Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
219
Добавлен:
25.03.2016
Размер:
1.75 Mб
Скачать

4.4.3. Реологические свойства

Реология является разделом физики, изучающим деформацию тел, в том числе их текучесть. Свое название она получила по предложению американского ученого Е. Бингама при основании им 29 апреля 1929 г. Реологического общества. Труды же по реологии появились на несколько лет раньше, а корень «rheo» (греч. «течение») нисходит еще к античности.

Толчком к развитию реологии как науки в тридцатые годы нынешнего столетия послужила необходимость описания течения жидкостей, не обладающих постоянной вязкостью, т.е. тех, реологическое поведение которых не подчиняется закону Ньютона

  =  , (4.27)

где   – касательное напряжение сдвига, Па;  – динамическая вязкость, Пас (при температуре 20,5 °С и давлении 0,1 МПа вязкость воды равна 1 мПа×с);  – скорость сдвига, с -1.

Реограмма, т.е. график зависимости t = f (g) ньютоновских (вязких) жидкостей (рис. 4.6), представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат.

 = tg 

0

Рис. 4.6. Реограмма

ньютоновской жидкости

Из графика следует, что для ньютоновских жидкостей динамическая вязкость остается неизменной при любой скорости сдвига (в трубах, в затрубном пространстве, в насадках долота) и геометрически представляет собой тангенс угла наклона реологической кривой к оси скорости сдвига.

Жидкости, течение или реологическое поведение которых не подчиняется закону внутреннего трения И. Ньютона, называются неньютоновскими.

К таким жидкостям относятся масляные краски, некоторые смазки, фармацевтические препараты, пищевые продукты, эмульсии, полимерные растворы, суспензии и др. К неньютоновским относится и большинство промывочных жидкостей.

Реологические свойства промывочных жидкостей ведущие отечественные и зарубежные специалисты относят к числу важнейших. Обусловлено это тем, что они оказывают существенное влияние практически на все показатели и процессы, связанные с бурением скважин. В частности, реологические свойства в значительной мере определяют степень очистки забоя скважины от шлама и охлаждения поро­доразрушающего инструмента, транспортирующую способность потока промывочной жидкости, величину гидравлических сопротивлений во всех звеньях циркуляционной системы скважины и гидродинамического давления на ее стенки и забой в процессе бурения; амплитуду колебаний давления при пуске и остановке насосов, выполнении СПО и проработке скважины с расхаживанием бурильной колонны; интенсивность обогащения промывочной жидкости шламом, полноту ее замещения тампонажным раствором в кольцевом пространстве между обсадной колонной и стенками скважины и др.

Перечень показателей, которыми характеризуют реологические свойства промывочных жидкостей, определяется выбором реологической модели, т.е. уравнения, описывающего связь между возникающими в жидкости напряжениями  и скоростью ее деформации или сдвига .

Первой реологической моделью, использованной для описания реологического поведения глинистых суспензий (В. Грегори, 1927 г.), была модель, которая в нашей стране известна как модель Бингама–Шведова

  = 0 +   , (4.28)

где  0 – динамическое напряжение сдвига, Па;  – пластическая вязкость, Пас.

Динамическое напряжение сдвига косвенно характеризует сопротивление промывочной жидкости, возникающее при инициировании ее течения. С увеличением динамического напряжения сдвига увеличивается удерживающая способность промывочной жидкости, но вместе с тем возрастают гидравлические сопротивления в циркуляционной системе скважины, амплитуда колебаний давления при пуске и остановке насосов и выполнении СПО, а также вероятность образования застойных зон с аккумуляцией в них выбуренной породы.

Пластическая вязкость промывочной жидкости характеризует темп роста касательных напряжений сдвига при увеличении скорости сдвига.

С увеличением пластической вязкости возрастают гидравлические сопротивления в циркуляционной системе скважины и снижается ресурс работы буровых насосов, а также доля гидравлической мощности, подводимой к забойному двигателю и долоту.

0

СНС

0

Рис. 4.7. Реограмма вязкопластичной жидкости

Двухпараметрическая линейная модель (4.28) была предложена Е. Бингамом в 1921 г. (по другим источникам в 1916 г.) для описания реологического поведения красок, аномально отличающегося от поведения ньютоновских жидкостей зависимостью вязкости от скорости сдвига. Такого же рода аномалия у растворов желатина была обнаружена русским ученым Шведовым Ф.Н. еще в 1898 г. (по другим источникам в 1885 г.).

