Статичне напруження зсуву бурового розчину
Міцність сформованої суспензією тиксотропної структури у стані спокою та інтенсивність її зміцнення у часі характеризується статичним напруженням зсуву (СНЗ).
Статичне напруження зсуву θ характеризує міцність структури і визначає здатність бурового розчину :
- утримувати в завислому стані частинки зруйнованої гірської породи і бульбашок газу (повітря);
- проникати в тріщини і пори гірських порід і утримуватися там під дією навантажень.
Статичне напруження зсуву має наступний фізичний зміст: умовна характеристика міцності тиксотропної структури, яка виникає в буровому розчині після залишення його в спокої на протязі однієї (θ1) або десяти (θ10) хвилин.
Граничне СНЗ – це те мінімальне напруження зсуву, яке необхідно прикласти до бурового розчину, який знаходиться у стані спокою, щоб зруйнувати тиксотропну структуру і вивести його зі стану рівноваги (відновити текучість системи).
У стані спокою міцність тиксотропної структури зростає у часі асимптотично, наближаючись до верхньої межі. Вона оцінюється двома значеннями СНЗ, які свідчать про здатність промивальної рідини виконувати певні функції.
Початкове значення СНЗ заміряють через одну хвилину стану спокою промивної рідини (θ1). Воно характеризує наявність або відсутність структури в промивальній рідині (утримувальну здатність промивальної рідини). При виборі показників промивальної рідини обґрунтовується мінімальне значення θ1 при якому і буде забезпечене виконання вказаної функції, так як велике значення цього параметру суттєво зменшує механічну швидкість буріння.
Тобто СНЗ за 1 хв. повинно бути достатнім для утримання в замуленому стані шламу після припинення циркуляції.
Друге значення СНЗ заміряють через 10 хвилин, як промивна рідина була у стані спокою. Воно характеризує інтенсивність зміцнення тиксотропної структури у часі.
Така тенденція поведінки бурового розчину має кілька негативних аспектів:
► в зв’язку з тиксотропністю бурового розчину міцність структури при тривалому знаходженні в спокої може досягти таких значень, при яких в момент спуску бурильної (обсадної) колони або при відновлюванні циркуляції опір структури буде причиною зростання тиску, який може бути більший за тиск гідророзриву пласта , що може привести до розриву пласта;
► висока міцність структури суттєво погіршує просування геофізичних приладів у свердловині, що є однією з причин обриву геофізичного канату, або недоходження приладу до встановленої глибини;
► можливе часткове зменшення гідростатичного тиску у свердловині за рахунок утворення тиксотропної структури бурового розчину, що може привести до ускладнень в процесі буріння („поршневий ефект”);
► збільшення статичного напруження зсуву погіршує умови дегазації і очищення бурових розчинів.
Підвищувати θ слід у випадках, коли необхідно обважнювати буровий розчин, а також в умовах можливих поглинань бурового розчину при бурінні тріщиноватих і пористих порід (при попаданні високотиксотропних промивних рідин у тріщини горизонтів, вони згущуються і сприяють уникненню поглинань).
Статичне напруження зсуву виміряють пластометрами. В практиці буріння найбільше поширення одержали ротаційні пластометри СНС-2 і ВСН-3, а для поточних лабораторних досліджень застосовується прилад Вейлера-Ребиндера. Одиниця вимірювання – Па.
Тому крім величини θ1 вимірюють і θ10, причому тиксотропність структури характеризується коефіцієнтом тиксотропії, який визначають відношенням другої величини на першу
θ10
Кт = ---------- (6.7)
θ1
де Кт– коефіцієнт тиксотропії бурового розчину.
Використання приладу СНС-2 (СНЗ-2)
Опис приладу
Рисунок 6.9 – Прилад СНС-2
Прилад СНС-2(СНЗ-2) (рисунок 6.9) складається з вимірювальної частини, стійки 3 і плити основи 1. До вимірювальної частини відноситься циліндр 9, який підвішений на стійці за допомогою стальної нитки 5 і занурений в стакан 10 з буровим розчином. Для визначення кута повороту циліндра служить проградуйований на 360° лімб 7 з ціною ділення 1°. Диск жорстко з’єднаний через трубку 6 з циліндром 9. Для відліку ділення проти диску закріплений прозорий візир 8 з двома рисками.
Стакан 10 встановлюється на обертовий столик, з’єднаний гнучкою передачею з редукторним електродвигуном 12, який обертає стакан зі швидкістю 0,2 об/хв. В комплект приладу входить набір 3-х пар пружних ниток (діаметр 0,3; 0,4; 0,5 мм), які рекомендується використовувати при різних діапазонах вимірювання.
Підготовка приладу до роботи:
• встановити прилад на стійкому столі, де відсутні вібрації;
• підвісити циліндр за допомогою нитки до стійки;
• регулювальним гвинтом добитися концентричного розміщення циліндрів;
• встановити “нуль” шкали проти риски на візирі шляхом плавного повороту диска підйомної системи;
• зняти підвісну систему і покласти її на стіл;
• підключити прилад до електромережі і включити тумблер, перевірити роботу електродвигуна;
• взяти секундомір і покласти його біля приладу.
