Тема 5: Механика промывочных жидкостей и тампонажных растворов.

Реологические модели

В современной практике для контроля реологических свойств буровых агентов широкое применение нашли ротационные вискозиметры (Fann, OFITE и другие), которые позволяют снимать показания при пониженных скоростях сдвига. Расчеты по этим показаниям позволяют более точно характеризовать течение промывочной жидкости в кольцевом пространстве скважины.

Реологическая модель Гершеля-Баркли показывает лучшую сходимость результатов, чем результаты по вязкопластичной и псевдопластичной моделям. Данная модель точно описывает поведение бурового раствора во всем диапазоне скоростей сдвига.

Рисунок 3 – Реологические модели течения жидкости

 

Вязкопластичные жидкости (Шведова-Бингама)

Идеальная вязкопластическая модель описывает вещества, которые при напряжениях ниже точки Бингама - τ₀ не деформируются, а при больших напряжениях - текут подобно вязким (ньютоновским) жидкостям (рис. 3).

В промысловых условиях напряжения сдвига, возникающие при различных скоростях сдвига, определяются с помощью констант τ₀ и η, полученных при скоростях вращения ротора вискозиметра ω₁ = 300 об/мин и ω₂ = 600 об/мин.

Напряжение сдвига по Бингаму, которое отображает предельное динамическое напряжение при «нулевом сдвиге» (0 об/мин.) значительно выше показаний вискозиметра при 6 и 3 об/мин (рис. 3). Такое поведение буровых агентов объясняется тем, что они не являются идеальными вязкопластическами жидкостями. Но несмотря на это, надо отметить тот факт, что константы Шведова-Бингама: τ₀ и η были и остаются важными критериями для определения поведения буровых растворов, особенно при течении внутри трубы.

Псевдопластичные жидкости

Поведение буровых промывочных систем, обработанных полимерами с высокой молекулярной массой, более точно описывается степенным законом (модель Оствальда-де Ваале), чем уравнением Шведова-Бингама:

Идеальные псевдопластические жидкости не имеют предельного динамического напряжения сдвига, т.е. моделируемая жидкость начинает деформироваться (течь) сразу же при приложении сдвигающих нагрузок. Такое предположение является идеализацией по отношению к реальным буровым растворам. В результате того, что идеальным степенным законом не учитывается динамическое напряжение сдвига, гидравлические расчеты на основе идеального степенного закона приводят к погрешностям.

Жидкости Гершеля-Баркли

Трехпараметрическая модель, предложенная Гершелем и Баркли, сочетает в себе модели вязкопластичной и псевдопластичной жидкостей и позволяет учесть динамическое напряжение сдвига. Она описывается следующим математическим выражением:

В этой модели параметры К и n подобны константам Оствальда-де Ваале, однако при наличии начального напряжения сдвига τ₀, необходимого для начала движения, рассчитанный коэффициент консистентности и степенной показатель будут отличаться от аналогичных параметров псевдопластической модели. Теоретически начальное напряжение сдвига идентично предельному динамическому напряжению сдвига в модели Шведова-Бингама, но его величина и расчет для его нахождения будут отличаться.

Вязкость

Вязкость – измерение внутреннего трения жидкости. Это трение возникает между слоями жидкости при ее движении. Чем больше трение, тем больше силы необходимо приложить, чтобы вызвать движение («сдвиг»).

Сдвиг имеет место при физическом перемещении или разрушении жидкости: разливе, растекании, разбрызгивании, перемешивании и т.п. Для сдвига жидкостей с высокой вязкостью необходимо приложить больше силы, чем для маловязких материалов.

По характеру течения жидкости (и псевдожидкости) делят на ньютоновские и неньютоновские жидкости, а по поведению во времени – на тиксотропные и реопексные.

Тиксотропия

Тиксотропия (от греч. thixis – прикосновение и trope – поворот, изменение) – это способность системы восстанавливать исходную структуру, разрушенную механическим воздействием (перемешиванием, встряхиванием). Тиксотропное восстановление структуры обусловлено возобновлением контактов между частицами дисперсной фазы вследствие теплового движения частиц и подвижности среды.

Тиксотропию не следует путать с псевдопластичностью. У псевдопластичных жидкостей вязкость уменьшается при увеличении напряжения сдвига, в то время как у тиксотропных жидкостей вязкость уменьшается с течением времени при постоянном напряжении сдвига.

Введение в высококонцентрированные системы поверхностно-активных веществ, снижающих межфазную энергию, уменьшает сопротивление деформированию и разрушению систем, пластифицируя их. Например, тиксотропия сливочного масла проявляется в способности перехода размягченной и разжиженной структуры в прочную после прекращения механического воздействия.

