Реология буровых растворов • Буровой раствор: …буровой раствор – любая жидкость, которая циркулирует в скважине для выноса шлама и выполнения других функций. . . • Уточнение: Буровой раствор чаще всего есть не жидкость, а дисперсная система (ДС).
Реология буровых растворов Терминология Под термином «дисперсная система» понимают единство двух или более фаз. Одна из них является сплошной и называется дисперсионной средой, а другая – раздроблена (диспергирована) и распределена в первой. Она называется дисперсной фазой (ДФ). Степень раздробленности ДФ называется дисперсностью. Системы, состоящие из одной фазы, называются гомогенными. Системы, состоящие из двух и более фаз и имеющие поверхность раздела между фазами, – гетерогенными
Дисперсная фаза и дисперсионная среда К гомогенным относятся истинные (молегомогенным кулярные) растворы веществ, к гетерогенным – коллоидные растворы, гетерогенны суспензии, эмульсии, пены. Буровые промывочные жидкости – жидкости это многокомпонентные двух- или трехфазные гетерогенные системы.
Классификация БПЖ Большинство БПЖ представляет собой дисперсные системы, которые могут быть подразделены по следующим признакам: фазовому состоянию дисперсионной среды; природе дисперсионной среды; степени дисперсности дисперсной фазы; фазы фазовому состоянию дисперсной фазы; методу получения дисперсной фазы; природе дисперсной фазы.
Классификация БПЖ Соответствующие данной классификации типы БПЖ принято далее подразделять на типы различные виды в зависимости от степени виды минерализации дисперсионной среды, вида растворенных в ней неорганических соединений, характера химической обработки, соотношения между водой и углеводородной жидкостью и т. п.
Буровой раствор – дисперсная система Классификация дисперсных систем: - по агрегатному состоянию, - по кинетическим свойствам, - по реологическому поведению.
Классификация ДС по агрегатному состоянию • Три агрегатных состояния (твердое, жидкое, газообразное) позволяют выделить 9 типов дисперсных систем. Их обозначают дробью, в числителе которой обозначено агрегатное состояние дисперсной фазы, а в знаменателе- состояние дисперсионной среды: т/т, ж/т, г/т т/ж, ж/ж, г/ж т/г, ж/г, г/г
Классификация ДС по агрегатному состоянию Дисперсионная среда у гетерогенных дисперсных среда систем, используемый в бурении, представлена жидкостью (вода, нефть, дизельное топливо, синтетическая жидкость); дисперсная фаза представлена • твердыми частицами: глинистые минералы, утяжелители, наполнители (суспензии, золи); золи • жидкостью, нерастворимой в дисперсионной среде: нефтью, дизельным топливом (эмульсии); сии • газом (пены и аэрированные жидкости). жидкости
Классификация ДС по кинетическим свойствам • По кинетическим свойствам все дисперсные системы делят на два класса: - Свободнодисперсные: дисперсная фаза подвижна, а дисперсионная среда – жидкость (коагуляционные ДС), - Связнодисперсные: твердая дисперсионная среда, в которой частицы дисперсной фазы не могут свободно передвигаться (конденсационно-кристаллизационные ДС).
Классификация ДС по кинетическим свойствам • В основе деления дисперсных систем на свободнодисперсные и связнодисперсные системы лежит различие в виде взаимодейст-вия частиц дисперсной фазы.
Классификация ДС по кинетическим свойствам • В связнодисперсных конденсационнокристаллизационных системах происходит химическое взаимодействие между частицами и их срастание с образованием жесткой объемной структуры. При срастании частиц механические свойства структур соответствуют свойствам самих частиц.
Классификация ДС по кинетическим свойствам • В свободнодисперсных системах реализуется коагуляционное взаимодействие частиц дисперсной фазы. • Коагуляция - слипание частиц ДФ в результате адгезионного, вандерваальсового взаимодействия частиц между собой. • Механические свойства коагуляционных структур определяются во многом особенностями межчастичных связей и прослоек среды.
Классификация ДС по кинетическим свойствам • Коагуляционные структуры имеют жидкую дисперсионную среду. Для них характерна способность восстанавливать свою структуру во времени после ее механического разрушения. Это явление называется тиксотропией. • Восстановление структурных связей сопровождается изменением вязкости ДС во времени.