Промывочные жидкости, реологическое поведение которых описывается уравнением (4.28), называются вязкопластичными. Для реальных промывочных жидкостей при малых скоростях сдвига зависимость  = () нелинейна, что не соответствует модели Бингама–Шведова. Однако этот интервал скоростей сдвига во внимание не принимается и динамическим напряжением сдвига 0 считается значение напряжения в точке пересечения продолжения прямой  = () с осью касательных напряжений (рис. 4.7). Отсюда следует, что динамическое напряжение сдвига имеет скорее математическую, чем физическую интерпретацию. Действительное же напряжение, при котором начинается течение жидкости, меньше чем 0 , и называется статическим напряжением сдвига (СНС).

Таким образом, вязкопластичная промывочная жидкость характеризуется тем, что в состоянии покоя обладает пространственной структурой, достаточно жесткой, чтобы сопротивляться любому напряжению, меньшему СНС. Когда напряжение сдвига , вызванное внешним воздействием, превышает значение СНС, структура разрушается, и жидкость начинает течь. При   0 жидкость течет уже как обычная ньютоновская жидкость с вязкостью . Когда действующие в промывочной жидкости касательные напряжения сдвига становятся меньше СНС (  СНС), то пространственная структура вновь восстанавливается.

В начале 50-х годов для описания реологического поведения промывочных жидкостей наряду с моделью Бингама–Шведова стала использоваться приведенная ниже степенная двухпараметрическая модель, которая впервые была получена В. Оствальдом и де Ваале в 1925 г. и соответственно носит название модели Оствальда–де Ваале (рис. 4.8)

 = k (  )n, (4.29)

где k – показатель консистенции при = 1с-1, Пас; n – показатель неньютоновского поведения.

0

Рис. 4.8. Реограмма псевдопластичной жидкости

Показатель консистенции характеризует густоту или вязкость промывочной жидкости. С увеличением показателя консистенции увеличивается ее транспортирующая и удерживающая способность, но вместе с тем увеличиваются и гидравлические сопротивления в циркуляционной системе скважины, а также амплитуда колебаний давления при инициировании течения промывочной жидкости и выполнении СПО, что повышает вероятность возникновения гидроразрывов пластов и газонефтеводопроявлений.

Показатель неньютоновского поведения промывочной жидкости характеризует степень отклонения ее реологического поведения от поведения ньютоновских жидкостей. Снижение значений показателя неньютоновского поведения вызывает выполаживание эпюры скоростей потока промывочной жидкости в кольцевом пространстве скважины, в результате чего повышается ее транспортирующая способность, так как основная масса шлама оказывается в зоне максимальных скоростей.

Появление степенной модели (4.29) в буровой реологии было обусловлено ее способностью учитывать нелинейность кривых течения промывочных жидкостей, обработанных химическими реагентами, в частности, полимерами, а также возросшим ассортиментом последних.

Промывочные жидкости, реологическое поведение которых описывается моделью Оствальда–де Ваале, называются псевдопластичными. Для них характерно снижение вязкости с увеличением скорости сдвига, что объясняется выравниванием, ориентированием взвешенных несимметричных твердых частиц суспензий и развертыванием цепей полимеров таким образом, что течению оказывается минимальное сопротивление.

В нашей стране модель Оствальда–де Ваале впервые была использована для описания реологического поведения промывочных жидкостей в 1960 г. Б. Филатовым и Чжу Мэ.

Итак, в отечественной и зарубежной практике наиболее широко используемыми являются двухпараметрические модели Бингама–Шведова и Оствальда–де Ваале. Однозначное мнение о том, какая из моделей: Оствальда–де Ваале или Бингама–Шведова является наиболее предпочтительной для описания реологического поведения неньютоновских промывочных жидкостей, до сих пор отсутствует. Поэтому к выбору этих моделей и, следовательно, к выбору перечня показателей, характеризующих реологические свойства промывочных жидкостей, существует три различных подхода.

