СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЛАСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭЛАСТИЧНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ТИКСОТРОПНЫХ СРЕД (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК G01N11/14 

Изобретение относится к области определения реологических характеристик тиксотропных сред и может быть использовано в бурении, а также в процессах добычи и транспортировки неньютоновских жидкостей.

Большинство технологических сред бурильные и цементные растворы, расплавы и растворы полимеров, тяжелые и эмульгированные нефти и т.п. - являются жидкостями со сложной внутренней структурой ( т.н. неньютоновские жидкости). Такие среды под действием деформаций обнаруживают ряд свойств, не наблюдаемых в простых жидкостях. Одним из свойств, существенно усложняющих работу с такими средами, является эластичная турбулентность, проявляющаяся в хаотизации течения жидкости, в частности, в бурении, при осуществлении спуско- подъемных операций неучет того, что при определенных скоростях движения труб структура жидкости может быть нарушена, приводит к потере устойчивости движения труб. Возможная хаотизация течения жидкости нежелательна также при добыче и транспортировке тяжелых и парафинистых нефтей.

Известны способы определения реологических характеристик тиксотропных сред, включающие измерение вязких, вязко-упругих и других реологических параметров. Это либо капиллярная визкозиметрия, основанная на анализе зависимости напряжения сдвига на стенке капилляра от радиуса капилляра для изотермического потока флюида [1] либо ротационная вискозиметрия, сущность которой состоит в нахождении связи между крутящим моментом, приложенным к одной поверхности сдвига, и ее угловой скоростью с последующим расчетом реологической кривой течения (см. Вострокнутов Е.Г. Новиков М.И. и др. Переработка каучуков и резиновых смесей (реологические основы, технология, оборудование). М. Химия, 1980, 280 с.).

Наиболее близким по техническому результату к заявляемому является способ определения свойств эластичной турбулентности тиксотропных жидкостей путем измерения времени истечения ее из капилляра [2] Измерения проводятся в изотермическом режиме на так называемом вискозиметре "постоянного расхода". Прибор представляет из себя осесимметричную систему последовательно соединенных цилиндров большого резервуара и малого капилляра. В резервуаре с постоянной скоростью движется поршень, вытесняющий расплав полимера из резервуара в капилляр. Измерялось во времени давление на входе в капилляр и расход полимерного расплава. Показано, что в некотором интервале значений скоростей расплав начинает вытекать из капилляра рывками, синхронно с которыми изменяется регистрируемое давление.

Недостаток этого способа состоит в том, что он является в большей степени качественной оценкой реологических свойств жидкости. Получение же достоверных количественных данных сопряжено с проведением многочисленных и трудоемких экспериментов.

Техническим результатом данного изобретения является достоверное определение области проявления эластичной турбулентности тиксотропных сред с точным указанием пределов скоростей сдвига, что позволит, например, предотвратить возможную хаотизацию течения жидкости при добыче и транспортировке тяжелых и парафинистых нефтей и, следовательно, возможные аварийные ситуации.

Кроме того, техническим результатом является уточнение температурной области проявления эластичной турбулентности, необходимое при разработке нефтяных месторождений высоковязких неньютоновский нефтей, сопровождающейся изменением пластовой температуры.

Технический результат достигается тем, что в известном способе определения области проявления эластичной турбулентности тиксотропных сред исследуемую среду помещают в ротационный вискозиметр, измеряют касательные напряжения τ при увеличивающихся скоростях сдвига Д, причем измерения проводят в нестационарном временном режиме при постоянной температуре, большей или равной температуре плавления исследуемой среды, а по наличию в среде хаотических колебаний значений, определенных по зависимости t (Д), судят об области проявления эластичной турбулентности в пределах: Д_Н≤Д≤Д_К, где Д_Н и Д_К соответственно начальное и конечное значения скоростей сдвига области возникновения колебаний.

