Статическое напряжение сдвига

Статическое напряжение сдвига θ, как уже указывалось, ха­рактеризует прочность структуры и определяет способность про­мывочной жидкости: удерживать во взвешенном состоянии час­тицы разрушенной горной породы и пузырьки газа (воздуха); проникать в трещины и поры горных пород и удерживаться там под действием нагрузок.

Повышатьθ следует в случае, если интенсивность разруше­ния горных пород при бурении достаточно велика и продукты разрушения имеют значительные размеры и плотность, если необходимо утяжелять промывочную жидкость специальными утяжелителями, а также в условиях возможных поглощении промывочных жидкостей в трещиноватых или пористых поро­дах При этом необходимо иметь в виду, что повышенное ста­тическое напряжение сдвига ухудшает условия дегазации и очистки промывочных жидкостей от продуктов разрушения гор­ных пород и посторонних включений.

Статическое напряжение сдвига измеряют пластометрами. В практике бурения наибольшее распространение получил ро­тационный пластометр СНС-2 (рис. 18). Прибор состоит из ци­линдра 6, подвешенного на упругой проволоке 2 к конусу, кронштейна 4 и стакана 7, установленного на вращающемся столике 3. Вращение с частотой 0,2 об/мин через редуктор 12 и шкив передается столику от электродвигателя 13. Вo избежа-ние скольжения испытуемой жидкости поверхность подвесного цилиндра сделана рифленой. На трубку 3, соединенной с ци­линдром, укреплен лимб 14, разделенный на 360. На уровне лимба на кронштейне находится указатель 5. Для установки станины 11 прибора на опорах 10 в горизонтальное положение имеются установочные винты 9.

Статическое напряжение сдвига θ измеряют следующим образом.

Рис. 18. Схема прибора СНС-2

Рис. 19. Схема прибора Вейлера— Ребиндсра

Страницу прибора с помощью установочных винтов при­водят в горизонтальное положение, о чем будет свидетельство­вать соосное положение цилиндра 6 в стакане 7. Затем поворо­том конуса совмещают нуль лимба 14 с указателем 5, после че­го конус 1 фиксируется легким нажатием сверху.

В зазор между цилиндром и стаканом заливается исследуе­мая жидкость до тех пор, пока уровень ее не совпадает с верх­ним основанием цилиндра 6. Испытуемую жидкость хорошо пе­ремешивают путем вращательных движений (вручную) внут­реннего цилиндра, после чего нуль лимба совмещается с указа­телем и жидкость оставляют в покое до образования структу­ры. Принято выдерживать жидкость в покое после установки внутреннего цилиндра 1 и 10 мин и соответствующие величины статического напряжения сдвига обозначать θ иθ₁₀. По исте­чении 1 мин включают двигатель, столик 8 начинает вращаться, вращается стакан 7 и через структуру промывочной жидкости вращение передается внутреннему цилиндру. При этом проис­ходит закручивание упругой проволоки 2.

Внутренний цилиндр в зависимости от особенностей испы­туемой жидкости может вращаться с частотой, как равной час­тоте вращения стакана 7, так и несколько меньшей за счет пластической деформации жидкости в зазоре прибора. По ме­ре закручивания упругой проволоки сопротивление закручива­нию возрастает и в конце концов превышает прочность струк­туры испытуемой жидкости. Это сопровождается или остановкой внутреннего цилиндра, или его движением в обратную сторону. По лимбу 14 определяют максимальный угол закручивания проволоки.

Конструкция цилиндра предусматривает контакт с испытуе­мой жидкостью только по боковой поверхности. Поэтому сила сопротивления испытуемой жидкости вращению цилиндра f ₁ равна произведению боковой поверхности цилиндра на статиче­ское напряжение сдвига:

где r — радиус цилиндра; h — высота цилиндра.

Сила сопротивления закручиванию нити f₂ может быть оп­ределена по величине наибольшего угла закручивания проволо­ки при сдвиге ∆φ₁ и моменту М, необходимому для закручива­ния данной проволоки на 1^o:

Приравнивая эти выражения и решая их относительно θ₁ получим

Здесь M/2πr²h — константа прибора при данной упругости проволоки. Значение ее берется из паспорта прибора. Обозна­чив ее k, получим

Определив θ₁ выключают электродвигатель, промывочную жидкость в стакане вновь хорошо перемешивают, нуль шкалы совмещают с указателем и фиксируют время стабилизации структуры. По истечении 10 мин включают электродвигатель и измеряют угол ∆φ_2.

Отношение θ₁₀/θ₁ = k _T характеризует тиксотропные свойства исследуемой жидкости; для промывочных жидкостей k _Т=1÷1,5.

Продолжительность замера углов закручивания проволоки при исследовании промывочной жидкости не должна превышать 1 мин, так как в процессе измерения (во всяком случае, на на­чальном этапе) происходит дальнейшее упрочение структуры. Поэтому для измерения статического напряжения сдвига про­мывочных жидкостей в широком диапазоне значений применя­ют проволоки различной упругости. Каждый прибор СНС-2 снабжен комплектом из шести сменных упругих проволок.

В капиллярных пластомерах θ определяют по величине уси­лия, обусловливающего сдвиг столбика испытуемой жидкости в стеклянной трубке диаметром 1—2 мм. Для точных лаборатор­ных исследований применяется прибор Вейлера — Ребиндера (рис. 19). Основная деталь его — рифленая алюминиевая пла­стинка 6, подвешенная на упругой металлической проволоке к коромыслу аналитических весов 3 с чашкой для нагрузки 2. Пластинка устанавливается в середине кюветы 7, в которую заливается испытуемая жидкость 8. На проволоке крепится ре­пер 4, напротив которого на основании 1 установлен микро­скоп 5.

Время структурирования составляет 24 ч. Наблюдения вы­полняются при нескольких значениях нагрузки (не менее шес­ти). Деформация отсчитывается по истечении 1; 5; 10; 15; 30; 45 с и 1; 2; 3; 5; 7; 10; 12; 15 мин. После каждой нагрузки про­водится разгрузка с таким же порядком отсчета, как и при нагружении. Последовательные нагружения и разгрузки выпол­няют до полного разрушения образца, что устанавливается по резкому увеличению скорости деформации и выдергиванию пла­стинки из кюветы.

По результатам наблюдений для каждого цикла нагруже-ние—разгрузка строят кривые деформация — время ε — f(t). По прямолинейному участку кривой e = f(t) проводят прямую до пересечения с ординатой и получают величину ε_т. Быстрая эластическая деформация εо рассчитывается по первому секунд­ному расчету, медленная эластическая деформация ε₂ определя­ется величиной отрезка ε_т —ε_0. Напряжение сдвига

P=F/S, (III.20)

где F — нагрузка, Н; S — площадь пластинки, м².

За статическое напряжение сдвига θ можно принять значе­ние Р, соответствующее разрушению образца жидкости (выдер­гиванию пластинки). После построения графиков найденных значений деформации в функции от Р определяют структурно-механические константы дисперсной системы.

Имеется прибор Вейлера — Ребиндера с автоматической за­писью показаний.

Дата добавления: 2015-07-15