Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Реологические кривые стационарных систем в первом прибли­жении могут быть разбиты на вязкие, вязко-пластичные, аномаль­но вязкие и аномальные вязко-пластичные. К нестационарным си­стемам относятся тиксотропные и антитиксотропные системы.

Вязкие жидкости (модель Ньютона). Эту группу представля­ют жидкости, которые называются ньютоновскими, так как они подчиняются закону трения Ньютона: —

(II.6)

‘ du

Т = {А — ,

где р — коэффициент внутреннего трения или динамической (аб­солютной) вязкости.

Основными представителями ньютоновских жидкостей являют­ся вода, керосин, некоторые сорта нефтей, бензины и т. д.

Графически в системе координат т—du/dy зависимость (II.6)’ выражается прямой, проходящей через начало координат (прямая ОС на рис. 1) с угловым коэффициентом, равным Г/р. Для харак­теристики ньютоновских жидкостей достаточно знать всего лишь один параметр, а именно, коэффициент динамической вязкости р.

(П-7)

В гидравлике известно еще понятие кинематической вязкости v, представляющей собой отношение динамической вязкости к плот­ности: «

,V = Ц/р.

Поскольку в случае внутреннего трения имеет место перенос импульса (выравнивание скоростей), а размерность v совпадает с размерностью коэффициента диффузии, то по своей физической сущности кинематическая вязкость представляет собой как бы ко­эффициент диффузии для скорости.

Единственный вид деформации идеально вязких жидкостей — течение, которое начинается при самом незначительном напряже­нии сдвига, причем величина деформации, оцениваемая градиентом скорости, прямо пропорциональна напряжению.

Вязко-пластичные жидкости (модель Бингама). Впервые подоб­ного рода системы обнаружили Бингам и Грин, исследуя концент­рированные суспензии глины и. масляные краски. Они же ввели по­нятие о вязко-пластичной модели и предложили для ее описания следующую зависимость: ,

где д—предельное напряжение сдвига; т)— пластическая вяз­кость.

Однако в настоящее время, по крайней мере в практике ис­следования буровых растворов, за величиной О утвердился термин «статическое напряжение сдвига», а за величиной т] — «структур­ная вязкость».

Из зависимости (II 8) следует, что модель Бингама представ* ляет собой идеализированное пластическое тело, сопротивляющееся г пластической деформации не только за счет своего статического ^напряжения’сдвига (предела текучести) •&, но также и за счет структурной (пластической) вязкости. Деформация в вязко-пла­стичной жидкости начинается только лишь после того, как напря­жение достигнет некоторого предела, выше которого величина де­формации так же, как и в случае вязкой жидкости, прямо про­порциональна напряжению.

Таким образом, для характеристики реологической кривой, изо­бражающей поведение тела. Бингама (рис. 1,д), следует знать уже не один, а два параметра — угол наклона прямой Л1С1, рав­ный обратной величине структурной вязкости т|, и величину отрез­ка, отсекаемого этой прямой на оси напряжения, т. е. величину[3] статического напряжения сдвига О.

Если, поступая формально, величину вязкости определять из выражения типа (II.6), то получится так называемая эффектив­ная или кажущаяся вязкость, которая в отличие от величин р и, т| не будет оставаться постоянной для различных точек реологи­ческой кривой. Такая вязкость обозначается обычно через х’ и для данного типа кривой будет выражаться зависимостью

du du Ни dy Ну Ну

Графически она выразится как величина, обратная коэффици­енту наклона прямой, проведенной из начала координат к любой точке, например точка Мх на. рис. 1,д реологической кривой АСи Аномально вязкие системы (модель Оствальда). Для аномаль — • но вязких систем характерным является наличие нелинейной кри­вой течения, проходящей через* начало координат (см. кривые на рис. 1,6, в, г). Наиболее полная реологическая кривая такой си­стема была получена Оствальдом и носит его имй (рис. 1,6) . Для описания всей такой кривой предложено множество эмпирических уравнений, однако чаще всего ограничиваются рассмотрением только нижней части .этой кривой, для которой в силу своей про­стоты и удобства широкое применение нашла степенная зависи­мость Де Вале — Оствальда:

(ILIO)

% = kyn — k{HujHy)n,

где k — мера консистенции1 системы: чем больше её вязкость, тем больше k п—показатель неньютоновского поведения. В частном случае, когда п=, то & = р, т. е. имеет место. ньютоновская жидкость.

По аналогии с выражением (II.9) для данной системы эффек­тивная вязкость т)’ должна определяться из зависимости,

(II. II)

Если для какой-либо исследуемой кривой показатель неньюто­новского поведения я<1, то в этом случае с возрастанием скоро­сти сдвига (градиента скорости) кажущаяся (эффективная) вяз­кость понижается. Реологическая кривая в этом случае также на­чинается с нуля, что уже говорит о том, что рассматриваемое тело представляет собой жидкость. Тем не менее, так как исследовать течение при малых напряжениях затруднительно, может создаться впечатление, что имеет место пластичность, которой на самом деле нет. Поэтому такие тела называют псевдопластичными жидкостями или псевдопластиками (см. рис. 1,в).

В случае, когда п> 1, с возрастанием скорости сдвига (гради­ента скорости) кажущаяся (эффективная) вязкость повышается. Жидкости, описываемые такого рода кривыми, получили назва­ние дилатантных[4] (см. рис. 1, г).