Тиксотропные среды характеризуются уменьшением вязкости во времени при постоянной скорости сдвига. Например, чтобы привести в движение по трубопроводу тиксотропную среду, насос первоначально должен потреблять большую мощность. Затем в результате постепенного разрушения структуры под действием напряжения сдвига и снижения вязкости потребляемая мощность насоса снижается. В результате продолжительного воздействия сдвиговых напряжений тиксотропный материал приобретает реологические свойства, не зависящие от времени. После прекращения воздействия в объеме неподвижного тиксотропного материала постепенно вновь образуется пространственная структура.

 

Тема 5: Механика промывочных жидкостей и тампонажных растворов.

1 Структурообразование в дисперсных системах.
2 Реологические модели.

3 Вязкость.

4 Тиксотропия.

 

1. Структурообразование в дисперсных системах.

 

В дисперсных системах (золях, суспензиях и растворах ВМС) самопроизвольно или в результате внешних воздействий происходит образование пространственных структур.

Структурообразование изменяет состояние дисперсной системы - от истинно жидких золей через структурированные жидкости (гели, студни) к твердообразным (например, цементный камень), обладающих многими свойствами твердых тел.

Образование и наличие в дисперсных системах тех или иных структур придает им своеобразные физико-механические свойства: прочность, упругость (эластичность), пластичность, вязкость. Эти свойства называют структурно-механическими или реологическими. Они во многом определяют эксплуатационные свойства буровых глинистых и цементных растворов и оказывают существенное влияние на характер течения нефти в пласте и эффективность её извлечения из недр. Изучение взаимосвязи между структурой и реологическими свойствами дисперсных систем, а также путей управления ими на различных этапах получения и эксплуатации занимается область науки, называемая физико-химической механикои. Её развитие связано с именем
П.А. Ребиндера и его учеников

Формирование структур в дисперсных системах с жидкой дисперсионной средой связано с нарушением агрегативной устойчивости. При этом возможно образование структур двух типов. Для структур первого типа характерно преобладание сил притяжения частиц дисперсной фазы. Второй тип формируется в результате действия сил отталкивания.

В первом случае на потенциальной кривой взаимодействия частиц, помимо потенциального барьера D U _k, имеются два минимума – ближний (первый) и дальний (второй) (рис 1, а). Если высота потенциального барьера невелика и второй минимум неглубокий, происходит сближение частиц вплоть до их непосредственного контакта.

Структуры второго типа возникают в агрегативно устойчивых системах, при этом на потенциальной кривой имеется высокий потенциальный барьер и отсутствует второй энергетический минимум (рис. 1, б). Формирование пространственных структур происходит вследствие отталкивания частиц в стесненных условиях, возникающих при повышении концентрации дисперсной фазы. В результате взаимоотталкивания, частицы занимают энергетически более выгодное положение, и в объеме системы самопроизвольно
формируется обратимая структура с трехмерной упорядоченностью.

Рисунок 1 – Потенциальные кривые взаимодействия частиц, соответствующие: а – возникновение контактов между частицами, б – отсутствию межчастичных контактов

Различают три вида межчастичных контактов, возникающих при образовании структур первого типа: коагуляционные, атомные и фазовые.

Коагуляционные контакты образуются между частицами при их фиксации во втором энергетическом минимуме. При этом между частицами остается прослойка дисперсионной среды (рис. 2, а). Прочность связей между частицами характеризуют средней силой их сцепления (прочностью единичного контакта), соответствующей усилию, необходимому для разъединения двух частиц. Для коагуляционных контактов она невелика и составляет 10^-11 ¸10^-9 Н. После механического разрушения коагуляционные контакты способны к самопроизвольному восстановлению.

Атомные контакты возникают при непосредственном взаимодействии частиц в первом энергетическом минимуме, когда частицы непосредственно соприкасаются друг с другом (рис. 2, б). Прочность атомных контактов на
2-3 порядка выше прочности коагуляционных и составляет 10^-9¸10^-6 Н. Атомные контакты также разрушаются обратимо.

 

а – коагуляционные; б – атомные, в – фазовые

Рисунок 2 – Виды межчастичных контактов

Фазовые контакты образуются при «сращивании» частиц, находящихся в первом энергетическом минимуме. Это может происходить при конденсации вещества из пересыщенных растворов или расплавов в зоне контакта частиц, в результате диффузионных процессов. В этом случае возможен непрерывный переход вещества из объема одной частицы в другую
(рис. 2, в). Прочность фазовых контактов превышает 10^-6Н и определяется прочностью самих частиц. Фазовые контакты разрушаются необратимо.

Рассмотренные виды контактов определяют два класса структур (по классификации П.А. Ребиндера) – коагуляционные и конденсационные (или конденсационно-кристаллизационные).

Коагуляционные структуры возникают в результате сцепления частиц через прослойки жидкости (во втором энергетическом минимуме), либо при частичном вытеснении их (в первом энергетическом минимуме), т.е. вследствие образования коагуляционных или атомных контактов. Образование коагуляционных структур во втором энергетическом минимуме часто называют гелеобразованием, а образующиеся при этом структурированные системы – гелями. Для коагуляционных структур характерны специфические свойства, такие как тиксотропия (поэтому такие структуры часто называют коагуляционно-тиксотропнами), синерезис, набухание.

