою, а процес її утворення коагуляційним структуроутворенням.

Структуроутворення – процес, який вимагає часу, необхідного для досягнення під дією теплового руху також орієнтування, при якому система буде мати мінімум вільної енергії. В значній мірі цьому сприяє не надто висока міцність структури та її здатність до залишкових деформацій. Структуроутворення в бурових розчинах зворотне, тобто є тіксотропним. У стані спокою формується гель (дисперсна фаза має зв’язки собою), а під час перемішування система переходить у золь (дисперсна фаза не має зв’язків між собою).

Процес формування просторового каркасу із колоїдних частинок ілюструється балансом (співвідношенням) сил молекулярного притягування (ван – дервальсові сили зформовані молекулярною природою) і силами електростатичного відштовхування. (рис. 7.1).

Згідно наведеного графіку видно, що на віддалі , яка дорівнює ефективній товщині r іонних оболонок ( 10^-5 см) спостерігається перевага сил електростатичного відштовхування і над віссю абсцис формується потенційний бар’єр , який запобігає злипанню частинок.

При порівняно великих віддалях між частинками r між ними енергія молекулярного протягування змінюється обернено пропорційно 6-ій степені відстані. На великих відстанях переважають сили електростатичного притягування, які зменшуються за степеневим законом. Сили відштовхування зменшуються за експоненціальним законом і тому крива 3 лежить нижче осі абсцис. Аналогічна тенденція спостерігається і на близьких віддалях 10^-7 см. Таким чином частинки здатні до притягування (злипання) на віддалях і (далекий і близький мінімум) де утворюються відповідно і . Формування коагуляційної структури здійснюється у близькому, та далекому , де

1 – характеризує сили притягування і відображає енергію міжмолекулярного притягування; 2 – експотенційна крива відображає енергію

електростатичного відштовхування; 3 – результуюча потенційна

крива отримана шляхом додавання ординат

Рисунок 7.1 – Криві міжфазної взаємодії між дисперсними колоїдними