Определение динамического напряжения сдвига (ДНС), пластической и эффективной вязкости

Чтобы установить характер зависимости между касательными напряжениями и скоростями сдвига и определить значения показателей реологических свойств промывочных жидкостей, используют наиболее простые формы движения: установившееся ламинарное (слоистое) течение жидкости вдоль оси цилиндрической трубы или тангенциальное течение между двумя коаксиальными (соосными) цилиндрами, т.е. течения, при которых линии тока — прямые линии или концентрические окружности. Подобные течения реализуются в специальных приборах, называемых соответственно капиллярными и ротационными вискозиметрами, последние из которых используются гораздо чаще. Их описание приведено в разделе 4.2.

Динамическое напряжение сдвига t₀ (дПа) — величина, косвенно характеризующая прочностное сопротивление бурового раствора течению.

Пластическая (структурная) вязкость h_пл (Па×с) — условная величина, показывающая долю эффективной вязкости, которая возникает вследствие структурообразования в потоке бурового раствора.

Эффективная (кажущаяся) вязкость h_эф (Па×с) — величина, косвенно характеризующая вязкостное сопротивление бурового раствора при определенной скорости сдвига.

4.3.1.1 Определение h_пл, t₀, h_эф на ротационном вискозиметре ВСН-3

— перемешивают буровой раствор при частоте вращения наружного цилиндра 600 об/мин;

— используют лишь две частоты вращения цилиндра: 600 и 300, или 400 и 200 об/мин для получения значений j_1,2 и n_1,2.

Расчет пластической вязкости и динамического напряжения сдвига производят по следующим формулам:

при использовании частоты вращения 600 и 300 об/мин:

при использовании частоты вращения 400 и 200 об/мин:

Эффективная вязкость h_эф, мПа×с, вычисляют по формуле:

где: А — константа вискозиметра ВСН-3 (в паспорте к прибору);

j₁ — показание шкалы вискозиметра ВСН-3.

4.3.1.2 Определение h_пл, t₀, h_эф на 8- и 12-скоростном вискозиметре FANN

Для определения показателей реологических свойств промывочных жидкостей, в том числе и при высоких температурах, используют ротационные вискозиметры, выпускаемые в основном американской компанией Fann Instrument: FANN НС 34А и 34А; FANN 35A и 35SA; FANN 35A / SR12 и 35SA/SR12; FANN 70 НТНР. Измерительные узлы перечисленных вискозиметров подобны используемым в отечественных приборах типа ВСН. Различные модели вискозиметров FANN отличаются приводом (ручной, электрический); числом частот вращения наружного цилиндра (гильзы) и, соответственно, диапазоном скоростей сдвига; температурами и давлениями, реализуемыми в ходе реометрических измерений; способами регистрации измеряемых величин.

В промысловой практике наибольшее распространение получили двух­скоростные (300 и 600 мин -1 ) вискозиметры FANN НС 34А и 34А, первый из которых имеет ручной привод, а второй — электропривод, запитываемый от батареи напряжением 12 В. Основные характеристики измерительного узла этих вискозиметров (R = 18,415 мм; r = 17,245 мм; «К» = 0,511 Па/град) позволяют при принятых в США единицах измерения легко определять значения пластической вязкости, динамического напряжения сдвига и эффективной (кажущейся) вязкости при скорости сдвига, равной 1022 с -1 , непосредственно по данным об углах поворота шкалы прибора при стандартных часто­тах вращения, в связи с чем, их называют вискозиметрами с прямым отсче­том.

— помещают свежеперемешанную пробу бурового раствора в подходящий сосуд;

— опускают корпус ротора в раствор до нанесенной отметки, регулируя глубину погружения платформой, и затягивают стопорный винт, чтобы зафиксировать это положение;

— подключают вискозиметр к электросети;

— устанавливают переключатель скорости в положение “STIR” (перемешивание) несколько секунд;

— устанавливают переключатель скорости в положение 600 об/мин;

— через несколько секунд, когда показатели на шкале достигнут постоянного значения, совмещают на одном уровне шкалу с риской и записывают как показания при 600 об/мин;

— устанавливают переключатель скорости в положение 300 об/мин и фиксируют показание прибора.

Пластическую вязкость h_пл, сПз, вычисляют по формуле:

где: j₆₀₀, j₃₀₀ — значения углов поворота шкалы вискозиметра при частотах вращения гильзы, соответственно равных 600 и 300 мин -1 , град.

Динамическое напряжение t, дПа, сдвига вычисляют по формуле:

где: j₃₀₀ — показания прибора при 300 об/мин;

h_пл — пластическая вязкость;

4,8 — коэффициент пересчета фунт/100 футов 2 в дПа.

Кажущуюся вязкость, h_к, сПз, (или эффективную вязкость при 600 об/мин) вычисляют по формуле:

Если показания прибора требуется снимать при всех значениях скорости вращения ротора, замеры всегда начинают от больших значений скорости вращения к меньшей.

