4.3.4 Определение динамического напряжения сдвига (днс), пластической и эффективной вязкости

Чтобы установить характер зависимости между касательными напряжениями и скоростями сдвига и определить значения показателей реологических свойств промывочных жидкостей, используют наиболее простые формы движения: установившееся ламинарное (слоистое) течение жидкости вдоль оси цилиндрической трубы или тангенциальное течение между двумя коаксиальными (соосными) цилиндрами, т.е. течения, при которых линии тока - прямые линии или концентрические окружности. Подобные течения реализуются в специальных приборах, называемых соответственно капиллярными и ротационными вискозиметрами, последние из которых используются гораздо чаще. Их описание приведено в разделе 4.2.

Динамическое напряжение сдвига ₀ (дПа) - величина, косвенно характеризующая прочностное сопротивление бурового раствора течению. Оно характеризует усилие, требуемое для того, чтобы началось течение, или движение молекул относительно друг друга по направлению потока. Для увеличения скорости потока необходимо дополнительное усилие. Это дополнительное усилие характеризуется пластической вязкостью.

Динамическое напряжение сдвига способствует повышению качества очистки скважины, а пластическая вязкость – нет.

ДНС является мерой способности твердых частиц в жидкости формировать структуру, сопротивляющуюся деформации. Оно возникает в результате действия сил отталкивания электростатических зарядов на поверхности частиц. Отрицательные заряды на поверхности частиц бентонита заставляют их отталкиваться друг от друга. При смешивании жидкости с бентонитом частицы бентонита будут стремиться отойти одна от другой как можно дальше. Динамическое напряжение сдвига характеризует сопротивление течению, обусловленное действием электрохимических сил.

Для иллюстрации концепции ДНС можно вообразить себе тонкий, толщиной в одну молекулу, слой бурового раствора, неким образом подвешенный в горизонтальной плоскости. Поскольку динамическое напряжение сдвига измеряется в г/100 см², мы примем площадь поперечного сечения ствола 100 см². Если частица шлама должна пройти через этот слой бурового раствора, частицы бентонита должны уйти с пути ее движения. Это означает, что некоторые частицы должны подойти ближе друг к другу. Из-за наличия отрицательных зарядов возникает сила отталкивания, стремящаяся этому помешать. Сила отталкивания является функцией квадрата расстояния. Если сократить наполовину расстояние между двумя частицами, то сила отталкивания между ними возрастет в четыре раза. Чем больше глины в растворе, тем ближе будут друг к другу частицы глины, и тем больше будет сила отталкивания [5].

Рисунок 4.25 – Схематичное изображение действия ДНС

Если динамическое напряжение сдвига равно 20 г/100 см², наш неким образом подвешенный слой бурового раствора удержит 20 г шлама, при условии что шлам очень тонко измельчен и равномерно распределен по поверхности слоя. Если же поместить 20 г породы в центр этого слоя, он легко прорвется. При прорыве, однако, на шлам будет действовать давление 20 г/100 см² .

Пластическая (структурная) вязкость _пл (Пас) - условная величина, показывающая долю эффективной вязкости, которая возникает вследствие структурообразования в потоке бурового раствора.

Тангенс угла наклона прямолинейной части кривой, характеризует пластическую вязкость. Пластическая вязкость представляет собой отношение последовательно возрастающих изменений касательного напряжения к скорости сдвига (Δτ/Δγ). Она обусловлена механическим взаимодействием между твердыми частицами и жидкостью, и зависит, в основном, от площади суммарной поверхности твердых частиц. Каждую твердую частицу в буровом растворе покрывает тонкая пленка жидкости толщиной не менее 2 микрон. Если частицы крупные, то для того чтобы их покрыть не требуется большое количество жидкости. Когда частицы разрушаются с образованием все более мелких частиц, общая поверхность увеличивается.

Чтобы покрыть образовавшиеся мелкие частицы требуется больше жидкости. По мере измельчения частиц этот неподвижный слой жидкости начинает составлять значительную часть всего объема бурового раствора .

Капли жидкости начинают взаимодействовать друг с другом в потоке бурового раствора. Течение бурового раствора в каналах между всеми неподвижными слоями жидкости, покрывающими твердые частицы, затрудняется. Таким образом, твердые частицы, покрытые слоем неподвижного бурового раствора, способствуют увеличению сопротивления потоку бурового раствора. Кроме того, они создают тенденцию вытягивания профиля скоростей потока.

Пластическая вязкость возрастает по мере увеличения площади суммарной поверхности частиц шлама.

Эффективная (кажущаяся) вязкость _эф (Пас) - величина, косвенно характеризующая вязкостное сопротивление бурового раствора при определенной скорости сдвига.