ВЯЗКОСТЬ
Вязкость, как уже отмечалось, — один из важнейших параметров промывочной жидкости. Она определяет не только величину гидравлических сопротивлений в циркуляционной системе скважины, но и характер и величину проникновения промывочной жидкости в поры и трещины горных пород. С ростом вязкости ухудшаются условия очистки скважины от шлама и резко падает механическая скорость бурения. На рис. 12 показан характер уменьшения механической скорости бурения в осадочных породах (1 — алевролит, 2 — глина) с увеличением вязкости глинистого раствора.
Вязкость промывочной жидкости по возможности следует поддерживать минимальной. Лишь в породах, склонных к поглощению, ее необходимо повышать. В ряде случаев величина вязкости обусловливается ее связью с другими параметрами, например плотностью.
Рис. 12. Зависимость скорости бурения от вязкости промывочной жидкости
Рис. 13. Полевой вискозиметр ВБР-5
В полевых условиях измеряют так называемую условную вязкость промывочных жидкостей, которую обозначают буквой Т. Для этого используют капиллярный воронкообразный вискозиметр ВБР-5 (рис. 13). Прибор ВБР-5 состоит из воронки 2 Объемом 700 см3 с сеткой 1 и мерной кружки 3 Объемом 500 см3.
Измерения выполняют следующим образом. Взяв в руку воронку, устанавливают сетку на выступы, зажимают нижнее отверстие пальцем правой руки и заливают через сетку испытуемую жидкость до верхней кромки вискозиметра. Подставив мерную кружку под трубку вискозиметра, убирают палец и одновременно включают левой рукой секундомер. Воронку необходимо держать вертикально (допустимое отклонение не выше 10°). Когда кружка наполнится до края, останавливают секундомер, а отверстие воронки вновь закрывают пальцем. Время истечения 500 см3 промывочной жидкости в секундах характеризует условную вязкость.
Так как в дисперсных коллоидных системах в состоянии покоя или медленного течения неконтролируемо образуется структура, это может привести к искажению результата. Поэтому для. уверенности измерения выполняют 2—3 раза. После каждого измерения воронку, сетку и кружку надо тщательно промыть водой.
Воронка вискозиметра имеет в верхней части приспособление, позволяющее подвешивать ее на стойке в вертикальном положении. Периодически вискозиметр следует проверять путем определения его постоянной: времени истечения 500 см3 чистой воды. Постоянная вискозиметра должна быть 15±0,5 с.
Хотя условная вязкость зависит от величины структурной вязкости, динамического и статического напряжений сдвига, теоретически она достаточно строго не обоснована. Истечение из воронки вискозиметра происходит при переменном давлении столба жидкости, высота которого в процессе опыта уменьшается. Условная вязкость дает самое общее представление о вязкостных свойствах промывочной жидкости, и лишь огромный опыт использования ВБР-5 и простота конструкции этого прибора обеспечивают его широкое распространение.
Динамическую и структурную вязкость определяют только в хорошо оснащенных лабораториях на вискозиметрах более сложной конструкции. Лабораторные вискозиметры могут быть капиллярными, ротационными или основанными на измерении силы сопротивления при перемещении твердого тела в испытуемой жидкости. Наиболее распространены ротационные вискозиметры.
Градиент скорости и напряжение сдвига — непостоянные величины в радиальном направлении. Неоднородное напряженное состояние несущественно при обработке результатов испытаний жидкости, подчиняющихся закону Ньютона, но играет большую роль для аномально-вязких материалов. Поэтому с целью получения однородного поля скоростей (и напряжений) при исследовании неньютоновских жидкостей стремятся использовать вискозиметры с небольшими зазорами между измери тельными цилиндрами (<10% от радиуса подвижного цилиндра).
При определении вязкости используются следующие теоретические зависимости (рис. 14).
Рис. 14. Принципиальная схема ротационных вискозиметров
Рис. 15. Прибор для измерения реологических параметров промывочных жидкостей ВСН-3
Для ньютоновской жидкости
Отсюда
Здесь М — момент, обусловленный силами трения; ω — угловая скорость подвижного цилиндра; RH—радиус наружного цилиндра; RЬ — радиус внутреннего цилиндра; L — высота слоя жидкости в зазоре между цилиндрами.
При постоянной величине L выражение
Является константой прибора. Обозначив ее А, Получим
По этой же формуле определяется эффективная вязкость неньютоновской жидкости.
Зависимость, из которой вычисляется структурная вязкость,
Имеет следующий вид
|
И ln |
|
Величины |
Для конкретного прибора являются постоянными.
Обозначив их соответственно B И С, Получим
Для исследуемой жидкости η И τ0 — постоянные параметры Тогда зависимость между непосредственно измеряемыми вели чинами примет вид
где D=Bη; L‘ = Bcτo.
Получив минимум два значения М При соответствующих ему со, на основе выражения (Ш.7) составляем систему двух уравнений, решаем ее относительно D И Г, а затем относительно η и τ0. Чаще результаты измерений представляют графически, откуда получают коэффициент D И отрезки L‘;η, τ0.
Как правило, измерения производят при равновесных состояниях дисперсных систем, для чего вращают цилиндр до получения не зависящего от времени крутящего момента. Частоту вращения цилиндра изменяют от большей величины к меньшей В практике исследовательских работ применяют вискозиметры ВСН-2М и ВСН-3.
Прибор ВСН-3 (рис. 15) состоит из закрытого корпуса1, измерительной системы привода и стакана 4 Для испытуемой жидкости. В корпусе 1 Прибора смонтированы все механизмы вискозиметра.
