20. Реограммы ньютоновской и неньютоновской жидкостей.

Зависимость напряжения сдвига в текущей жидкости от скорости сдвига, выраженная графически, называется реологической кривой.

Жидкости, у которых при ламинарном течении напряжения сдвиге меняются пропорционально скорости сдвига, называются Ньютоновскими. Реологическая кривая для таких жидкостей представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Математически зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига выражается уравнением Ньютона: Коэффициент про­порциональности μ зависит от свойств жидкости. Он характеризует взаимодействие между молекулами жидкости, сопротив­ление их взаимному перемещению. Этот коэффициент для ньютоновских жидкостей получил название абсолютной иди динамической вязкости. Геометрически μ - представляет собой тангенс угла наклона реологической кривой к оси скорости сдвига. Нетрудно видеть, что для ньютоновских жидкостей динамическая вязкость остается неизменной при любой скорости сдвиге.

Жидкости и дисперсные системы, реологические кривые которых не являются прямыми, проходящими через начало координат, называются неньютоновскими. Различают несколько типов неньютоновских жидкостей: псевдопластичные, дилатантные, пластичные.

Реологическая кривая псевдопластичной жидкости проходит через начало координат и обращена выпуклостью в оси касательных напряжений. Реологическая кривая дилатантной жидкости тоже проходит через начало координат, но выпуклостью обращена к оси скорости сдвиге.

Вполне очевидно, что отношение напряжения сдвига к ско­рости сдвига для таких жидкостей не остается постоянным при увеличении скорости сдвига. Оно уменьшается для псевдопластичных жидкостей и увеличивается для дилатантных. Ввиду непосто­янства отношения при различных скоростях сдвига его, в отличие от динамической вязкости ньютоновских жидкостей, назвали эффективной вязкостью (21 вопрос)

Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига для псевдопластичных и дилатантных жидкостей математически описывается уравнением Оствальда: .

В это уравнение входят две величины, зависящие от свойств жидкости и характеризующие сопротивление течению:

К - коэффициент консистенции;

n - показатель степени отклонения поведения жидкости от поведения ньютоновских жидкостей. При n=1 уравнение Остваль­да превращается в уравнение Ньютона, и коэффициент консистен­ции К - становится абсолютной или динамической вязкостью. Чем больше величина n отличается от единицы, тем сильнее поведение псевдопластичной или дилатантной жидкости отклоняет­ся от поведения ньютоновской жидкости.

Реологическая кривая пластичных жидкостей не проходит через начало координат. Она начинается от точки на оси каса­тельных напряжений, соответствующей статическому напряжению сдвига, и имеет прямолинейный участок.

21. Реологическая модель Бингама-Шведова. Понятие эффективной вязкости.

Для скоростей сдвига, соответствующих линейному участку, зависимость между напря­жением и скоростью сдвига выражается математически уравнением Шведова-Бингама:

В это уравнение входят две величины, зависящие от свойств жидкости и Определяющие сопротивление ее течению:

- структурная вязкость,

- динамическое напряжение сдвига. Большинство промывочных жидкостей, применяемых в бурении, и в том числе глинистые растворы, являются неньютоновскими жид­костями. Среди глинистых растворов могут встретиться пластич­ные, псевдопластичные и даже дилатантные жидкости. Поэтому наиболее точно зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига для химически обработанных глинистых растворов, по-видимому, может быть выражена степенным уравнением Оствальда.

Однако, расчётные формулы, выведенные на основе этого уравнения, значительно сложнее аналогичных формул, выведенных на основе уравнения Шведова-Бингэма. Результаты же расчётов имеют примерно одинаковую степень точности. Поэтому с доста­точной для практических целей точностью можно принять что для глинистых растворов зависимость напряжения сдвиге от ско­рости сдвига подчиняется уравнению Шведова-Бингама. Реологи­ческие свойства глинистых растворов характеризуются величи­нами структурной вязкости и динамического напряжения сдвига.

Если касательные напряжения τ в потоке характеризуют сопротивление, возникающее при течении жидкости, то структур­ная вязкость и динамическое напряжение сдвига от которых зависят касательные напряжения, тоже характеризуют способность жидкости сопротивляться приложению внешних сил.

Сопротивление течению глинистого раствора обусловлено, с одной стороны, механическим трением между молекулами диспер­сионной среды, трением между частицами дисперсной фазы и их сольватными оболочками. С другой стороны, сопротивление тече­нию обусловлено силами молекулярного притяжения и электроста­тического отталкивания, действующими между частицами диспер­сной фазы и затрудняющими их взаимное перемещение.

Считается, что структурная вязкость глинистых растворов в большей степени зависит от механического трения, поскольку она увеличивается при повышении концентрации твердой фазы, при дополнительном диспергировании глины, при увеличении сте­пени сольватации глинистых частиц. Структурная вязкость зависит от размеров, формы частиц дисперсной фазы, величины суммарной поверхности раздела.

Динамическое напряжение сдвига зависит от свойств поверхности раздела фаз, от степени сольватации глинистых частиц, от концентрации и типа .ионов, присутствующих в дисперсионной среде, от концентрации твердой фазы в глинистом растворе а степени ее дисперсности.

Эффективная вязкость

Кроме структурной вязкости и динамического напряжения сдви­га, для оценки консистенции буровых растворов пользуются величиной эффективной вязкости. Разделив уравнение Шведова-Бингама на

;

и обозначив:

;

Перепишем уравнение в виде:

Это выражение представляет собой уравнение прямой, проходящей через начало координат и имеющей угловой коэффициент . Этот угловой коэффициент характеризует консистенцию жидкости и называется эффективной вязкостью.

Легко видеть, что величина эффективной вязкости для вязкопластичных и других неньютоновских жидкостей меняется с изменением скорости сдвига. У вязкопластичных и псевдопластичных жидкостей эффективная вязкость с увеличением скорости сдвига уменьшается, у дилатантннх - растёт. Вследствие непостоянства эффективной вязкости необходимо указывать, при какой скорости сдвига этот параметр был определён. В практике бурения эффективную вязкость чаще всего определяют с помощью ротационного вискозиметра при скорости вращения 600 об/мин. Эффективная вязкость характеризует качественно консистенцию бурового раствора. Она позволяет констатировать изменение текучести раствора и сравнивать между собой различные растворы.