Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Реологические свойства определяют основную характеристику про­мывочной жидкости — режим течения, от типа которого зависит интенсив­ность теплообмена и характер кавернообразования ствола скважины. Реологические свойства оказывают также влияние на устойчивость от­таявшей приствольной зоны. Более детально на этих вопросах остановим­ся в дальнейшем.

Пластическую вязкость промывочных или цементных растворов бин — гамовскоготипа можно найти из уравнения Муни [Урьев Н. Б. 1980 г.] :

Л = Лоехр[2,5ф/(1— ф/ф)], (1.20)

где ло — вязкость жидкой фазы раствора; <рр=Ут/У и Ф=Утах/У — фактическая и предельно возможная объемная концентрация твердой фа­за; W и Vmax — фактический и максимально возможный объем твердой фазы в единице объема суспензии У.

Из формулы (1.20) следует, что пластическая вязкость жидкостей за­висит от трех факторов: т|о, Ф и 1р. Так, с изменением вязкости жидкой фа­зы раствора т|о во столько же раз изменяется пластическая вязкость. Чем выше концентрация твердой фазы ф, тем выше я — Например, пластиче­ская вязкость утяжеленных буровых растворов или просто растворов с избытком твердой фазы всегда выше в сравнении с неутяжеленными. Тип твердой фазы влияет через значение <р. Из формулы (1.20) следует, что с возрастанием ф пластическая вязкость понижается, и наоборот. Зна­чение ф можно определить экспериментально [51]. Для этого достаточно найти объем, занимаемый просушенной твердой фазой в мерном стакане после уплотнения, например встряхиванием. Зная объем и массу твердой фазы, находим насыпную плотность q„. Отсюда по плотности твердой фа­зы qt находим ф = Qh/Qt- В качестве примера приведем ориентировочный диапазон изменения <р твердой фазы различного типа: бентонит 0,28— 0,32; барит 0,58—0,62; кварцевый песок 0,58—0,63; портландцемент 0,51 — 0,56.

Следует особо подчеркнуть, что выражение (1.20) позволяет опреде­лить минимальное значение вязкости. Для определения фактического значения нужно принять во внимание тот факт, что на поверхности твер­

дой фазы (в основном коллоидного размера) образуются граничные слои воды с особой структурой. Это приводит к повышению кажущегося объема твердой фазы <р и соответственно вязкости раствора [51]. Таким образом, формула (1.20) позволяет определить минимальную вязкость, а с учетом граничных слоев воды и фактическое значение вязкости промывочной жидкости с полностью разрушенной структурой. Например, такую вяз­кость имеет раствор. в насадках долота (на забое) или в элементах цирку­ляционной системы при достаточно высоких значениях градиента скорости сдвига.

Выражение (1.20) при малой концентрации твердой фазы (pCqT прини­мает вид

tj = т)оехр(2,5ф). (1-21)

Разложим экспоненциальную функцию в ряд:

ехр(2,5Ф) = e2,5f = 1 +2,5<р+^-(2,5ф)2-|-^-(2,5ф)3+… (1.22)

Пренебрегая вследствие малости членами ряда начиная с третьего, вместо уравнения (1.20) получим

П = т|о(1+2,5ф). (1.23)

Это есть известное уравнение Эйнштейна, полученное для ньютоновских жидкостей, загущенных сферическими монодисперсными частицами при малой их концентрации и отсутствии сил сцепления.

Предельное динамическое напряжение сдвига то в модели (1.4) с не­которым допущением можно представить как напряжение трения между частицами твердой фазы. Этому физическому толкованию наиболее близ­ко соответствуют данные, представленные на рис. 1.3. Если дисперсная фаза содержит уже небольшое количество коллоидной фракции, то воз­никает молекулярное сцепление этих частиц. В результате возрастает то, так как к обычному трению добавляются силы сцепления.

Для буровых и цементных растворов характерно два режима течения: ламинарный и турбулентный. Режим течения потока ньютоновской жид­кости зависит от безразмерного числа Рейнольдса Re. В трубах круглого и кольцевого поперечного сечения критическое Re для практических ус­ловий можно принять 2100. Имеется в виду, что для круглой трубы Re = vdoQ/ц, а для трубы кольцевого поперечного сечения Re = =5(D—

Экспериментальные исследования показывают, что момент нарушения ламинарного режима течения вязкопластической жидкости можно опре­делить из сопоставления обобщенного числа Рейнольдса [37]

Re* = 2100+7,ЗНе0’58,

где Re* = Укр^оеЛь Не = TodoQ/л2 — критерий Хедстрема, и обычного числа Рейнольдса

Re = vd0Q/r.

При Re^Re* или у^укр происходит нарушение ламинарной формы те­чения [37]. В выражениях (1.24) и (1.25) в качестве характерного раз­мера принят диаметр круглой трубы. Для трубы кольцевого поперечного сечения (затрубное пространство) вместо do следует подставить D—d. По­лагая в формуле (1.24) то = 0 (ньютоновская жидкость), получим крити­ческое значение числа Re = 2100.

Более простая формула, которая в практических условиях обычно справедлива для круглой и кольцевой труб, имеет вид [64]

уКр = 25 /то/о,

где укр — критическая скорость течения жидкости.

Если фактическая скорость течения Z><yKp, то режим течения жидкости ламинарный, и наоборот.

Материал разделов 1.1 —1.3 дает представление о гидродинамической картине течения промывочных жидкостей. В последующем изложении этот материал будет использован при интерпретации экспериментальных результатов, обосновании некоторых теоретических положений, а также при изложении вопросов практического использования явлений теплооб­мена для совершенствования технологии бурения мерзлых пород.

Комментарии запрещены.