Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Значительное большинство применяемых буровых растворов по своим свойствам во многом отличается от обычной воды. Несмот** ря на это, все они могут быть названы жидкостями, ибо с точки зрения гидравлики жидкостью являются любые тела в состоянии текучести: несмотря на ризличие их молекулярной структуры, они рассматриваются как сплошные среды с непрерывным (как пра­вило) распределением в них основных физических свойств. .

Если .выделить мысленно внутри жидкости некоторый объем, находящийся в состоянии равновесия (если жидкость находится в движении, то необходимо учесть силы инерции и сопротивления*, и рассмотреть силы, которые действуют на него, то можно обнару­жить, что эти силы могут быть двоякого рода. Первые из них —> это поверхностные, т. е. такие силы, которые распределены по по­верхности выделенного объема жидкости и по своей величине про­порциональны поверхности. К ним должны быть отнесены силы трения, упругости, поверхностного натяжения, давление окружаю­щей среды и т. п. Вторую категорию составляют объемные (массо­вые) силы, действующие на всю массу жидкости или, точнее, на каждую частицу выделенного объема. Это, например, сила тяжести, силы инерции и т. д.

В общем случае вектор какой-либо силы JR, действующей на определенной площадке da, образует с внешней нормалью к этой площадке некоторый угол и поэтому может быть разложен на две составляющие — нормальную Р и касательную Т.

Нормальная составляющая вызовет деформацию сжатия. На­пряжение сжатия обозначается буквой р и называется гидроди­намическим давлением, если наблюдается в движущейся жидкости, и гидростатическим давлением, если жидкость находится в покое. В частном случае, когда давление распределено равномерно,

р — Р/(0. (II* 1)"

Составляющая Г вызывает касательное напряжение (г—Т/а), т. е. напряжение трения или деформацию сдвига. Свойство среды сопротивляться деформации сдвига называется вязкостью. Это свойство противоположно текучести. Поскольку идеальная жидкость предположительно обладает абсолютной подвижностью, то в ней отсутствует касательная составляющая и не может быть свойства вязкости.

Для измерения касательных напряжений пользуются теми же единицами, что и для измерения давления. При этом, если отсчет ведется от абсолютной пустоты, то давление называется абсолют­ным, а при отсчете от давления окружающего нас пространства (т. е. от атмосферного давления) его называют избыточным или манометрическим. Давление ниже атмосферного называется ва­куумом.

Ф. И. Шведов на примере разбавленных золей желатины впер­вые описал «несовершенные» жидкости, совмещающие в себе свойства жидкостей и твердых тел, которые с равным основанием можно назвать «несовершенными» твердыми телами. Тем самым были заложены основы реологии[1], которая занимается изучением 1

деформаций таких «аномальных тел». г

Различные жидкости могут быть аномальными во многих от­ношениях, однако все они занимают промежуточное положение между идеально вязкими (ньютоновскими) жидкостями и идеаль­но хрупкими твердыми телами (рис. 1). Последние характеризу­ются, полным отсутствием текучести и разрушаются, как только величина приложенного напряжения по своей величине переходит определенный предел. Этот предел, при котором тело под воздей­ствием приложенных внешних сил теряет способность восстанав- ;

-ливать первоначальную форму (необратимая или остаточная де­формация), называется пределом линейной упругости или преде­лом пропорциональности. При этом под упругостью понимается ■ свойство тел восстанавливать первоначальную форму при снятии деформирующей нагрузки. Соответственно тёлй, обладающие свой­ством упругости, называют упругими телами.

В случаях, когда при постоянной нагрузке, превышающей пре­дел упругости, тело медленно деформируется, принято говорить, что тело течет, а деформацию называть пластической. При этом напряжение, при котором тело начинает течь, называется преде­лом текучести, а само тело, обладающее заметной остаточной де­формацией и текучестью, называется пластичным.

Течение представляет собой один из видов[2] деформации, при котором величина деформации непрерывно возрастает под влия­нием постоянно действующей силы.

Таким образом, в общем случае величина деформаций, как и их характер, зависит от свойства тела, величины’ нагрузки, ее на* правления и т. д.

Реология устанавливает взаимосвязь между силами, действу­ющими на материальное тело, и деформациями, вызванными эти­ми силами. Основной задачей реологии является установление функциональных зависимостей между градиентом скорости тече­ния du/dy и напряжением сдвига т. Кривые, графически отобра­жающие указанные за! висимости, называются реологическими, а сами зависимости — реологическими уравнениями состояния.

В настоящее время известно множество разнообразных уравне­ний состояния, или, как их иначе называют, моделей. Также изве­стно немало попыток дать единую классификацию реологических тел. Одной из распространенных является классификация Доджа, который в зависимости от характера реологической кривой пред­ложил делить Лидкости на следующие три большие группы.

1. Жидкости, для которых скорость сдвига зависит только от приложенных касательных напряжений. Подобного рода системы описываются реологическим уравнением типа

? = /(*)* ■ (И.2)

и называются реологически стационарными жидкостями’

2. Жидкости, реологические характеристики которых зависят от времени действия касательных напряжений. .

Жидкости этой группы являются реологически нестационарны­ми и в общем случае могут быть описаны уравнением вида

‘ ‘ * f=/(r, t). (И. З)

3. Вязко-упругие жидкости, т. е. такие, которые обладают свой­ствами как твердого тела, так и жидкости и частично упруго вос­станавливают формы после снятия напряжения.

Для описания подобного рода жидкостей Максвелл предложил аддитивно объединить закон Гука и закон Ньютона в одно реоло­гическое уравнение состояния:

TOC o "1-5" h z V = — + jr. (В-4)

ц G

где G — модуль сдвига. .

Типичным примером максвеллова тела может елужить смола (сапожный вар). •

Как показывают наблюдения, в нефтепромысловой практике приходится иметь дело в основном с жидкостями первой и второй групп.

Известно высказывание Максвелла, согласно которому разли­чие между твердыми телами и жидкостями наиболее верно опре­делять по результатам действия силы тяжести. Исходя из такой предпосылки, Н. В. Тябин, базируясь на выведенном им общем уравнении течения вязко-пластичной среды, доказывает существо­вание некоторой величины

9 0 „

2кр — — * (В-5)

Р£ V ■

которую он называет критической высотой формосохраняемости (0—предельное напряжение сдвига; р — плотность; g— ускорение свободного падения). При этом, по мнению Н. В. Тябина, произ­ведение pgzKV выражает то критическое значение потенциальной энергии, которое может накопиться в данной ср*де. При pgz> >pgzKp часть накопленной потенциальной энергии превращается в кинетическую энергию течения.

Таким образом, при z>zKp среда представляет собой вязко­пластичную жидкость, для течения которой по всем возможным на­правлениям достаточно воздействия одной только силы тяжести. Будучи заключенной в сосуд, она принимает форму этого сосуда.

При 2<zKр среда ведет себя как вязко-пластичное тело, т. е. сохраняет свою форму под действием силы тяжести, но вязко­пластически течет при напряжениях больших напряжения сдвига.*

Р. И. Шищенко приводит следующую классификацию вязко­пластичных сред, в основу которой положено отношение 0/у:

е/V. см. 0,5 0,5—2,0 2—15 15

Вид Структурные Жидкие Густые ‘ Твердые тела,

среды жидкости пасты пасты вязко-пластичные

• тела

Комментарии запрещены.