Дисперсная фаза – глинистые минералы • Дисперсная фаза буровых растворов – глинистые минералы. • Глинистые минералы, образованные в процессе химического выветривания горных пород силикатной группы, отличаются высокой дисперсностью (линейный размер глинистого минерала -10 -6 м и менее, удельная поверхность каолинита достигает 10 м 2/г, а монтмориллонита - 800 м 2/г) и слоистоленточным строением. • Но главнейшей особенностью глинистых минералов является их способность к электрическому заряжению своей поверхности в результате изоморфизма.
Дисперсная фаза – глинистые минералы • При гетеровалентном изоморфизме с поверхности глинистого минерала уходит четырехвалентный ион кремния Si+4, а на его место из окружающей среды может прийти любой другой ион с меньшей или большей валентностью. В этом случае и возникает нарушение электронейтральности глинистого минерала. • Чаще всего на поверхности образуется отрицательный электрический заряд, т. к. на место иона кремния приходят ионы меньшей валентности (Al+3, Ba+2, Ca+2 и др. ). Величина заряда определяется интенсивностью изоморфных замещений и валентностью замещающего иона.
Дисперсная фаза – глинистые минералы • По величине структурного отрицательного заряда глинистые минералы располагаются в следующей последовательности: каолинит < монтмориллонит < гидрослюда
Дисперсная фаза – глинистые минералы • В естественных условиях залегания глинистой горной породы отрицательный заряд поверхности глинистых минералов нейтрализован катионами-компенсаторами, которые располагаются на внешней поверхности глинистой частицы: положительные катионы, с одной стороны, и отрицательные заряды глинистой частицы, с другой стороны, образуют двойной электрический слой. Двойной электрический слой состоит из адсорбционного и диффузионного слоев ионов.
Дисперсная фаза – глинистые минералы • Глинистый минерал вместе с возникшим двойным электрическим слоем образует мицеллу, размер которой значительно превосходит размер частицы глинистого минерала (ядро мицеллы). В результате мицеллообразования объем глинистой горной породы при увлажнении увеличивается многократно, причем процесс набухания развивается во времени. • Размер мицеллы определяется природой глинис- того минерала: чем больше величина структурного отрицательного заряда на поверхности глинистого минерала и выше дисперсность, тем больше прирост объема.
Дисперсная фаза – глинистые минералы • В водной среде вокруг ядра возникает раствор с аномальными физическими свойствами: в адсорбционной части двойного электрического слоя, т. е. непосредственно около ядра мицеллы, образуется прочносвязанная вода. В диффузионном слое возникает связанная вода. • Образование связанной воды приводит к тому, что глинистая горная порода, будучи высокопористой (пористость доходит до 70 %), тем не менее, является водонепроницаемой. Фильтрация жидкости через поры, в которых находится связанная вода, возможна только при создании значительного перепада давления.
Дисперсная фаза – глинистые минералы • Электрические заряды разного знака, находящиеся на поверхности глинистых минералов, обеспечивают взаимодействие частиц друг с другом, играют важную роль в процессах структурообразования в ДС: возникает жесткий каркас, способный удерживать на себе падающие частицы шлама. • ДС, у которой ДФ долгое время сохраняет седиментационную устойчивость (не выпадает в осадок ДФ), называется структурированной.
Дисперсная фаза – глинистые минералы Дисперсная фаза в виде мицеллы - глинистой частицы, покрытой гидратной оболочкой Дисперсионная среда – межмицеллярная жидкость (свободная и связанная вода) В БПЖ, как в дисперсных системах, образуется пространственная коагуляционная структура, определяющая их основные свойства.
Реология БПЖ • Реологические модели описывают связь между напряжением сдвига и деформацией сдвига, скоростью сдвига в буровом растворе.