Вимірювання статичного напруження зсуву за допомогою приладу СНС-2:
► відібрати пробу бурового розчину та інтенсивно розмішати його;
► заповнити до половини стакан буровим розчином;
► опустити підвісний циліндр у стакан з розчином і підвісити його з допомогою нитки на стійці. При цьому необхідно добитися, щоб рівень розчину і верхнього краю циліндра співпадали;
► взяти в ліву руку секундомір, а правою обережно повернути підвісну систему вліво-вправо на 40-60°, переміщуючи розчин. Після перемішування розчину встановити “нуль” шкали проти риски на візирі і одночасно включити секундомір;
► через 1 хв. за допомогою тумблера включити електродвигун і спостерігати за обертанням шкали приладу. Після її зупинки виключити електродвигун, взяти відлік кута повороту шкали в градусах;
► поворотом підвісної системи, встановивши “нуль” шкали проти риски на візирі, повторити вимірювання 3 рази;
► повторити три рази вимірювання СНЗ після перебування бурового розчину у спокої протягом 10 хв;
► якщо покази приладу знаходяться в межах 10°, то необхідно встановити нитку з меншим діаметром і повторити виміри;
► якщо шкала приладу не зупинилася через 1 хвилину, що відповідає 72° повороту шкали необхідно встановити нитку з більшим діаметром і повторити виміри;
► відключити прилад від електромережі, промити циліндр, стакан і витерти їх насухо;
► записати значення кутів повороту шкали після перебування у стані спокою бурового розчину протягом 1 хв і 10 хвилин ;
► визначити середнє арифметичне значення кутів повороту шкали ;
► визначити значення СНЗ в ПА (дПа) за формулами:
(6.8)
| 1-Телескопічний столик; 2-Стакан; 3-Зовнішній циліндр (ротор); 4-Внутрішній циліндр; 5-Оглядове скло; 6-Шкала; 7- Пружина; 8-Двигуни; 9-Корпус; 10-Вимикач; 11- Перемикач швидкостей Рисунок 6.10 – Віскозиметр ВСН-3 |
де С – постійна даної нитки і приладу згідно з паспортом приладу.
Примітка. Постійна С показує, яке СНЗ відповідає, повороту шкали на 1° при використанні нитки даного діаметру.
Ротаційний віскозиметр ВСН-3 (рисунок 6.10)
Вимірювання статичного напруження зсуву за допомогою приладу ВСН-3:
► заповнити чистий, сухий циліндр приладу буровим розчином до мітки;
► встановити заповнений циліндр на столик 1 підняти його телескопічні секції, зафіксувавши їх;
► перемикач швидкостей встановити на значенні 600 об/хв.;
► перемішати буровий розчин при частоті обертання зовнішнього циліндра 600 об/хв. до постійного показу кута закручування;
► зняти стійкі покази кутів закручування за шкалою приладу при 600, 400, 300, 200 об/хв. (протягом 2-3 хв. кожен);
► визначення статичного напруження зсуву проводиться за формулою:
(6.10)
де – статичне напруження зсуву через 1 і 10 хв.. Па;
К –постійна приладу, яка дорівнює величині статичного напруження зсуву, що відповідає куту закручування пружини на 1° (вказана в паспорті приладу ВСН-3:
• для пружини №1К= 0,165-0,17;
• для пружини №2 К= 0,33-0,34).
6.6.4 Реологічні властивості промивних рідин
Для практичних гідравлічних розрахунків руху неньютонівських рідин важливо мати значення їх реологічних характеристик.
Реологічні властивості бурових промивних рідин характеризуються такими величинами:
– статичним напруженням зсуву ( );
– динамічним напруженням зсуву ( );
– ефективною в’язкістю ( );
– пластичною в’язкістю ( ).
Динамічне напруження зсуву – додаткове початкове напруження зсуву, яке виникає при русі промивної рідини і характеризує міцнісний опір течії, тобто – це умовна величина, яка характеризує границю текучості в потоці бурового розчину. Позначають його tо , та виміряють в Па.
Динамічне напруження зсуву залежить від концентрації твердої фази у промивальній рідині, її дисперсності, вмісту електролітів (іонів Са2+ і Мg2+), наявності хімічних реагентів. Динамічне напруження зсуву характеризує здатність розчину, який рухається чинити опір осіданню шламу, тобто оцінює його несучу здатність. Для глинистих бурових розчинів динамічне напруження зсуву знаходиться в межах 10¸45 мПа.
Динамічну і структурну в’язкість визначають в добре обладнаних лабораторіях за допомогою ротаційного віскозиметра ВСН-3.
Складність вимірювання структурної в’язкості привела до появи спроб встановлення конкретного зв’язку її з умовною в’язкістю.
Ефективна (динамічна) в'язкість – величина, яка характеризує в’язкісний та міцнісний опір течії промивальної рідини і дає оцінку “уявній в’язкості” при певних швидкостях зсуву (швидкості руху розчину), тобто вона характеризує опір бурового розчину при даній швидкості зсуву, викликаний силами зчеплення молекул рідини.
