Порядок подготовки и проведения измерений параметров на ВСН-3.

Замер предельного СНС:

· в течении 1 мин. перемешивать жидкость на скорости 600 об/мин с целью разрушения структуры;

· выключить тумблер "СЕТЬ";

· установить скорость вращения 0,2 об/мин;

· оставить жидкость в покое на желаемое время (стандарт - 1 и 10 мин) в течении которого происходит тиксотропное упрочнение после чего включите тумблер "СЕТЬ";

Показания угла закручивания отсчитывают в момент максимальных значений, предшествующих разрушению структуры.

Предельное СНС определяется по формуле:

= k•

(1)

где - СНС, Па или ;

k - константа (величина СНС, соответствующая углу закручивания пружины на 1 градус) ;

- угол поворота измерительного элемента, град.

Замер касательных напряжений для определения модели жидкости:

· установить тумблер в положение "откл." и включить вилку в сеть;

· надеть гильзу на шпиндель-шестерню;

· налить в стакан испытуемую жидкость до риски;

· установить стакан на телескопический столик;

· поднять и зафиксировать столик в рабочем положении;

· установить переключателем "об/мин" скорость вращения 600 об/мин;

· включить тумблер "Сеть".

Испытуемая жидкость с целью разрушения структуры перемешивается на скорости 600 об/мин в течении 3-5 мин. После этого последовательно снимают устойчивые показания углов поворота шкалы вискозиметра при 600, 400, 300, 200 об/мин. За устойчивые показания углов закручивания принимаются те, величина которых при вращении гильзы не меняется в течении 3-5 минут. Измерения повторяют 3 раза в том же порядке. В расчетах используют средние значения углов закручивания . Измерения, отличающиеся от среднего более чем на 5%, исключаются как ошибочные.

Касательные напряжения и градиенты скорости сдвига определяют-ся по следующим формулам:

t = А×

(2)

= W / B

(3)

где W - скорости вращения гильзы (для ВСН-3 соответственно 200, 300, 400 и 600 об/мин).

Константу В можно определить и проверить по формуле:

В =

(4)

где d - диаметр измерительного элемента, мм;

D - внутренний диаметр гильзы, мм

Динамическая вязкость m по модели Ньютона определяется по формуле:

m = А×В×

(5)

где m - динамическая вязкость, Па•с (сП);

-угол поворота шкалы, град;

W -скорость вращения гильзы, об/мин.

ВНИМАНИЕ! Измерение динамической вязкости всех ньютоновских жидкостей проводить при закрытых радиальных отверстиях в гильзе с помощью тарировочных резиновых колец.

Динамическая вязкость и предельное динамическое напряжение сдвига по модели Шведова-Бингама определяются экспресс методом по формулам:

h = А×В×

(6)

tо = А×

(7)

где h - структурная (пластическая) вязкость, Па•с (сП);

t_о -динамическое напряжение сдвига, Па ;

и -углы поворота шкалы в град, измеренные соответственно при скоростях вращения гильзы W₁ и W₂ об/мин.

В инструкции к ВСН-3 приведены упрощенные формулы для определения структурной вязкости и динамического напряжения сдвига. При этом достаточно использовать пару скоростей вращения гильзы (300 и 600 об/мин или 200 и 400 об/мин). Формулы упрощаются из-за сокращения численных значений констант вискозиметра, реологические параметры находятся следующим образом:

n = 600 и 300 об/мин	n = 200 и 400 об/мин
пружина № 1
h = j 2 - j 1 t о = 3× (j 1 - h)	h = 1,5× (j 2 - j 1 ) t о = 3× ( 1,5× j 1 - h)
пружина № 2
h = 0,5× (j 2 - j 1 ) t о = 1,5× (j 1 - h)	h = 0,75× (j 2 - j 1 ) t о = 1,5× ( 1,5× j 1 - h)

При отсутствии вискозиметров можно использовать эмпирические уравнения, которые дают малую ошибку, когда раствор представляет собой глинистую либо шламовую суспензию. В случае химической обработки приведенные ниже формулы весьма условны:

h = 0,033× r – 0,022 t о = 8,5× r – 7

(8) (9)

где r - плотность бурового раствора [г/см³]; h и t _о в единицах СИ

Мера консистенции К [Па×с] и показатель нелинейности n по модели Оствальда-де Ваале приближенно можно найти из формул:

n = 3,32× lg К = А ×

(10)   (11)

где j₃₀₀ и j₆₀₀ - углы поворота шкалы в град, измеренные соответственно при скоростях вращения гильзы 600 и 300 об/мин.

Результаты измерений заносят в таблицу 2; в ней же представляют рассчитанные по формулам (1), (2) величины СНС и касательных напряжений.

Таблица 2

Замер

Параметры жидкости

Концентрация добавки в %

Плотность, г/см^3

Условная вязкость, сек

Статическое напряжение сдвига, Па

Углы закручивания, град

Касательные напряжения, Па

СНС1

СНС10

j 200

j 300

j 400

j 600

t 200

t 300

t 400

t 600

4. ПОСТРОЕНИЕ РЕОГРАММЫ. ВЫБОР РЕОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В РАСТВОРЕ.

По данным табл. 2 строится реограмма в координатах t- . Вид реологической модели может быть установлен сопоставлением опытной реограммы с базовыми, приведенными на рис.1.

Реологические параметры жидкости, принимая ее соответствие моделям Ньютона, Шведова-Бингама, Оствальда-де Ваале приближенно определяют по соотношениям (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11).

Более точно выбор модели и ее параметры можно найти, используя метод наименьших квадратов.