Кроме того, технический результат достигается тем, что в известном способе определения области проявления эластичной турбулентности тиксотропных сред исследуемую среду помещают в ротационный вискозиметр, измеряют касательные напряжения t при увеличивающихся скоростях сдвига Д, причем измерения проводят в нестационарном временном режиме при различных температурах, при этом первое измерение проводят при температуре плавления исследуемой среды, а последующие при последовательном повышении температуры на 0,5-1^oC, а по наличию в среде хаотических колебаний значений, определенных по зависимости t (Д), судят об области проявления эластичной турбулентности в пределах:
Т_ПЛ≤Т≤Т_К
Д_Н≤Д≤ Д≤К,
где Д_Н и Д_К соответственно начальное и конечное значения скоростей сдвига области возникновения колебаний, Т_ПЛ температура плавления среды, Т_К конечное значение температуры, при котором колебания исчезают.

Возможность достижения технического результата обусловлена тем, что в ряде случаев при постоянном числе оборотов двигателя вискозиметра величина измеряемого касательного напряжения может меняться во времени достаточно сложным образом, а при определенных условиях может реализоваться колебательный режим. Это объясняется проскальзыванием жидкости у стенок вискозиметра, что вызывает неустойчивый режим течения жидкости, приводящий к возникновению релаксационных автоколебаний. В самой жидкости при этом происходят структурные перестройки, приводящие к нерегулярным колебательным и хаотическим режимам течения.

Из научно-технической литературы и патентной документации неизвестно определение области проявления эластичной турбулентности тиксотропных сред по данным вискозиметрических измерений в нестационарном временном режиме.

Однако известно определение реологических характеристик тиксотропных сред в ротационном вискозиметре, включающее измерение касательного напряжения при различных скоростях сдвига Д [3] Для проведения измерений выбирают измерительные цилиндры с известными скоростями сдвига, в зазоре между которыми находится исследуемая среда. Пользуются методом последовательного разрушения структуры среды при переходе от малых градиентов скорости к большим. По формуле h = τ/D рассчитывают коэффициент динамической вязкости. Кроме того, анализируется зависимость τ (Д): линейная зависимость напряжения сдвига t от скорости сдвига Д свидетельствует о ньютоновском характере течения.

Данный способ в плане определения реологических характеристик среды выявляет лишь возможность проявления неньютоновских свойств жидкости и не предусматривает определения области проявления эластичной турбулентности.

Преимуществом предлагаемого способа является возможность получения точных пределов значений скоростей сдвига и температурной области, где проявляются свойства эластичной турбулентности исследуемых сред.

В первом варианте измерения проводят при температуре равной или немного выше температуры плавления (застывания) среды, т.е. при температуре, когда среда переходит в вязкотекучее состояние. При этом изменяют скорость сдвига путем переключения ступеней работы измерительного цилиндра вискозиметра.

Во втором варианте аналогичные измерения проводят при последовательном повышении температуры, находя таким образом температурную область проявления свойств эластичной турбулентности, ограниченную некоторой конечной температурой, при которой среда уже не проявляет указанных свойств.

Пример 1. Проводили исследования вязкостно-структурных свойств парафина в ротационном вискозиметре "Реостат 2". Установили температуру плавления парафина 57^oC. Показания прибора выводились на самописец, снимая показания во времени. Меняли скорость сдвига, используя измерительный цилиндр S3, от 0 до 150 1/с. Обнаружили, что при скоростях сдвига от 27,0 1/с (ступень 9а) до 145,8 I/с (ступень 12а) включительно система совершает незатухающие во времени колебания. Т. о. исследуемая среда (парафин) проявляет свойства эластичной турбулентности при скоростях деформаций в пределах от 27 до 145,8 I/с.

На фиг. 1,2 приведены некоторые результаты измерений значений касательного напряжения t во времени t при скоростях сдвига 27,0 I/с (ступень 9а) и 48,6 I/с (ступень 10а). На фиг. 3 приведены аналогичные результаты при температуре 50^oC при скорости сдвига 81,0 I/с (ступень 11а).

