1.4 Тиксотропия

Давно было замечено, что буровые растворы, относящиеся к ВПЖ или ППЖ, находясь в покое как бы загустевают, превращаясь в гель, а при перемешивании снова превращаются в подвижную жидкость.

Изотермически обратимое превращение жидкости в гель в покое и в золь при перемешивании называется тиксотропией.

Тиксотропия обусловлено стремлением частиц твердой или полимерной фаз буровых растворов к образованию связи между ними, раствор приобретает структуру. Прочность этой связи характеризуется величиной статистического напряжения сдвига (СНС).

Наиболее ярким проявлением тиксотропии является рост величины СНС в покоящейся жидкости (рисунок 1.7).

dU/dn



Рисунок 1.7 - Изменение величины СНС высокотиксотропной (1) и малотиксотропной (2) покоящейся жидкости во времени.

Тиксотропия играет исключительно важную роль в бурении. Она обеспечивает удержание твердой фазы буровых растворов во взвешенном состоянии в покое, то есть стабильность растворов во времени, влияет на гидростатическое давление ВПЖ.

2 Гидростатика в бурении

Как указывалось выше, буровые растворы должны обеспечивать определенное давление в скважине, величина которого зависит от плотности и реологических параметров жидкости.

2.1 Гидростатика ньютоновской жидкости

2.1.1 Гидростатическое давление ньютоновской жидкости

Основное уравнение гидростатического давления ньютоновской жидкости

(2.1)

a) Если жидкость не сжимаемая и ρ=const, то, интегрируя (2.1), получим

P=P₁+ρg(H-H₁) (2.2)

где Р₁ - давление на глубине H₁

Допущение о несжимаемости жидкости очевидно, не является строгим. У всех жидкостей с увеличением давления плотность возрастает, а с увеличением температуры – уменьшается, в соответствии с выражением 2.3

ρ = ρ₀(1+β_p(P-P₀))·(1- β_t(T-T₀)) ≈ ρ₀·(1+ β_p(P-P₀)- βt·Г·H) (2.3)

где β_p – коэффициент сжимаемости;

β_t – коэффициент термического расширения жидкости;

Г – геотермический градиент.

Если принять, что β_p=(4,2 - 4,75)·10^-10 Па^-1, а β_t=1,5·10^-4 гр^-1 и Г=0,03 гр/м,

то получим, что с глубиной плотность растворов будет практически постоянной и сделанное выше допущение справедливо.

При более высоких значениях геотремического градиента и больших значениях β_t плотность буовых растворов с глубиной может уменьшаться.

Примечание. Исключением является вода, которая при охлождении ниже 4^оC расширяется, и чугун, расширяющийся пир застывании, благодаря чему он используется в художественном литье.

б) Для газа из уравнения Менделеева-Клапейрона имеем

ρ_г = = =

где ρ₀ – плотность газа при нормальных условиях (P>P₀=10⁵ Па, T=T₀=273⁰K)

Для воздуха , тогда ρ_г =

где – плотность газа относительно воздуха;

z, z₀ – коэффициент сверх сжимаемости газа при, соответственно, P и T₁, и P₀ и T₀.

Подставляя полученное выражение в (1) и интегрируя при T=const и Z = const, Получим уравнение газостатики или барометрическую формулу

Р=Р₁exp (2.4)

в) При бурении и в добыче иногда приходится иметь дело с аэрированными жидкостями, которые характеризуются объёмным газосодержанием и степенью аэрации a, представляющей собою отношение расхода газа (газовой фазы), приведённого к нормальным условиям, к расходу жидкостной фазы

При отсутствии движения фаз относительно друг друга a= ;

отсюда (2.6)

где ;

При постоянных T, z и , величины и так же будут постоянными. Тогда, подставляя (2.6) в (2.1) и интегрируя, получим

(2.7)

являющимся уравнением гидростатического давления аэрированной жидкости, справедливым при условии отсутствия движеия фаз относительно друг друга и при постоянстве температуры Т, степени аэрации а и коэффициента сверхжимаемости z по глубине H.