При использовании программируемых микрокалькуляторов конечные соотношения для определения реологических констант имеют вид:

Для модели Ньютона		(13)
Для модели Шведова-Бингама		(14)     (15)
Для моделей Гершеля-Балкли и Оствальда-де Ваале	КСР =(1- n)× К× 100^( ^n ^-1)	(16)   (17) (18)

где m - число обрабатываемых точек (для ВСН-3 m = 4);

КСР - критерий сдвигового разжижения, Па•сⁿ;

x = ln , y = lnt_i - для модели Оствальда- де Ваале

x = ln , y = ln(t_i-t_о) - для модели Гершеля-Балкли

Адекватность каждой модели экспериментальным данным оценивается по среднеквадратичному отклонению расчетных t_рi и измеренных t_i значений касательных напряжений:

Чем меньше величина S, тем лучше предлагаемая модель описывает поведение исследуемой жидкости.

Программа для МК-52 (МК-61, БЗ-34) расчета реологических констант по моделям Шведова-Бингама, Оствальда-де Ваале и Гершеля-Балкли приведена в приложении 1.

Ознакомившись с теоретической частью, касающейся вопросов реометрии и устройством ВСН-3 можно приступать непосредственно к практической части работы.

Каждый из студентов (по усмотрению преподавателя бригада из 2-3 человек) получает номер варианта задания из таблицы 3, которое им предстоит выполнить и защитить.

Таблица 3

№ ва-рианта	Название химреагента для обработки	Концентрация активного ве-щества, %	Концентрация реагента (материала) в исходной жидкости	Примечание
	КМЦ		0,1	0,2	0,5	0,7	1,0
	ПАА		0,05	0,1	0,15	0,2	0,3	r= 1030÷1050 кг/м^3
	NaOH		0,1	0,2	0,3	0,5	1,0
	Na2CO3		0,2	0,5	1,0	1,5	2,0
	УЩР		0,5	1,0	2,0	3,0	5,0
	NaC l		1,0	3,0	5,0	10,0	15,0
	Барит		1,0	3,0	5,0	8,0	12,0

Порядок действий:

1. Подготовить суспензию из бентонитовой пасты плотностью ρ =1080÷1100 (при работе с ПАА ρ =1030÷1050) кг/м³

2. Определить структурно-механические (СНС) и реологические свойства (У.В., углы закручивания и касательные напряжения) исходной суспензии в соответствии с разделом 3. Результаты замеров занести в таблицу 2.

3. Последовательно обрабатывать суспензию материалом или химреагентом в (соответствии с вариантом) в количествах указанных в таблице 3 при этом в каждом опыте определять указанные в таблице 2 параметры.

Формулы для определения количества вводимого жидкого реагента:

- для первой обработки ;

- для второй и последующих обработок

где и - объем вводимых химреагентов соответственно при первой и повторных обработках, мл;

- необходимый объем реагента в буровом растворе (пробе) в случае первичной обработки, мл;

С₁ и С_i – заданная концентрация реагента в буровом растворе в пересчете на сухой (активный) материал при первичной и повторных обработках, в % (к объему V);

r - концентрация реагента в водном растворе, %;

V - объем обрабатываемой жидкости (пробы), мл.

Формулы для определения количества вводимого сухого реагента:

, ;

где М₁ и М_i - масса сухого материала для первичной и повторных обработках;

4. Конечный этап работы заключается в математической обработке результатов проведенных замеров. Необходимо определить реологические константы экспресс-расчетом (формулы 6, 7, 10 и 11) и методом наименьших квадратов (формулы 14, 15, 16 и 17). Для вычислений можно использовать программируемый калькулятор и приведенную в Приложении 1 программу, либо разработать собственную с применением ЭВМ. Оценить погрешность первого расчета, поставить в соответствие поведение жидкости и подходящей под нее модели. Построить графики: реограмму t - , а также зависимости всех реологических в констант от концентрации химреагента t_о -С, h -С, n -C, К -C, q₁ -С, У.В.-С. Результаты расчетов оформить в виде таблицы 4.

Таблица 4

Метод расчета	Концентрация обработки в %	Вязкопластичная жидкость	Псевдопластичная Жидкость
Динамическое напряжение сдвига tо, Па	Пластическая вязкость h, Па	Среднеква-дратичное отклонение SВПЖ	Консистентность К, Па×с^n	Показатель нелиней-ности n	Критерий сдвигового разжижения КСР	Среднеква-дратичное отклонение SППЖ
Экспрес-метод	-
МНК	-

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТОВ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ.

Отчеты по работе выполняются в рабочих тетрадях. Работа должна содержать название, цель ее выполнения, методику проведения экспериментов, результаты исследования, анализ полученных результатов ивыводы. Каждая работа должна начинаться с титульного листа образец которого дана в приложении 2. Рисунки и таблицы должны быть упомянуты в тексте, иметь название (заголовок или подрисуночную надпись) и нумерацию. Номер и наименование размещают под рисунком, пояснения под ними. Для таблицы - над ней, номер таблицы указывают над правым верхним углом. Графики выполняются на миллиметровке.

Контрольные вопросы

1. Физический смысл СНС и t_o. В чем их различие и сходство.

2. Факторы, влияющие на реологические свойства.

3. Классификация буровых растворов по их реологическим характеристикам.

4. Какие реологические модели наиболее близки по поведению к буровым растворам?

5. Как можно точнее аппроксимировать кривую течения реальной жидкости при использовании простых моделей, таких как степенная и модель
Шведова-Бингама?

6. Какие еще есть методы и приборы для определения реологических констант?

7. В чем различие тиксотропных и реопектных жидкостей?

Дата добавления: 2015-11-14