Вязкость структурированных жидкостей

Вязкость структурированных жидкостей обусловлена теми же причи­нами, что и прочность структуры - силой взаимодействия молекул воды с частицами твердой фазы и со стенками трубы. Это прочность структуры бурового раствора, определяемая при его течении.

Вязкость структурированных жидкостей - один из важнейших их пока­зателей - существенно влияющий на эффективность бурения. Вязкость спо­собствует кольматапии пор и трещин горной породы, снижает показатель фильтрации, закрепляет стенки скважины в рыхлых и неустойчивых горных породах, предотвращает насыщение породы водой, ее набухание и обвалы стенок скважин. Вязкие растворы обладают высокой несущей способностью, их применяют при бурении пород, образующих шлам высокой плотности.

Наряду с этим следует отметить и ряд негативных факторов вязкости структурированных жидкостей:

Повышение прочности структуры и вязкости промывочных жидко­стей осуществляется чаще всего за счет повышения концентрации глины, что ведет к повышению плотности промывочной жидкости, повышению её гид­ростатистического и динамического давления на забое скважины, а, значит, реактивной силы ее струи, и резкому снижению механической скорости бу­рения. Путем обработки большого количества промысловых данных метода­ми математической статистики Р.В. Валиев и др. установили:

1. С увеличе­нием плотности бурового раствора и его гидросатистического давления ме­ханическая скорость гиперболически снижается

,

где - механическая скорость бурения, р - плотность промывочной жидкости, n - показатель степени равный n=2-3.

Повышение прочности структуры и вязкости раствора ведет к повыше­нию гидростатистического сопротивления и разгрузке бурового снаряда, что так же снижает механическую скорость бурения. Зависимость снижения ме­ханической скорости бурения от повышения вязкости раствора менее суще­ственна:

где - постоянная для данной жидкости величина; - вязкость раствора.

2. Повышение плотности структуры и вязкости промывочных раство­ров вызывает необходимость дополнительного расхода энергии на вращение
бурового снаряда.

3. Высокая прочность структуры и вязкости промывочных жидкостей затрудняет их очистку от шлама, повышает содержание абразивного шлама в растворе, что ведет к более интенсивному износу бурового снаряда.

4. Спускоподъемные операции при бурении высокоструктурированны­ми растворами осложняются, создаются антисанитарные условия.

Поэтому, исходя из вышесказанного, структурированные жидкости следует применять только при бурении осложненных, неустойчивых пород: пористых, трещиноватых, рыхлых, при потерях промывочных жидкостей, осыпях, обвалах горной породы.

При циркуляции вязкоплатичных промывочных жидкостей затрачива­ется энергия с одной стороны на преодоление сил взаимодействия молекул воды с поверхностью твердых тел (пластическая вязкость), ко­торая зависит от скорости течения жидкости ν и ее расстояния до поверхно­сти твердого тела:

, Па

С другой стороны в области пластической вязкости энергия затрачива­ется на преодоления сил взаимодействия частиц твердой фазы и молекул во­ды. Величина этой энергии, как и прочность структуры зависит от концен­трации, дисперсности твердой фазы, активности её функциональных групп, а также от скорости течения жидкости -- τ (структурная вязкость рис. 1.9)

Рис. 1.9. Реологическая кривая: 1 - структурированной: 2 - ньютоновской жидкости.

В области турбулентного режима вязкость глинистого раствора близка к вязкости воды.

За единицу пластической вязкости принимают вязкость жидкости при υ = 1м/с, d = 1м. Коэффициент пластической вязкости η выражают в сис­теме СГС:

= = Па ∙ с

При определении вязкости на приборе ВСН-3 толщина измеряемого слоя жидкости между цилиндрами составляет 0, 001м, поэтому вязкость промывочной жидкости выражается в мПа.с

Вязкость структурированных бингамовских жидкостей опре­деляют по сумме двух показателей: структурной вязкости , и пластической вязкости (касательных напряжений)

τ =

За единицу суммарной вязкости принимают эффективную вязкость:

При числе оборотов цилиндра вискозиметра ВСН-3 600 об/мин, ско­рость υ будет:

υ = = = 1 м/с,

здесь -0, 032м - диаметр цилиндра прибора. Тогда эффективная вязкость жидкости будет:

Рис. 1.10. Зависимость потерь напора глинистого раствора в трубах диаметром 76 мм от скорости его течения (при различной концентрации глин): 1 - для воды; 2-5 –для глинистого раствора

Эффективная вязкость зависит от структурной вязкости, следовательно, зависит от концентрации твердой фазы. Для разбавленных растворов эта зависимость носит линейный характер, для концентрированных - с увеличени­ем концентрации темп повышения вязкости резко возрастает.

Эффективную вязкость при числе оборотов цилиндра ВСН-3 600 об/мин называют кажущейся вязкостью. Некоторые авторы термин «кажу­щаяся вязкость» используют вместо термина эффективная вязкость и наобо­рот.

Американскими исследователями установлено, что полимерные рас­творы и глинистые растворы, обработанные полимерами ведут себя как псев­допластические жидкости и подчиняются степенному закону (модели Оствальда де Ваале):

τ = K∙

где К — показатель вязкости псевдопластичных жидкостей, зависящий от типа и концентрации полимеров, n - показатель степени, определяющий характер изменения пластической вязкости в зависимости от типа и концен­трации полимера, скорости вращения цилиндра прибора ВСН-3

.