Раздел 7. Промывочные жидкости для строительства скважин (стр. 5 )

Первой реологической моделью, использованной для описания реологического поведения глинистых суспензий (В. Грегори, 1927г.), была модель, которая в нашей стране известна как модель Бингама – Шведова.

,

где t0 – динамическое напряжение сдвига, Па;

h - пластическая вязкость, Па·с.

Динамическое напряжение сдвига косвенно характеризует сопротивление промывочной жидкости, возникающее при инициировании ее течения. С увеличением динамического напряжения сдвига увеличивается удерживающая способность промывочной жидкости, но вместе с тем возрастают гидравлические сопротивления в циркуляционной системе скважины, амплитуда колебаний давления при пуске и остановке насосов и выполнении СПО, а также вероятность образования застойных зон с аккумуляцией в них выбуренной породы.

Пластическая вязкость промывочной жидкости характеризует темп роста касательных напряжений сдвига при увеличении скорости сдвига. С увеличением пластической вязкости возрастают гидравлические сопротивления в циркуляционной системе скважины и снижается ресурс работы буровых насосов, а также доля гидравлической мощности, подводимой к забойному двигателю и долоту.

Промывочные жидкости, реологическое поведение которых описывается уравнением (4), называются вязкопластичными. Для реальных промывочных жидкостей при малых скоростях сдвига зависимость t= t (g) нелинейна, что не соответствует модели Бингама-Шведова. Однако этот интервал ско­ростей сдвига во внимание не принимается и динамическим напряжением сдвига tо считается значение напряжения в точке пересечения продолжения прямой t = t (g) с осью касательных напряжений (рис. 7.3). Отсюда следует, что динамическое напряжение сдвига имеет скорее математическую, чем физическую интерпретацию. Действительное же напряжение, при котором начинается течение жидкости, меньше чем t0 и называется статическим напряжением сдвига (СНС).

Таким образом, вязкопластичная промывочная жидкость характеризуется тем, что в состоянии покоя обладает пространственной структурой, достаточно жесткой, чтобы сопротивляться любому напряжению, меньшему СНС. Когда напряжение сдвига t, вызванное внешним воздействием, превышает значение СНС, структура разрушается и жидкость начинает тень. При t > t0 жидкость течет уже как обычная ньютоновская жидкость с вязкостью h. Ко­гда действующие в промывочной жидкости касательные напряжения сдвига становятся меньше СНС (t < СНС), то пространственная структура вновь восстанавливается.

Кроме основных параметров этих моделей (t0, h) для характерис­тики реологических свойств промывочных жидкостей в последние годы ши­роко используют ещё и целый ряд дополнительных параметров: коэффици­ент пластичности, эффективную вязкость при скорости сдвига, равной 100с-1, асимптотическую вязкость или эффективную вязкость при полно­стью разрушенной структуре (при скорости сдвига, равной 10 000 с-1), вязкость при низкой скорости сдвига (ВНСС).

Коэффициент пластичности промывочной жидкости (КП,) определя­ется величиной отношения динамического напряжения сдвига к пластиче­ской вязкости

, с-1

С ростом коэффициента пластичности увеличивается транспортирующая способность потока, а также гидродинамическое давление струй промывочной жидкости, выходящих из насадок долота, что обеспечивает более эффективное разрушение горных пород на забое и рост механической скорости бурения. При этом высокие значения коэффициента пластичности желательно поддерживать за счет снижения пластической вязкости промывочной жидкости, а не увеличения ее динамического напряжения сдвига.

Эффективная вязкость характеризует ту действительную вязкость, которой обладает промывочная жидкость при скорости сдвига, имеющей место в кольцевом пространстве скважины, в бурильных трубах или промывочных каналах породоразрушающего инструмента. Она является общим показателем реологических свойств промывочных жидкостей, независимо от того, какой моделью описывается их реологическое поведение.

Принцип измерения пластической вязкости и динамического

напряжения сдвига

Чтобы установить характер зависимости между касательными напряжениями и скоростями сдвига и определить значения показателей реологических свойств промывочных жидкостей, используют наиболее простые формы движения: установившееся ламинарное (слоистое) течение жидкости вдоль оси цилиндрической трубы или тангенциальное течение между двумя коаксиальными (соосными) цилиндрами, т. е. течения, при которых линии тока - прямые линии или концентрические окружности. Подобные течения реализуются в специальных приборах, называемых соответственно капиллярными и ротационными вискозиметрами, последние из которых используются гораздо чаще.

Основу ротационного вискозиметра (рис. 7.4) составляют два вертикально расположенных коаксиальных цилиндра, в зазор между которыми заливается исследуемая промывочная жидкость.