1. Априорный или эвристический подход, когда реологические свойства промывочной жидкости характеризуют либо пластической вязкостью и динамическим напряжением сдвига, либо показателями консистенции и неньютоновского поведения, т.е. когда без каких-либо обоснований в качестве базовой принимают или модель Бингама–Шведова, или модель Оствальда–де Ваале. Очевидно, что при таком подходе реологические свойства промывочных жидкостей даже одного и того же типа и состава могут характеризоваться совершенно разными показателями, что исключает возможность сопоставления, сравнительной количественной оценки и выбора наиболее предпочтительных из них с позиций реологии.

2. Статистический подход, когда реологические свойства промывочной жидкости характеризуют показателями той из двух рассматриваемых моделей, которая наиболее адекватно, т.е. с меньшей погрешностью, описывает ее реологическое поведение. Однако реологическое поведение промывочной жидкости одного и того же компонентного состава в зависимости от ее долевого состава, температуры и диапазона скоростей сдвига может адекватно описываться то моделью Бингама–Шведова, то моделью Оствальда–де Ваале, в связи с чем при бурении разных по глубине интервалов одной и той же скважины реологические свойства промывочной жидкости необходимо характеризовать то одним, то другим комплексом несопоставимых друг с другом показателей.

3. Компромиссный подход, когда реологические свойства промывочной жидкости одновременно оценивают показателями, входящими в модель Бингама–Шведова и Оствальда–де Ваале.

Кроме основных параметров этих моделей (0, , k, n), для характеристики реологических свойств промывочных жидкостей широко ис­пользуют ещё и целый ряд дополнительных параметров: коэффициент пластичности, эффективную вязкость при скорости сдвига равной 100 с-1, асимптотическую вязкость или эффективную вязкость при полностью разрушенной структуре (при скорости сдвига равной 10 000 с-1).

Коэффициент пластичности промывочной жидкости (КП, с-1) определяется величиной отношения динамического напряжения сдвига к пластической вязкости

КП = 0 / . (4.30)

С ростом коэффициента пластичности увеличивается транспортирующая способность потока, а также гидродинамическое давление струй промывочной жидкости, выходящих из насадок долота, что обеспечивает более эффективное разрушение горных пород на забое и рост механической скорости бурения. При этом высокие значения коэффициента пластичности желательно поддерживать за счет снижения пластической вязкости промывочной жидкости, а не увеличения ее динамического напряжения сдвига.

Эффективная вязкость (ЭВ) характеризует ту действительную вязкость, котopoй обладает промывочная жидкость при скорости сдвига, имеющей место в кольцевом пространстве скважины, в бурильных трубах или в промывочных каналах породоразрушающего инструмента. Она является общим показателем реологических свойств промывочных жидкостей, независимо от того, какой моделью описывается их реологическое поведение.

Величина эффективной вязкости определяется по следующим формулам:

– для вязкопластичных промывочных жидкостей

ЭВ =  + (0 Dэ / 6 ); (4.31)

– для псевдопластичных промывочных жидкостей

ЭВ = k (w )n- 1, (4.32)

где Dэ – эквивалентный диаметр канала потока промывочной жидкости, м (в бурильных трубах Dэ = d1, где d1 – внутренний диаметр бурильных труб; в кольцевом пространстве скважины Dэ = D – d2, где D – диаметр скважины, d2 – наружный диаметр бурильных труб; в промывочных каналах породоразрушающего инструмента Dэ = 4 F / П, где F – суммарная площадь сечения промывочных каналов, П – полный смоченный периметр промывочных каналов);  – средняя по сечению канала потока объемная скорость движения промывочной жидкости, м/с (в бурильных трубах  = 410-3 Q / 60  d12, где Q – расход промывочной жидкости, дм3/мин; в кольцевом пространстве скважины  = 410-3 Q / 60  (D2 – d22); в промывочных каналах коронок  = Q10-3 / 60 k b h, где k – число промывочных каналов, b – ширина промывочного канала, h – начальная глубина промывочного канала); w – скорость сдвига в интересующем исследователя канале скважины, с-1.

В циркуляционной системе скважины скорость сдвига меняется в очень широких пределах: в бурильной колонне от 100 до 500 с-1, в УБТ – от 700 до 3000 с-1; в затрубном кольцевом пространстве от 10 до 500 с-1, чаще всего 100 с-1; в насадках долот от 10 000 до 100 000 с-1.

