Лабораторная работа 8 измерение реологических параметров промывочных жидкостей

Цель работы. Определить динамическое напряжение сдвига и структурную вязкость глинистого раствора.

Законы течения и деформации любого тела – предмет изучения реологии. Цель реологии – составить такую систему уравнений, которая бы связывала напряжения, деформации, скорости деформаций и была применима для любых тел. Поведение тела под воздействием внешних сил определяется его внутренней структурой, величиной и скоростью возникновения напряжений, характером их изменения.

Реологические свойства промывочных жидкостей относятся 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 её стенки и забой в процессе бурения; амплитуду колебаний давления при пуске и остановке насосов, выполнении спуско-подъемных операций (СПО) и проработке скважины с расхаживанием бурильной колонны; интенсивность обогащения промывочной жидкости шламом, полноту её 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 её деформации или сдвига .

Первой реологической моделью, использованной для описания реологического поведения глинистых суспензий, была модель Бингама-Шведова:

, (14)

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

Динамическое напряжение сдвига косвенно характеризует сопротивление промывочной жидкости, возникающее при инициировании её 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 (структурная) 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 насосов, а также доля гидравлической мощности, подводимой к забойному двигателю и долоту.

Приборы и материалы. Лабораторная глиномешалка, весы с разновесами, образцы глины различного качества, техническая вода, ротационный пластометр ВСН-3.

Прибор ВСН-3. Состоит из закрытого корпуса 1 (рис.13), измерительной системы привода и стакана 4 для испытуемой жидкости. В корпусе 1 прибора смонтированы все механизмы вискозиметра.

Измерительная система включает подвесной цилиндр 5, гильзу 6, шкалу 7, пружину 9, крутильную головку 10. Испытуемая жидкость заливается в стакан 4, который опирается на телескопический столик 3. Гильза 6 приводится во вращение от двигателя 15 через редуктор 2, вал 11 и систему шестерен. Для измерения статического напряжения сдвига прибор снабжен электродвигателем 13, который при соответствующем положении переключателя 14 редуктора вращает через шестерню 12 наружный цилиндр с частотой 0,2 об/мин. Конструкция прибора обеспечивает предварительное разрушение структуры промывочной жидкости путем вращения цилиндра 6 с большой частотой.

П ринцип действия ВСН-3 основан на измерении момента сил трения, возникающего в кольцевом зазоре при вращении гильзы 6 и закручивающего подвесной цилиндр 5 на угол, пропорциональный возникающему моменту. Пружина 9 создает реактивный момент, препятствующий вращению подвесного цилиндра. Угол измеряется по отклонению «нуля» от шкалы 7 на смотровом окне 8. Привод вискозиметра обеспечивает четыре частоты вращения (200,300,400,600 об/мин) наружного цилиндра при определении динамического напряжения сдвига и структурной вязкости и одну (0,2 об/мин) при определении статического напряжения сдвига.

Порядок выполнения работы. Приготовить раствор. Для измерения структурной вязкости и динамического напряжения сдвига испытуемую жидкость залить в стакан и перемешать при частоте вращения 600 об/мин с целью разрушения структуры, а затем снять устойчивые показания углов закручивания шкалы прибора при 600, 400, 300 и 200 об/мин (за устойчивые показания углов закручивания принимаются углы, величины которых при вращении гильзы в течение 3 мин не меняются).

Структурная вязкость вычисляется по формуле:

. (15)

Динамическое напряжение сдвига соответственно:

. (16)

Здесь А и В – константы прибора (приводятся в паспорте); ₁ и ₂ – углы поворота шкалы, измеренные при соответствующих частотах n₁ и n₂. За величины структурной вязкости и динамического напряжения сдвига принимают средние значения трех измерений.

Обработка результатов и их представление. Отчет по лабораторной работе должен быть набран при помощи ПК, распечатан на листе формата А4 и содержать следующие разделы: цель работы; описание аппаратуры и материалов; результаты работы.