Вязкопластичные БР, их реологическая модель и показатель реологических свойств.
Технологические функции буровых растворов (БР). Требования, предъявляемые к БР.
Основными функциями циркулирующей в скважине промывочной жидкости являются удаление с забоя частиц разрушенной породы (шлама), транспортирование шлама на поверхность и охлаждение породоразрушающего инструмента.
При бурении с использованием гидравлических забойных двигателей поток промывочной жидкости выполняет еще одну основную функцию – переносит к ним энергию от буровых насосов.
К числу дополнительных функций промывочной жидкости относятся:
- обеспечение устойчивости горных пород в околоствольном пространстве скважины;
- создание равновесия в системе «ствол скважины – пласт», т.е. предупреждение флюидопроявлений (поступлений в скважину газа, нефти, воды) и поглощений (ухода промывочной жидкости из скважины вглубь проницаемых пластов);
- удержание частиц шлама во взвешенном состоянии при остановках циркуляции;
- снижение сил трения между контактирующими в скважине поверхностями и их износа.
Промывочная жидкость должна удовлетворять целому ряду требований:
- активизировать процесс разрушения горных пород на забое;
- не вызывать коррозии бурового оборудования и инструмента;
- максимально сохранять естественную проницаемость продуктивных горизонтов (коллекторские свойства пород);
- не искажать геолого-геофизическую информацию;
- быть устойчивой к возмущающим воздействиям, т.е. к обогащению частицами разрушаемых пород, электролитной агрессии, высоким и низким температурам, действию бактерий и др.;
- быть безопасной для обслуживающего персонала, экологически безопасной для компонентов окружающей природной среды и «рентабельной», т.е. обеспечивающей максимально возможное снижение стоимости 1 м бурения или себестоимости 1 т (1 м3) нефти (газа).
Вязкопластичные БР, их реологическая модель и показатель реологических свойств.
модель Бингама–Шведова
t = t0 + g h , (4.28)
где t0 – динамическое напряжение сдвига, Па; h – пластическая вязкость, Па×с.
Динамическое напряжение сдвига косвенно характеризует сопротивление промывочной жидкости, возникающее при инициировании ее течения. С увеличением динамического напряжения сдвига увеличивается удерживающая способность промывочной жидкости, но вместе с тем возрастают гидравлические сопротивления в циркуляционной системе скважины, амплитуда колебаний давления при пуске и остановке насосов и выполнении СПО, а также вероятность образования застойных зон с аккумуляцией в них выбуренной породы.
Пластическая вязкость промывочной жидкости характеризует темп роста касательных напряжений сдвига при увеличении скорости сдвига.
С увеличением пластической вязкости возрастают гидравлические сопротивления в циркуляционной системе скважины и снижается ресурс работы буровых насосов, а также доля гидравлической мощности, подводимой к забойному двигателю и долоту.
Рис. 4.7. Реограмма вязкопластичной жидкости
|
Двухпараметрическая линейная модель (4.28) была предложена Е. Бингамом в 1921 г. (по другим источникам в 1916 г.) для описания реологического поведения красок, аномально отличающегося от поведения ньютоновских жидкостей зависимостью вязкости от скорости сдвига. Такого же рода аномалия у растворов желатина была обнаружена русским ученым Шведовым Ф.Н. еще в 1898 г. (по другим источникам в 1885 г.).
Промывочные жидкости, реологическое поведение которых описывается уравнением (4.28), называются вязкопластичными. Для реальных промывочных жидкостей при малых скоростях сдвига зависимость t = t(g) нелинейна, что не соответствует модели Бингама–Шведова. Однако этот интервал скоростей сдвига во внимание не принимается и динамическим напряжением сдвига t0 считается значение напряжения в точке пересечения продолжения прямой t = t(g) с осью касательных напряжений (рис. 4.7). Отсюда следует, что динамическое напряжение сдвига имеет скорее математическую, чем физическую интерпретацию. Действительное же напряжение, при котором начинается течение жидкости, меньше чем t0 , и называется статическим напряжением сдвига (СНС).
Таким образом, вязкопластичная промывочная жидкость характеризуется тем, что в состоянии покоя обладает пространственной структурой, достаточно жесткой, чтобы сопротивляться любому напряжению, меньшему СНС. Когда напряжение сдвига t, вызванное внешним воздействием, превышает значение СНС, структура разрушается, и жидкость начинает течь. При t > t0 жидкость течет уже как обычная ньютоновская жидкость с вязкостью h. Когда действующие в промывочной жидкости касательные напряжения сдвига становятся меньше СНС (t < СНС), то пространственная структура вновь восстанавливается.