Структурно-механические свойства

Механические свойства буровых растворов (пластичность, упругость, эластичность и прочность) определяются их внутренней структурой и вследствие этого, называются структурно-механическими.

По механическим свойствам гетерогенные (многофазные) буровые растворы могут быть: бесструктурными (свободнодисперсными); структурированными (связнодисперсными).

В бесструктурных системах, называемых золями, частицы дисперсной фазы не взаимодействуют друг с другом и не способны создавать какую-либо пространственную сетку, именуемую структурой.

Механические свойства этих систем аналогичны механическим свойствам их дисперсионной среды и одинаковы в покое и при течении.

В структурированных системах, называемых гелями, частицы дисперсной фазы связаны между собой и образуют пространственную структуру, имеющую определенную механическую прочность.

В покое гели упрочняются, а попавшие в ячейки структуры дисперсионная среда (свободная вода) теряет свою подвижность. Однако перемешивание или нагревание системы нарушает структуру и возвращает ей свойства золя. Явление перехода геля в золь и обратно носит название тиксотропии.

Для возвращения структурированной системе свойств жидкости структуру необходимо разрушить, приложив некоторое усилие. Величина этого усилия зависит от силы сцепления между частицами дисперсной фазы бурового раствора, т.е. от прочности образовавшейся структуры, и характеризуется статическим напряжением сдвига.

Статическое напряжение сдвига (СНС) - это усилие, при котором начинается разрушение структуры, отнесенное к единице площади. Статическое напряжение сдвига принято выражать в дПа.

Величина статического напряжения сдвига определяет возможность удержания во взвешенном состоянии частиц шлама и утяжелителя при остановках циркуляции бурового раствора.

Очевидно, что для обеспечения этой возможности величина статического напряжения сдвига должна превышать величину усилия, создаваемого весом частиц выбуренной породы или утяжелителя. В противном случае эти частицы при отсутствии циркуляции бурового раствора будут оседать в призабойную часть скважины, что в конечном итоге может привести к прихвату бурового снаряда шламом.

Однако с увеличением статического напряжения сдвига ухудшаются условия самоочистки бурового раствора от шлама на поверхности, а также возрастает величина импульсов давления на забой и стенки скважины при инициировании течения бурового раствора (при пуске насоса) и при проведении СПО, что, в свою очередь, повышает вероятность флюидопроявлений, нарушений устойчивости стенок скважин, гидроразрывов пластов и поглощений бурового раствора.

Таким образом, величина статического напряжения сдвига должна быть минимальной, но достаточной для удержания во взвешенном состоянии в покоящемся буровом растворе частиц выбуренных пород и утяжелителя.

Для измерения величины статического напряжения сдвига используют прибор СНС-2, а также ротационные вискозиметры ВСН-3, ВСН-2М и вискозиметр FANN. (рисунки 4.3 - 4.5).

Для оценки характера нарастания прочности структуры во времени измерения делают через 1 мин (СНС1) и 10 мин (СНС10) покоя.

Кроме названных показателей структурно-механические свойства буровых растворов характеризуют и коэффициентом тиксотропии

Кт = СНС₁₀ / СНС₁. (4.7)

Требуемая величина статического напряжения сдвига через 1 мин (СНС1, дПа) может быть определена по следующей формуле

СНС₁ ³ 5 [2 - ехр (- 110 d)] d (r_п - r), (4.8)

где: d - условный диаметр характерных частиц выбуренной породы, м;

r_п, r - плотность соответственно породы и бурового раствора, кг/м³.

Рисунок 4.3 - Прибор СНС-2. 1 – стойка, пробка для установки нити,

3 – конусная втулка, 4 – упругая нить, 5 – защитная металлическая трубка, 6 – шкала с ценной деления 1 град, 7 – винт для крепления нити 8 - измерительный цилиндр 9 - внешний стакан, 10 - вращающаяся опора, 11 - общая плита, 12 – установочные винты, 13 – привод, 14 – указатель.

Рисунок 4.4 - Вискозиметр ВСН-3 1 – наружный вращающийся цилиндр; 2 – внутренний вращающийся цилиндр; 3 – стакан; 4 – шкала с вертикальной риской смотрового окна; 5 – винт-головка; 6 – выключатель; 7 – переключатель; 8 – подъемный столик; 9 – штуцер.

Рисунок 4.5 - Общая схема ротационного вискозиметра 1 – наружный вращающийся цилиндр; 2 – внутренний вращающийся цилиндр; 3 – пружина; 4 - шкала

4.2.1 Определение статического напряжения сдвига на приборе СНС–2

В комплект прибора СНС-2 входят футляр, ковш, отвертка и нити шести номе­ров, каждая из которых имеет свою константу К в Па/град, указываемую в паспорте прибора.

Техническая характеристика СНС-2:

Пределы измерения статического напряжения сдвига в Па при диаметре нити в мм:

0,3..........................................................................................…….... 0 - 10

0,4..........................................................................................…….... 0 - 30

0,5..........................................................................................…….... 0 - 80

Частота вращения стакана, об/мин......................................................0,2

Наружный диаметр измерительного цилиндра, мм............……...…40

Высота измерительного цилиндра, мм.................................……..…..60

Основная приведенная погрешность измерения, %.............не более 5

Питание прибора - от сети переменного тока напряжением 220 В.

Принцип работы прибора основан на измерении сдвиговых напряжений в контролируемой среде, расположенной между соосными цилиндрами. Мерой сдвиговых напряжений является угол поворота подвесного цилиндра вокруг своей оси.

В зависимости от вязкостного состояния исследуемой пробы используются разные нити, номер которых определяет коэффициент прибора. Для нитей № 1 и 4 коэффициент прибора – 0,043, для нитей № 2 и 5 – 0,12, для нитей № 3 и 6 – 0,3

Порядок работы:

- устанавливают на вращающемся столике внешний цилиндр;

- помещают подвесной цилиндр, с установленной на нем шкалой, во внешний цилиндр и подвешивают нить на пробку;

- тщательно перемешивают пробу бурового раствора и заливают во внешний цилиндр (подвесной цилиндр при этом должен быть погружен в раствор точно до верхнего края);

- устанавливают «0» шкалы против риски указателя и оставляют в покое на одну минуту;

- через одну минуту включают электродвигатель и производят отсчет угла закручивания нити после остановки подвесного цилиндра;

- устанавливают шкалу в нулевое положение и оставляют раствор в покое на 10 минут;

- затем снова включают прибор и замеряют максимальный угол закручивания нити.

Статическое напряжение вычисляют по формуле:

q_1,10 = А × j_1,10, (4.9)

где: q_1,10 - статическое напряжение сдвига через 1 и 10 минут, Па;

А - коэффициент погрешности (дается в паспорте прибора);

j_1,10 - угол закручивания нити, замеренный после 1 и 10 минут покоя, град.

Date: 2016-07-18; view: 1303; Нарушение авторских прав