1.3. Приборы для определения прочности структуры промывочных жидкостей

Определение прочности структуры промывочных жидкостей проводят по величине напряжений при сдвиге слоя жидкости (СНС) с помощью различных приборов: ротационных СНС-2, капиллярных пластомеров, приборов Вейлера-Ребиндера и др.

В геологоразведочных организациях прочность структуры определяют преимущественно на ротационных приборах ВСН-2 и СНС-2 (статистического напряжения сдвигу), (рис. 1.5)

Рис. 1.4. Прибор СНС-2.

Прибор СНС-2 состоит из цилиндра 6, подвешенного на упругой проволоке 2 к конусу кронштейна 4 и стакана 7, установленного на вращающемся столике 8. Вращение частотой 0,2 об/мин через редуктор 12 и шкив передается столику от электродвигателя 13. Поверхность подвешенного цилиндра сделана рифленой. На трубке 3, соединенной с цилиндром, укреплен лимб 14 с делениями в градусах. На уровне лимба на кронштейне закреплен указатель 5. Для установки станины прибора на опорах 10 имеются установочные винты для вывода станины в горизонтальное положение.

Порядок работы. Станину приводят в горизонтальное положение. С помощью поворота конуса совмещают нуль лимба 14 с указателем 5.

В зазор между цилиндром и стаканом заливают промывочную жидкость до уровня верхнего основания цилиндра 6. Жидкость с помощью поворота цилиндра перемешивают и оставляют в покое на 1 мин., включают двигатель. Вместе со стаканом вращается и цилиндр, происходит закручивание проволоки - 2. После остановки поворота цилиндра по лимбу определяют максимальный угол закручивания , а по нему статическое напряжение сдвига

где к – константа стальной нити.

Определив двигатель выключают, промывочную жидкость вновь перемешивают, нуль лимба совмещают с указателем, жидкость оставляют в покое на 10 мин., включают двигатель, определяют угол закручивания нити , а затем СНС₁₀.

.

1.4. Вязкость промывочных жидкостей

Вязкость (внутреннее трение) – свойство жидкостей оказывать сопротивление при их течении.

Вязкость – один из важнейших показателей промывочных жидкостей. – существенно влияет на эффективность бурения горных пород. Вязкие структурированные растворы способствуют кольматации пор и трещин в горной породе, закреплению стенок скважин в рыхлых и неустойчивых горных породах; вязкие растворы имеют малую водоотдачу, а, следовательно, предотвращают насыщение пористой глинистой породы водой, ее набухание и обвалы стенок скважин. Вязкие растворы обладают высокой несущей способностью и применяются при бурении горных пород, образующих шлам высокой плотности.

Природа вязкости промывочной жидкости та же, что и прочность структуры – межмолекулярное взаимодействие молекул воды и частиц твердой фазы., температуры и размеров сосудов (диаметра труб, зазора между трубами и стенкаи скважин, в котором находится или протекает жидкость) те же, что зависимости прочности структуры от этих величин.. Однако вязкость не всегда соответствут статическому напряжению сдвига. Так, например, в малоглинистых, активированных растворах, растворах с гидрофильной структурой вязкость значительно ниже, чем СНС, так как при течении воды вследствие дезориентации молекул толщина гидратных оболочек уменьшается, а сила межмолекулярного взаимодействия частиц возрастает.

При обработке малоглинистых растворов гибкими полимерами (например, метасом) при повышении концентрации полимера в небольших объемах СНС понижается (за счет повышения толщины гидратного слоя), а вязкость повышается. Дело в том, что полярные (функциональные) группы полимера (по закону полярностей Ребиндера)поворачиваются в сторону фазы с большей полярностью. При течении раствора молекулы воды дезориентируются (движутся более хаотично), полярность воды понижается и полярные группы поворачиваются в сторону более полярной поверхности глинистых частиц, а гидрофобной в сторону воды. В результате частицы становятся более гидрофобными и, как следствие, вязкость раствора сначала возрастает (до некоторого предела концентрации полимера, а затем при образовании второго слоя полимера понижается.

За единицу вязкости принимают касательные усилия при течении жидкости, приходящиеся на единицу площади (касательные напряжения, Па) при разности скоростей между слоями равной dV=м/с и расстояния между ними dr=1м.

Для ньютоновских жидкостей

, (1.3)

где η – коэффициент вязкости.

Для бингамовских (вязкопластичных) жидкостей (глинистых растворов)

, (1.4)

где τ₀ – динамическое напряжение сдвига, η – коэффициент пластической вязкости.

К оэффициент пластической вязкости при использовании вискозиметра ВСН-3 определяют из соотношения

, (1.5)

а динамическое напряжение сдвига

, Па (1.6)

где φ – угол поворота лимба, град, вискозиметра ВСН-3.

Вязкость структурированных жидкостей можно определить и по формуле

, Па, (1.7)

Вязкость (касательные напряжения сдвига) псевдопластичных жидкостей (активированных малоглинистых, полимерных, полимерглинистых растворов) при

n = 600об/мин определяют по степенному закону

. (1.8)

С другой стороны касательные напряжения можно выразить через коэффициент трения и радиальное давление жидкости

. (1.9)

В соответствии с законом Бернулли у стенок внутреннего цилиндра (боба) вискозиметра ВСН-3, где V = 0

, (1.10)

у стенок вращающегося внешнего цилиндра V = V_ц

, (1.11)

тогда радиальное давление

P = P₀ – P_ц = . (1.12)

При V₀ = V_ц Р = 0.

Из уравнений (1.8), (1.9) и (1.12)

, (1.13)

где η₀ – показатель вязкости.

Таким образом, касательные напряжения сдвига определяются двумя показателями: коэффициентом трения f (межмолекулярного взаимодействия молекул воды и частиц твердой фазы), зависящим от концентрации твердой фазы, скорости течения и размеров труб с одной стороны и радиального давления с другой стороны.

При повышении скорости течения коэффициент трения понижается и тем интенсивнее, чем меньше показатель степени (чем ниже гидрофильность глинистых частиц, выше глиноёмкость раствора). При некоторой значительной концентрации, когда молекулярные связи между частицами окажутся выше, чем с поверхностью частиц, скорость течения по всему сечению потока окажется одинаковой V = V_ц, радиальное давление снизится до нуля, следовательно, взаимодействие молекул воды со стенками трубы возрастает, и раствор будет перемещаться в трубе как твердое тело. Энергия затрачивается только на трение раствора о трубу , и касательные напряжения не будут зависеть от скорости течения (n = 0, τ = τ₀ = const).