Измерительная система включает подвесной цилиндр 5, Гильзу 6, Шкалу 7, Пружину 9, Крутильную головку 10. Испытуемая среда заливается в стакан 4, Который опирается на телескопический столик 3. Гильза 6 Приводится во вращение от двигателя 15 Через редуктор 2, Вал 11 И систему шестерен. Для измерения статического напряжения сдвига прибор снабжен электродвигателем 13, Который при соответствующем положении переключателя 14 Редуктора вращает через шестерню 12 Наружный цилиндр с частотой 0,2 об/мин. Конструкция прибора обеспечивает предварительное разрушение структуры промывочной жидкости путем вращения цилиндра 6 С большой частотой.
Принцип действия ВСН-3 основан на измерении момента сил трения, возникающего в кольцевом зазоре при вращении гильзы 6 И закручивающего подвесной цилиндр 5 На угол, пропорциональный возникающему моменту. Пружина 9 Создает реактивный момент, препятствующий вращению подвесного цилиндра. Угол измеряется по отклонению «нуля» шкалы 7 от риски на смотровом окне 8. Привод вискозиметра обеспечивает четыре частоты вращения (200, 300, 400, 600 об/мин) наружного цилиндра при определении динамического напряжения сдвига и структурной вязкости и одну (0,2 об/мин) при определении статического напряжения сдвига.
|
Динамическое напряжение сдвига соответственно |
|
Здесь Л И В — Константы прибора (приводятся в паспорте); |
При измерении структурной вязкости и динамического напряжения сдвига испытуемую жидкость перемешивают при частоте вращения 600 об/мин с целью разрушения структуры, а затем снимают устойчивые показания углов закручивания шкалы прибора при 600, 400, 300 и 200 об/мин (за устойчивые показания углов закручивания принимаются углы, величины которых при вращении гильзы в течение 3 мин не меняются). Структурная вязкость вычисляется по формуле
За величины структурной вязкости и динамического напряжения сдвига принимают средние значения трех измерений.
Статическое напряжение сдвига на приборе ВСН-3 определяют следующим образом. Испытуемую жидкость перемешивают в течение 1 мин при частоте вращения гильзы 600 об/мин. Жидкость оставляют в покое на 1 или 10 мин, переводят переключатель в положение «0,2», после чего производят измерение. Показание шкалы снимают в момент максимальных значений, предшествующих разрушению структуры. Статическое напряжение сдвига вычисляется по формуле
θ = Kφ, (III.10)
Где K — величина статического напряжения сдвига, соответствующая углу закручивания пружины на 1° (приводится в паспорте); φ — угол поворота измерительного элемента.
Измерения можно проводить при термостатировании контролируемой жидкости, для чего предусмотрено соединение стакана 4 С термостатом резиновым шлангом.
Сущность измерения вязкости промывочных жидкостей капиллярным вискозиметром заключается в том, что через калиброванную трубку диаметром D И длиной LПод заданным давлением пропускается испытуемый раствор. Время истечения T Заданного объема находят по секундомеру, поcле чего определяют расход жидкости Q. Такие замеры проводят при различных давлениях, и результаты наносят на график Q=F{P). Зависимость Q—Р С некоторыми допущениями принимается линейной.
|
Точка пересечения прямой с осью Р Дает отрезок |
 |
Теоретически эта зависимость выражается формулой
Структурную вязкость получают по любым двум точкам полученной прямой, дающим две пары значений Qx—p1 и Q2—Р2. Составляют два уравнения (III.11), из которых при совместном решении исключается р0 и находится η.
Динамическое напряжение сдвига вычисляется из выражения:
Приведенные расчетные формулы приближенны, так как не учитывают ряд искажающих факторов (конечную длину капилляра, эффект скольжения, концевой эффект и др.).
Схема капиллярного (трубного) вискозиметра показана на рис. 16. Вискозиметр состоит из сменной вискозиметрической трубки 1, Мешалок 2, Двух цилиндров 5 с поршнями 4, Устройства для замера объемной скорости потока 6, Регулятора давле
ния 7, автоматического переключателя 8.
Рис. 16. Схема капиллярного вискозиметра ВНИИНГП
Рис. 17. Зависимость структурной в условной вязкостей от плотности глинистого раствора
Перепад давленияв трубке измеряется с помощью образцовых манометров 9. Рабо
чие цилиндры и вискозиметрическая трубка заключены в ко-
жух 3, Что позволяет термостатировать систему при атмосферном давлении.
Переключатель 8 Обеспечивает распределение воздуха при заданном давлении поочередно в рабочие цилиндры с перемещающимися поршнями, благодаря чему создается движение жидкости в капиллярной трубке с периодическим изменением постоянной скорости по направлению. Это позволяет многократно повторять измерения на ограниченном объеме испытуемой жидкости.
Таким образом, определение η И τ0 довольно трудоемко и сложно, но крайне необходимо. Без этих параметров невозможно выполнить гидравлические расчеты.
Сложность непосредственного измерения структурной вязкости привела к появлению попыток установления конкретной связи ее с условной вязкостью. На рис. 17 приведены зависимости структурной и условной вязкости от плотности раствора, приготовленного из кыновских глин. По таким сводным графикам зная условную вязкость, можно сразу же оценить и структурную вязкость. Однако этот метод определения структурной вязкости требует большого объема предварительных исследований, правомерен для отдельных разновидностей глин лишь в определенных пределах.