В нашей стране результаты отсчетов при тех же частотах вращения гильзы вискозиметра ВСН-3 (300 и 600 мин -1 ) используют для приближенной оценки значений показателей реологических свойств промывочных жидкостей в процессе бурения. Используемые при этом расчетные формулы имеют следующий вид:

— для вязкопластичных промывочных жидкостей

, Па с	(4.28)
, Па	(4.29)

где К₁, К₂, К₃ –константы, зависящие от упругости пружины вискозиметра.

— для псевдопластичных промывочных жидкостей:

,	(4.30)
,	(4.31)

где С = 1,59×10 2 / [1 — (r / R) 2 ]; j₃₀₀, j₀₀ — средний (по 2-3 параллельным измерениям) угол поворота шкалы прибора при частоте вращения гильзы соответственно 300 и 600 мин -1 , град.

Вискозиметры FANN 35A и 35SA имеют шесть частот вращения гильзы (3, 6, 100, 200, 300, 600 мин -1 ), a FANN 35A / SR12 и 35SA / SR12 — двенадцать (0,9; 1,8; 3; 6; 30; 60; 90; 100; 180; 200; 300; 600 мин -1 ). Основные ха­рактеристики измерительного узла вискозиметров серии 35 аналогичны ука­занным выше для вискозиметров серии 34. При этом частота 3 мин -1 исполь­зуется для определения статического напряжения сдвига после выдержки пробы промывочной жидкости в покое в течение 10 и 600 с, что соответствует стандарту Американского нефтяного института (API). Максимальная тем­пература промывочной жидкости, исследуемой с помощью вискозиметров серии 35, может достигать 93,3°С. Нагрев пробы промывочной жидкости до требуемой температуры осуществляется непосредственно в стакане виско­зиметра с помощью специального съемного нагревательного блока.

Вискозиметр FANN 70 НТНР служит для определения реологических и структурно-механических свойств промывочных жидкостей при более высо­ких температурах (до 260 °С) и давлениях до 20 МПа.

Совокупность значений, полученная по результатам реометрических измерений с помощью того или иного ротационного вискози­метра, может быть аппроксимирована любой из известных реологических моделей, описывающих связь t₀ = t(g).

Источник

Промывочные жидкости

Плотность раствора

Одним из основных технологических свойств промывочных жидкостей является плотность раствора. Она влияет на гидростатическое давление на забой и стенки скважины . При наличии в разрезе водо-, газо-, нефтепроявлений плотность раствора увеличивают, при наличии поглощающих горизонтов — уменьшают. Плотность промывочной жидкости измеряют с помощью рычажных весов или ареометров. В полевых условиях чаще всего используют ареометры АГ-1, АГ-2 и АГ-ЗПП ( рис. 4.26 ), принцип действия которых основан на сравнении плотностей одинаковых объемов исследуемого раствора и воды.

Показателями реологических свойств, или свойств, связанных с сопротивлением деформированию и течению, служат вязкость, динамическое и статическое напряжение сдвига.

Вязкость

Вязкость характеризует прокачиваемость буровых растворов, способность выносить шлам с забоя. Обычно измеряют динамическую, пластическую и условную вязкость. Динамическая вязкость определяется для растворов, не образующих структуры (пресная и соленая вода), пластическая — для вязко-пластичных жидкостей (глинистые растворы), условная вязкость — для любых растворов, главным образом в полевых условиях.

Динамическая и пластическая вязкость измеряется с помощью капиллярных или ротационных вискозиметров ВСН-3 ( рис. 4.27 ), а условная — с помощью полевого вискозиметра СПВ-5 ( рис. 4.28 ), состоящего из воронки 1 емкостью 700 см 3 , заканчивающейся латунной трубкой 2 с 5-миллиметровым отверстием, и из стакана 4. Отверстие латунной трубки снизу закрывают пальцем и в воронку через сетку 3 ковшом наливают испытуемый раствор до перелива через край. Затем под воронку подставляют мерный стакан 4 и, отнимая палец от отверстия трубки, пускают в ход секундомер. Время наполнения кружки в секундах характеризует условную вязкость данного раствора. Бурение в несложных условиях ведут, применяя глинистый раствор вязкостью 18-22 с. Для борьбы с потерей циркуляции промывочной жидкости вязкость раствора доводят до 40-50 с и более, вплоть до состояния «не течет».

