Удержание твердой фазы во взвешенном состоянии

Буровая промывочная жидкость должна удерживать во взвешенном состоянии утя­желитель (например, бариты, карбонат кальция) и в то же время легко освобождаться от выбуренной породы на поверхности.

Следовательно, между этими двумя функциями должен быть определенный ком­промисс. Скорость осаждения отдельной частицы зависит от ее размера, плотности и вяз­кости жидкости. При оценке скорости осаждения, так же, как и при гидравлических расче­тах при течении в трубах, используют критерий Рейнольдса частицы. Как было сказано выше, уравнения, характеризующие движения частицы в жидкости, будут разными, в за­висимости от режима ее обтекания.

Конечная скорость осаждения в жидкости отдельной сферической частицы под действием силы тяжести определяется по закону Стокса:

2R²(p-p_III)g

Vo=-----------------, где:

9m_III

Vo -cкорость осаждения частицы, м/с

R -радиус частицы, м

p -плотность частицы, кг/м³

р_III - плотность дисперсионной среды, кг/м³

g -ускорение свободного паления, м/сек²

m -вязкость, Н - сек/м²

Закон Стокса справедлив только при очень небольших скоростях осаждения. Если скорость увеличивается, ее зависимость от вязкости жидкости и радиуса частиц меняется. (Рис. 1-3).

Закон Стокса и его эквивалент для турбулентного обтекания - закон Ноютона спра­ведливы для случая осаждения одиночной частицы. Практически на процесс осаждения влияют соседние частицы, т.е. твердая фаза осаждается в стесненных условиях. Это об­стоятельство снижает скорость осаждения. Поскольку осаждение в покоящейся жидкости происходит при очень малых скоростях сдвига, вязкость жидкости следует оценивать точ­нее при малых скоростях сдвига. Было установлено, что хорошим показателем удержи­вающей способности жидкости может служить показание ротационного вискозиметра Фэнн при частоте вращения n = 3 об/мин (скорость сдвига == 5,1 сек^-1). Однако, поскольку вязкость сильно зависит от температуры, скорость осаждения в стволе скважины будет, вероятно, больше. Например повышение температуры от комнатной до 100⁰ может в 10 раз увеличить скорость осаждения.

Влияние параметров на конечную скорость
Режим течения	Радиус частицы	Вязкость
Ламинарный	R2	1/m
Переходный	R	1/m0.33
Турбулентный	R0,5	Зависимость от вязкости отсутствует

Рисунок 1-3. Влияние размеров частиц и вязкости жидкости на скорость скважины

Транспортировка шлама

Это очень сложная проблема, которую активно исследовали в течение последних 30-40 лет. По существу это - проблема осаждения частиц в потоке жидкости. Хотя для та­кого случая справедливы зависимости, представленные рис. 1-3, трудность состоит в вы­боре надлежащего значения критерия Рейнольдса. Практическое правило таково: если ре­жим течения жидкости в кольцевом пространстве турбулентный, то и режим обтекания падающей частицы тоже будет турбулентным. В зависимости от геометрических особен­ностей частицы и вязкости жидкости режим обтекания частицы, падающей в ламинарном потоке, может быть турбулентным, переходным или ламинарным. Транспортировка шлама - процесс очень сложный, но приведенные ниже положения могут прояснить механизм этого процесса:

• Вынос шлама можно обеспечить при промывке водой, если скорость восходящего потока достаточно велика. Это свидетельствует о том, что для транспортировки шлама жидкость не обязательно должна иметь динамическое напряжение сдвига, отличное от нуля.

• Обычный метод определения динамического напряжения сдвига у жидкостей, для которых характерно сдвиговое разжижение, может привести к ошибочным результатам.

• Большинство исследователей утверждает, что при турбулентном режиме течения вынос шлама улучшается. Одно из возможных объяснений этого явления заключается в том, что профиль скоростей при турбулентном режиме более плоский, чем при ламинар­ном режиме течения и частицы породы поднимаются в виде скопления частиц. Однако вследствие опасности размыва стенок скважины стараются избежать турбулентного ре­жима течения бурового раствора в кольцевом пространстве.

• Благодаря способности к сдвиговому разжижению растворы полимеров даже при ламинарном режиме течения имеют плоский профиль скоростей. Чем сильнее поведение таких растворов отличается от поведения ньютоновских жидкостей, тем более плоским становится профиль скоростей.