Определение динамического напряжения сдвига (ДНС), пластической и эффективной вязкости

Чтобы установить характер зависимости между касательными напряжениями и скоростями сдвига и определить значения показателей реологических свойств промывочных жидкостей, используют наиболее простые формы движения: установившееся ламинарное (слоистое) течение жидкости вдоль оси цилиндрической трубы или тангенциальное течение между двумя коаксиальными (соосными) цилиндрами, т.е. течения, при которых линии тока - прямые линии или концентрические окружности. Подобные течения реализуются в специальных приборах, называемых соответственно капиллярными и ротационными вискозиметрами, последние из которых используются гораздо чаще. Их описание приведено в разделе 4.2.

Динамическое напряжение сдвига t₀ (дПа) - величина, косвенно характеризующая прочностное сопротивление бурового раствора течению.

Пластическая (структурная) вязкость h_пл (Па×с) - условная величина, показывающая долю эффективной вязкости, которая возникает вследствие структурообразования в потоке бурового раствора.

Эффективная (кажущаяся) вязкость h_эф (Па×с) - величина, косвенно характеризующая вязкостное сопротивление бурового раствора при определенной скорости сдвига.

4.3.1.1 Определение h_пл, t₀, h_эф на ротационном вискозиметре ВСН-3

Порядок работы:

- перемешивают буровой раствор при частоте вращения наружного цилиндра 600 об/мин;

- используют лишь две частоты вращения цилиндра: 600 и 300, или 400 и 200 об/мин для получения значений j_1,2 и n_1,2.

Расчет пластической вязкости и динамического напряжения сдвига производят по следующим формулам:

для пружины № 2:

при использовании частоты вращения 600 и 300 об/мин:

h_пл = j₂ - j₁, (4.20)

t₀ = 3 (j₁ - h_пл), (4.21)

при использовании частоты вращения 400 и 200 об/мин:

h_пл = 1,5 (j₂ - j₁), (4.22)

t₀ = 3j₁ - 2h_пл (4.23)

Эффективная вязкость h_эф, мПа×с, вычисляют по формуле:

hэф = ___ А·j₁ __, (4.24)

где: А - константа вискозиметра ВСН-3 (в паспорте к прибору);

j₁ - показание шкалы вискозиметра ВСН-3.

4.3.1.2 Определение h_пл, t₀, h_эф на 8- и 12-скоростном вискозиметре FANN

Для определения показателей реологических свойств промывочных жидкостей, в том числе и при высоких температурах, используют ротационные вискозиметры, выпускаемые в основном американской компанией Fann Instrument: FANN НС 34А и 34А; FANN 35A и 35SA; FANN 35A / SR12 и 35SA/SR12; FANN 70 НТНР. Измерительные узлы перечисленных вискозиметров подобны используемым в отечественных приборах типа ВСН. Различные модели вискозиметров FANN отличаются приводом (ручной, электрический); числом частот вращения наружного цилиндра (гильзы) и, соответственно, диапазоном скоростей сдвига; температурами и давлениями, реализуемыми в ходе реометрических измерений; способами регистрации измеряемых величин.

В промысловой практике наибольшее распространение получили двух­скоростные (300 и 600 мин^-1) вискозиметры FANN НС 34А и 34А, первый из которых имеет ручной привод, а второй - электропривод, запитываемый от батареи напряжением 12 В. Основные характеристики измерительного узла этих вискозиметров (R = 18,415 мм; r = 17,245 мм; «К» = 0,511 Па/град) позволяют при принятых в США единицах измерения легко определять значения пластической вязкости, динамического напряжения сдвига и эффективной (кажущейся) вязкости при скорости сдвига, равной 1022 с^-1, непосредственно по данным об углах поворота шкалы прибора при стандартных часто­тах вращения, в связи с чем, их называют вискозиметрами с прямым отсче­том.

Порядок работы:

- помещают свежеперемешанную пробу бурового раствора в подходящий сосуд;

- опускают корпус ротора в раствор до нанесенной отметки, регулируя глубину погружения платформой, и затягивают стопорный винт, чтобы зафиксировать это положение;

- подключают вискозиметр к электросети;

- устанавливают переключатель скорости в положение “STIR” (перемешивание) несколько секунд;

- устанавливают переключатель скорости в положение 600 об/мин;

- через несколько секунд, когда показатели на шкале достигнут постоянного значения, совмещают на одном уровне шкалу с риской и записывают как показания при 600 об/мин;

- устанавливают переключатель скорости в положение 300 об/мин и фиксируют показание прибора.

Пластическую вязкость h_пл, сПз, вычисляют по формуле:

h_пл = j₆₀₀ - j₃₀₀, (4.25)

где: j₆₀₀, j₃₀₀ - значения углов поворота шкалы вискозиметра при частотах вращения гильзы, соответственно равных 600 и 300 мин^-1, град.

Динамическое напряжение t, дПа, сдвига вычисляют по формуле:

t = (j₃₀₀ - h_пл) × 4,8 (4.26)

где: j₃₀₀ - показания прибора при 300 об/мин;

h_пл - пластическая вязкость;

4,8 - коэффициент пересчета фунт/100 футов² в дПа.

Кажущуюся вязкость, h_к, сПз, (или эффективную вязкость при 600 об/мин) вычисляют по формуле:

h_к = j₆₀₀ / 2, (4.27)

Если показания прибора требуется снимать при всех значениях скорости вращения ротора, замеры всегда начинают от больших значений скорости вращения к меньшей.

В нашей стране результаты отсчетов при тех же частотах вращения гильзы вискозиметра ВСН-3 (300 и 600 мин^-1) используют для приближенной оценки значений показателей реологических свойств промывочных жидкостей в процессе бурения. Используемые при этом расчетные формулы имеют следующий вид:

- для вязкопластичных промывочных жидкостей

, Па с	(4.28)
, Па	(4.29)

где К₁, К₂, К₃ –константы, зависящие от упругости пружины вискозиметра.

- для псевдопластичных промывочных жидкостей:

,	(4.30)
,	(4.31)

где С = 1,59×10²/ [1 - (r / R)²]; j₃₀₀, j₀₀ - средний (по 2-3 параллельным измерениям) угол поворота шкалы прибора при частоте вращения гильзы соответственно 300 и 600 мин^-1, град.

Вискозиметры FANN 35A и 35SA имеют шесть частот вращения гильзы (3, 6, 100, 200, 300, 600 мин^-1), a FANN 35A / SR12 и 35SA / SR12 - двенадцать (0,9; 1,8; 3; 6; 30; 60; 90; 100; 180; 200; 300; 600 мин^-1). Основные ха­рактеристики измерительного узла вискозиметров серии 35 аналогичны ука­занным выше для вискозиметров серии 34. При этом частота 3 мин^-1 исполь­зуется для определения статического напряжения сдвига после выдержки пробы промывочной жидкости в покое в течение 10 и 600 с, что соответствует стандарту Американского нефтяного института (API). Максимальная тем­пература промывочной жидкости, исследуемой с помощью вискозиметров серии 35, может достигать 93,3°С. Нагрев пробы промывочной жидкости до требуемой температуры осуществляется непосредственно в стакане виско­зиметра с помощью специального съемного нагревательного блока.

Вискозиметр FANN 70 НТНР служит для определения реологических и структурно-механических свойств промывочных жидкостей при более высо­ких температурах (до 260 °С) и давлениях до 20 МПа.

Совокупность значений, полученная по результатам реометрических измерений с помощью того или иного ротационного вискози­метра, может быть аппроксимирована любой из известных реологических моделей, описывающих связь t₀ = t(g).