Строительство скважин - Предельное статическое напряжение сдвига

ПРЕДЕЛЬНОЕ СТАТИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ СДВИГА

 

 

Предельное статическое напряжение сдвига (СНС) обозначается буквой «q» и измеряется в Па.

 

Физический смысл: условная характеристика прочности тиксотропной структуры, возникающей в промывочной жидкости после нахождения в покое в течение одной (СНС1) или десяти (СНС10) минут. Первая величина характеризует удерживающую способность промывочной жидкости. При выборе параметров промывочной жидкости принимается меньшее значение величины СНС1, при котором обеспечивается выполнение указанной функции. При еще меньших величинах частицы породы не будут удерживаться во взвешенном состоянии.

 

В связи с тиксотропностью промывочной жидкости прочность структуры при длительном нахождении в покое может достичь таких значений, при которых в момент восстановления циркуляции сопротивление структуры вызовет очень большое увеличение давления промывочной жидкости, что способствует разрыву пласта. Поэтому кроме величины СНС1 измеряют и СНС10, причем тиксотропность характеризуют частным от деления второй величины на первую.

 

В промысловых лабораториях распространены различные ротационные приборы для определения СНС. Общим принципом действия этих приборов является уравновешивание сопротивлений, возникающих при взаимном перемещении исследуемой жидкости и находящегося в ней подвешенного на проволоке цилиндра, и упругих сопротивлений этой проволоки закручиванию. В одних ротационных приборах внутренний цилиндр является неподвижным, а заполненный раствором внешний цилиндр-стакан вращается, в приборах другого типа вращается внутренний цилиндр, а исследуемая жидкость во внешнем цилиндре-стакане находится в неподвижном состоянии. Если, например, вращается внешний стакан, то сила взаимодействия между находящимся в стакане структурированным раствором и поверхностью внутреннего цилиндра заставит последний также вращаться, а проволоку, на которой цилиндр повешен, - закручиваться. Вращение внутреннего цилиндра будет происходить до тех пор, пока возрастающее сопротивление закручиваемой проволоки не сравняется с сопротивлениями сдвигу, возникающими при взаимном перемещении цилиндра и жидкости.

 

Сила сопротивления раствора вращению в нем внутреннего цилиндра f1равна произведению боковой поверхности цилиндра на статическое напряжение сдвига:

 

В отечественной практике применяются ротационные приборы с неподвижным внутренним цилиндром и вращающимся внешним цилиндром-стаканом. Получил распространение прибор СНС-2 завода КИП.

 

 

Измерение с помощью прибора СНС-2

 

clip_image005Прибор состоит из измерительной части, стойки 8 и плиты-основания 13. Измерительная часть представляет собой цилиндр 9, подвешенный на стойке с помощью упругой нити 5 и погруженный в стакан 10 с промывочной жидкостью. Для определения угла поворота цилиндра служит градуированный на 3600 диск со шкалой 7, с ценой деления равной 10. Лимб жестко связан с цилиндром с помощью трубки 6, которая одновременно служит для защиты упругой нити. Для отсчета делений на лимбе служит прозрачный визир 8 с двумя черточками, сливающимися вместе при правильном положении глаза. Стакан помещается на вращающемся столике 11, соединенном гибкой передачей с электродвигателем 12, который вращает стакан со скоростью 0,2 об/мин.

 

 Прибор снабжен набором из трех пар упругих нитей. Для измерения рекомендуется использовать нити только № 5 и 6, обладающие наибольшим модулем упругости. В дне подвесного цилиндра имеется воздушная подушка, благодаря которой цилиндр может соприкасаться с промывочной жидкостью только боковой поверхностью. Прибор помещают на устойчивую горизонтальную поверхность (стол, полку), не подвергающуюся вибрациям или сотрясениям. С помощью установочных винтов 2 плиту 1 прибора устанавливают горизонтально. Вращая три винта, находящиеся в нижней части трубки, центруют нить, о чем судят по ее положению относительно верхнего среза трубки. В соответствии с принципом измерения касательных напряжений в ротационных приборах величины СНС определяют по наибольшему закручиванию нити при вращении стакана с промывочной жидкостью со скоростью 0,2 об/мин. Угол закручивания должен характеризовать прочность структуры.

 

Однако в процессе измерения прочность структуры возрастает тем больше, чем выше тиксотропность. В то же время нарастающие касательные напряжения рассасываются вследствие теплового движения частиц, разрушающего структуру.

 

Первый тиксотропный процесс превалирует над вторым (рассасыванием). Однако внести поправки на указанные изменения невозможно. Этим и объясняется необходимость применения нити, обладающей наибольшей жесткостью, обеспечивающей наименьшую продолжительность достижения измеряемой величины касательного напряжения, соответствующей данному значению СНС.

 

Чем скорее закончится измерение, тем меньше изменится за это время измеряемая величина. Поэтому и понятие предельного статического напряжения сдвига, используемое в бурении, имеет несколько условный характер. Это величина наибольшего касательного напряжения, возникающего на боковой поверхности подвесного цилиндра при вращении стакана ротационного прибора со скоростью 0,2 об/мин в течение 1 мин после начала измерения.