Реология БПЖ Идеальные реологические тела: Виды деформаций: Упругая Пластическая Вязкая
Идеальные реологические тела Механические модели Гук Сен. Венан Реологические уравнения i = G · gi, gi = 0 при i < т, sср = K·eср Реологичеcкие диаграммы Ньютон gi ® ¥ при i ³ т, ev = 0 sср = K·eср τi τт А β 0 γiр γi
Распределение скоростей в зазоре при ламинарном течении, вызванном движением верхней пластины
Drilling Fluids & Hydraulics Deformation of a fluid by simple shear. A F v T dy v + dv Shear Stress = T = Frictional Drag = F / A Shear Rate = dv / dy = difference in velocities divided by distance of separation
Напряжение сдвига • Прилагаемая сила F, воздействуя на площадь А, заставляет слои скользить один относительно другого. Между слоями жидкости возникает касательное напряжение или «напряжение сдвига» τ : τ=F/A • Dim τ = Н/м 2. • Слои жидкости сдвигаются один относительного другого легче, чем слой раствора относительно стенки трубы. Поэтому очень тонкий слой жидкости непосредственно у стенки трубы можно считать неподвижным.
Скорость сдвига Разница скоростей ΔV между двумя слоями раствора, разделенная на величину расстояния между ними Δу, называется скоростью сдвига, градиентом скорости: = ΔV / Δу = d. V/dу • Dim = (м/с)/м = 1/с = с-1.
Причина тождества «Градиент скорости ≡ скорость сдвига»
Ламинарное течение ВЖ в кольцевом канале под действием вращения наружного цилиндра • Реологическое уравнение состояния для вращательного движения имеет вид η
Идеальное тело Ньютона σср = K·εср β
Реологические особенности ньютоновской жидкости Напряжение сдвига прямо пропорционально скорости сдвига. - жидкости: вода, глицерин, легкие нефти, спирт и пр. • Характеризуются одним реологическим параметром: коэффициентом динамической вязкости η. Dim η = Па·с. • Вязкость ньютоновской жидкости одинакова при любой величине скорости сдвига. Зависит от температуры.
Вязкость Скорость сдвига VS вязкость Ньютоновские Неньютоновские Скорость сдвига
Величина скорости сдвига в элементах циркуляционной системы • 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.
Моделирование БПЖ • С точки зрения реологии, буровой раствор является сложным телом, его свойства можно передать либо - комбинацией идеальных тел: H, St. V, N (последовательное, параллельное соединение элементов), - изменением реологического уравнения состояния Ньютоновской жидкости с помощью понятия «физическая нелинейность» : Аномальные жидкости
ПРАВИЛА ПОСТРОЕНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕЛ 1. Последовательное соединение элементов = 1 =. . . = n, g = g 1 + . . . + gn 2. Параллельное соединение элементов = 1 +. . . + n , g = g 1 = . . . = gn СЛОЖНЫЕ РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕЛА 1. Тело Прандтля: P = H – St. V γs – γe = γp
Напряжение сдвига Реологические модели БР Бингамовская модель Типовой буровой раствор Степенная модель Ньютоновская Модель Скорость сдвига (RPM)
Тело Бингама: В = H — (N│St. V) Реологическое уравнение состояния τT – динамическое напряжение сдвига (СНС) ηП - пластическая вязкость, зависит от температуры и давления; от времени не зависит. Реологическая диаграмма γ 0 τснс τТ τ
Бингамовская УВПЖ • Ее отличает линейная зависимость между скоростью сдвига и напряжением сдвига (линейно-вязкая жидкость). • Базируется на реологических замерах при минимум двух (можно и более) фиксированных скоростях сдвига 300 rpm, 600 rpm для построения реологической кривой.
Напряжение сдвига ( ) Бингамовская модель y = m(x)+c YP по Бингаму q 300 RPM Реальный YP q 600 RPM Скорость сдвига (RPM)
Модель Бингама
Статическое напряжение сдвига (СНС) Yield Point (YP) • т характеризует сопротивление, возникающее при течении вследствие действия электрических сил притяжения-отталкивания между частицами ДФ. • Движения раствора не происходит до тех пор, пока это напряжение ( т) не будет преодолено. • Величина напряжения т – это функция: – типа частиц ДФ, плотности зарядов на поверхности глинистого минерала, – концентрации частиц ДФ, – толщины ДЭС, природы ионов и их концентрации. • Единица измерения: Lbs/100 ft 2, Pascals – Pa, Па
Пластическая вязкость ηп характеризует внутреннее трение между соседними слоями дисперсионной среды, диспергированными частицами ДФ, а также межфазное взаимодействие. Величина пластической вязкости зависит от вязкости дисперсионной среды, от концентрации, размеров и формы частиц ДФ: пластическая вязкость увеличивается с ростом концентрации частиц ДФ и их дисперсности.