Значение скорости сдвига в бурильных трубах и промывочных каналах породоразрушающего инстру­мента может быть рассчитано по следующей формуле

w = [(3 n + 1) / 4 n] (8  / D). (4.33)

В кольцевом пространстве скважины скорость сдвига равна

w = [(2 n + 1) / 3 n] [12  / (Dс – d2)]. (4.34)

Таким образом, по приведенным выше формулам эффективная вязкость (ЭВ) может быть рассчитана не только для принятых в качестве стандартных скоростей сдвига (100 и 10 000 с-1), но и для тех скоростей сдвига w, которые действительно имеют место в том или ином канале циркуляционной системы скважины.

Эффективная вязкость при скорости сдвига равной 100 с-1 (ЭВ100, Пас) характеризует вязкость промывочной жидкости в кольцевом пространстве скважины и является основным показателем, определяющим транспортирующую способность её потока, которая тем выше, чем выше значения ЭВ100. Вместе с тем с ростом ЭВ100 увеличиваются гидравлические сопротивления при течении промывочной жидкости в кольцевом пространстве и, соответственно, дифференциальное давление, что ведет к снижению механической скорости бурения и проходки на долото (коронку) в результате не только удержания частиц разрушенной породы на забое, но и ухудшения условий формирования зоны предразрушения (условий зарождения и развития макро- и микротрещин).

ЭВ100 = k (100) n - 1. (4.35)

Эффективная вязкость при полностью разрушенной структуре (ЭВ) характеризует вязкость промывочной жидкости в промывочных каналах породоразрушающего инструмента и в песко-илоотделителях (гидроциклонах). С уменьшением ЭВ повышается степень очистки забоя скважины от шлама и охлаждения вооружения породоразрущающего инстумента, вследствие чего возрастает ресурс его работы и механическая скорость бурения. Кроме того, с уменьшением ЭВ снижается интенсивность обогащения промывочной жидкости шламом, так как при меньшей вязкости последний легче отделяется в очистных устройствах.

ЭВ = k (10 000) n - 1. (4.36)

Очевидно, что компромиссный подход к выбору реологической модели, т.е. использование семи показателей (0, , k, n, КП, ЭВ100, ЭВ) позволяет достаточно всесторонне охарактеризовать реологические свойства и связанные с ними функциональные возможности промывочной жидкости. Однако, если на этапе её проектирования это является достоинством, то в процессе эксплуатации промывочной жидкости, напротив, становится недостатком, так как одновременно контролировать большое число показателей, а главное управлять ими, чрезвычайно сложно.

Экспериментально доказано, что для оценки реологических свойств буровых растворов вполне достаточно использовать комплекс из трех показателей: пластическая вязкость (h, мПа×с), динамическое напряжение сдвига (t0, дПа) и коэффициент пластичности (КП, с-1), которые и предлагается повсеместно использовать для характеристики реологических свойств промывочных жидкостей на водной основе.

Чтобы установить характер зависимости между касательными напряжениями и скоростями сдвига и определить значения показателей реологических свойств промывочных жидкостей используют капиллярные и ротационные вискозиметры, последние из которых используются гораздо чаще.

Основу ротационного вискозиметра (pиc. 4.9) составляют два вертикально расположенных соосных цилиндра, в зазор между которыми заливается исследуемая промывочная жидкость.

Внешний цилиндр (гильза) 1 может вращаться с различными частотами. При вращении гильзы между концентрическими слоями промывочной жидкости, находящейся в кольцевом зазоре вискозиметра, возникают касательные напряжения сдвига и обусловленный ими крутящий момент, который передается внутреннему цилиндру (измерительному элементу) 2. В результате последний поворачивается вокруг своей оси до тех пор, пока момент, развиваемый касательными напряжениями сдвига, не станет равным моменту закручивания пружины 3. Угол поворота измерительного элемента, пропорциональный величине касательных напряжений сдвига, фиксируется по шкале прибора 4.

Устройство ротационного вискозиметра и порядок работы с ним рассмотрим на примере отечественного прибора ВСН-3 (рис. 4.10), состоящего из сборного корпуса, измерительной системы, привода и пробоотборника для измеряемой жидкости.

Корпус состоит из кожуха 2, оснований 17, 19, верхней платы 9, нижней платы 1 и крышек 12 и 27. На платах смонтированы все механизмы вискозиметра.

Измерительная система крепится к верхней плате 9 и состоит из измерительного элемента 3, закрепленного на оси 7, которая установлена на двух керновых опорах 4 и 11. Для регулирования осевого зазора подпятник опоры 11 закреплен в винте, перемещающемся во втулке 10. На втулке 10 смонтированы подшипники 22.

