Сдвиговые вязкоупругие свойства бурового раствора (бентонита)

Вязкоупругими свойствами обладает широкий класс жидкостей, меняющих свою вязкость при изменении сдвиговых напряжений, например, растворы полимеров, биологические жидкости, среды с дисперсной фазой, нефть. Знание о характере нелинейного взаимодействия упругих волн представляется существенным для развития представлений о процессах, сопровождающих применение современных акустических технологий для интенсификации динамических процессов в вязкоупругих жидкостях. Разведка месторождения полезных ископаемых, нефти, газа, подземных вод и глубинных геологических исследований связана с бурением скважин различной глубины. Для эффективного, экономичного и безопасного процесса бурения используются буровые растворы. Буровой раствор — сложная многокомпонентная дисперсная система суспензионных и аэрированных жидкостей применяемых для промывки скважин в процессе бурения. Он удаляет выбуренную породу из скважины, предотвращает осыпи, обвалы, создает противодавление пороговому давлению, охлаждает и смазывает буровые инструменты. В зависимости от местных геологических условий и способов бурения применяются различные по составу буровые растворы. На практике широко используется в качестве бурового раствора бентонит.

В работе приводятся результаты экспериментального исследования комплексного модуля сдвига бентонита (бурового раствора). Бентонит является коллоидной суспензией минеральной глины в воде. При концентрации в несколько процентов электростатическое и Ван-дер-Ваальсово взаимодействие приводит к образованию тиксотропического геля. При этом резко изменяются реологические параметры коллоидной суспензии. Такие свойства бентонита делают его важным компонентом буровых растворов, фармацевтических продуктов, производства бумаги и пр. Эффективность применения буровых растворов зависит в основном от их реологических свойств: вязкость, модуль сдвига, статическое напряжение сдвига, а также структурная однородность, тиксотропность, плотность и водоотдача. В этой связи возникает проблема знания поведения бентонита в различных условиях. Нами проведено исследование релаксационных свойств бентонита наиболее типичной концентрации 10% в широком диапазоне частот (0.05-1 Гц) и

Рис. 1. Зависимости G' и G" от времени при температуре 300 K для модели бурового раствора ПБМВ при разных моментах вращения.

В упругих средах напряжение сдвига σ пропорционально сдвиговой деформации ε, в вязких жидкостях величина σ будет пропорциональна скорости сдвиговой деформации г&.

Пусть деформация изменяется по гармоническому закону е ( t ) = е ₀ e^{1 ш} t , где го — амплитуда гармонических колебаний деформации и ю — частота осцилляций. Объединяя вклады упругой и вязкой составляющих, запишем уравнение состояния для вязкоупругой среды при осциллирующих деформациях в виде

^ ( t) = G ' е + цё = ( G ' + 1 to t ) е = ( G ' + 1G ' ') е (1) где G ' — модуль упругости, характеризует упругую часть модуля сдвига, а — модуль потерь, ц — вязкость. G " определяет вязкую часть модуля сдвига. Вместе они составляют комплексный модуль сдвига G * = G ' + 1G"

Исследования реологических характеристик бентонита выполнялись на ротационном реометре с использованием системы «конус-плоскость» [1-4]. Угол между образующей конуса и плоскостью измерений составлял 5°, диаметр конуса 36 мм. Сущность ротационной вискозиметрии состоит в установлении связи между крутящим моментом и углом вращения одной из измерительных поверхностей. Затем полученные значения крутящего момента и угла вращения пересчитываются в измеряемые значения вязкоупругих модулей сдвига G', G''. Система, состоящая из осциллирующего конуса и плоскости, обеспечивает постоянство деформации исследуемого образца по всему объему. В самом деле: величина смещения среды растет пропорционально расстоянию от оси вращения конуса, и толщина слоя деформируемой жидкости возрастает таким же образом. Благодаря использованию системы конус-плоскость все элементы среды в про- цессе измерений испытывали одинаковые деформации. Нами получено, что буровой раствор ПБМВ меняет свои упругий и вязкий модули сдвига во времени. На рис. 1 показаны зависимости упругого модуля G' и модуля потерь G'' от времени при разных моментах вращения при Т = 300 К.

Рис. 2. Зависимости G' и G'' от времени для модели бурового раствора ПБМВ при разных температурах

Видно, что упругий модуль монотонно возрастает со временем при малых амплитудах гармонического возмущения. При этом упругий модуль G’ . Это свидетельствует о том, что исследованная среда обладает свойством упругого тела. С ростом амплитуды возмущений упругость среды падает существенно быстрее, чем потери среды, что свидетельствует о жидком состоянии бентонита в этих условиях. Исследован процесс медленной кинетики упругого модуля и модуля потерь в зависимости от температуры (рис. 2). Видно, что с увеличением температуры как упругий G’ , так и модуль потерь G" увеличиваются.

Последние теоретические и экспериментальные исследования коллоидных суспензий [4-8] и буровых растворов [9-11] показывают сильную зависимость их реологических параметров от концентрации нановключений.

Полученные результаты дают основу для определения характеристик медленной кинетики вязкоупругих модулей исследованной среды и определить процесс медленной релаксации комплексного параметра нелинейности, соответствующего уравнению состояния вязкоупругой среды.