Эффективная вязкость
Эффективная вязкость • В вязкопластичной модели Бингама эффективная вязкость, определяемая как напряжение сдвига, деленное на скорость сдвига, изменяется в зависимости от изменения скорости сдвига. Эффективная вязкость определяется наклоном линии от точки пересечения координат в направлении напряжении сдвига при каком- то определенном значении скорости сдвига. Наклоны пунктирных линий представляют собой эффективную вязкость при различных значениях скорости сдвига. Эффективная вязкость снижается при повышении скорости сдвига. По мере того, как скорость сдвига приближается к бесконечности, эффективная вязкость достигает предела, называемого «пластической вязкостью - PV» . Пластическая вязкость жидкости по Бингаму представляет собой наименьшее значение, которое может иметь эффективная вязкость при бесконечно высокой скорости сдвига или, по другому говоря, при наклоне прямой пластичности по Бингаму.
Пластическая вязкость • Возможные пути снижения пластической вязкости: разжижение раствора, механическое удаление частиц ДФ и предотвращение их диспергирования в растворе. • С увеличением пластической вязкости возрастают гидравлические сопротивления в циркуляционной системе скважины, снижается ресурс работы буровых насосов, а также доля гидравлической мощности, подводимой к забойному двигателю и долоту.
Бингамовская модель: проблемы • Модель неточно воспроизводит поведение бурового раствора при низких скоростях сдвига: - при скоростях сдвига, меньших 300 RPM, некоторые растворы ведут себя иначе, чем данная модель - YP по Бингаму выше, чем реальное YP раствора.
Тело Бингама В = H — (N│St. V) Реологическое уравнение τT – статическое напряжение сдвига (СНС) ηП - пластическая вязкость Реологическая диаграмма γ 0 τснс τТ τ
АНОМАЛЬНЫЕ ЖИДКОСТИ • Неньютоновские жидкости - дисперсные системы: - псевдопластичные, - дилатантные. Течение этих жидкостей начинается при любом ненулевом значении касательного напряжения и кривая течения выходит из начала координат на плоскости τ – d. V/dr.
Псевдопластичные • В природе чаще встречаются псевдопластичные жидкости. Вязкость этих жидкостей уменьшается с ростом касательных напряжений : эти жидкости при росте разжижаются. Объясняется такое поведение ориентированием в потоке жидкости взвешенных в ней несимметричных твердых частиц суспензий или развертыванием цепей полимеров таким образом, что течению оказывается минимальное сопротивление.
Дилатантные • Значительно реже встречаются жидкости, вязкость которых увеличивается с ростом касательных напряжений . • Такое поведение объясняется разрушением агрегатов твердых частиц в потоке. Это приводит в росту концентрации твердых частиц в жидкости, и, как следствие, увеличению трения между частицами, что и вызывает рост вязкости.
Неньютоновские буровые жидкости Псевдопластичные жидкости (ППЖ) • Течение ППЖ начинается при любом ненулевом значении касательного напряжения. Эти буровые растворы отличает более сложная связь между напряжением сдвига и скоростью сдвига, чем у ньютоновской жидкости: вязкость зависит от величины скорости сдвига – физическая нелинейность:
Псевдопластичные жидкости (ППЖ) • ППЖ разжижаются при увеличении скорости сдвига: при ламинарном режиме течения раствор более жидкий при высокой скорости сдвига, чем при низкой. Реологическое уравнение состояния имеет вид:
Модель Оствальда - де Ваале K - индекс консистентности, n - параметр поведения, показатель нелинейности γ n>1 n=1 n<1 n > 1 дилатантная n = 1 ньютоновская n < 1 псевдопластичная 0 τ0 τ
Степенная модель Оствальда-де Ваале Реологическое уравнение состояния: Напряжение сдвига = K·(скорость сдвига)n Где K - коэффициент пропорциональности (консистентность), n - показатель поведения раствора • Реологическая кривая степенного закона всегда начинается с нуля (YP = 0), т. е. отсутствуют пластические свойства. Реальное значение YP раствора всегда больше нуля. • Модель обеспечивает лучше реальную зависимость, чем модель Бингама.