На наружных обоймах этих подшипников посажена шпиндель-шестерня 8, передающая вращение гильзе 5. На верхней части оси 7 установлена втулка 23, на которой закреплены шкала и один конец измерительной пружины 21. Другой конец пружины закреплен в винте 20, который перемещается в кронштейне 18.

Рис. 4.9. Общая

схема ротационного вискозиметра

Привод вискозиметра имеет пять частот вращения: 0,2; 200; 300; 400 и 600 мин-1 и состоит из электродвигателя 28, двухскоростного двигателя 13, муфт обгона 16, 24, блока шестерни 15, шестерен 6, 8, 14, 25, 26, 29, 30, 32 и вала 31.

Рис. 4.10. Ротационный вискозиметр ВСН-3

Техническая характеристика ВСН-3

Пределы измерения касательных напряжений сдвига, Па:

для пружины № 1 0–45;

для пружины № 2 0–90.

Диапазон измерений динамической вязкости ньютоновских жидкостей (при 200 мин-1), Пас:

для пружины № 1 0,001–0,2;

для пружины № 2 0,001–0,4;

Частота вращения гильзы, мин-1 0,2; 200; 300; 400; 600;

Максимальный угол поворота измерительного элемента, град 270; Наружный диаметр измерительного элемента, мм 39,62; Высота измерительного элемента, мм 60;

Внутренний диаметр гильзы, мм 44;

Потребляемая мощность, ВА 65.

Питание от сети переменного тока напряжением 220 В при частоте 50 Гц;

Пределы термостатирования исследуемой жидкости, С 20–60;

Габаритные размеры, мм 278 х 192 х 525;

Масса, кг 19;

Реометрические измерения на ротационном вискозиметре BCH-3 сводятся к последовательной установке фиксированных частот вращения гильзы ni (600, 400, 300 и 200 мин-1) и определению при этом устойчивых показаний углов поворота шкалы i.

Реометрию промывочных жидкостей с помощью ВСН-3 необходимо проводить в следующем порядке:

1. Установить ВСН-3 на столе, не подвергающемся вибрациям и тряске.

2. Проверить «нуль» шкалы прибора. При несовпадении «нуля» шкалы с визирной линией на смотровом стекле, установить «нуль» шкалы, руководствуясь при этом инструкцией по эксплуатации ВСН-3.

3. Поставить тумблер в положение «откл» и включить вилку прибора в сеть переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

4. Надеть гильзу на шпиндель-шестерню, налить в стакан до риски испытуемую промывочную жидкость и установить стакан на телескопический столик.

5. Измерить температуру испытуемой промывочной жидкости с точностью до ближайшего деления термометра.

При проведении реометрии без предварительного термостатирования промывочной жидкости ее температура должна составлять 213 С.

6. В тех случаях, когда температура промывочной жидкости не соответствует указанной в п. 5 или требуется оценить ее реологические свойства при повышенной температуре (максимум до 60 С), необходимо подсоединить стакан к термостату резиновыми шлангами и выдержать испытуемую промывочную жидкость до достижения заданной температуры.

7. Поднять телескопический столик и зафиксировать его в верхнем положении поворотом по часовой стрелке.

8. Установить переключатель частот вращения гильзы в положение 600 мин-1, тумблер – в положение «вкл» и перемешать испытуемую промывочную жидкость в течение 5 минут с целью разрушения в ней тиксотропной структуры.

9. Дождаться устойчивого, не изменяющегося при вращающейся гильзе в течение 1 минуты, положения шкалы прибора и взять отсчет с точностью до 1/2 деления шкалы. Повторить измерения 1–2 раза при той же частоте вращения гильзы.

10. Провести измерения согласно п. 9 при частотах вращения гильзы равных 400, 300, 200 мин-1.

П р и м е ч а н и я :

1. Измерения от момента окончания перемешивания промывочной жидкости по п. 8 и до момента снятия последнего повторного отсчета при частоте вращения гильзы равной 200 мин-1 должны проводиться непрерывно с минимально возможной продолжительностью для того, чтобы исключить тиксотропное схватывание и потерю устойчивости промывочной жидкости под действием центробежных и гравитационных сил.