Вона не є постійною величиною і визначається відношенням напруження зсуву до відповідного градієнта швидкості. Так, наприклад, із збільшенням швидкості в насадках долота ефективна в’язкість зменшується, а в затрубному просторі при низьких швидкостях вона збільшується. Значення повинні бути завжди більшими від значень пластичної в’язкості, що свідчить про наявність структури у промивальній рідині за рахунок взаємодії колоїдних частинок, солей, полімерів. Якщо ефективна в’язкість більша ніж граничні межі, то може відбутись гідророзрив пласта під час буріння. Для глинистих бурових розчинів ефективна в’язкість знаходиться в межах 6-20 мПа×с.
Пластична (структурна) в'язкість – міра сил внутрішнього опору, що виникає при взаємному переміщені елементарних струмин одна відносно одної, тобто – це умовна величина, яка показує долю динамічної в’язкості, яка виникає внаслідок структуроутворення в потоці бурового розчину.
Пластична в’язкість залежить від температури і тиску, а також від типу, кількості і розміру твердих частинок, які знаходяться у буровій промивній рідині. При цьому вміст активної глинистої складової має визначальне значення. Для глинистих бурових розчинів орієнтовно пластична в’язкість знаходиться в межах 4-15 мПа×с. Зростання пластичної в’язкості призводить до росту гідравлічних опорів при циркуляції, погіршується очищення вибою і розчину від шламу. При зменшенні пластичної в'язкості настає дестабілізація промивальної рідини.
Одиницею вимірювання динамічної і структурної в’язкостей являється Па.с, її називають пуайзелем.
Дистильована вода при t = 20o має = 10-3 Па . с і УВ = 15 с.
На практиці динамічну в’язкість часто виміряють в пуазах (П).
Між пуайзелем і пуазом існує наступне співвідношення :
1Па . с = 10П.
В гідравліці часто користуються величиною кінематичної в’язкості n.
Кінематична в’язкість виражається відношенням динамічної в’язкості до густини, тобто: h
n = -------- (6.11)
r
Одиницею вимірювання кінематичної в’язкості являється квадратний метр на секунду (м2/с).
В фізичній системі кінематична в’язкість вимірюється в стоксах (ст).
1 м2/с = 1 . 104 Ст.
Кінематична в’язкість води (при t = 20о С) n = 1,01 . 10-6 м2/С.
Величину, (зворотну) обернену динамічній в’язкості називають текучістю
x = 1/ (6.12)
Величина, обернена структурній вязкості, називають рухомістю рідини
m = 1/hпл . (6.13)
Для вимірювання , , використовують ротаційні віскозиметри ВСН-3 і ВСН-2М.
Вимірювання реологічних показників за допомогою ротаційного віскозиметра ВСН-3:
t ABQABgAIAAAAIQBHm6qJ4QAAAAsBAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAB4FAABkcnMvZG93bnJldi54bWxQ SwUGAAAAAAQABADzAAAALAYAAAAA " filled="f" stroked="f">
| Частота обертання, об/хв. Рисунок 6.11 – Крива залежності кута повороту вимірювального елементу від частоти обертання |
► зняти стійкі покази кутів закручування за шкалою приладу при 600, 400, 300, 200 об/хв. (протягом 2-3 хв. кожен);
► за отриманими даними побудувати графік залежності кута закручування від частоти обертання зовнішнього циліндра (рисунок 6.11) при 600, 400, 300, 200 об/хв.;
► на графіку виділити прямолінійну ділянку і продовжити її до перетину з віссю ординат;
► виконати розрахунки за основною і спрощеною методикою.
За значеннями двох точок , взятих на прямолінійній ділянці кривої, визначають ефективну і пластичну в’язкості та динамічне напруження зсуву за формулами
;(при об/хв.) (6.14)
; (6.15)
, (6.16)
де: – ефективна в'язкість, Па×с; А, В – константи (подані в паспорті приладу); А=0,15 при № 1; А=0,3 при № 2; В=1,0;
– пластична в’язкість, Па×с;
– кут повороту шкали, заміряний при більшій частоті обертання циліндра,
600 (400) об/хв., град;
– кут повороту шкали, град (заміряний при меншій частоті обертання циліндра, 300 (200) об/хв.);
– динамічне напруження зсуву, Па;
– кут повороту шкали при частоті обертання циліндра 600 об/хв., град.
У випадку, коли при частоті обертання 600 об/хв. кут закручування протягом 2-3 хвилин буде менший ніж 50° або більший ніж 150° ефективна в’язкість не визначається. Тобто має зміст при умові .
При застосуванні спрощеної методики розрахунок пластичної в'язкості і граничного динамічного напруження зсуву зводиться до розв'язку таких рівнянь:
а) для пружини № 1
при частоті обертання 600 і 300 об/хв.
; (6.17)
; (6.18)
при частоті обертання 400 і 200 об/хв.
; (6.19)
; (6.20)
б) для пружини №2
при частоті обертання 600 і 300 об/хв.
; (6.21)
; (6.22)
при частоті обертання 400 і 200 об/хв.
; (6.23)