Напряжение сдига Модель Оствальда - де Ваале (степенная модель) Реальная τ = K(RPM)n Скорость сдвига (RPM)
Remember: • У неньютоновских промывочных жидкостей вязкость меняется с изменением скорости сдвига и без указания на скорость сдвига термин «вязкость» применительно к неньютоновским «жидкостям» теряет смысл.
• При помощи модели Оствальда - де Ваале описывается поведение эмульсий, паст, мыльных составов, клея, красок, буровых и тампонажных растворов.
Физическая суть реологических параметров K, n К – более общее понятие, чем вязкость. C ростом K • растет транспортирующая способность бурового раствора, но одновременно увеличиваются и гидравлические сопротивления в циркуляционной системе скважины. • Растет амплитуда колебания давления при страгивании бурового раствора после остановки работы насоса (это повышает вероятность возникновения гидроразрыва пластов).
Физическая суть реологических параметров K, n • Величина n влияет на форму профиля скорости при течении промывочной жидкости: более плоский профиль возникает при малых значениях n. • Это приводит к повышению транспортирующей способности промывочной жидкости, т. к. основная масса шлама оказывается в зоне максимальных скоростей.
Профили скорости при течении растворов различной реологии
Степенная модель: проблемы • При малых скоростях сдвига модель не точно описывает поведение бурового раствора: значение YP бурового раствора всегда больше нуля.
Модифицированная степенная модель • Модель Herschel-Bulckley (Модифицированная Степенная Модель) – Лучше описывает течение раствора – Включает ненулевое значение YP = t + K(d. V/dr)n • Рекомендовано Американским Нефтяным Институтом (API) – “Recommended Practice On The Rheology And Hydraulics Of Oil -Well Drilling Fluids, ” June 1995 – API Recommended Practice 13 D Third Edition
Напряжение сдвига Скорость сдвига VS напряжение сдвига Неньютоновские Ньютоновские Скорость сдвига
Модифицированная степенная модель • Модель Гершеля - Балкли используется для описания поведения буровых растворов с низким содержанием твердой фазы, обработанных полимерными реагентами. Они отличаются малым значением t , а при развитии деформаций ведут себя как структурированные жидкости. • Практическое использование модели Гершеля. Балкли сдерживается тем, что определение реологических параметров для этих моделей и интегрирование уравнений их движения (течения) весьма затруднительно.
Практическое применение • В настоящее время для практических целей используются более простые модели Бингама, Оствальда - де Ваале с различными значениями реологических параметров для различных интервалов скоростей сдвига.
Рис. 6. Типичные кривые течения твердообразных тел: 1 – бингамовское тело, 2 – псевдопластическое твердо-образное тело, 3 – твердообразное дилатантное тело.
Рис. 1. Зависимость между величиной напряжения сдвига и скоростью течения: 1 – ньютоновская жидкость, 2 – бингамовская жидкость.
Вязкость ньютоновской и структурированной дисперсных систем
Рис. 2. Зависимость вязкости от объемной доли дисперсной фазы для бесструктурного (I) и структурированного (II) золей.
Зависимость скорости деформации и вязкости от напряжения сдвига для жидкообразных структурированных систем, м - минимальное напряжение сдвига, отвечающее полностью разрушенной структуре.
Структурированная ДС • Действующее в потоке τ - мало: Поведение частиц ДФ при этом выглядит так: время перемещения частицы от одного контакта к другому превышает время установления контакта, связи успевают обратимо восстанавливаться и течение происходит при ненарушенной структуре. Процессы, происходящие в дисперсной системе, напоминают развитие ползучести. • Наблюдается медленный рост (d. V/dr), причем зависимость между (d. V/dr) и при малом угле α наклона кривой течения к оси напряжений линейная.
Структурированная ДС • В этом случае дисперсная система обладает максимальной вязкостью η = ηmax. • Когда угол наклона (tg α = (d. V/dr) / τ = 1 / ηmax), настолько мал что участок ОА сливается с осью абсцисс, то можно говорить о предельном статическом напряжении сдвига τt, ниже которого тело не течет. Эта величина по смыслу близка к пределу упругости, т. к. при τ < τt структурную сетку можно рассматривать как сплошной статический твердообразный каркас.
