Влияние скорости течения, диаметра труб и концентрации твердой фазы на вязкость и коэффициент трения структурированных жидкостей

В настоящее время существует большое количество показателей вязкости структурированных жидкостей; пластическая вязкость, динамическая вязкость, структурная вязкость, условная вязкость, кажущаяся вязкость, эффективная вязкость, относительная вязкость, удельная вязкость, приведенная вязкость, характеристическая вязкость и т.д. Все эти показатели не имеют четко выраженного физического смысла. Наиболее определенным показателем вязкости является, по нашему мнению, коэффициент его трения. Поэтому в дальнейшем в качестве критерия вязкости жидкостей будем пользоваться коэффициентом трения. Коэффициент трения промывочной жидкости обусловлен преимущественно прочностью структуры промывочной жидкости. Следовательно, он будет зависеть от тех же факторов, что и прочность структуры; концентрации, дисперсности и активности твердой фазы, наличия в буровом растворе электролитов и т.д. Существенное влияние на коэффициент трения полимерных растворов оказывают, кроме того, размеры макромолекул. В ламинарном потоке при относительно невысоких скоростях течения раствора макромолекулы переплетаются и взаимодействуют о поверхностью cтенок трубы и между собой, что и создает дополнительное сопротивление движущийся жидкости. Чем длиннее - микромолекула, тем выше сила их взаимодействия между собой и стенками трубы, выше коэффициент трения полимерного раствора.

На прочность связей молекул воды оказывает влияние, как отмечено ваше, скорость течения, размеры трубы и температура воды, поэтому коэффициент трения промывочной жидкости также будет, обусловлен этими факторами.

Рассмотрим зависимости коэффициента трения промывочной жидкости от скорости ее течения, концентрации твердой фазы и диаметра труб.

Американскими исследователями Джоунзом и Бэбсоном установлено, что с увеличением скорости течения вязкость бурового раствора понижается, причем для каждой скорости течения существует свое равновесное состояние.

Вязкость, соответствующую равновесному состоянию, они назвали равновесной вязкостью, а вязкость, замеряемую непосредственно после включения скорости вращения цилиндра вискозиметра – мгновенной вязкостью. Равновесная вязкость по исследованиям авторов, не зависит от предыстории (предварительной скорости вращения цилиндра вискозиметра до ее переключения на данную скорость). Если предварительная скорость была больше, чем данная скорость вращения цилиндра, то наблюдается с течением времени увеличение вязкости до равновесного состояния. В отличие от равновесной мгновенная вязкость зависит от предыстории сдвига. По исследованиям Ченга в зависимости от предварительной скорости сдвига (которая изменялась от 700 до 20 об/с) мгновенная вязкость для бентонитовой суспензии при одной и той же скорости (700 об/с), менялась от 11 до 90,4 мПа·с.

Время для приведения раствора при постоянной скорости течения в равновесное состояние для различных жидкостей различно и составляет для необработанных высококонцентрированных или флоккулированных электролитами растворов несколъко минут, для утяжеленных пептизированных растворов и растворов полимеров – несколько десятков часов.

Главной причиной снижения вязкости бурового раствора с увеличением скорости его течения, по нашему мнению, является снижение сил взаимодействия молекул воды друг с другом и с частицами твердой фазы (подобно снижению вязкости чистой воды). Вследствие уменьшения сил взаимодействия молекул воды с твердыми частицами и уменьшения толщины сольватного слоя в растворе: возможно агрегатирование глинистых частиц или ассоциирование макромолекул полимера. В любом растворе полимеров даже в состоянии покоя в результате взаимодействия макромолекул наблюдаются флуктуации концентраций, которые при определенных условиях (например, при изменении температуры, уменьшении активности растворителя и т.д.) могут быть причиной возникновения временно существующих ассоциатов. Такие ассоциаты появляются даже при большом разбавлении [II]. В зависимости от типа растворителя по данным исследователей [II] величина ассоциата может изменяться в 7-25 раз. С увеличением скорости течения раствора свойства растворителя (воды), как отмечено, изменяются: сила взаимодействия молекул воды, ее вязкость и толщина сольватного слоя понижаются, что, по нашему мнению, может послужить причиной возникновения ассоциатов макромолекул.