Внешний цилиндр (гильза) 1 может вращаться с различными частотами. При вращении гильзы между концентрическими слоями промывочной жидкости, находящейся в кольцевом зазоре вискозиметра, возникают касательные напряжения сдвига и обусловленный ими крутящий момент, который передается внутреннему цилиндру (измерительному элементу) 2. В результате последний поворачивается вокруг своей оси до тех нор, пока момент, развиваемый касательными напряжениями сдвига, не станет равным моменту закручивания пружины 3. Угол поворота измерительного элемента, пропорциональный величине касательных напряжений сдвига, фиксируется по шкале прибора.

В настоящее время в отечественной инженерной практике для реометрии промывочных жидкостей наиболее широко используется ротационный вискозиметр ВСН-3 (рис. 7.5).

Техническая характеристика ВСН-3

Пределы измерения касательных напряжений сдвига, Па:

для пружины № 1.................….…...........................0 - 45

для пружины № 2..................….….......................... 0 -90

Диапазон измерений динамической вязкости ньютоновских жидкостей (при 200 мин-1), Па·с:

для пружины № 1........……….……..........…..0,001 - 0,2

для пружины № 2......................…………...…0,001 - 0,4

Частота вращения гильзы, мин-1 ………....…0,2; 200; 300; 400; 600

Максимальный угол поворота измерительного элемента, рад.. 270

Наружный диаметр измерительного элемента, мм................. 39, 62

Высота измерительного элемента, мм.......…....…………......…... 60

Внутренний диаметр гильзы, мм.......……………………......……44

Потребляемая мощность, В·А.......................................….……......65

Питание от сети переменного тока напряжением 220 В, при частоте 0 Гц.

Пределы термостатирования исследуемой жидкости, °С.....….....20 - 60

Габаритные размеры, мм……………………………........278 х 192 х 525

Масса, кг.................................................................................................... 19

Таким образом, реометрические измерения на ротационном вискозиметре ВСН-3 сводятся к последовательной установке фиксированных частот вращения гильзы, (600, 400, 300 и 200 мин-1) и определению при этом устойчивых показаний углов поворота шкалы j.

Порядок работы.

1  Установить ВСН-3 на столе, не подвергающемся вибрации и тряске.

2  Проверить «нуль» шкалы прибора. При несовпадении «нуля» шкалы с визирной линией на смотровом стекле, установить «нуль» шкалы, руководствуясь, при этом инструкцией но эксплуатации ВСН-3.

3  Поставить тумблер в положение «откл» и включить вилку прибора в сеть переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

4  Надеть гильзу на шпиндель-шестерню, налить в стакан до риски испы­туемую промывочную жидкость и установить стакан на телескопический столик.

5 Измерить температуру испытуемой промывочной жидкости с точнос­тью до ближайшего деления термометра. При проведении реометрии без предварительного термостатирования промывочной жидкости ее температура должна составлять 21 ± 3 OC.

6 В тех случаях, когда температура промывочной жидкости не соответ­ствует указанной в п. 5 или требуется оценить ее реологические свойства при повышенной температуре (максимум до 60 °С), необходимо подсоединить стакан к термостату резиновыми шлангами и выдержать испытуемую про­мывочную жидкость до достижения заданной температуры.

7 Поднять телескопический столик и зафиксировать его в верхнем по­ложении поворотом по часовой стрелке.

8 Установить переключатель частот вращения гильзы в положение 600мин-1, тумблер - в положение «вкл» и перемешать испытуемую промы­вочную жидкость в течение 5 мин с целью разрушения в ней тиксотропной структуры.

9 Дождаться устойчивого, не изменяющегося при вращающейся гильзе в течение 1 мин, положения шкалы прибора и взять отсчет с точностью до 0,5 деления шкалы. Повторить измерения 1-2 раза при той же частоте вращения гильзы.

10 Провести измерения, согласно п. 9 при частотах вращения гильзы, равных 600, 300, 200 мин-1.

Примечания:

1. Измерения от момента окончания перемешивания промывочной жидкости по п. 8 и до момента снятия последнего повторного отсчета при часто­те вращения гильзы, равной 200 мин-1, должны проводиться непрерывно с минимально возможной продолжительностью для того, чтобы исключить тиксотропное схватывание и потерю устойчивости промывочной жидкости под действием центробежных и гравитационных сил.

2. При закаливании прибора, оснащенного пружиной № 1, на частоте вращения гильзы, равной 600 мин-1, необходимо продолжить измерения, перейдя на частоту 400 мин-1, а при закливании прибора и на этой частоте проводить измерения на всех частотах, используя пружину № 2.