2. При зашкаливании прибора, оснащенного пружиной № 1, на частоте вращения гильзы равной 600 мин-1, необходимо продолжить измерения, перейдя на частоту 400 мин-1, а при зашкаливании прибора и на этой частоте – проводить измерения на всех частотах, используя пружину № 2.

3. При значениях угла поворота шкалы прибора, оснащенного пружиной № 1, составляющих менее 10 градусов на частоте вращения гильзы равной 200 мин-1, результаты измерений на этой частоте в последующие расчеты не включать, а в той же ситуации на частоте 300 мин-1 – использовать для измерений на всех частотах нестандартную пружину меньшей жесткости.

Это требование обусловлено тем, что работа в диапазоне углов поворота шкалы ВСН-3 от 0 до 10 градусов приводит к большим погрешностям оценки показателей реологических свойств.

4. Во всех случаях реометрию на ВСН-3 необходимо проводить не менее чем при трех различных частотах вращения гильзы.

По окончании реометрии производится расчет касательных напряжений и скоростей сдвига при всех использованных в процессе измерений частотах вращения гильзы.

Для перевода показаний, снимаемых по шкале BCH-3, в термины касательных напряжений сдвига зафиксированные значения углов поворота шкалы умножаются на паспортную константу «К» прибора

i = «K» i, (4.37)

где  i – касательное напряжение сдвига при i-й частоте вращения гильзы, Па;  i – средний (по 2–3 параллельным измерениям) угол поворота шкалы прибора при той же частоте вращения гильзы, град; «К» – константа прибора, Па/град.

Скорость сдвига в кольцевом зазоре вискозиметра при i-й частоте вращения гильзы приближенно может быть найдена по формуле

i =  n / 15 [1 – (r/ R)2], (4.38)

где i – скорость сдвига в с-1 при частоте вращения гильзы ni в мин -1; r – радиус измерительного элемента, мм; R– внутренний радиус гильзы, мм.

Величины r и R определяются по данным технической характеристики прибора или более точно путем непосредственного измерения штангенциркулем с ценой деления 0,02 мм.

Значения констант «К» для пружин № 1 и № 2, входящих в комплект прибора ВСН-3, приводятся в руководстве по его эксплуатации.

Константа «К» с достаточно высокой точностью может быть определена расчетным путем по формуле

«К» = (d4 Е) / [23040 r2 h (Dн - d) i], (4.39)

где Dн – наружный диаметр пружины, м; i – число рабочих витков пружины; Е – модуль упругости (для пружинных сталей Е = 2,11011 Па); d – диаметр проволоки, м; r – радиус измерительного элемента, м; h – высота измерительного элемента, м. (расставить).

Многочисленные экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что реологическое поведение промывочных жидкостей существенно зависит от температуры и давления.

Так, по мере увеличения температуры в глинистых суспензиях происходит следующее:

– снижается вязкость дисперсионной среды (воды), что приводит к обратимому снижению пластической вязкости;

– уменьшается толщина сольватной (гидратной) оболочки глинистых частиц, что облегчает их коагуляцию и флокуляцию, которые, в свою очередь, ведут к обратимому повышению динамического и статического напряжения сдвига (при очень высоких температурах структурные изменения могут стать необратимыми);

– ослабевают связи между элементарными чешуйками глины; при этом увеличивается степень ее диспергирования (термическая пептизация) и, как следствие этого, происходит необратимое повышение пластической вязкости и динамического напряжения сдвига;

– необратимо изменяются свойства реагентов вплоть до химических превращений, модификации строения или расщепления макромолекул, что обычно ведет к повышению вязкости.

Характер и степень изменения вязкости под действием температуры определяется минералогическим составом и концентрацией глины, содержанием в промывочной жидкости инертных твердых частиц, наличием в ней химических реагентов и их химическим составом, темпом и длительностью нагрева, давлением, скоростью сдвига и другими факторами. Что же касается давления, то его влияние на вязкость промывочных жидкостей на водной основе мало и связано, главным образом, с увеличением плотности дисперсионной среды в результате сжатия. Так, сжатие воды по мере роста давления от атмосферного до давления равного 70 МПа увеличивает ее вязкость примерно на 10 %.

Все это свидетельствует о необходимости проведения реометрических измерений при термобарических условиях, близких к тем, которые могут иметь место в конкретных скважинах, для чего специально выпускают высокотемпературные вискозиметры.