Возникновению ассоциатов макромолекул способствует также и их ориентация в потоке движущейся жидкости.

В потоке жидкости при невысокой скорости течения макромолекулы расположены хаотично. Различные ее части могут располагаться как в центре, так и у стенок трубы. В центре трубы скорость течения выше, чем у стенок, а сила взаимодействия макромолекул, наоборот, выше у стенок, поэтому макромолекулы при увеличении скорости течения вытягиваются вдоль потока - ориентируются. Под влиянием ориентации усиливается взаимодействие между макромолекулами и повышается вероятность возникновения ассоциатов.

Американскими исследователями [9] установлено, что полимерные растворы, а также глинистые растворы, обработанные полимерами, ведут себя как псевдопластические жидкости и подчиняются степенному закону (модели Оствальда де Ваале):

, (7.46)

где К - показатель вязкости (соответствующий динамической вязкости); d - диаметр трубы; n — показатель степени, определяющий характер изменения пластической вязкости.

Необработанные буровые растворы с высоким содержанием твердой фазы, флоккулированные электролитами глинистые растворы чаще всего ведут себя как бингамовские жидкости. Но и эти растворы имеют криволинейную реологическую зависимость , близкую к степенной. Касательное напряжение промывочной жидкости можно выразить и рассмотренным выше уравнением (7.11):

Сопоставляя уравнения (7.13) и(7.46),получим

, (7.47)

где n для чистой воды равен I, для структурированных промывочных жидкостей он меньше I.

Из формулы следует, что с уменьшением n (при увеличении скорости циркуляции) понижается коэффициент трения промывочной жидкости, т.е. n является показателем ее разжижения.

Поскольку коэффициент трения промывочной жидкости есть функция от прочности ее структуры, показатель консистенции вязкости К можно заменить равным ему значением (см. разд. 3):

для разбавленных растворов К = К'С;

для концентрированных растворов К = К'С^7/3/V^7/3

и тогда коэффициент трения, соответственно,

для разбавленных растворов

; (7.48)

для концентрированных растворов

. (7.49)

На практике удобнее пользоваться эффективной вязкостью (величиной не зависящей от скорости и размеров трубы, т.е. при u=1 м/с и d=1 м.

Эффективную вязкость определяют [9] путем деления показаний вискозиметра при 600 об/мин (касательного напряжения) на 2. Так как скорость V при 600 об/мин равна ~1м/с, получим

, (7.50)

т.е. численное значение коэффициента трения жидкости будет равным численному значению эффективной вязкости, жидкости в трубах деленной на плотность промывочной жидкости.

Рис.7.2. Зависимость эффективной Рис.7.3. Зависимость эффективной

вязкости разбавленного раствора вязкости концентрированного

кельцана от его концентрации. раствора КМЦ от концентрации

При весьма малой концентрации структурообразователя (рис. 7.2) наблюдаются некоторые отклонения прямолинейной зависимости вследствие более активного самодиспергирования полимера в разбавленных растворах и более сильной активации глинистых частиц (адсорбируется первый слой полимера). Для определения характера изменения показателя степени n (показателя разжижения структура жидкости) с увеличением скорости вращения цилиндра прибора ВСН-3 и увеличения прочности структуры были проведены специальные дополнительные исследования. В качестве промывочной жидкости использовался полимерный раствор на основе гидролизованного полиакриламида. Повышение прочности структуры раствора проводилась путем повышения концентрации ГПАА. Полученные результаты сведена в табл. 7.2. На основании полученных данных построены графики зависимости касательных напряжений от скорости вращения цилиндра прибора для структурированных жидкостей с различной прочностью структура (рис. 7.3).

Таблица 7.2.

Поиск по сайту: