Зависимость прочности структуры и водоотдачи бентонитового раствора от его концентрации.

Структурирование промывочной жидкости за счет диспергирования тердой фазы .

Из формул (2.1) и (2.2) 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 других 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.

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.

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 e_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.

Химический метод диспергирования (пептизация) твердой фазы заключается в расщеплении ее частиц за счет удаления сшивающих частиц обменных поливалентных катионов Ca²⁺, Mg²⁺ или реагентов, способствующих деструкции сложных структур.

Для возможности удаления ионов Ca²⁺ и Мg²⁺ необходимо, чтобы пептизатор хорошо растворялся в воде; хорошо взаимодействовал с ионами Са²⁺ и Мg²⁺ и при взаимодействии образовывал нераcтворимые или малорастворимые соли, выпадающие в осадок из раствора. К таким пептизаторам относят щелочи, соли одновалентных металлов: угольной, фосфорной и кремниевой кислот.

На рис. 2.1 показаны результаты экспериментальных исследований И.Н. Резниченко и Н.Е. Шептало по определению влияния различных реагентов на коллоидальность и пептизацию глинистого раствора.

На рисунке видно, что эффективная пептизация глин наблюдается щелочными электролитами NaРО₄, Na₂CO₃, NaOH, при их небольшой концентрации (до 1%). При больших концентрациях щелочных электролитов наблюдается обратный процесс - сшивание глинистых частиц.

Химический способ диспергирования лигнина заключается в термоокислителъной деструкции сетчатой структуры полимера под воздействием горячих кислот: азотной, серной и др. Известно, что у разветвленных полимеров связи между боковыми цепями и главной цепью менее прочна, чем в главной цепи. Поэтому разветвленные полимеры (в том числе гидролизный лигнин) при химическом диспергировании (термоокислительной деструкции) расщепляются на отдельные фрагменты, способные к активации и растворению в воде.

Химическое диспергирование (расщепление) ассоциатов полимеров и повышение растворимости в воде производят посредством их гидролиза (полиакрилнитрил), активации (КМЦ) или частичной дезактивации (ММЦ), о чём будет сказано ниже.Химический способ диспергирования имеет также ряд недостатков. Главные из них два: 1) невозможно вводить значительное количество щелочи, вследствие чего степень диспергирования частиц невелика, 2) прочность структуры не повышается, а понижается.