Устройство для исследования реологических характеристик буровых растворов Советский патент 1983 года по МПК G01N11/08 

Изобретение относится к устройствам для исследования реологических характеристик бурового раствора, в частности независимого динамического коэффициента пластичности, и может найти применение для исследования или автоматического регулирования их свойств.

Известно устройство для измерения вязкости, содержащее систему двух одинаковых пар последовательно соединенных капилляров разной длины и одинакового внутреннего диаметра, снабженную межкапиллярнымн камерами, соединенными с регистрирующим прибором t.

Однако это устройство не позволяет определить пластическую вязкость и предельное напряжение сдвига буровых растворов.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для определения реологических характеристик вязко-пластичных сред, содержащее три системы капилляров, каждая из которых имеет две параллельные одинаковые пары последовательно соединенных капилляров разнойдлины и одинакового внутреннего диаметра, измерители перепада давлеНИИ в межкапиллярных камерах, два измерителя разности сигналов, причем радиус капилляров первой системы больше ргщиуса капилляров второй системы на величину одной четвертой степени отнсяиения разностей длин длинного и короткого капилляров этих систем, а радиус капилляров третьей системы больше радиуса капилляров

10 второй система на величину первой степени отношения разностей длин длинного и короткого капилляров третьей и вторюй систем. Это устройство позволяет непрерывно и одновре15менно измерять пластическую вязкость и предельное напряжение сдвига бурового раствора 2.

Однако оно не обеспечивает непрерывное определение его независимого

20 днналетческого коэффициента пластичности .

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет измерения независи25мого динамического коэффициента пластичности.

Эта цель достигается тем, что устройство для исследования реологических характеристик буровых растворов

30 содержащее три системы капилляров.

каждая из которых имеет две параллел но расположенные одинаковые пары последовательно соединенных посредство межкапиллярных камер капилляров разной длины и одинакового внутреннего диаметра, измерители перепада давлений в межкапиллярных камерах, два из мерителя разности сигналов, первый и которых подключен к измерителям перепада давлений первой и второй систем капилляров, а второй - к измерителям перепада давлений второй и третьей систем капилляров, и вторичный прибор, причем радиус капилляров первой системы больше радиуса капилляров второй системы на величину одной четвертой степени отношения разностей длин длинного и короткого капилляров этих систем, а радиус капилляров третьей системы больше радиуса капилляров второй системы на величину первой степени отношения разносте длин длинного и короткого капилляров третьей и второй систем, дополнительно снабжено третьим измерителем разности сигналов, задатчиком постоянного значения сигнала и блоком деления причем вход третьего измерителя разности сигналов подключен ко второму измерителю разности сигналов и к задатчику постоянного значения сигнала а его выход - к блоку деления, который, в свою очередь, соединен с вторичным прибором, при этом первый измеритель разности сигналов подключен к вторичному прибору через блок деления.

Предлагаемое устройство обеспечивает непрерывное измерение независимого динамического коэффициента пластичности бурового раствора, который в большей степени, чем другие реологические характеристики, определяет его качество. Использование изобретения в системах автоматического регулрования обеспечивает получение буро вого раствора с заданными реологическимй характеристиками и в условиях постоянно действующих возмущений, которым подвергается буровой раствор в процессе бурения.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из трех последовательно соединенных систем капилляров, ограниченных камерами 1-4. Каждая система капилляров состоит из. четырех капилляров: для первой системы капилляры 5-8, для второй системы капилляры 9-12, для третьей системы капилляры 13-16, межкапиллярных камер 17 и 18 (для первой системы) ,. 19 и 20 (для второй системы) , 21 и 22 для третьей системы) . К межкапилляр-г. ным камерам 17-22 каждой из систем капилляров подключены измерители 23-25 . перепада давлений соответственно. Выходы измерителей 23 перепада давлений и 24 соединены с входом первого измерителя 26 разности сигналов, а выходы измерителей 24 и 25 перепада давлений - с входом второго измерителя 27 разности сигналов. Вход третьего измерителя 28 разности сигналов соединен с задатчиком 29 постоянного значения сигнала и выходом второго измерителя 27 разности сигналов, а выход - с блоком 30 деления. Вход последнего также связан с выходом первого 26 измерителя разности сигналов, а выход подключен к вторичному прибору 31.

Капилляры в каждой системе имеют одинаковый внутренний диаметр и разную длину - два одинаковых коротких и два длинных капилляра. Диаметры капилляров в разных системах разные. Радиус капилляров первой системы больше радиуса капилляров второй системы на величину одной четвертой степени отношения разностей длин длинного и короткого капилляров этих систем, а радиус капилляров третьей системы больше радиуса капилляров второй системы на величину отношения первой степени отношения разности длин длиннЪго и короткого капилляров этих систем.

Независимый динамический коэффициент пластичности (НДКП) является одним из коэффициентов коагуляционного структурообразования. Его физический смысл определяется как градиент скорости пластической деформации отражающий характер коагуляционной структуры суспензии.