Как указывает У. Л. Уилкинсон, вообще говоря, п может изме­няться от ряда факторов и, в частности, от скорости сдвига (гра­диента скорости). Но в инженерной практике обычно рассматри­вается какой-либо ограниченный диапазон скоростей, для которого всегда можно принять п—const.

Аномально вязко-пластичные тела (модель Шведова). В этом случае имеет место кривая, показанная на рис. 1, е. Для характе­ристики всей кривой А2ВС2 предложено несколько зависимостей, но для практических целей считается возможным рассматривать не всю кривую А2ВС2, а только ее прямолинейный участок ВС2. В Зтом случае уравнение (II.8) принимает вид (

(11.12)

где под то имеется в виду отрезок OD на ори напряжений, отсекае­мый при продолжении прямолинейного участка ВС2 кривой А2ВС2 до пересечения с осью абсцисс.(тело Шведова — Бингама).

В литературе величина то известна под названием динамическо­го напряжения сдвига.

Если статическое напряжение сдвига характеризует величину сдвига в момент начала движения, системы (например, отрезок ОА2 на оси напряжений реологической кривой, см. рис. 1,е),,то динамическое напряжение сдвига есть понятие чисто условное и должно мыслиться как минимальное напряжение (отрезок OD на оси т), которое необходимо приложить к аномальной вязко-пла­стичной жидкости, чтобы она могла рассматриваться как бинга — мовское вязко-пластичное тело, т. е., если кривая А2ВС2 будет за­менена прямой DBC2. Непосредственно измерить величину то цель — зя никаким прибором.

Таким образом, принципиально важно различать по своему ка­чественному содержанию выражения (II.8) и (11.12). Тогда как первое предназначено для характеристики реологической кривой, характеризующейся всеми двумя параметрами -0 и tj (кривая на рис. 1, <5, тело Бингама), то (11.12) должно описывать лишь пря­молинейный участок реологической кривой, для полной характе — (ристики которой нужно знать не две, а три величины: ‘(►, г) и т&.

В большинстве случаев динамическое напряжение сдвига то оказывается больше статического б[5] и это обстоятельство тесно свя­зано с физико-химической природой суспензии. Наибольшее рас­хождение между то и “в — наблюдается в системах, где сильная тик- сотропия. В этих случаях величина Ф может оказаться большей, чем то. А в суспензиях, имеющих сравнительно небольшое коли­чество высококоллоидных фракций, не подвергавшихся процессу коагуляции 1, эти два показателя почти равны.

Выражение эффективной вязкости для кривой, характеризую­щейся зависимостью (11.12), получается из формулы

■ . <1ЫЗ>

Так как в большинстве практических случаев приходится при­менять то, а не О, то обычно пользуются только формулой (11.13), записывая г’ без какого-либо индекса.

Можно заметить, что зависимости для всех реологических ста­ционарных жидкостей могут быть объединены одним общим выра­жением типа

• f dun —

T = fe^—J +0 = *Yn-fe. (11.14)

Действительно, при 0 = 0 и пф0 зависимость (11.14) обраща­ется в степенной закон (11.10). При значении 0 = 0 и л=1 она пе­реходит в закон трения Ньютона, причем при этом автоматически k — ]i. Если 0^=0 и п— 1, могут быть два варианта; 0=0; тогда имеет место бингамовский пластик, или 0=то и речь идет о теле Шведова — Бингама. Исходя из зависимости (11.14), выражение для эффективной вязкости должно быть записано в виде

„.„JL_kf±Y~’■ 6

… — (JI.15)

Y dy / du/dy

Отметим, что известны и другие обобщенные реологические мо­дели, например 3. П. Шульмана, Кессона — Шу’льмана, Г. Г. Га — бузова [Ю] и др., предназначенные для описания одномерного те­чения сложных реостационарных сред.

Тиксотропные и антитиксотропные системы. Многие системы, об­ладая свойством застудневания, т. е. образования структуры по истечении определенного времени спокойного состояния, затем, после перемешивания снова принимают разжиженное состояние. Указанное свойство называется тиксотропией ’, и для его оценки принято измерять статическое напряжение сдвига системы дваж­ды (после интенсивного перемешивания): через 1 и через 10 мин. Значения величин Oi и Ою дают лишь приближенное представле­ние о характере тиксотропии исследуемой системы, но другой ме­тодики пока нет. При снятии прямой и обратной кривых течения для тиксотропных материалов можно получить так называемую петлю гистерезиса[6], которая получается из-за несовпадения этих кривых между собой.

При восстановлении тиксотропной структуры могут возникнуть условия, при которых величина статического напряжения сдвига окажется меньше той, которой он обладал при длительном спо­койном состоянии. Поэтому величину тиксотропии особенно, важно учитывать при расчетах пусковых давлений на насосах, при рас­четах осаждения выбуренных частиц в моменты простоя скважины и т. п.

В отличие от тиксотропных структур различают антитиксотроп — ные (реопектические[7]) системы, которые обнаруживают эффект структурообразования при сдвиге и механическое разрушение (де­струкцию [8]) в состоянии покоя. Примерами таких систем могут быть суспензии гипса, разбавленные водные растворы бентонита и некоторые другие.

Комментарии запрещены.