Поведение буровых растворов при низких скоростях сдвига

Буро­вые растворы не являются идеальными бингамовскими вязко-пластичными жидкостями, и на графиках консистенции при низких скоростях сдвига можно наблюдать отклонения от линейности, когда по­ведение этих растворов исследуется на вискозиметре с большим набором частот вращения, а не двух, как рассматри­валось в предыдущем разделе. В качестве примера на рис. 5.12 приведены графики консистенции для четырех бентонитовых суспензий.

Сейвинз и Роупер считают, что течение в кольцевом про­странстве полностью ламинарное, когда

T/(2πR²_c h)>YP (5.26)

Подставляя уравнение (5.26) в уравнение (5.16), получим-

(5.27)

После подстановки константы прибора найдем

ω _L = 20,62YP/PV, (5.28)

где ω _L, — критическая частота вращения для полностью лами­нарного течения.

Критическая частота была рассчитана по уравнению для каждой из четырех бентонитовых суспензий в предположении, что все они являются бингамовскими вязкопластичными жидко­стями. На рис. 5.12 видно, что зависимость становится линейной при намного больших значениях частоты вращения, чем крити­ческая; кроме того, фактическое предельное динамическое на­пряжение сдвига значительно меньше, чем следует из экстрапо­ляции показаний при 600 и 300 мин^-1.

Такое поведение буровых растворов можно объяснить сле­дующим образом. Графики консистенции идеальных бингамовских вязкопластичных жидкостей, аналогичные показанным на рис. 5.5 и 5.10, базируются на поведении суспензий с высокой концентрацией частиц примерно одинаковых размеров, таких как типографская краска или краска для живописи. Концентра­ция твердой фазы в таких суспензиях достаточно высока, чтобы могла образовываться структура в результате контактирования зерен. Такая структура сопротивляется сдвигу из-за трения между частицами, причем это сопротивление несколько увеличивается благодаря силам притяжения между частицами.

Рис.5.12 Поведение бентонитовых суспензий в вискозиметре с большим набором частот вращения и прямым отсчетом (ω _L соответствуетчастоте вращения,выше которой график консистенции бингамовской вязкопластичной жидкости должен быть линейным):

1-8%-бентонита;2-5%-бентонита+0.14%NaCl; 3-5%-бентонита;4-4% бентонита

Пред­полагается, что после достижения предельного динамического напряжения сдвига и начала ламинарного течения частицы между собой больше не взаимодействуют и их влияние на вяз­кость сказывается только за счет объема, который они зани­мают. В таком случае эффективную вязкость можно определить по уравнению Эйнштейна

µ_e=µ+2,5Ф (5.29)

где µ — вязкость жидкой среды; Ф — объемная доля твердой фазы.

Размеры глинистых частиц в буровых растворах неодинаковы в разных направле­ниях. Эти частицы могут образовывать структуру при очень низких концентрациях твердой фазы в результате взаимодей­ствия сил притяжения и отталкивания. При низких скоростях сдвига эти силы все еще влияют на поведение глинистых частиц, следовательно, вязкость относительно высока; однако с повы­шением скорости сдвига частицы постепенно располагаются в направлении течения, после чего вязкость начинает сильно зависеть от общей концентрации твердой фазы, присутствую­щей в буровом растворе.

В связи с этими явлениями степень отклонения от линейно­сти графиков консистенции буровых растворов в ротационном вискозиметре для различных систем неодинакова и зависит от концентрации, размера и формы частиц. Это особенно харак­терно для растворов с низким содержанием твердой фазы, в ко­торой значительную долю составляют глинистые частицы или полимеры с длинными цепями. Менее заметно эта тенденция проявляется у растворов с высоким содержанием твердой фазы, включающей ил и барит. На степень отклонения от линейности влияет также электрохимическая среда, которая определяет силы взаимодействия между частицами. Следует отметить, что на рис. 5.12 для суспензии бентонита, флокулированной хлори­дом натрия, наблюдается значительно большее отклонение от линейности.

Нет никаких других способов выявления нелинейности гра­фиков консистенции буровых растворов кроме измерений с по­мощью ротационного вискозиметра с большим набором частот вращения. Поэтому полезность реологических параметров PV и YP ограничена. На практике наиболее широко они использу­ются для оценки рабочей характеристики бурового раствора не­посредственно на буровой, в частности для выбора способа об­работки с целью поддержания его свойств. Параметр PV чув­ствителен к концентрации твердой фазы, поэтому он определяет требования к разбавлению раствора, а на параметр YP влияет электрохимическая среда, так что этим параметром определя­ется необходимость химической обработки. Применение PV и YP для отмеченных целей оправдано, так как в этом случае форма графика консистенции не имеет значения.

Параметры PV и YP могут быть подставлены в уравнение (5.12) вместо µ_р и τ₀. соответственно для прогнозирования пове­дения ламинарного течения в трубах, но только при высоких скоростях сдвига. При прогнозировании характера течения при малых скоростях сдвига лучше рассчитывать эффективную вяз­кость при преобладающей в трубах скорости сдвига, которую в этом случае можно подставлять в уравнение Пуазейля (5.5). Требуемое значение эффективной вязкости лучше всего опреде­лять с помощью степенного закона, который описывается ниже.

Как уже отмечалось, YP не характеризует действительного предела текучести. Фактически в результате проявления эф­фекта проскальзывания график консистенции приближается к оси напряжений асимптотически, так что истинное значение предельного динамического напряжения сдвига по определению Грина (т. е. напряжения, необходимого для начала ламинар­ного течения) неопределенно. Для практических целей началь­ное значение предельного статического напряжения сдвига яв­ляется, по всей вероятности, наилучшей мерой фактического значения предельного динамического напряжения сдвига.

Поскольку при высоких частотах вращения ротора большое значение приобретают центробежные силы, ротационные виско­зиметры нельзя использовать для определения реологических свойств при очень высоких скоростях сдвига. Для этой цели следует использовать капиллярный вискозиметр для измерений под давлением, который позволяет определять вязкость в широ­ком диапазоне скоростей сдвига. Этот прибор особенно полезен для определения параметров реологической модели, подчиняю­щейся степенному закону, который будет рассмотрен далее

.