Вязкость буровых растворов

Буровые растворы (БР) – это неньютоновские жидкости, течение которых можно описать моделью Бингама или Гершеля-Баркли. Отличительной особенностью их свойств является способность иметь высокую вязкость в покое/ при малых скоростях сдвига, и легко течь – при высоких нагрузках.

Данные свойства обуславливают их применение: в покое БР должны удерживать выбуренную породу в объеме, не дать ей осесть на дно скважины, особенно это касается горизонтальных скважин. При горизонтальном или наклонном бурении нижней точкой выступает боковая стенка скважины, накопление на ней выбуренной породы может привести к изменению направления бурения, и в результате вместо «черного золота» можно найти «чистый источник живительной влаги», который полезен для здоровья, а вот для кошелька нефтяной компании…

С другой стороны, БР не должен мешать работе бурильного оборудования за счет дополнительного сопротивления (трения), а, наоборот, должен смазывать и охлаждать бур. В то же время БР предназначен для того, чтобы очищать ствол скважины от породы, т.е. он должен захватывать породу и уносить ее с собой на поверхность.

Для измерения вязкости буровых растворов используют ротационные вискозиметры. Исторически сложилось, что исследования проводились на двух скоростях: 300 и 600 с^-1, но времена меняются, состав БР тоже изменяется в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями. Для исследования современных буровых растворов на основе биополимеров, применяемых для горизонтального и наклонного бурения, необходимы новые, более точные приборы и методы.

Компания Брукфилд предлагает несколько вариантов комплектации вискозиметров в зависимости от сложности решаемой задачи.

Дополнительные аксессуары: шпиндели LV-2C и LV-3С

Рабочий диапазон: 50 … 400 000 мПа*с (сПз)

Температура: не ограничена

Образец объемом 500 мл помещается в цилиндрический стакан (стакан можно термостатировать с помощью термостата с открытой ванной); вискозиметр размещается таким образом, чтобы шпиндель находился в середине стакана. После этого начинается измерение.

Шпиндели LV-2C и LV-3С имеют цилиндрическую форму, а сам вискозиметр имеет защитную рамку; на основе размеров шпинделей и рамки можно рассчитать напряжение и скорость сдвига (вискозиметр считает автоматически). По полученным данным строятся кривые текучести, подбираются математические модели, рассчитываются дополнительные параметры.

Достоинства: низкая стоимость, широкий интервал рабочих температур

Недостатки: относительно узкий диапазон измеряемой вязкости

Дополнительные аксессуары: SSA-адаптер

Рабочий диапазон: 1,5 … 4 800 000 мПа*с (сПз)

Температура: -15 … +100°С

Образец (объемом 4 … 16 мл) заливается в ячейку SSA-адаптера, который оснащен рубашкой с двойными стенками, через которую циркулирует жидкость с помощью термостата. Кроме того, SSA-адаптер имеет термодатчик, который позволяет видеть на дисплее вискозиметра температуру в ячейке.

На основе размеров ячейки SSA-адаптера и шпинделей (у SSA-адаптера свои шпиндели) рассчитываются скорость и напряжение сдвига, которые сразу можно посмотреть на дисплее вискозиметра. По полученным данным строятся кривые текучести, подбираются математические модели, рассчитываются дополнительные параметры.

Достоинства: малый объем пробы, широкий диапазон измеряемой вязкости, измерение вязкости
от 1,5 мПа*с

Недостатки: относительно узкий температурный интервал

Дополнительные аксессуары: адаптер Thermosel

Рабочий диапазон: 1,5 … 600 000 мПа*с (сПз)

Температура: комн. … +300°С

Образец (объемом 8 … 9,5 мл) заливается в ячейку адаптера Thermosel, который оснащен специальным термоконтейнером с электрическим нагревом. Температура образца отображается на специальном контроллере.

На основе размеров ячейки адаптера Thermosel и шпинделей (у Thermosel-адаптера свои шпиндели) рассчитываются скорость и напряжение сдвига, которые сразу можно посмотреть на дисплее вискозиметра. По полученным данным строятся кривые текучести, подбираются математические модели, рассчитываются дополнительные параметры.

Достоинства: малый объем пробы, измерение вязкости от 1,5 мПа*с, рабочие температуры до 300°С

Недостатки: узкий диапазон измеряемой вязкости

Т.к. температура процесса влияет на свойства бурового раствора и отдельных его компонентов, то температуру образца поддерживают постоянной в течение всего цикла измерений.

Расчет математических моделей можно провести вручную (с помощью Excel), или подключить вискозиметр к компьютеру с установленным на нем программным обеспечением Wingather. Более подробно о математических моделях и ПО можно прочитать в соответствующих разделах.