Структурированная ДС • C ростом касательных напряжений τ в потоке время перемещения частиц ДФ от кантакта к контакту снижается и начинается постепенное разрушение временных контактов между элементами структуры и образование других контактов (участок АВ): возникает динамическое равновесие, скорость сдвига резко возрастает и реологическая кривая выходит на линейный участок ВС, отражающий нарастающее разрушение структуры. Здесь закон течения дисперсной системы описыва-ется уравнением τ = τt + ηп d. V/dr. • Величина τt находится продолжением прямой ВС до пересечения с осью τ и определяет прочность структуры.
Структурированная ДС • В точке С кривой течения, соответствующей полному разрушению структуры дисперсной системы, ее вязкость достигает своего минимального значения ηmin. • Величина вязкости при течении может изменяться на несколько порядков: от максимального значения ηmax , отвечающего неразрушенной структуре, до ηmin, характерного для предельно разрушенной структуры. Например, для 10 % – ной суспензии бентонитовой глины величина ηmax достигает значения 106 Па·с , а ηmin - 10 -2 Па·с.
• Наличие структуры и ее прочность можно оценивать не только величиной статического напряжения сдвига, но и разностью (ηmax - ηmin): чем больше эта разность, тем прочнее струк-тура. • Непрерывный переход от твердообразных тел к жидкообразным может быть осуществлен как с помощью уменьшения τt (уменьшение прочности структуры), так и путем уменьшения разности между двумя ньютоновскими вязкостями.
Рис. 4. Типичные кривые течения жидкообразных тел: 1 – ньютоновские жидкости, 2 – псевдопластические жидкости, 3 – дилатантные жидкости.
Рис. 5. Аппроксимация реальной кривой течения жидкости моделями Бингама и Оствальда-де Ваале: I – модель Бингама, II – реальная жидкость, III – модель Оствальда-де Ваале.
Рис. 7. Графическое обнаружение тиксотропии по кривым течения: 1 – равновесная кривая течения, 2 – неравновесная кривая течения.
Кроме основных показателей моделей Бингама – Шведова и Оствальда – де Ваале ( Т, , k, n), для характеристики реолоических свойств буровых растворов в последние годы широко используют и дополнительные показатели: ü коэффициент пластичности; ü эффективную вязкость при скорости сдвига равной 100 с-1; ü асимптотическую вязкость или эффективную вязкость при полностью разрушенной структуре (при скорости сдвига равной 10000 с-1).
Коэффициент пластичности бурового раствора (КП, с-1) определяется величиной отношения динамического напряжения сдвига к пластической вязкости КП = T / П. С ростом коэффициента пластичности увеличивается транспортирующая способность потока, а также гидродинамическое давление струй бурового раствора, выходящих из насадок долота, что обеспечивает более эффективное разрушение горных пород на забое и рост механической скорости бурения. При этом высокие значения коэффициента пластичности нужно поддерживать за счет снижения пластической вязкости бурового раствора, а не увеличения его динамического напряжения сдвига.
Эффективная вязкость характеризует ту действи- тельную вязкость, которой обладает буровой раствор при скорости сдвига, имеющей место в кольцевом пространстве скважины, в бурильных трубах или в промывочных каналах породоразрушающего инструмента (в насадках долота). Эффективная вязкость при скорости сдвига, равной 100 с-1 (ЭВ 100, Па с), характеризует вязкость бурового раствора в кольцевом пространстве скважины и является основным показателем, определяющим транспортирующую способность его потока, которая тем выше, чем выше значения ЭВ 100. ЭВ 100 = k (100)n - 1.
С ростом ЭВ 100 увеличиваются гидравлические сопротивления при течении бурового раствора в кольцевом пространстве и, соответственно, дифференциальное давление, что ведет к снижению механической скорости бурения и проходки на долото в результате не только удержания частиц разрушенной породы на забое, но и ухудшения условий формирования зоны предразрушения (условий зарождения и развития макро- и микротрещин).
