Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Одной из основных функций промывочной жидкости является обес­печение устойчивости ствола скважины — предупреждение кавернообра — зования. Исследования показывают, что предупредить или резко ограни­чить кавернообразование можно путем поддержания определенных реоло­гических показателей. Промывочные жидкости являются сложными сис­темами, и реологического закона для них обычно не существует. Поэтому для характеристики потока используют приближенные закономерности, называемые моделями. Прежде чем перейти к реологическим моделям промывочных или цементных растворов, остановимся на фундаменталь­ном законе, называемом законом трения Ньютона. Целесообразность этого обусловлена двумя основными причинами: 1) закон трения Ньюто­на — базовая часть реологических моделей; 2) жидкая фаза промывоч­ных и цементных растворов обычно является ньютоновской жидкостью, вязкость которой оказывает существенное влияние на реологию раст­воров.

Рассмотрим течение ньютоновской жидкости между двумя параллель­ными пластинами (рис. 1.1). Нижняя пластина неподвижна, а верхняя движется в собственной плоскости с постоянной скоростью vB. Опыт по­казывает, что жидкость прилипает к обеим пластинкам. Поэтому, ско­рость жидкости около нижней пластины будет равна нулю, а возле верх­ней равна vB. Опыт также показывает, что распределение скоростей жид­кости между пластинами является линейным:

v = vBy/h. (1.1)

Выражение (1.1) в буквенной форме представляет результаты опытов: при у=О (нижняя неподвижная пластинка) о=0, при y=h (верхняя подвижная пластина) v=vB.

Чтобы существовало течение, изображенное на рис. 1.1, между жид­костью и верхней пластиной должна иметь место сила трения. Опыт по-

Рис. 1.1. Распределение скоростей в ньютоновской жидкости между парал­лельными плоскими стен­ками при движении верх­ней стенки вправо.

называет, что эта сила (на единицу площади пластины — напряжение трения) пропорциональна скорости верхней пластины ив и обратно про­порциональна расстоянию между пластинами Л:

т = щ»в/й. (1.2)

Если в пространстве между пластинами выделить тонкий слой жид­кости dh, то выражение (1.2) примет общую форму

т = pdv/dh = ру. (1.3)

Коэффициент пропорциональности р, зависит от природы жидкости. Он мал, например, для воздуха, воды или спирта, но велик для масел и гли­церина. Таким образом, р есть физическая характеристика жидкости, называемая динамическим коэффициентом вязкости или просто вязкостью жидкости. Равенство (1.3) называют законом трения Ньютона. Он точно описывает картину течения простых жидкостей, называемых ньютонов­скими. К ним относятся все газы, жидкости и растворы с небольшой молекулярной массой (вода, минеральные масла, водные растворы солей, спирты, глицерин, бензин, дизтопливо, беспарафинистые нефти и т. п.). К этому классу можно отнести ньютоновские жидкости с малым содержа­нием частиц твердой фазы, которые не оказывают друг на друга взаимно­го влияния. Более подробно на системах такого рода остановимся в даль­нейшем.

Экспериментальная зависимость т—у ньютоновской жидкости — вод­ного раствора глицерина — приведена на рис. 1.2. Жидкости с такими свойствами использовались в опытах, описанных в гл. 3. График представ­ляет собой прямую линию, выходящую из начала координат, и вязкость есть тангенс угла наклона прямой к оси ц = т/^. Физический смысл вязкости в качестве меры передачи количества движения от одного слоя к другому (см. рис. 1.1) в основном связан с особенностями поведения жидкостей при сдвиговых деформациях: вязкость — сила трения на еди­ницу площади между слоями жидкости, отстоящими друг от друга на еди­ничном расстоянии, при единичной разности скоростей между ними. Таким образом, для ньютоновских жидкостей при установившемся ламинарном

Рис. 1.2. Реологическая зависи­мость ньютоновской жидкости (вод­ного раствора глицерина) с различ­ной вязкостью при 28 °С.

