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; R_H—радиус наружного цилиндра; R ь — 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' = bcτ_o.

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); φ₁ и φ₂ —углы поворота шкалы, измеренные при соответствую­ щих частотах п_1х и п₂.

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 = k φ, (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 l под 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 q_x —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.

Дата добавления: 2015-07-15