 

 

clip_image007Для определения СНС подвешивают измерительную часть прибора и, вращая при необходимости крутильную головку, устанавливают нулевое деление лимба против визира, чтобы обе риски совпали. Пробу жидкости перемешивают, лучше с помощью электрической мешалки. Пробу жидкости отбирают кружкой, и заполняют зазор между цилиндром и стаканом. При густой жидкости цилиндр слегка покачивают, добиваясь равномерного заполнения зазора. Заполнение прекращают, когда уровень жидкости совпадет с верхним срезом подвесного цилиндра. Быстро совмещают нулевое деление лимба с риской, вращая рукой трубки подвесной системы. (После заполнения жидкостью вращение головки недопустимо.) Включают секундомер, а через 1 мин - двигатель прибора. Наибольшее значение шкалы, совпадающее с риской в течение 1 мин измерения, умножают на коэффициент нити. Полученная величина и есть СНС1. Вращая трубки, снова устанавливают лимб на нулевое деление, совпадающее с риской, и включают секундомер. Через 10 мин включают двигатель к определяют величину СНС10. По окончании измерения выливают жидкость, снимают подвесную систему, промывают водой цилиндр и стакан до полного удаления остатков промывочной жидкости и вытирают досуха.

 

Проверка прибора сводится к калибровке упругой нити в соответствии с инструкцией, приложенной к прибору. Существенным недостатком прибора является легкость повреждения нити. При подвеске измерительной части и ее снятии необходимо предупреждать перегиб нити.

 

Методика измерения косвенно моделирует удерживающую способность промывочной жидкости. Вместо удержания частицы породы, находящейся в жидкости, от падения под действием силы тяжести задерживают вращение подвесного цилиндра с помощью упругой нити.

 

Из приборов, измеряющих предельное напряжение сдвига методом тангенциального смещения находящейся в исследуемой жидкости пластинки, за последние годы получил распространение для лабораторных исследований прибор Вейлера-Ребиндера.

 

В сосуд 1 с исследуемой жидкостью погружается прямоугольная рифленая пластинка 2 из алюминия или пластмассы. При помощи жесткой тяги 8 пластинка подвешена к пружине-динамометру 4. Сосуд 1 устанавливается на подвижной столик 7. При опускании сто- лика 7 вместе с сосудом 1 из-за сил взаимодействия между рифленой пластинкой и жидкостью пружина динамометра растягивается, так как в системе возникает напряжение сдвига. Величина растяжения пружины отсчитывается по микрошкале 5 и измеряется при помощи микроскопа 6, снабженного окулярным микрометром. Напряжение сдвига вычисляется по формуле

 

 

q = F/2S

 

где F - растягивающее усилие; S- боковая поверхность рифленой пластинки.

 

clip_image009 В США для измерения предельного статического напряжения сдвига используют описанный выше вискозиметр Штормера, основанный на определении минимального веса подвесного грузика, при котором ротор, помещенный в цилиндр-чашку с измеряемым раствором, начинает вращаться. Измерения производятся два раза: первое немедленно после перемешивания в чашке-цилиндре образца раствора, второе после десятиминутного нахождения раствора в состоянии покоя. Вес минимального груза в граммах, необходимый для преодоления сопротивления раствора и начала движения ротора в первом и втором измерении, характеризует прочность структуры, а разница между этими весами показывает тиксотропность раствора.

 

Для определения прочности структуры раствора применяется также прибор, называемый широметром. Прочность структуры измеряется этим прибором в фунтах на 100 кв. футов площади, результаты отсчитываются по специальной шкале.

 

Величина статического напряжения сдвига определяет возможность удержания во взвешенном состоянии частиц шлама и утяжелителя при остановках циркуляции промывочной жидкости. Очевидно, что для обеспечения этой возможности величина статического напряжения сдвига должна превышать величину усилия, создаваемого весом частиц выбуренной породы или утяжелителя. В противном случае эти частицы при отсутствии циркуляции промывочной жидкости будут оседать в призабойную часть скважины, что в конечном итоге может привести к прихвату бурового снаряда шламом. Однако с увеличением статического напряжения сдвига ухудшаются условия самоочистки промывочной жидкости от шлама на поверхности, а также воз- растает величина импульсов давления на забой и стенки скважины при инициировании течения промывочной жидкости (при пуске насоса) и при проведении СПО, что, в свою очередь, повышает вероятность флюидопроявпений, нарушений устойчивости стенок скважин, гидроразрывов пластов и поглощений промывочной жидкости. Таким образом, величина статического напряжения сдвига должна быть минимальной, но достаточной для удержания во взвешенном состоянии впокоящейся промывочной жидкости частиц выбуренных пород и утяжелителя.

 

Для оценки характера нарастания прочности структуры во времени измерения делают через 1 мин (СНС1) и 10 мин (СНС10) покоя. Кроме названных показателей структурно-механические свойства промывочных жидкостей характеризуют и коэффициентом тиксотропии

 

Кт = СНС10/СНС1

 

Требуемая величина статического напряжения сдвига через 1 мин (СНС1, дПа) может быть определена по следующей формуле:

 

 

СНС1 >5 [2 - ехр (- 110 d)] d(rп-r)

 

 

где d - условный диаметр характерных частиц выбуренной породы, м; rп, r – плотность соответственно породы и промывочной жидкости, кг/м3.

 

По рекомендациям, Кт = 1 –2, т.е. величина СНС1 не должна превышать величину СНС10 более чем в два раза, при этом предпочтение следует отдавать промывочным жидкостям, коэффициент тиксотропии которых близок к единице.