Влияние тиксотропии на буровые растворы

Если предельное статистическое напряжение сдвига изме­рить непосредственно после сдвигового воздействия и повторить эти измерения несколько раз через возрастающие по продолжи­тельности периоды покоя, то выяснится, что обычно измеряемые значения напряжения растут с уменьшающейся скоростью, пока не достигается максимальное значение. Такое поведение объяс­няется явлением тиксотропии. Этот термин был введен Фрейндлихом для обратимого изотермического превращения коллоид­ный золь—гель. Применительно к буровым растворам это явление вызывается медленной переориентацией глинистых пла­стинок в направлении с минимальной свободной поверхностной энергией, в результате чего уравновешиваются электростатические заряды на поверхности глинистых частиц. После определенного периода покоя тиксотропный буровой раствор начнет течь только в том случае, если приложенное напряжение превысит прочность геля. Иными словами, предель­ное статистическое напряжение сдвига становится равным пре­дельному динамическому напряжению сдвига τ₀. При постоян­ной скорости сдвига агрегаты глинистых пластинок постепенно перестраиваются в соответствии с преобладающими условиями сдвига, а эффективная вязкость со временем уменьшается до некоторого постоянного значения, при котором структурообра­зующие и структуроразрушающие силы находятся в состоянии равновесия. Если скорость сдвига повысится, со временем про­изойдет дополнительное снижение эффективной вязкости, пока не будет достигнуто равновесное значение, характерное для данной скорости сдвига.

Если после этого скорость сдвига понизится до первого значе­ния, эффективная вязкость начнет возрастать до равно­весного значения, соответ­ствующего этой первой скоро­сти сдвига. В связи с отмечен­ным явлением первоначальное определение тиксотропии было дополнено признаком обрати­мого изотермического измене­ния вязкости во времени при постоянной скорости сдвига.

Тиксотропию не следует смешивать с пластичностью. Как уже было показано, эф­фективная вязкость бингамовской вязкопластичной жидко­сти зависит от скорости сдви­га, так как структурная со­ставляющая эффективной вяз­кости образует уменьшаю­щуюся с увеличением скоро­сти деформации часть общего сопротивления сдвигу. Вяз­кость тиксотропной жидкости зависит от длительности воз­действия касательного напря­жения, а также от скорости сдвига, так как структурная вязкость изменяется во вре­мени в

соответствии со сдви­говой предысторией жидкости. По этой причине тиксотропные системы называют «жидкостями с памятью». Будет ли бингамовская вязкоплассичная

жидкость тиксотропной, зависит от со­става и электрохимических условий. Быстро выявить тиксотропность жидкости можно с помощью ротационного вискозиметра, снабженного координатным графопостроителем, путем повыше­ния, а затем снижения частоты вращения ротора. Если на диаг­рамме появляется петля гистерезиса, жидкость тиксотропна.

Явление, противоположное тиксотропии, называется реопексией. Вязкость реопектических жидкостей при постоянной ско­рости сдвига со временем возрастает. О явлении реопексии в буровых растворах пока сообщений не было.

Влияние тиксотропии на измеряемые реологические пара­метры буровых растворов впервые было исследовано Джоунзом и Бэбсоном. При постоянной скорости сдвига тиксотропных бу­ровых растворов в вискозиметре Макмайкла они наблюдали изменение вращающего момента во времени.

Рис.5.13Поведение глинистого раствора в ходе исследований с помощью вискозиметра Макмайкла при различной сдвиговой предыстории А (частота вращения при которой достигалось равновесие) и развиваемых частотах вращения В в эксперименте:1

1-А=0(покой);В=188,7мин^-1;2-А=278,6мин^-1; В=188,7мин^-1;3-А=278,6мин^-1;В=150мин^-1;4-А=119,2мин^-1;В=80,8мин^-1;5- А=278,6мин^-1; В=80,8мин^-1;6- А=278,6мин^-1;В-50мин^-1.

