Дисперсные системы и промывочные жидкости - Ньютоновские жидкости

Ньютоновские жидкости

 

Жидкости, течение которых отклоняется от закона Ньютона, получили название неньютоновских.

При введении дисперсной фазы  в ньютоновскую жидкость до определенной величины объема вязкость будет увеличиваться и линейная зависимость между т и du/dnне будет нарушаться. По А. Эйнштейну, вязкость такой дисперсной системы μд в зависи­мости от концентрации определяется по выражению μд = μ(1+aСv), (I.7) где a — постоянный коэффициент, зависящий от формы частиц, для частиц круглой формы а = 2,5; СV— объемная концентрация дисперсной фазы.

Формула (I.7) получена в предположении, что раствор очень разбавленный, т. е. настолько, что расстояния между частицами весьма велики по сравнению с их размерами.

Однако при достижении определенного объема заполнения твердой фазы такая линейная зависимость нарушается, что вос­принимается как аномалия вязкости. В зависимости от вида дисперсной фазы и ее концентрации такие системы, часто назы­ваемые пластичными или вязко-пластичными, могут прибли­жаться по свойствам к жидким или твердым телам.

Благодаря возможности непрерывно восстанавливать разру­шенные контакты, дисперсные системы с коагуляционно-тиксо-тропной структурой способны при малых скоростях сдвига течь с высокой, но вполне измеримой вязкостью без заметного разру­шения внутренней структуры (ползучесть). С увеличением ско­рости сдвига не все разорванные связи успевают восстанавли­ваться, и тиксотропная система при каждом режиме течения ха­рактеризуется определенным динамическим равновесием между процессами разрушения и восстановления структуры. Зависи­мость прочности динамической структуры дисперсных систем от скорости сдвига и обусловливает непостоянство их вязкости, или аномалию вязкости.

Для того чтобы вывести тиксотропную промывочную жид­кость из состояния равновесия, требуется приложить определен­ное усилие. Поэтому на графиках (рис. 4) реологическая кривая таких жидкостей не проходит через начало координат и проч­ностные характеристики дисперсной системы можно оценивать количественно.

По Максвеллу, все реальные тела можно расположить в ряд между упруго-твердыми и маловязкими жидкостями по периоду релаксации. Под релаксацией понимают постепенное само­произвольное «рассасывание» упругих напряжений при постоян­ной деформации. Природа этого явления обусловлена непрерыв­ным хаотическим тепловым движением частиц тела, в результа­те которого рассеивается, переходя в тепло, запасенная при де­формировании упругая энергия. Период релаксации определяет время (в с), необходимое для уменьшения упругих напряжений в е раз (е — основание натуральных логарифмов). Период ре­лаксации λ= μ/E (I.8) где Е — модуль Юнга.

Отношение времени действия силы к периоду релаксации оп­ределяет поведение данного тела, как твердого, так и жидкого. При этом любая жидкость может рассматриваться как упругое тело, если время действия силы намного меньше периода ре­лаксации. Напротив, твердое тело обнаруживает способность течь, если время действия силы больше периода релаксации.

Можно было бы, например, ходить по воде, не погружаясь в нее, если бы время каждого шага не превышало периода ре­лаксации для воды, т. е. ничтожно малой величины по сравне­нию с измеримыми (для воды μ=0,001 Па•с, E=1•1010 Па, λ= 1•10-13 с). Для более вязких жидкостей периоды релакса­ции вполне измеримы. Напри­мер, для битумов и асфальтов их можно непосредственно из­мерить.

Следовательно, период ре­лаксации — основная констан­та, объединяющая свойства твердого тела и жидкости. Пе­риод релаксации имеет боль­шое значение для оценки ус-стойчивости промывочных жидкостей и нетвердеющих тампонажных растворов в трещинах горных пород при борьбе с по­глощениями.

Все дисперсные структурированные системы в реальных ус­ловиях обладают различными упругими, вязкими, пластически­ми свойствами. Желая подчеркнуть преобладание одних свойств над другими, вводят соответствующие названия тел (систем): уп­ругое, упруго-вязкое, упруго-вязко-пластичное, вязко-пластичное и т. д.

Судить о характере деформационных процессов, протекаю­щих в системе, позволяют механические модели, которыми ус­ловно представляют реальные жидкости или тела. Модели отра­жают наиболее существенные свойства реальных тел. Упругое тело изображается пружиной, мгновенно изменяющей длину в за­висимости от величины приложенной силы (рис. 5, а), вязкое тело моделируется невесомым поршнем, свободно двигающимся в цилиндре с вязкой жидкостью (рис. 5,6). Пластическое тече­ние моделируется элементом сухого трения — ползуном (рис. 5, в). Более сложные реологические тела моделируются комбинацией приведенных моделей, например, вязко-пластичное тело состоит из параллельно соединенных поршня и ползуна (рис. 5,г). Каждое тело (модель) получило название по имени первого исследователя.

Количественную оценку деформационного и релаксационного процессов дисперсных систем, объединяющих все промывочные жидкости и тампонажные растворы, дают константы обобщенно­го уравнения Максвелла — Шведова и Кельвина. Относитель­ная деформация, развивающаяся за время tпри нагрузке Р =const,clip_image014

 

                                                    (I.9)

Здесь Е1 – условно-мгновенный модуль упругости, соответст­вует быстрой эластической деформации ε'о, развивающейся под действием нагрузки Р и исчезающей после разгрузки; Е2эла­стический модуль, характеризующий способность системы к мед­ленным  эластическим  деформациям  ε'2 , развивающимся после завершенной условно-мгновенной деформации; PK1 — ус­ловно-статический предел текучести, при напряжениях ниже пре­дела текучести наблюдается упругость, упругое последействие и весьма замедленное течение с максимальной вязкостью;  η1— наибольшая пластическая вязкость; η2— вязкость упругого пос­ледействия, определяющая интенсивность развития эластической деформации.

Согласно уравнению (I.9), относительная суммарная дефор­мация состоит из быстрой эластической ε0/ = Р/Е1 медленной эластической    ε/2 = Р/Е2    и     пластической     деформации     εt=

= .(P-Pki)/η1t

Используя приведенные константы физико-химической меха­ники дисперсных систем, можно для любого технологического процесса получить величины основных структурно-механических характеристик: эластичности Э=Е1/ 1 + Е2), пластичности Pk1/ η1 и периода истинной релаксации λ.

По соотношению величин деформаций εо, ε2и ε1t можно на научной основе оценить устойчивость дисперсной системы и ее пригодность для нужд бурения. Однако получение такой инфор­мации довольно сложно и требует высокой квалификации ис­следователя. Поэтому в прикладных исследованиях описание деформационных процессов, происходящих в дисперсных систе­мах, упрощают.