Вязкость промывочных жидкостей

Вязкость (внутреннее трение) – свойство жидкостей оказывать сопротивление при их течении.

Вязкость – один из важнейших показателей промывочных жидкостей. – существенно влияет на эффективность бурения горных пород. Вязкие структурированные растворы способствуют кольматации пор и трещин в горной породе, закреплению стенок скважин в рыхлых и неустойчивых горных породах; вязкие растворы имеют малую водоотдачу, а, следовательно, предотвращают насыщение пористой глинистой породы водой, ее набухание и обвалы стенок скважин. Вязкие растворы обладают высокой несущей способностью и применяются при бурении горных пород, образующих шлам высокой плотности.

Природа вязкости промывочной жидкости та же, что и прочность структуры – межмолекулярное взаимодействие молекул воды и частиц твердой фазы., температуры и размеров сосудов (диаметра труб, зазора между трубами и стенкаи скважин, в котором находится или протекает жидкость) те же, что зависимости прочности структуры от этих величин.. Однако вязкость не всегда соответствут статическому напряжению сдвига. Так, например, в малоглинистых, активированных растворах, растворах с гидрофильной структурой вязкость значительно ниже, чем СНС, так как при течении воды вследствие дезориентации молекул толщина гидратных оболочек уменьшается, а сила межмолекулярного взаимодействия частиц возрастает.

При обработке малоглинистых растворов гибкими полимерами (например, метасом) при повышении концентрации полимера в небольших объемах СНС понижается (за счет повышения толщины гидратного слоя), а вязкость повышается. Дело в том, что полярные (функциональные) группы полимера (по закону полярностей Ребиндера)поворачиваются в сторону фазы с большей полярностью. При течении раствора молекулы воды дезориентируются (движутся более хаотично), полярность воды понижается и полярные группы поворачиваются в сторону более полярной поверхности глинистых частиц, а гидрофобной в сторону воды. В результате частицы становятся более гидрофобными и, как следствие, вязкость раствора сначала возрастает (до некоторого предела концентрации полимера, а затем при образовании второго слоя полимера понижается.

За единицу вязкости принимают касательные усилия при течении жидкости, приходящиеся на единицу площади (касательные напряжения, Па) при разности скоростей между слоями равной dV=м/с и расстояния между ними dr=1м.

 

Для ньютоновских жидкостей

, (1.3)

где η – коэффициент вязкости.

Для бингамовских (вязкопластичных) жидкостей (глинистых растворов)

, (1.4)

где τ₀ – динамическое напряжение сдвига, η – коэффициент пластической вязкости.

К оэффициент пластической вязкости при использовании вискозиметра ВСН-3 определяют из соотношения

, (1.5)

а динамическое напряжение сдвига

, Па (1.6)

где φ – угол поворота лимба, град, вискозиметра ВСН-3.

Вязкость структурированных жидкостей можно определить и по формуле

, Па, (1.7)

Вязкость (касательные напряжения сдвига) псевдопластичных жидкостей (активированных малоглинистых, полимерных, полимерглинистых растворов) при

n = 600об/мин определяют по степенному закону

. (1.8)

С другой стороны касательные напряжения можно выразить через коэффициент трения и радиальное давление жидкости

. (1.9)

В соответствии с законом Бернулли у стенок внутреннего цилиндра (боба) вискозиметра ВСН-3, где V = 0

, (1.10)

у стенок вращающегося внешнего цилиндра V = V_ц

, (1.11)

тогда радиальное давление

P = P₀ – P_ц = . (1.12)

При V₀ = V_ц Р = 0.

Из уравнений (1.8), (1.9) и (1.12)

, (1.13)

где η₀ – показатель вязкости.

Таким образом, касательные напряжения сдвига определяются двумя показателями: коэффициентом трения f (межмолекулярного взаимодействия молекул воды и частиц твердой фазы), зависящим от концентрации твердой фазы, скорости течения и размеров труб с одной стороны и радиального давления с другой стороны.

При повышении скорости течения коэффициент трения понижается и тем интенсивнее, чем меньше показатель степени (чем ниже гидрофильность глинистых частиц, выше глиноёмкость раствора). При некоторой значительной концентрации, когда молекулярные связи между частицами окажутся выше, чем с поверхностью частиц, скорость течения по всему сечению потока окажется одинаковой V = V_ц, радиальное давление снизится до нуля, следовательно, взаимодействие молекул воды со стенками трубы возрастает, и раствор будет перемещаться в трубе как твердое тело. Энергия затрачивается только на трение раствора о трубу , и касательные напряжения не будут зависеть от скорости течения (n = 0, τ = τ₀ = const).

 

Приборы для замера вязкости

Таким образом, основными показателями вязкости для бурового раствора являются: для бингамовских (глинистых) растворов – динамическое напряжение сдвигу τ₀ и пластическая вязкость, для псевдопластичных (полимерных) растворов – эффективная вязкость.

Рис. 1.5. Ротационный вискозиметр ВСН-3.

Все эти показатели определяют по прибору – вискозиметру ВСН-3. В полевых условиях пользуются условной величиной вязкости, определяемой по времени истечения 500 см³ раствора из воронки через трубку с внутренним диаметром 5 мм.

Вискозиметр ВСН-3 состоит из станины, внутри которой в нижней части установлен двигатель 2 для привода (через редуктор 1) гильзы 11 для измерения вязкости раствора, а в верхней части – двигатель 4 для вращения этой же гильзы при определении СНС (с частотой 0,2 об/мин). Внутри гильзы на стержне, установленном в станине на подшипнике, подвешивается подпружинный 9 цилиндр 12 с рифлённой поверхностью (боб). В процессе измерения гильза вводится в стакан 13

с исследуемым буровым раствором, установленном на телескопическом столике. На стержне боба закреплен лимб 7 с делениями (в градусах). Редуктор нижнего двигателя с помощью переключателя 3 позволяет менять частоту вращения гильзы (200, 300, 400, 600 об/мин).

Порядок измерения вязкости. 1. Заполнить стакан исследуемым раствором до риски, установить его на подъёмном столике и зафиксировать его поворотом по часовой стрелке. 2. Установить переключатель в положение 600 об/мин и включить двигатель. 3. Выждать 2-3 мин (до полной остановки лимба), взять отсчет по лимбу φ₆₀₀ и отключить двигатель. 4. Переключатель установить в положение n = 300 об/мин и включить двигатель. 5. После полной остановки лимба взять отсчет φ₃₀₀. По полученным значениям в соответствии с формулами (1.5 – 1.8) определяем пластическую вязкость, динамическое напряжение сдвига, эффективную вязкость и вязкость раствора при 600 об/мин. Вязкость раствора при других числах оборотов гильзы можно определить по формуле

, (1.14)

коэффициент К приводится в паспорте вискозиметра.

Статическое напряжение сдвига определяют при 0,2 об/мин после перемешивания раствора при n = 600 об/мин и выдержки после перемешивания в течение 1 мин и 10 мин/

(1.15)