Тиксотропия (от греч. thixis – прикосновение и trope – поворот, изменение) – это способность системы восстанавливать исходную структуру, разрушенную механическим воздействием (перемешиванием, встряхиванием).

Синерезис (от греч. synairesis – сжатие, уменьшение) – постепенное упрочнение структуры, сопровождающееся ее сжатием и высвобождением части жидкости из структурной сетки. При этом структурированная система переходит в термодинамически более устойчивое состояние. В результате синерезиса гелеобразная система может превратиться в сплошное кристаллическое тело.

Конденсационные структуры образуются в результате фазовых контактов. Если контакты возникают между кристаллическими частицами, то образующиеся структуры называют конденсационно-кристаллизационными, или кристаллизационными. Их отличают высокая прочность и необратимый характер разрушений. Образованию конденсационных структур всегда предшествует стадия формирования структуры коагуляционного типа.

Особенности структурообразования в растворах ВМС.
Студни и студнеобразование

Структурированию растворов ВМС способствует анизометричность макромолекул и наличие в полимерных цепочках чередующихся полярных и неполярных фрагментов. В растворах полимеров возможно образование как тиксотропных структур в результате дисперсионного взаимодействия углеводородных цепочек или возникновения водородных связей по полярным группам соседних цепей, так и необратимых конденсационных структур с химическими связями между макромолекулами.

При возникновении структур в системах, содержащих ВМС, образуются студни. Для этих систем иногда применяют термин «гели», который в коллоидной химии обозначает скоагулированные золи. И хотя исторически термин «гель» впервые появился при исследовании именно полимерной системы (водного раствора желатина), после размежевания коллоидной химии и химии полимеров в последней чаще используют термин «студни».

Студни образуются при ограниченном набухании твердых ВМС, а также при застудневании растворов, сопровождающемся возникновением связей между макромолекулами.

 

Реологические модели

В современной практике для контроля реологических свойств буровых агентов широкое применение нашли ротационные вискозиметры (Fann, OFITE и другие), которые позволяют снимать показания при пониженных скоростях сдвига. Расчеты по этим показаниям позволяют более точно характеризовать течение промывочной жидкости в кольцевом пространстве скважины.

Реологическая модель Гершеля-Баркли показывает лучшую сходимость результатов, чем результаты по вязкопластичной и псевдопластичной моделям. Данная модель точно описывает поведение бурового раствора во всем диапазоне скоростей сдвига.

Рисунок 3 – Реологические модели течения жидкости

 

Вязкопластичные жидкости (Шведова-Бингама)

Идеальная вязкопластическая модель описывает вещества, которые при напряжениях ниже точки Бингама - τ₀ не деформируются, а при больших напряжениях - текут подобно вязким (ньютоновским) жидкостям (рис. 3).

В промысловых условиях напряжения сдвига, возникающие при различных скоростях сдвига, определяются с помощью констант τ₀ и η, полученных при скоростях вращения ротора вискозиметра ω₁ = 300 об/мин и ω₂ = 600 об/мин.

Напряжение сдвига по Бингаму, которое отображает предельное динамическое напряжение при «нулевом сдвиге» (0 об/мин.) значительно выше показаний вискозиметра при 6 и 3 об/мин (рис. 3). Такое поведение буровых агентов объясняется тем, что они не являются идеальными вязкопластическами жидкостями. Но несмотря на это, надо отметить тот факт, что константы Шведова-Бингама: τ₀ и η были и остаются важными критериями для определения поведения буровых растворов, особенно при течении внутри трубы.

Псевдопластичные жидкости

Поведение буровых промывочных систем, обработанных полимерами с высокой молекулярной массой, более точно описывается степенным законом (модель Оствальда-де Ваале), чем уравнением Шведова-Бингама:

Идеальные псевдопластические жидкости не имеют предельного динамического напряжения сдвига, т.е. моделируемая жидкость начинает деформироваться (течь) сразу же при приложении сдвигающих нагрузок. Такое предположение является идеализацией по отношению к реальным буровым растворам. В результате того, что идеальным степенным законом не учитывается динамическое напряжение сдвига, гидравлические расчеты на основе идеального степенного закона приводят к погрешностям.

Жидкости Гершеля-Баркли

Трехпараметрическая модель, предложенная Гершелем и Баркли, сочетает в себе модели вязкопластичной и псевдопластичной жидкостей и позволяет учесть динамическое напряжение сдвига. Она описывается следующим математическим выражением:

В этой модели параметры К и n подобны константам Оствальда-де Ваале, однако при наличии начального напряжения сдвига τ₀, необходимого для начала движения, рассчитанный коэффициент консистентности и степенной показатель будут отличаться от аналогичных параметров псевдопластической модели. Теоретически начальное напряжение сдвига идентично предельному динамическому напряжению сдвига в модели Шведова-Бингама, но его величина и расчет для его нахождения будут отличаться.