Пример 2. Проводили исследования вязкостно-структурных свойств парафина в ротационном вискозиметре "Реотест-2". Установили температуру плавления парафина 57^oC. Показания прибора выводились на самописец, снимая показания во времени. Меняли скорость сдвига, используя измерительный цилиндр S3, от 0 до 150 I/с. Затем последовательно повышали температуру на 1^oC и измерения повторяли. Обнаружили, что при скоростях сдвига от 27,0 I/с (ступень 9а до 145,8 I/с (ступень 12а) включительно система совершает незатухающие во времени колебания. При температуре 71^oC колебания исчезают. Т.о. исследуемая среда (парафин) проявляет свойства эластичной турбулентности при скоростях деформаций в пределах от 27 до 145,8 I/с. и температуре от 57 до 70^oC
На фиг. 4 приведены некоторые результаты измерений значений касательного напряжения t во времени t при скоростях сдвига 27,0 I/с (ступень 9а) и 48,6 I/с (ступень 10а) и температуре 73^oC. Соответствующие кривые при температурах 57 и 59^oC показаны на фиг. 1-3.

Использование заявляемого способа позволит:
осуществить подбор состава буровых растворов с оптимальными реологическими характеристиками с целью предотвращения турбулентных течений жидкости и потери устойчивости труб;
выбрать оптимальные скорости спуско- подъемных операций буровых колонн для предотвращения ухода жидкости в пласт;
выбирать оптимальные режимы работы скважин на стадии проектирования и разработки нефтяных месторождений, содержащих высоковязкие или парафинистые нефти, обладающие сложной внутренней структурой.

Использование: способ предназначен для определения области проявления эластичной турбулентности тиксотропных сред. Сущность изобретения: способ определения области проявления эластичной турбулентности тиксотропных сред включает помещение среды в ротационный вискозиметр и измерение касательных напряжений τ при увеличивающихся скоростях сдвига Д. Измерения проводят в нестационарном временном режиме при постоянной температуре, большей или равной температуре плавления исследуемой среды, или при различной температуре, причем первое измерение проводят при температуре плавления исследуемой среды, а последующие при последовательном повышении среды на 0,5-1^oC. По наличию в среде хаотичных колебаний значений, определенных по зависимости τ (Д), судят об области проявления эластичной турбулентности. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения области проявления эластичной турбулентности тиксотропных сред, отличающийся тем, что исследуемую среду помещают в ротационный вискозиметр, измеряют касательные напряжения τ при увеличивающихся скоростях сдвига Д, причем измерения проводят в нестационарном временном режиме при постоянной температуре, большей или равной температуре плавления исследуемой среды, а по наличию в среде хаотических колебаний значений, определенных по зависимости t(Д), судят об области проявления эластичной турбулентности в пределах
Д_н ≤ Д ≤ Д_к,
где Д_н и Д_к соответственно начальное и конечное значения скоростей сдвига области возникновения колебаний. 2. Способ определения области проявления эластичной турбулентности тиксотропных сред, отличающийся тем, что исследуемую среду помещают в ротационный вискозиметр, измеряют касательные напряжения τ при увеличивающихся скоростях сдвига Д, причем измерения проводят в нестационарном временном режиме при различных температурах, при этом первое измерение проводят при температуре плавления исследуемой среды, а последующие при последовательном повышении температуры на 0,5 1^oС, а по наличию в среде хаотических колебаний значений, определенных по зависимости t(Д), судят об области проявления эластичной турбулентности в пределах
Т_п л ≤ Т ≤ Т_к,
Д_н ≤ Д ≤ Д_к,
где Д_н и Д_к соответственно начальное и конечное значения скоростей сдвига области возникновения колебаний;
Т_п л температура плавления среды;
Т_к конечное значение температуры, при котором колебания исчезают.