На рис. 5.13 кривая 1 отражает результаты, полученные при исследовании структурированного бурового раствора при постоянной частоте вращения 188,7 мин^-1. Вращающий момент, определяемый уг­лом закручивания проволоки, в течение первых 15 мин резко снижался, затем почти 45 мин отмечали его медленное сни­жение, пока не достигалось равновесие. Кривая 2 характери­зует поведение бурового раствора после предварительного соз­дания касательного напряжения при частоте вращения

278,6 мин-¹, которая поддерживалась до момента достижения равновесия, затем частота вращения была снижена до 188.7 мин^-1. Следует обратить внимание на то, что вращающий момент постепенно увеличивался до равновесного значения кри­вой 1. Кривые 4 и 5 показывают, что независимо от того, проис­ходил ли предварительный сдвиг раствора при частоте враще­ния 119,2 или 278,6 мин^-1, при частоте вращения 80,8 мин^-1 в ходе исследований были получены примерно одинаковые рав­новесные значения. Исследования подтвердили, что тиксотропные буровые растворы имеют определенное равновесное значе­ние, соответствующее конкретной скорости сдвига, при которой оно измеряется, и что это значение не зависит от сдвиговой предыстории. Влияние сдвиговой предыстории на вязкость было также показано Ченгом. Он изучал поведение бентонитовых суспензий,

1— равновесная эффективная вязкость. Мгновенная эффективная вяз­ кость после предварительного сдвигового воздействия с до­ стижением различных значений равновесной вязкости в мПа • с: 2 — 11; 3 — 11,4; 4 — 13,6; 5 — 22,4; 6 — 47,2; 7 — 90,4

которые подвергались сдвигу до равновесного состояния при ско­ростях сдвига от 700 до 20 с^-1. В каждом случае строили кри­вые мгновенных значений при скоростях сдвига менее 700 с^-1. Результаты исследований 4,8 %-ной бентонитовой суспензии, от­раженные на рис. 5.15, показали, что мгновенная эффективная вязкость при частоте вращения 700 мин^-1 изменялась от 11 до 90,4 мПа • с в зависимости от скорости предварительного сдвига.

Результаты экспериментов, изложенные выше, показывают, что при определении параметров течения тиксотропных буро­вых растворов необходимо принимать во внимание сдвиговую предысторию сдвига. Например, при сравнении характеристик течения различных буровых растворов, последние должны быть подвергнуты предварительному сдвигу до состояния равновесия при стандартной скорости. Когда реологические параметры предполагается использовать для расчета перепада давления в скважине, в буровом растворе необходимо создать касатель­ные напряжения, соответствующие скорости сдвига, преобла­дающей в интересующей точке скважины.

Следует иметь в виду, что продолжительность сдвигового воздействия, необходимого для достижения состояния равнове­сия,может оказаться больше или меньше 1 ч, фигурировавшего в сообщении Джоунза и Бэбсона. Для предварительного сдвига буровых растворов, доставленных в лабораторию с буровой, с целью привести их в состояние, аналогичное существующему в скважине, может потребоваться длительный срок.

Слибар и Пэслей получили систему определяющих уравне­ний с пятью физическими параметрами, которую можно исполь­зовать для прогнозирования влияния сдвиговой предыстории на течение тиксотропных материалов. Они установили хорошее совпадение аналитических прогнозов с результатами экспери­ментов Джоунза и Бэбсона.

Высокое предельное статическое напряжение сдвига, кото­рое приобретают тиксотропные растворы после продолжитель­ных периодов покоя, создает еще одну трудность для инженера-буровика. Предельное статическое напряжения сдвига, приобретаемое раствором при длительном состоянии покоя, яв­ляется главным фактором, определяющим отрицательные и положительные импульсы давления, при спуско-подъемных операциях, а также давление, необходимое для восстановления циркуляции после смены долота. К сожалению, предельное статическое напряжение сдвига буровых растворов со временем изменяется в широких пределах в зависимости от состава, сте­пени флокуляции и т. д. и нет хорошо обоснованных методов прогнозирования этого напряжения после долгого хранения раствора. Единственный серьезный шаг в этом на­правлении был сделан Гаррисоном, который вывел следующее уравнение, наблюдая за скоростями структурирования раство­ров калифорнийских бентонитов:

S = S'kt/(l+kt), (5.30)

где S — предельное статическое напряжение сдвига для произ­вольного времени t; S'— максимальное статическое напряжение сдвига; k — константа скорости структурообразования. Уравне­ние можно записать в следующем виде:

t/S = t/S' + 1/(S'k).