3.3. Структурирование буровых растворов путем диспергирования твердой фазы

Из формул (3.3) и (3.6) следует, что прочность структуры можно увеличить как путем повышения концентрации дисперсной фазы, так и путем увеличения частиц за счёт их диспергирования.

Увеличение концентрации дисперсной фазы является самым простым способом структурирования промывочных жидкостей. Однако с повышением концентрации твердой фазы увеличивается расход материалов, повышается себестоимость бурового раствора. Вследствие увеличения плотности раствора при повышении его концентрации снижается механическая скорость бурения. Поэтому в настоящее время усилия ряда исследователей направлены на разработку различных способов диспергирования.

Поверхностная энергия частиц твёрдой фазы и сила их взаимодействия с молекулами воды зависят от количества и активности функциональных групп и нескомпенсированных анионов. С увеличением суммарной поверхности всех частиц раствора возрастает и количество активных функциональных групп и ионов, следовательно, возрастает объёмная энергия и прочность структуры промывочной жидкости в целом.

Однако увеличить прочность структуры можно при диспергировании твёрдой фазы лишь до определённых размеров, менее которых эффект резко упадёт. Так, например, при диспергировании твёрдой фазы до уровня ионов (растворение солей), даже высокополярных, прочность структуры раствора практически равна прочности структуры воды.

Чаще всего в практике приготовления буровых растворов прибегают к самодиспергированию твёрдой фазы в воде. Такие структурообразователи, как глина и полимеры, весьма гидрофильны и легко растворяются (диспергируют) в воде.

Время самодиспергирования глины зависит как от концентрации её в растворе, так и от наличия в растворе ПАВ и полимеров.

Американскими исследователями Джоунзом, Бэбсоном, Гаррисоном, Хьюзом и др. установлено, что разбавленные и "флокулированные" электролитами глинистые растворы повышают прочность структуры в течение нескольких минут после их приготовления, в то время как концентрированные и активированные ПАВ, глинистые растворы повышают прочность структуры в течение десятков часов и даже суток. Быстрое повышение прочности структуры разбавленных растворов до максимального значения объясняется высокой степенью диссоциации α твёрдой фазы, вследствие малой её концентрации С :

, (3.7)

здесь К - константа диссоциации.

Во флоккулированных электролитами растворах прочность структур быстро возрастает из-за гидрофобизации частиц катионами (нейтрализации ими поверхностного заряда) и увеличения силы взаимодействия частиц твёрдой фазы.

Твёрдая фаза в концентрированных растворах диссоциирует в соответствии с формулой (3.7) значительно хуже и медленнее. Кроме того, медленно происходит и активация твёрдой фазы в концентрированных растворах вследствие малой константы диссоциации SiOH:

S iOH SiO^- + H⁺

– COOH – COO^- + H⁺

Но более эффективным и производительным способом диспергирования является искусственное (механическое, электроимпульсное, химическое) диспергирование твердой фазы.

Механическое диспергирование проводят в обычных мельницах, (дисковых, шаровых, стержневых), а электроимпульсное в более сложных устройствах, работающих на принципах пьезоэффекта в электромагнитном поле (магнитострикции и электрострикции и т.д.). В настоящее время вопросами дробления твердой фазы последним способам уделяется значительное внимание [15, 16].

Пьезоэффект заключается в том, что при сжатии некоторых диэлектриков возникает электрическое и магнитное поле и наоборот, при помещении диэлектриков в электромагнитное поле происходит их сжатие.

Если быстро (с высокой частотой) менять напряженность поля от Е до О и тем самым изменять деформацию диэлектрика (например, воды) от некоторого значения _v до 0 в твердом теле, помещенном в диэлектрик, возникнут усталоcтные напряжения, приводящие к разрушению этого тела (или частиц твердого тела).

Создать уcталоcтные напряжения в твердом теле, помещённом в жидкость (например, в воду), можно и путем ультразвуковых колебаний жидкости, создаваемых различными ультразвуковыми излучателями. Более интенсивные деформации диэлектрика возникают при электрострикции, поэтому далее подробнее рассмотрим этот процесс.

Интенсивность дробления частиц твердой фазы в жидкости будет зависеть от величины объемной деформации _v, частоты сжимающих циклов и времени обработки.

Объемная деформация зависит от напряжения поля. При электрострикции эта зависимость имеет вид.

_v = (3.8)

где _v = — объемная относительная деформация -; А - коэффициент пропорциональности, зависящий от сжимаемости ( b ), плотности ( r ) и диэлектрической проницаемости диэлектрика ( e ),

; (3.9)

Е- напряженность поля.

Затраты энергии для создания напряженности поля, равной e, составляют

, (3.10)

где S - площадь электродов; d - расстояние между электродами.

Тогда величину объемной деформации можно выразить через соотношение

, (3.11)

т.е. интенсивность деформаций диэлектрика, а следовательно, и разрушение частиц в диэлектрике прямо пропорционально сжимаемости и плотности диэлектрика, мощности генератора и обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости и объему диэлектрика (обрабатываемой суспензии).

Экспериментальные исследования по определению зависимости качества глинистых растворов, обработанных методом электрострикции (электровзрывного удара), от числа импульсов проводились сотрудниками института коллоидной химии и химии воды АН УССР под руководством Н.Н. Круглицкого [15] .

Эксперименты проводились с помощью генератора с напряжением 45 кВ, емкостью С= 0,3 мкф и частотой  = 5 - 8 Гц.

Рис.3.3.Зависимость параметров 3% бентонитового раствора от числа импульсов генератора.

Рис.3.4. Зависимость параметров 5% раствора палыгорскита от числа импульсов генератора.n

В табл. 3.3 приведены данные исследований, а на рис.3.3 и 3.4 показаны зависимости параметров глинистых растворов, обработанных этими способами, от числа импульсов.

Из экспериментальных данных видно, что свойства растворов бентонита и палыгорскита с малым содержанием твердой фазы при обработке методом электрострикции существенно улучшаются.

Таблица 3.2.