Рис. 4.27. Схема вискозиметра ВСН-3:
1 – корпус; 2 – вискозиметр; 3 – стакан; 4, 10 – электродвигатель; 5, 8 – шестерни; 6 – шкала; 7 – пружина; 9 – коробка передач

Рис. 4.28 . Полевой вискозиметр СПВ-5

Предельное статическое напряжение

Предельное статическое напряжение сдвига буровых растворов (глинистых, нефтеэмульсионных и др.) — это способность их образовывать структуру, застудневать в состоянии покоя и переходить в подвижное состояние при перемешивании. Это свойство растворов называется тиксотропностью. Различают статическое напряжение сдвига (СНС) и динамическое напряжение сдвига (ДНС). Наличие структуры обусловливает его способность удерживать шлам, утяжелитель и газ во взвешенном состоянии. Динамическое и статическое напряжение сдвига, зависимость напряжений от скорости сдвига определяют на приборах ВСН-3 (см. рис. 4.27) и СНС-2, принципиальная схема которого аналогична схеме ВСН-3. Для измерения СНС вискозиметр заполняют глинистым раствором и оставляют в покое на 1 мин. Затем включают электродвигатель 4, который приводит стакан 3 во вращение с частотой 0,2 об./мин. По шкале 6 наблюдают за вращением цилиндра, который, будучи связан с образовавшим структуру раствором, вовлекается во вращение до тех пор, пока усилие в пружине 7 не станет равным усилию сцепления раствора со стенками цилиндра. В этот момент структура раствора разрушается, вращение цилиндра прекращается. Угол закручивания пружины отмечают по шкале. Второе измерение производят аналогично после выдержки раствора в приборе в течение 10 мин.

Статистическое напряжение сдвига (в Па) определяют по формуле:

где n — постоянная для данного прибора; Δφ – угол закручивания, º.

Чем больше отношение θ10/θ1, тем лучше тиксотропные свойства глинистого раствора . Для нормальных глинистых растворов θ1 = 1,5 — 2,5 Па, для утяжеленных — 4-6, для растворов в целях предупреждения поглощений-10-20 Па. Для характеристики фильтрационных свойств, т.е. свойств, связанных с проникновением компонентов раствора в контактирующие с ним горные породы и пласты с образованием фильтрационной корки используют показатель фильтрации и толщины корки. В полевых условиях показатель фильтрации (водоотдача — количество воды в см3, отфильтровавшейся в течение 30 мин из 100 см 3 глинистого раствора через бумажный фильтр диаметром 75 мм под избыточным давлением 0,1 МПа) измеряют с помощью прибора ВМ-6 ( рис. 4.29 ). Для измерения водоотдачи стакан 1 заполняют раствором. На стакан наворачивают цилиндр 6, в который вводят плунжер 7 с напорным цилиндром 10. После этого вынимают пробку 3 и одновременно фиксируют время. В результате давления, создаваемого плунжером, свободная вода из глинистого раствора проходит через фильтровальную бумагу в кольцевую емкость основания 4. Отсчет водоотдачи снимают через 30 мин по шкале против метки напорного цилиндра. Толщину корки измеряют на фильтровальной бумаге после разборки прибора.

При бурении в нормальных условиях водоотдача не должна превышать 20-25 см3 за 30 мин, в осложненных условиях посредством химической обработки водоотдачу снижают до 5-6 и даже 2-3 см 3 .

Толщина корки считается нормальной в пределах 2-3 мм. Для характеристики коррозионных, антикоррозионных свойств растворов, вызывающих коррозию бурильной колонны или соответственно защищающих ее от воздействия агрессивных сред, измеряют водородный показатель рН, характеризующий кислотность рН 7 (коррозия алюминиевых труб). Состав и содержание твердой, жидкой и газообразной фаз в буровом растворе определяют загрязненность бурового раствора песком и недиспергированными частицами глины и других горных пород. С их ростом увеличивается износ бурильных труб, долот, забойных двигателей, насосов, очистных устройств и др. Измеряют этот показатель с помощью отстойника типа ОМ-2 ( рис. 4.30 ), в который заливают 50 см 3 глинистого раствора и 450 см 3 воды (до уровня отверстия 2 в верхней части корпуса 3 отстойника). После энергичного взбалтывания отстойник устанавливают вертикально и оставляют в покое на 1 мин. Объем (в см3) осевшего за это время песка в бюретке (пробирке 4) умножают на два и получают содержание песка, выраженное в процентах к объему пробы промывочной жидкости. Предельно допустимое содержание песка в промывочной жидкости — 4%.

Рис. 4.30 . Металлический отстойник ОМ-2

Важным свойством промывочных жидкостей является кинетическая устойчивость — способность бурового раствора сохранять длительное время свойства стабильными. Для этого определяют:

• стабильность — путем измерения плотностей верхней и нижней частей пробы раствора, выдержанного в течение суток. Если разность плотностей для нормальных и утяжеленных растворов не превышает соответственно 20 и 60 кг/м 3 растворы считаются стабильными;
• седиментационную устойчивость — оценивается по количеству отделившейся за сутки дисперсионной среды из определенного объема раствора (100 мл) в результате гравитационного разделения его компонентов. Устойчивость выражается в процентах.

Кроме названных определяют также противоизносные, смазочные, теплофизические и электрические свойства (но, как правило, не в полевых условиях).

Источник