ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы РЕОЛОГИЯ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ из "Состав и свойства буровых агентов" Реология — отдел науки, изучающий деформацию всех форм вещества, но ее наибольщие достижения связаны с изучением поведения суспензий, текущих по трубам и другим каналам. Реолога интересует прежде всего зависимость между давлением в потоке и расходом, а также влияние на эти параметры характеристик текущей жидкости. Выделяют два принципиально различных режима течения. [c.169] Уравнения ламинарного течения, связывающие поведение потока с характеристиками текущей жидкости, основаны на определенных реологических моделях, а именно ньютоновской, бингамовской вязкопластичной, псевдопластичной и дилатантной. Для специалистов по буровым растворам интерес представляют только первые три модели. [c.169] Поведение большинства буровых растворов точно не согласуется ни с одной из этих моделей, но в каждом конкретном случае с помощью одной или нескольких из этих моделей можно с достаточной для практических целей точностью предсказать это поведение. Пригодность принятой реологической модели обычно можно выявить по кривым консистенции, т. е. графическим зависимостям давления от расхода потока или напряжения сдвига от скорости сдвига (см. рис. 1.3). [c.169] В первой части этой главы будет рассмотрено теоретическое поведение потока, соответствующее трем реологическим моделям вначале при ламинарном, а затем при турбулентйом режимах течения. Во второй части главы приведены применяемые на практике уравнения гидравлики для определения давлений и скоростей потока при бурении скважин. И наконец, в главе рассматриваются некоторые проблемы, связанные с реологией буровых растворов, такие как очистка ствола скважины, отрицательные и положительные импульсы давления. [c.169] Следует отметить, что в этой главе речь идет лишь о реологии жидких буровых растворов. Реология пен рассматривается в главе 7. [c.170] График консистенции ньютоновской жидкости представляет прямую линию, проходящую через начало координат (рис. 5.2). Наклон этой линии определяет вязкость, т. е. [c.170] Единицей вязкости в метрической системе является пуаз, соответствующий напряжению (в динах на квадратный сантиметр), необходимому для создания разности скоростей 1 см/с между двумя слоями, отстоящими друг от друга на 1 см. Американская единица вязкости (рейн) аналогична пуазу, но выражается в фунтах и футах. [c.170] Ламинарное течение ньютоновской жидкости в круглой трубе можно представить в виде набора концентрических цилиндров (рис. 5.3). Скорость движения цилиндров возрастает от нуля у стенки трубы до максимума у ее оси, образуя параболический профиль скоростей (рис. 5.4). Скорость сдвига в любой точке по радиусу трубы определяется наклоном профиля в этой точке по отношению к оси трубы. Следует обратить внимание на то, что скорость сдвига максимальна у стенки трубы и равна нулю на ее оси. [c.171] Вязкость ньютоновской жидкости измеряется в капиллярном вискозиметре по времени истечения стандартного объема жидкости. Вязкость можно рассчитать с помощью уравнения (5.4) или определить путем измерения в капиллярном вискозиметре, оттарированном по жидкости известной вязкости, или с использованием константы вискозиметра, предоставляемой фирмой-из-готовителем. Большое число капилляров различных размеров дает возможность проводить измерения в широком диапазоне вязкостей. [c.172] Таким образом, эффективную вязкость можно рассматривать состоящей из двух компонентов пластической вязкости, соответствующей вязкости ньютоновской жидкости, и структурной вязкости, которая характеризует сопротивление сдвигу, вызываемое тенденцией содержащихся в бингамовской жидкости твердых частиц образовывать структуру. Как видно из рис. 5.5, хо/у составляет часть общего сопротивления сдвигу, уменьшающуюся с увеличением скорости сдвига следовательно, с ростом скорости сдвига эффективная вязкость снижается. [c.173] Следует особо отметить, что эффективная вязкость не имеет физического смысла, если не указывается скорость сдвига, при которой она измерена. Более того, как видно на рис. 1.5, она не является надежным параметром для сравнения вязкостных свойств двух жидкостей для этой цели необходимы, как минимум, два параметра. Тем не менее, эффективную вязкость, как будет показано ниже, вводят во многие уравнения гидродинамики, если известна скорость сдвига. [c.173] В бурении влияние жесткого ядра на общий расход обычно незначительно. [c.175] Пластическую вязкость и предельное динамическое напряжение сдвига бингамовской вязкопластичной жидкости лучше всего определять с помощью ротационного вискозиметра с коаксиальными цилиндрами. Важным достоинством этого прибора является то, что при частоте вращения ротора выше некоторого критического значения жесткое ядро можно исключить, в результате чего график консистенции становится линейным. [c.175] Основные элементы вискозиметра показаны на рис. 5.9. Внешний цилиндр вращается концентрично относительно внутреннего цилиндра или боба, подвешенного на торсионной проволоке. Кольцевое пространство между бобом и внешним цилиндром узкое (около 1 мм). Шкала, скрепленная с проволокой, и фиксированная стрелка позволяют измерить угол, на который закручивается проволока. [c.175] При продолжении вращения с постоянной частотой вращающий момент возрастает до равновесного значения, которое зависит от реологических характеристик жидкости. [c.176] Наклон линии при значениях угловой скорости выше критической ( йь) определяет пластическую вязкость 1р. [c.177] Значение вращающего момента, передаваемого проволоке, можно определить по отклонению шкалы и константе проволоки С. [c.177] Выпускаемые промышленностью ротационные вискозиметры с коаксиальными цилиндрами, которые подходят для исследований буровых растворов, описаны в главе 3. По принципу действия они аналогичны вискозиметру, показанному на рис. 5.9, но в них вместо торсионной проволоки применена пружина. Во всех этих приборах используется разработанная Сейвинзом и Роупером конструкция, которая позволяет очень просто рассчитывать пластическую вязкость и предельное динамическое напряжение сдвига по двум измерениям при частотах вращения 600 и 300 МИН . В настоящей главе эти вискозиметры будут именоваться вискозиметрами с непосредственным отсчетом. [c.177] Для удовлетворения этим требованиям Рь и Рс подбирались так, чтобы при ширине кольцевого пространства около 1 мм постоянные А и В были равны 300. Поэтому шг приняли 300 мин , а С01 600 МИН , При Л = 300 требовалась пружина с константой 387 дн-см/градус. При выполнении всех этих условий из уравнения (5.22) можно определить пластическую вязкость в сантипуазах, а из уравнения (5.23) —почти точное значение предельного динамического напряжения сдвига в фунтах на 100 квадратных футов. [c.178] Вернуться к основной статье