1.3. Измерение статического напряжения сдвига и вязкости раствора

Показатель статическое напряжение сдвига (СНС) характерен для структурных жидкостей, способных в покое образовывать коагуляционную тиксотропную структуру и приобретать некоторые свойства твердого тела, положительные стороны этого явления - способность раствора удерживать во взвешенном состоянии как частицы утяжелителя, так и частицы выбуренной горной породы, и оказывать значительное сопротивление движению раствора в пористой среде при малых скоростях, т.е. способствовать затуханию поглощения раствора. Отрицательные стороны: чем прочнее структура раствора, тем больше начальное давление на насосе при его пуске, тем труднее очищать буровой раствор от шлама и газа в системе очистки раствора.

Показатели СНС характеризуют прочность структуры на сдвиг и представляют собой отношение силы, под действием которой происходит разрушение структуры раствора через одну (ϴ₁) и через 10 минут (ϴ₁₀) покоя, к площади сдвига СНС измеряется в Па.

Лабораторное оборудование: ротационный вискозиметр ВСН-3 и секундомер. Принципиальная схема измерений напряжения сдвига прибором ВСН-3 приведена на рис. 3. Основными элементами прибора являются стакан 1, в который заливается проба раствора объемом 100 мл, столик 2, наружный цилиндр (ротор) 3, внутренний измерительный цилиндр 4, лимб 5, динамометр (пружина) 6 и стрелка-указатель 7; Привод вискозиметра позволяет задать ротору пять частот вращения: 0,2; 200; 300; 400 и 600 об/мин.

Рисунок 3. Схема измерительного узла вискозиметра

Порядок измерения CНC:

1) опустить столик 2 прибора в крайнее нижнее положение и залить с помощью мерного стаканчика 100 мл раствора в стакан 1;

2) поднять столик и зафиксировать его в крайнем верхнем положении, как показано на схеме (рис. 3);

3) включить вращение ротора с частотой 600 об/мин на одну минуту с целью разрушения структуры;

4) выключить вращение ротора и оставить раствор в покое на одну минуту;

5) включить вращение ротора с частотой 0,2 об/мин;

6) отметить и записать величину максимального угла γ₁ поворота лимба;

7) включить вращение ротора с частотой 600 об/мин на одну минуту с целью разрушения структуры;

8) выключить вращение ротора и оставить раствор в покое на 10 минут;

9) включить вращение ротора с частотой 0,2 об/мин, отметить и записать величину максимального угла у (о поворота лимба.

Рассчитать показатели ϴ₁ и ϴ₁₀ по формуле

ϴ=К₁ γ, Па,

где К₁ - константа прибора (выписывается из паспорта прибора. При учебных измерениях можно принять:

для пружины № 1 К₁ = 0,165 Па/градус;

для пружины № 2 К₁ - 0,330 Па/градус,

Вязкость бурового раствора характеризует его сопротивление движению в циркуляционной системе буровой, а также по каналам и трещинам пласта при поглощении. Поэтому для конкретных условий бурения подбирается некоторая оптимальная вязкость. Течение структурных буровых растворов наиболее часто описывают законом Бингама-Шведова: в соответствии с которым вводятся два параметра: η - коэффициент пластической (структурной) вязкости и τ₀ - динамическое напряжение сдвига.

Измерение параметров η и τ₀ выполнить на приборе ВСН-3 сразу после измерения СНС. Порядок работы:

1) включить вращение ротора с частотой 600 об/мин, отметить и записать устойчивую величину угла поворота лимба (величина у не должна меняться в течение 3...5 мин вращения ротора);

2) выключить прибор, поставить частоту вращения 300 об/мин, вновь включить прибору отметить и записать устойчивую величину угла γ₃₀₀ поворота лимба;

3) рассчитать значение пластической вязкости по формуле

η=К_{2 , Па*с}

где К₂ - константа прибора (выписывается го паспорта прибора). При учебных измерениях можно, принять:

для пружины № 1 К₂ = 0,15;

для пружины № 2 К₂ = 0,30.

τ₀= (γ₆₀₀- 600), Па,

где К₂ и В - константы прибора (выписываются го паспорта прибора). При учебных измерениях можно, принять

для пружины № 1 К₂/В = 0,15;

для пружины № 2 К₂/В = 0,30.

После проведения измерений стакан и ротор снять с прибора, вымыл протереть. Измерительный цилиндр моют и вытирают, не снимая с прибора.

Измерение условной вязкости. Для контроля вязкости приготовлении раствора и его применении на буровой широко используй показатель условной вязкости, который обозначается буквой Т и измеряется в с.

Рисунок 4. Схема измерения условной вязкости бурового раствора

Он представляет собой время истечения в секундах 500 мл раствора через трубку диаметром 5 мм из стандартной воронки СПВ-5 (прибора). Общий вид прибора и схема измерения условной вязкости приведены на рис.4. Прибор состоит из воронки 1 с трубкой 2 и сеткой 4. В комплект прибора входят мерная кружка 3 с двумя отделениями 500 и 200 мл и секундомер.

Измерение условной вязкости:

1) перемешать глинистый раствор, закрыть отверстие трубки снизу пальцем и залить мерно кружкой в воронку через сетку сначала 200 мл, а затем 500 мл;

2) без задержки мерную кружку поставить под воронку отделением 500 мл вверх и одновременно открыть трубку и пустить секундомер;

3) когда кружка наполнится раствором до верхнего края, остановить секундомер и закрыть отверстие трубки пальцем;

4) слить раствор в емкость и записать показание секундомера (Т = ?).

Первые навыки измерения вискозиметром СПВ-5 желательно получить, измеряя условную вязкость воды. При этом оценивается и исправность вискозиметра. "Водное число" исправного вискозиметра Т_в=15±0,2с.

После использования вискозиметр необходимо тщательно промыть.