За рубежом 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 HC 34A и 34A; FANN 35A и 35SA; FANN 35A / SR12 и 35SA / SR12; FANN 70 HTHP. 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 HC 34A и 34A, 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, поэтому их называют вискозиметрами с прямым отсчетом

 = 600  300; (4.40)

0 = 300  ; (4.41)

ЭВ = 600 / 2, (4.42)

где  – пластическая вязкость, мПас; 600, 300 – значения углов поворота шкалы вискозиметра при частотах вращения гильзы соответственно равных 600 и 300 мин-1, град; 0 – динамическое напряжение сдвига, фунт/100 фут2 (1 фунт /100 фут2 = 0,4788 Па); ЭВ – эффективная вязкость, мПас.

Вискозиметры FANN 35A и 35SA имеют шесть частот вращения гильзы (3, 6, 100, 200, 300, 600 мин-1), а 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 (АPI). 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 HTHP служит для определения реологических и структурно-механических свойств промывочных жидкостей при более высоких температурах (до 260 С) и давлениях до 20 МПа.

Полученная по результатам реометрии на том или ином ротационном вискозиметре совокупность [ti, Па; gi, с-1] является основой для расчета значений пластической вязкости (h, мПа×с), динамического напряжения сдвига (t0, дПа) и коэффициента пластичности (КП, с-1) бурового раствора по формулам

 = [( – 1 / m   ) 1000] / [( )2 1 / m ( )2], (4.43) 0 = 10 [1 / m  0,001   )], (4.44)

КП = 100 0 / , (4.45)

где m – число использованных в процессе реометрических измерений частот вращения гильзы.

П р и м е р 1. По экспериментальным данным (табл. 4.2), полученным с помощью ротационного вискозиметра BСH-3 (r =19,81 мм; R = 22 мм; «К» = 0,17 Па / град), найти значения показателей реологических свойств исследуемой промывочной жидкости.

Таблица 4.2

Результаты реометрии промывочной жидкости

ni, мин-1

Значения углов поворота шкалы прибора, град

Касательные напряжения сдвига i,

Скорость

сдвига

i, с-1

i1

i2

i3

iср

Па

600

31,5

32,0

31,0

31,5

5,36

664,25

400

24,0

23,5

24,5

24,0

4,08

442,83

300

20,0

21,0

20,5

20,5

3,49

332,12

200

15,0

15,0

15,0

15,0

2,55

221,42

Для расчета  и о по формулам (4.43) и (4.44), предварительно вычислим следующие суммы:

 i i = 5,36 664,25+4,08 442, 83 + 3,49 332,12 + 2,55 221,42 = 7090,85;  i = 5,36 + 4,08 + 3,49 + 2,55 = 15,48; i = 664,25 + 442,03 + 332,12 + 221,42 = 1660,62; ( i)2 = (664,25)2 + (442,83)2 + (332,12)2 + (221,42)2 = 796656,80.

Тогда окончательно получим

 = [(7090,85 – 1/415,481660,62)1000] / [(796656,80 – 1/4 (1660,62)2] =

= 6,2 мПас;

0 = 101/4 (15,48 - 0,001 6,21660,62) = 12,96 дПа.

КП = 100  12,96 / 6,2 = 209 с-1.

Для оперативной обработки результатов реометрии в Томском политехническом университете разработана компьютерная программа «Реология».

Идеальная с точки зрения реологии промывочная жидкость в нисходящем потоке (в бурильной колонне, гидравлическом забойном двигателе, насадках долота или промывочных каналах коронки), на забое и в очистных устройствах должна обладать вязкостью, близкой к вязкости воды, а в восходящем потоке иметь вязкость, необходимую и достаточную для транспортирования шлама на поверхность без аккумуляции его в скважине.

Желательные пределы изменения значений показателей реологических свойств промывочной жидкости, позволяющие характеризовать ее по всему выделенному комплексу показателей как отличную, хорошую и удовлетворительную, должны быть следующими (табл. 4.3).

Таблица 4.3

Желательные пределы изменения значений основных показателей

Оценка качества:

, мПас

0, дПа

КП, с -1

отлично

3–6

15–30

 500

хорошо

6–10

20–50

350–500

удовлетворительно

10–15

20–50

200–350

реологических свойств промывочных жидкостей