Реологические модели, Понятие вязкости в буровых и тампонажных растворах.
Дисперсные системы для строительства скважин
Промывочные жидкости и тампонажные растворы с точки зрения коллоидной химии. Общие понятия физикохимии, растворы, гидраты, сольваты. Свойства жидкостей.
Промывочная жидкость- это раствор используемый при бурении скважины и выполняющий следующие функции
Гидродинамические функции:
· удаление выбуренной породы из-под долота, транспортирование ее к устью скважины;
· перенос энергии от насосов к забойным двигателям, турбобурам и объемным двигателям;
· размыв породы на забое скважины (гидромониторный эффект);
· охлаждение и очистка долота в процессе бурения.
Гидростатические функции:
· создание гидростатического равновесия в системе скважина-пласт, предотвращение притока флюидов и поглощений промывочной жидкости;
· удержание частиц выбуренной породы и утяжелителя во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции промывочной жидкости;
· создание гидростатического давления на стенки скважины, сложенные слабосцементированными или пластичными породами;
· уменьшение нагрузки на талевую систему.
Прочие функции промывочной жидкости:
· создание условий для сбора и интерпретации информации, которую можно получить при анализе бурового шлама, керна и кривых каротажа;
· создание среды для геофизических исследований;
· сохранение теплового режима скважины в многолетнемерзлых породах.
|
|
|
Тампонажные растворы – это комбинации спецматериалов или составов, используемых для тампонирования. Тампонажные смеси с течением времени могут затвердевать с образованием тампонажного камня или загустевать, упрочняться, оставаясь вязкой или вязко-пластичной системой.
По виду тампонирование делят на:
- технологическое, выполняемое в процессе сооружения скважины;
- ликвидационное, проводимое для ликвидации скважины после выполнения целевого назначения.
Общие понятия физикохимии, растворы, гидраты и сольваты.
Физикохимия буровых и тампонажных растворов - это наука о специфических свойствах этих многокомпонентных гетерогенных полидисперсных систем и о протекающих в них процессах. Анализ состояния буровых и тампонажных растворов, а также управление их свойствами для рационального проведения технологического процесса бурения возможны лишь на базе глубокого понимания их физико-химической природы. Физическая химия - наука, объясняющая строение и химические превращения веществ на основе законов физики.
Коллоидная химия – это наука о свойствах гетерогенных высокодисперсных систем и протекающих в них поверхностных явлениях при этом она базируется в основном на знаниях физики и, в меньшей степени, химии. Как самостоятельная наука стала формироваться в середине 19 в.
|
|
|
Растворы.
Раствором называют термодинамически устойчивую гомогенную систему переменного состава, состоящую не менее чем из двух компонентов. Гомогенность обеспечивается равномерным распределением каждого компонента в массе другого в виде молекул, атомов и ионов.
Растворы могут существовать в трёх агрегатных состояниях – твёрдом, жидком и газообразном (парообразном).
Гидраты и сольваты.
При растворении многих веществ их молекулы или ионы связываются с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые сольватами (от латинского solvere – растворять). Этот процесс называется сольватацией.
В частном случае, когда растворителем является вода, эти соединения называются гидратами, а самый процесс их образования – гидратацией.
Свойства жидкостей - текучесть, вязкость, поверхностное натяжение, смешиваемость, капиллярность ( способность изменять свой уровень в трубах , узких сосудах и т.д).
Классификация дисперсных систем и их основные свойства.
Классификацию дисперсных систем чаще всего производят исходя из степени дисперсности или агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды.
|
|
|
Классификация по степени дисперсности
Все дисперсные системы по величине частиц дисперсной фазы можно разделить на следующие группы:
| Вид дисперсности | Размер частиц |
| Микроскопическая дисперсность (суспензии, эмульсии) | 10-2 - 10-4 |
| Коллоидная дисперсность | 10-5 - 10-7 |
| Молекулярная дисперсность | 10-8 - 10-9 |
| Ионная дисперсность | 10-10 |
Грубодисперсные системы.
Эти системы содержат в качестве дисперсной фазы наиболее крупные частицы диаметром от 0,1 мк и выше. К этим системам относятся суспензии и эмульсии.
Суспензиями называют системы, в которых твёрдое вещество находится в жидкой дисперсионной среде, например, взвесь крахмала, глины и др. в воде.
Эмульсиями называют дисперсионные системы двух несмешивающихся жидкостей, где капельки одной жидкости во взвешенном состоянии распределены в объёме другой жидкости. Например, масло, бензол, толуол в воде или капельки жира (диаметром от 0,1 до 22 мк) в молоке и др.
Коллоидные системы.
Они имеют размеры частиц дисперсной фазы от 0,1 мк до 1 ммк (или от 10-5 до 10-7 см). Такие частицы могут проходить через поры фильтровальной бумаги, но не проникают через поры животных и растительных мембран.
|
|
|
Коллоидные частицы при наличии у них электрического заряда и сольватно-ионных оболочек остаются во взвешенном состоянии и без изменения условий очень долго могут не выпадать в осадок.
Примерами коллоидных систем могут служить растворы альбумина, желатина, гуммиарабика, коллоидные растворы золота, серебра, сернистого мышьяка и др.
Молекулярно-дисперсные системы.
Такие системы имеют размеры частиц, не превышающие 1ммк. К молекулярно-дисперсным системам относятся истинные растворы неэлектролитов.
Ионно-дисперсные системы.
Это растворы различных электролитов, как, например, солей, оснований и т.д., распадающихся на соответствующие ионы, размеры которых весьма малы и выходят далеко за пределы 10-8 см.
Свойства дисперсных систем
1. Грубодисперсные:
1) неустойчивые системы;
2) частицы можно увидеть в микроскоп;
3) частицы не проходят через фильтр.
2. Коллоидные системы:
1) системы относительно устойчивы, но со временем разрушаются;
2) коллоидные частицы видны только в ультрамикроскоп; 3) частицы не проходят через ультрафильтр.
3. Молекулярно-дисперсные или ионно-дисперсные системы: 1) устойчивы, со временем не разрушаются;
2) частицы не видны в микроскоп;
3) частицы не задерживаются никаким фильтром.
Реологические модели, Понятие вязкости в буровых и тампонажных растворах.
1) 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. показано на рисунке:
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/
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/ 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:
τ = K ·yn
где, τ – напряжение сдвига, К – коэффициент консистентности; y – скорость сдвига; n < 1 – показатель нелинейности (псевдопластичности).
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.
Биополимерные буровые промывочные жидкости
Биополимерные промывочные жидкости являются выраженными псевдопластиками. Модель Гершеля-Баркли лучше описывает поведение бурового агента, чем уравнение Шведова-Бингама и Оствальда-де Ваале.
Достоинством биополимерных добавок является то, что они увеличивают эффективную вязкость при малых скоростях сдвига. при незначительном увеличении μ, при высоких это способствует усилению выносящих и суспендирующих характеристик бурового раствора и снижению эквивалентной плотности при циркуляции.
Усиление вязкоупругих свойств буровых агентов существенно улучшает очистку ствола скважины от шлама, а также снижает скорость фильтрации жидкой фазы в пласт.
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»).
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 697; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!