§ 7. Методики отбора средней пробы сыпучих веществ и пробы бурового раствора

Не менее 200 г материала перемешивают и распределяют на ровной плоскости равномерным слоем в 2—3 мм в виде круга или квадрата. Весь материал лопаткой или совком делят на 4 равные части по 2^м взаимно перпендикулярным диаметрам круга или диагоналям квадрата. Материал из 2^х противоположных частей отгребают в сторону, а мат-ал в оставшихся частях перемешивают и вновь делят таким же образом. Операцию повторяют до получения 20-25 г мат-ла. Дальнейшим делением отбирают для анализа ср. пробу (~ 10 г), которую окончательно растирают в ступке до полного прохождения через сито № 006 (10000 отв/см²). Полученную ср. пробу сохраняют в стаканчике с притертой крышкой. Перед взятием навески пробу высушивают до постоянной массы при Т^о 105°С и тщательно перемешивают.

Пробы бурового раствора отбирают:

1) во время циркуляции у устья скважины перед очистными системами и дегазатором для уточнения свойств р-ра в скважине;

2) в конце желобов, по которым она подается к приемам бур. насосов, для получения хар-к ж-сти, закачиваемой в скважину;

3) у устья скважины до 5 л через 5-15 мин (в течение цикла) по 0,5 л, пропускают пробу через сетку, сливают в ведро для анализа свойств бурового раствора в лаборатории.

Перед отбором проб из емкостей, в которых хранится БР, содержимое перемешивают с помощью насосов до тех пор, пока весь объем не станет однородным.

Время между отбором проб и анализом должно быть min, т. к. св-ва БР во времени значительно меняются. Перед замером параметров пробу БР необходимо интенсивно перемешивать на мешалке в течение 15 мин или вручную.

§ 8. Реологические свойства буровых растворов

Все ж-сти обладают подвижностью - способностью течь, при этом первоначальное расположение частиц ж-сти изменяется, происходит деформация. Наука о деформации и течении всех встречающихся в природе тел называется реологией, а свойства тел, связанные с течением и деформацией, называются реологическими. Они характеризуются определенными величинами, не зависящими от условий их измерения и конструкции измерительных приборов. Такие величины называются реологическими константами.

Рассмотрим реол. свойства ньютоновских ж-стей (вода, истинные р-ры, продукты перегонки нефти и др.) и ж-стей (РВО, РНО и др.), не подчиняющихся основному уравнению закона течения для ньютоновских ж-стей. Оценка свойств всех ж-стей, определяющих их поведение при движении, связана в первую очередь с Т. У ньютоновских жидкостей Т - величина постоянная при данных условиях, а у структурированных ж-стей - не постоянная и зависит от скорости сдвига (градиента скорости). Если Т ньютоновских ж-стей характеризуется единственной величиной, называемой истинной Т, то для структурированных ж-стей необходимо приводить две характеристики - предельное ДНС и пласт. Т.

Течение ньютоновских ж-стей начинается при каких угодно малых касательных напряжениях, пропорциональных относительной скорости сдвига, и выражается уравнением Ньютона:

τ = ή dϋ/dn

где τ - касательное напряжение, дин/см²; ή - динамическая (действительная или эффективная) вязкость, сП; ΰ - скорость потока, см/с; п - нормаль к скорости потока, см; dΰ1dп - градиент скорости, 600^-1 с.

Большинство структур-х р-ров относится к пластичным ж-стям (тело Бингама) или к вязкопластичным ж-стям (тело Шведова), поэтому они не подчиняются закономерностям для ньютоновских жидкостей. Закон течения структурированных р-ров может быть выражен уравнением:

τ = τ_о +ή_пл dϋ/dn

где τ – кас. напряжение, дин/см²; τ_о - предельное ДНС, мгс/см²; ή_пл - пластическая вязкость, сП.

Реологические свойства структурированных ж-стей определяются следующими показателями: предельным динамическим и статическим напряжениями сдвига, пластической и эффективной вязкостью.

Предельное динамическое напряжение сдвига

Предельное ДНС-это условная величина, характеризующая прочность структурной сетки, которую необходимо разрушить для обеспечения течения БР; не зависит от касательных напряжений (давления прокачивания) и увеличивается с ростом вязкостного сопротивления. Предельное ДНС почти всегда больше статического, особенно в р-рах с большим содержанием высококоллоидных фракций. ДНС является понятием условным, не имеющим определенного физ. смысла. Эту величину невозможно измерить непосредственно каким-нибудь прибором. Она может быть определена графически или расчетом. Для получения ДНС приборами ВСН-2М, ВСН-3 или РВР производят соответствующие измерения и по полученным данным строят график и делают расчеты:

τ_о = Аφ

где τ_о - предельное динамическое напряжение сдвига, мгс/см²; А - константа прибора (указывается в паспорте) ; φ - угол закручивания, градусы (определяется по графику).

Примечание. Величины предельного ДНС и пласт. вязкости используют в основном для теор. работ или для условных гидравл. расчетов, так как в промысл. практике определить эти показатели очень сложно.

Пластическая вязкость

ПВ - это условная величина, характеризующая вязкостное сопротивление течению БР; не зависит от касательных напряжений (давлений прокачивания). ПВ не имеет определенного физического смысла, ее невозможно измерить непосредственно на каком-нибудь приборе. Она может быть определена графически или расчетным путем:

ή_пл = В х (φ₂-φ₁₎ / n

где ή_пл – пласт. вязкость, сП; В - константа прибора (указ-ся в паспорте); ф₂ и ф₁ - углы закручивания, градусы (определяются по графику); п - скорость сдвига (частота вращения), об/мин.

Эффективная вязкость

ЭВ характеризует сумму вязкостного и прочностного сопротивлений течению БР. Из всех рассмотренных реологических показателей она является наиболее важным. ЭВ снижается с увеличением касательных напряжений (давления прокачивания). В-на ее удобна для контроля за параметрами ж-стей при высоких Т^о. Для сравнения с ней используют эту же в-ну, измеренную при нормальной Т^о. В отличие от предельного ДНС и ПВ, она имеет реальный физический смысл. В-ну ЭВ получают графически или расчетным путем по формуле:

ή _э = В х φ₂ /n

где ή_э – эфф., сП; В - константа прибора (указ-ся в паспорте); ф2 - угол закручивания, градусы; п - скорость сдвига (частота вращения), об/мин.

Примечание. Из-за отсутствия приемлемых методов измерения эфф. вязкости в промысл. практике она оценивается условной величиной Т - временем истечения определенного объема бур. р-ра из стандартного прибора СПВ-5.

Измерение ДНС, эфф. и пласт. вязкости приборами ВСН-2М, ВСН-3 и РВР

Ротационные вискозиметры ВСН-2М, ВСН-3 и ротационный высокотемпературный реометр РВР предназначены для измерения показателей, позволяющих получить величины предельного ДНС, пластической (структурной) и эффективной вязкости и предельного СНС.

ВСН-2М работает при Т^о от 20 до 200°С и давлении от О до 150 кгс/см². Масса прибора 125 кг.

ВСН-3 работает при Т^о до 50°С и атмосферном давлении. Масса прибора 10 кг.

РВР работает при Т^о до 250°С и давлении до 150 кгс/см².

Методика замера этими приборами примерно одинакова. При использовании приборов ВСН-2М и ВСН-3 в наруж. цилиндр наливают испытуемый БР и устанавливают на кронштейн. Включают главный двигатель и доводят частоту вращения ротора до 600 об/мин, замеряют угол поворота φ₁ по установившимся показателям шкалы. Замер повторяют последовательно при 400, 300, 200 об/мин в ламинарной области течения р-ра.

При использовании прибора РВР контейнер заполняют БР (около 100 мл) и устанавливают в корпусе автоклава, который герметизируют. В рабочем объеме прибора создают давление, соответствующее заданной Т^о испытания (определяется по таблице, прилагаемой к прибору). Частоту вращения ротора доводят до 400 об/мин, одновременно включают обогрев.

По достижении заданной T^o ч-ту вращения ротора доводят до 700 об/мин; при данном режиме прибор работает 5 мин, после чего записывают угол закр-ния. Затем частоту вращения снижают до 600 об/мин и через 3 мин делают 2^й замер угла закр-ния. Аналогичные определения повторяют при 500, 400, 300, 200 об/мин. По результатам измерений строят график и рассчитывают в-ны предельного ДНС и ПВ. ЭВ определяют только при частоте вращения 600 об/мин.

Предельное статическое напряжение сдвига (СНС)

Этот показатель характеризует прочность тиксотропной структуры, возникающей в покоящемся р-ре, и интенсивность упрочения во времени, измеряется в мгс/см². Тиксотропность структуры выражается коэффициентом тиксотропии:

k = θ₁₀-θ₁ / t₁₀-t₁

где θ₁ и θ₁₀ — показатели СНС соответственно за 1 и 10 мин; t₁₀ и t₁ — время замера СНС.

Предельное СНС измеряется приборами СНС-2, ВСН-2М, ВСН-3, РВР.

Прибор СНС-2 ставят на устойчивом столе. С помощью винтов центрируют нить. Вращением уравнительных винтов устанавливают плиту в горизонтальное положение, чем достигается соосность внутреннего и внешнего цилиндров. «Нуль» шкалы устанавливают против риски, нанесенной на стрелке указателя. Пробу БР, очищенную от шлама, перемешивают на эл/мешалке и сразу заливают во внешний цилиндр так, чтобы внутр. цилиндр был погружен точно до верхнего края. Затем осторожно поворачивают рукой подвесную систему вправо - влево и устанавливают «нуль» шкалы против риски указателя. Тотчас пускают секундомер, и по истечении 1 мин включают э/двигатель прибора.

Внешний цилиндр с р-ром начинает вращаться, увлекая за собой внутренний и всю подвесную систему. По шкале отмечают угол max закручивания нити в градусах и останавливают секундомер. Р-р вновь перемешивают от руки подвесным цилиндром и оставляют в покое на 10 мин, снова замеряют угол φ₁₀. При измерении показателей СНС БРВО применяется нить № 5,6, а для РУВО - № 1,2.