течении характерно наличие одного напряжения трения, которое соглас­но закону (1.3) пропорционально градиенту скорости сдвига и обуслов­лено вязкостью.

В отечественной практике применительно к буровым и тампонажным растворам используют модель трения Шведова — Бингама

т = io—Tdv / dh = то+цу. (1.4)

Согласно выражению (1.4) для установившегося ламинарного потока буровых жидкостей характерно два вида напряжений трения: 1) вязкост­ное трение, пропорциональное градиенту скорости сдвига цу, т. е. со­ответствующее равенству (1.3); 2) динамическое напряжение сдвига, обусловленное трением твердых частиц, то. По этой причине промывочные или цементные растворы, удовлетворяющие зависимости (1.4), называют вязкопластичными или бингамовскими. При т0 = 0 модель (1.4) перехо­дит в закон Ньютона (1.3), т. е. пластическая вязкость ц принимает смысл динамической или ньютоновской вязкости. Таким образом, модель (1.4) характеризуется двумя реологическими постоянными: пластической вяз­костью и динамическим напряжением сдвига.

В качестве примера жидкостей, удовлетворяющих модели Шведова — Бингама (1.4), на рис. 1.3 приведены результаты реологических измере­ний раствора портландцемент — вода через 2 мин перемешивания и порт­ландцемент — этиловый спирт. Объемная концентрация твердой фазы — портландцемента — принималась равной 0,39. Результаты измерений име­ют прямолинейный характер, т. е. вязкость систем не зависит от скорости сдвига и равна т) = (т—то)/у. Прямолинейный характер зависимости т — у объясняется тем, что в течение малого периода перемешивания портландцемента и воды не успевают образоваться продукты реакции кол­лоидного размера, обладающие молекулярными силами сцепления. В сис­теме цемент — спирт сцепление частиц твердой фазы отсутствует вообще. Из данных рис. 1.3 следует, что в растворах такого типа динамическое и статическое напряжения сдвига равны между собой: то=0. Анало-

Рис. 1.3. Реологическая зависи­мость неньютоновских жидкостей при 20 °С.

1—портландцемент—этиловый спирт (то=25 Па, i)=0,036 Па-с); 2 — порт­ландцемент— вода (то=15 Па, »i= =0,06 Па-с).

г, Па

гичная картина будет иметь место для промывочных жидкостей с грубо­дисперсной твердой фазой.

Если в растворе имеется дисперсная фаза коллоидной фракции, то экспериментальная зависимость имеет непрямолинейный характер (рис. 1.4—1.6). Непрямолинейный характер кривой т —у объясняется тем, что при более высоких скоростях сдвига молекулярные связи между частицами коллоидной фракции разрушены в большей степени. Начиная с определенных значений скоростей сдвига эти связи разрушаются пол­ностью и зависимость принимает прямолинейный характер. Продолжение прямолинейного участка реологической кривой до пересечения с осью ор­динат дает динамическое напряжение сдвига, а тангенс угла наклона к оси абцисс — пластическую вязкость. Таким образом, для растворов с непря­молинейной зависимостью т —у модель (1.4) справедлива в диапазоне скоростей сдвига соответствующих прямолинейному участку кривой.

Более широкий диапазон изменения скоростей сдвига можно охва­тить с использованием степенной модели Рейнера—Оствальда

т = ky

где к ил — показатели консистенции и неньютоновского поведения про­мывочной жидкости.

При л = 1 выражение (1.5) трансформируется в равенство (1.3), т. е. модель Рейнера — Оствальда переходит в закон Ньютона, а показатель консистенции принимает смысл динамической вязкости. Модель (1.5) может точно описать кривую течения (рис. 1.4) в широком диапазоне ско­ростей сдвига, но в большинстве случаев справедлива в определенном и подчас узком диапазоне изменения у- Примеры такого рода приведены на рис. 1.5 и 1.6. Исследованные здесь жидкости использовались в экс­периментах, описанных в гл. 3.

Комментарии запрещены.