Значение НДКП можно выделить из двух сигналов, пропорциональных предельному напряжению сдвига и пластической вязкости, формируемых соответственно измерителями разности 26 и 27. Для определения этого градиента необходимы введенные в устройство задатчик 29 постоянного значения сигнала и блок 30 деления.

Устройство работает следующим образом.

При движении бурового раствора через последовательно соединенные три системы капилляров при постоянной величине расхода в капиллярах 5-16 возникают соответствующие перепады давлений. Разность давлений, возникающая между межкапиллярными камерами 17 и 18 первой системы капилляров, 19 и 20 второй системы Капилляров, 21 и 22 третьей cucTeinH капилляров, измеряется соответственно измерителями перепада давлений 23-25. Первый 26 и второй 27 измерители разности сигналов, формируют сигналы, пропорциональные предельному напряжению сдвига и пластической вязкости бурового раствора соответственно. Третий итмернтель разности сигналов вырабатывает сигнал, пропорциональный разности между текущим значением пластической вязкости и ge минимально допустимым значением, задавае кли при помощи задатчика 29. Блок 30 деления, к которому подключены выходы первого 26 и третьего 28 измерителей разности сигналов, формирует сигнал, пропорциональный независимому динамическому коэффициенту пластичности. Таким образом, каждому значению независимого динамического коэффициента пластичности бурового раствора соответствует опре деленное показание вторичного прибора 31. Задатчик 29 постоянного значения сигнала вырабатывает сигнал, пропорциональный такому минимашьному значению пластической вязкости (Т) и ) начиная с которого дальнейшее увеличение твердой фазы в суспензии ведет к возникновению динамической структуры бурового раствора. Это значение пластической вязкости для различных глинистых буровых растворов меняется в незначительных пределах, что позволяет принять его за постоянное. Задатчик 29 постоянного значения сигнала формирует сигнал, пропорциональный К . Этот коэффициент, также как и независимый динамический коэффициент пластичности, не зависит от концентрации твердой фазы и является коэффициентом коагуляционного структурообразования. На блоке 30 деления формируется сигнал, пропорциональный НДКП, так как именно здесь производится операция деления сигнала, пропорционального предельному напряжению сдвига Т/р, на сигнал, пропорционгшьный разности текущего значения пласти ческой вязкости У и его минимального значения Г) В настоящее время регулирование предельного напряжения сдвига и пластической вя;зкости бурового раствора осуществляется путем его физико-химической обработки. В то же время в практике физико-химической обработки буровых растворов эти параметры регулируются независимо, и при попытке регулирования одного из них обычно происходит неконтролируемое изменение другого. Использование НДКП позволяет осуществить регулирование предельного напряжения сдвига при одновременйом регулировании пластической вязкости. Этот эффект объясняется тем, что добавление ,в буровой раствор дисперсионной среды или твердои фазы не вызывает изменения НДКП, при добавлении в буровой раствор реагента-стабилизатора - НДКП уменьшается, а при добавлении реагента-коагу лятора - возрастает. При обработке бурового раствора НДКП может изменять я в лесяткй раз, изменяется незначительных npezxcnax, что и озволяет осуществить регулирование редельного напряжения сдвига и пласической вязкости на основе НДКП, так как он, характеризуя качество бурового раствора, дает возможность раздельно учитывать влияние концентрации твердой фазы и химических реагентов на величину предельного на-, пряжения сдвига и структурной вязкости. Предел оптимальных значений НДКП, отвечающий качественным буровым растворам, соответствует 1-25 с , а предел изменения пластической вязкости 5-30 СП. Независимый динамический коэффициент пластичности является одним из наиболее представительных параметров , характеризующих качественное состояние бурового раствора. Он дает возможность раздельно учитывать влияние концентрации твердой фазы и химических добавок на величину предельного напряжения сдвига и пластичес- кой вязкости. Применение предлагаемого устройства, измеряющего кроме предельного напряжения сдвига и структурной вязкости НДКП, позволяет иметь в системе автоматического регулирования свойствами бурового раствора в каждый момент ремени буровой раство с требуемыми по условиям бурения реологическими характеристиками. При этом обеспечивается значительное снижение расхода дорогостоящих химических реагентов, используемых для получе ния бурового раствора требуемого качества. Кроме того, нгшичие в системе бурового раствора с необходимыми реологическими характеристиками позволяет также и увеличить скорость проходки скважины. Формула изобретения Устройство для исследования реологических характеристик буровых растворов, содержащее три системы капилляров, каждая из которых имеет две параллельно расположенные одинаковые пары последовательно соединенг ных посредством межкапиллярных камер капилляров разной длины и одинакового внутреннего диаметра, измерители перепала давлений в межкапиллярных камерах, два измерителя разности сигналов, первый из которых подключен к измерителям перепада давлений первой и второй систем капилляров, а второй - к измерителям перепада давлений второй и третьей