При измерении СНС прибором ВСН-3 измерительный стакан прибора заполняют БР, предварительно очищенным от шлама, и ставят на кронштейн. Включают двигатель с частотой вращения 600 об/мин, при которой р-р размешивают в течение 1 мин. Затем вращение прекращают, устанавливают шкалу на «нуль» и р-р оставляют в покое на 1 мин, а частоту вращения р-ра переключают на 0,2 об/мин, при которой отсчитывают показания шкалы φ₁ в момент разрушения структуры р-ра (по реверсу шкалы). Аналогичный замер φ₁₀ делают после 10 мин покоя (предварительно повторив размешивание р-ра в течение 1 мин при 600 об/мин).

При измерении СНС прибором РВР автоклав реометра заполняют БР, предварительно очищенным от шлама, присоединяют к прибору и герметизируют. В раб. объеме прибора создают давление, соответствующее Т^о испытания р-ра (определяемое по таблице, прилагаемой к прибору). Включают тумблер гл. двигателя и частоту вращения ротора доводят до 400 об/мин. Ограничи-тель автомата Т^о устанавливают на требуемое значение (соответствующее Т^о испытания) и включают тумблер нагрева р-ра. По достижении требуемой Т^о частоту вращения ротора плавно доводят до 700 об/мин. При данном режиме прибор работает 0,5 мин, затем гл. двигатель выключают и шкалу устанавливают на «нуль».

После 1 мин покоя включают тумблер двигателя предельного СНС и отмечают показания шкалы ф₁ в момент разрушения структуры р-ра (по реверсу шкалы). Замер повторяют после 10 мин покоя (предварительно повторив размешивание р-ра в течение 0,5 мин) и получают φ₁₀. СНС во всех случаях рассчитывается по формуле:

θ_(1,10) = А φ_(1,10)

где θ_{(1, 10)} - предельное СНС через 1 и 10 мин, мгс/см²; А - константа нити или пружины динамометра ВСН-3 (указ-ся в паспорте); φ_{(1, 10)} - углы закручивания, измеренные после 1 и 10 мин покоя, градусы.

При выборе параметров величина СНС₁ берется за основу, так как она характеризует удерживающую способность БР. Для РВО, подлежащих утяжелению, а также в неосложненных условиях бурения величина СНС₁ должна быть в пределах 15-25 мгс/см². В осложненных условиях бурения величина СНС₁ д. б. при использовании утяж. р-ров на водной основе в пределах 40-60 мгс/см², при поглощении - более 210 мгс/см².

Примечание. Ротационные вискозиметры, удобные для исп-ния в промысловой практике, выпускают в ГДР под названием «Реотест» и в США под названием «Фэнн».

Условная вязкость

УВ характеризует гидравл. сопротивление БР прокачиванию. Измеряется она с помощью станд. полевого вискозиметра СПВ-5 (ТУ08-84—67). Для измерения вязкости пробу БР, очищенную от песка и шлама с помощью сетки, перемешивают и заливают в воронку вискозиметра. Воронку предварительно надо смочить пресной водой (при использовании р-ров на нефт. основе смачивают д/т), а корпус должен иметь ту же Т^о, что и р-р (в зимних условиях СПВ следует держать в горячей воде).

В воронку, укрепленную в штативе, с помощью 2-сторонней кружки наливают сначала 200 см³, а затем 500 см³ БР, открывают отверстие трубки и сразу включают секундомер. Время истечения 500 см³ БР дает искомую вязкость. При лаб. работах допускается определение УВ при истечении 100 см³ р-ра из залитых 200 см³, результат * на 4.

Для удобства замера отверстие воронки закрывают резиновой пробкой, в которой просверлен канал глубиной до 10 мм диаметром 3-4 мм. Перед замером УВ БР по аналогичной методике замеряют вязкость пресной водой. Вискозиметр считается пригодным к работе, если время истечения 500 см³ воды равно 15 с. Если время истечения больше или меньше 15 с, то вискозиметр не пригоден к работе (возможно засорена 5-мм трубка).

Вязкость определяют при турбулентном течении. Кроме того, истечение из воронки происходит при переменном давлении столба ж-сти, скорость истечения зависит от плотности ж-сти. Все эти факторы влияют на результаты измерения. Однако простота конструкции обеспечивает его широкое распространение.

Опытами установлено, что если вязкость глинистых БР на водной основе 16-19 с, то это свидетельствует о недостатке ТФ в р-ре. Вязкость для нормальных условий бурения должна быть 25 ±5 с. Минимальное значение вязкости утяжеленных растворов 28—30 с, а нормальная вязкость утяжеленных р-ров 30—50 с. В некоторых районах применяют и более вязкие утяжеленные р-ры, но это, как правило, связано с отсутствием хороших понизителей вязкости. При частичном поглощении вязкость не должна быть очень высокой из-за опасности гидроразрыва пласта.