Эффективная вязкость при полностью разрушен- ной структуре (ЭВ 10000) характеризует вязкость бурового раствора в насадках долот и в песко- илоотделителях (гидроциклонах). С уменьшением ЭВ 10000 повышается степень очистки забоя скважины от шлама и степень охлаждения вооружения долота, вследствие чего возрастает ресурс его работы и механическая скорость бурения. Кроме того, с уменьшением ЭВ 10000 снижается интенсивность обогащения бурового раствора шламом, так как при меньшей вязкости последний легче отделяется в очистных устройствах. ЭВ 10000 = k (10000) n - 1.
Использование семи показателей ( 0, , k, n, КП, ЭВ 100, ЭВ 10000) позволяет достаточно всесторонне охарактеризовать реологические свойства и связанные с ними функциональные возможности бурового раствора. На этапе проектирования бурового раствора это является достоинством, но в процессе эксплуатации раствора становится недостатком: одновременно контролировать большое число показателей, а главное управлять ими, чрезвычайно сложно.
Дисперсные системы Твердообразные τt ≠ 0 Жидкообразные τt = 0 Бингамовские Ньютоновские η = const Небингамовские Неньютоновские η = η(τ) Стационарные: реологические свойства не зависят от времени Нестационарные: реологические свойства зависят от времени Псевдопластичные Дилатантные Тиксотропные Реопектные
Реопектные ДС • Реопектные дисперсные системы в бурении не используются, т. к. таким системам свойственно структурирование при сдвиге: сдвиговое воздействие - катализатор твердообразования. Пример: 42 % - ный водный раствор гипса (1 - 10) мкм после встряхивания затвердевает после 10 минут покоя. Но если пробирку с этим раствором перекатывать между ладонями, то время затвердевания сократится до 20 секунд.
Нестационарные дисперсные системы • Тиксотропные ДС • Тиксотропия - свойство коагуляционных структур восстанавливать контакты между частицами дисперсной фазы. Восстановление структуры контролируется по увеличению вязкости системы, СНС. Тиксотропия - уменьшение вязкости ДС во времени при наложении нагрузки и постепенный рост вязкости после снятия нагрузки.
Тиксотропные дисперсные системы • Тиксотропия характерна для свободнодисперсных систем, в которых частицы дисперсной фазы несут на себе электрический заряд и стремятся занять положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии. При этом частицы ориентированы в определенных направлениях, образуя прочную структуру, способную сопротивляться разрушению до определенного значения касательного напряжения τt. Величина τt зависит от природы и концентрации твердой фазы в дисперсной системе, температуры, давления, наличия электролитов в дисперсионной среде, от длительности состояния покоя.
Тиксотропные дисперсные системы • Реологически нестационарным тиксотропным жидкостям свойственна функциональная зависимость τ = τ(d. V/dr, t), где t – время (время действия напряжений, время между циклами нагружения дисперсной системы). Считается, что жидкость обладает памятью своей истории: напряжение, замеренное в определенный момент времени, зависит не только от скорости деформирования в данный момент, но и от предшествующего деформированного состояния.
Тиксотропные дисперсные системы • Примером тиксотропной системы является суспензия бентонитовой глины: при 10 % - ной концентрации дисперсной фазы суспензия утрачивает текучесть, застывает и приобретает упругие свойства. Но после ее встряхивания она вновь полностью разжижается. Если ее оставить в покое, то через время θ (тиксотропный период) бентонитовая суспензия вновь станет твердообразной. Для учета характера тиксотропных изменений принято измерять величину τt дважды: через 1 минуту и через 10 минут.
Тиксотропия • Буровой раствор должен обладать тиксотропными свойствами с малым периодом θ , иначе при остановке насоса выбуренная горная порода начнет оседать и вызовет прихват бурового инструмента. Тиксотропный раствор в этих случаях твердеет и удерживает шлам, но раствор разжижается, когда насос начина-ет работать.
Тиксотропные дисперсные системы • Рост СНС растворов после прекращения циркуляции в скважине замедляет или прекращает оседание шлама, что снижает вероятность прихвата. • Рост СНС растворов в отстойниках ЦС затрудняет их очистку от шлама
Скачать презентацию Реология буровых растворов Буровой раствор буровой раствор
1_Reologia_BR.ppt