- •1. Основные понятия и законы реологии
- •Состав пластовой нефти
- •Нефть как коллоидный раствор
- •1.2. Реология реальных сред
- •Реология идеальных тел
- •Вязкие жидкости
- •Ньютоновская жидкость
- •Аномально-вязкие (неньютоновские) жидкости
- •5. Вязкоупругие жидкости
- •6. Поверхностные явления и адсорбция
- •6.2 Адсорбция на границе раствор – пар
- •6.3 Адсорбция на границе твердое тело – газ
- •6.4 Теории адсорбции
- •4.1.5 Адсорбция на границе твердое тело – раствор
- •4.2 Коллоидные системы
- •4.2.1 Методы получения лиофобных коллоидов
- •4.2.2 Агрегативная устойчивость лиофобных коллоидов.
- •4.2.3 Коагуляция лиофобных коллоидов
- •4.2.4 Двойной электрический слой и электрокинетические явления
- •4.2.5 Кинетическая устойчивость золей. Седиментация
- •4.2.6 Очистка коллоидных систем
- •4.2.7 Оптические свойства коллоидных систем
- •6. Методы и приборы определения вязкости ньютоновских жидкостей и реологических характеристик неньютоновских жидкостей
- •7.1. Ньютоновские жидкости.
- •7.2. Неньютоновские жидкости.
- •7.3. Аномалии вязкости нефти.
- •7.4. Факторы, влияющие на реологические характеристики аномальных нефтей.
- •7.5. Фильтрация аномальных нефтей в пористой среде.
- •8.1. Классификация методов изучения реологических свойств аномальных нефтей.
- •8.2. Лабораторные методы исследований.
- •8.3. Расчетные методы оценки реологических и фильтрационных характеристик аномальных пластовых нефтей.
- •8.3.1. Методика расчета параметров аномальных свойств нефтей месторождений карбона Башкирии.
- •8.3.2. Методика расчета реологических и фильтрационных характеристик аномальных нефтей месторождений карбона Татарии.
- •8.4. Методы оценки реологических характеристик нефти, основанные на гидродинамических исследованиях скважин.
- •10.2. Гидродинамические расчеты фильтрации аномальных нефтей.
- •10.4. Расчет оптимальных значений депрессии на пласт
- •11.1.Особенности разработки залежей аномально-вязких нефтей.
- •11.2. Особенности проектирования разработки залежей аномально-вязких нефтей.
- •11.3.Анализ разработки залежей аномально-вязких нефтей.
- •12. Способы уменьшения аномалий вязкости нефти в залежи
- •12.1. Увеличение градиентов давления в нефтяном пласте.
- •12.2. Частичная дегазация нефти в пласте.
- •12.3. Тепловое воздействие.
- •12.4. Использование поверхностно-активных веществ.
- •12.5. Использование двуокиси углерода.
Аномально-вязкие (неньютоновские) жидкости
Существуют жидкости, кривая течения которых отличается от представленной на рис. 2. Эти жидкости называются неньютоновски- ми. Вязкость неньютоновских жидкостей не остается постоянной при заданной температуре и давлении и зависит от других факторов таких, как скорость деформации сдвига, конструктивные особенности аппаратуры и предыстории жидкости.
Кривые течения некоторых неньютоновских жидкостей, реологические характеристики которых не зависят от времени приложения нагрузки, представлены на рис. 3. Такие жидкости называются реостабильными.
Рис. 3. Кривые течения реостабильных
неньютоновских жидкостей:
1 - вязкопластичная; 2 - псевдопластичная;
3 - дилатантная
Кривая течения 1 принадлежит жидкостям, течение которых вообще не происходит до достижения некоторого критического напряжения τо, а при τ > τо развивается вязкое течение. Реологическое уравнение такой жидкости можно представить в виде
где τо - предельное напряжение сдвига;
μо- бингамовская или пластичная вязкость.
Жидкость, подчиняющуюся реологическому закону (4), называют вязкопластичной жидкостью Швелова-Бингама. Если τ < τо ,она ведет себя как твердое тело, а при τ > τо - как ньютоновская жидкость. Вязкопластичные свойства проявляют нефти с большим содержанием парафина, глинистые растворы, краски, шламы, сточные грязи.
В табл. 2 приложения приводятся данные по предельному напряжению сдвига от температуры для некоторых нефтей.
Кривая течения 2 (см. рис. 3) соответствует жидкостям, у которых отношение напряжения сдвига к скорости сдвига τпостоянно понижается с ростом скорости сдвига. Кривая течения становится линейной только при больших скоростях сдвига. Реологическую модель такой жидкости впервые предложил Оствальд, и математически ее можно записать в виде степенного закона
где к и b - постоянные для данной жидкости;
к - мера консистенции жидкости;
b - характеризует степень неньютоновского поведения жидкости
Жидкости, подчиняющиеся этому реологическому закону, называются псевдопластичными. К ним относятся жидкости, содержащие некрупные мехпримеси, суспензии, растворы высокополимеров.
С целью возможности применения имеющихся формул реологии, выведенных для ньютоновских жидкостей (в основном, для воды), для неньютоновских сред вводится понятие кажущейся вязкости - μ или эффективной – μэ. Тогда для неныотоновской жидкости можно записать следующее выражение:
Из сравнения (6) и (5) получим
Из рис. 3 видно, что μэ определяется отношением отрезков ON и
ОМ, следовательно, для каждого значения имеет свое значение.
Эффективная вязкость псевдопластичных жидкостей с увеличением скорости сдвига снижается. Это можно объяснить тем, что при движении перемещение отдельных частиц или молекул становится ориентированным вдоль потока. Эффективная вязкость будет убывать до тех пор, пока сохраняется возможность дальнейшей ориентации частиц вдоль линии тока, а затем кривая становится линейной.
Реологическому закону (5) подчиняется и жидкость, представленная кривой течения 3 на рис. 3, но показатель "Ь" для этих жидкостей превышает
Такой тип течения был впервые обнаружен Рейнольдсом в суспензиях с большим содержанием твердой фазы. Для этой жидкости характерно увеличение эффективной вязкости с увеличением скорости сдвига. Это объясняется тем, что при движении дилатантных жидкостей крупные частицы мехпримесей с увеличением скорости сдвига начинают ударяться друг о друга, а на удар тратится значительная часть энергии.
Для многих жидкостей в широком диапазоне изменения скорости сдвига касательные напряжения хорошо описываются реологической моделью нелинейного вязкопластика
Данная модель является общим вариантом рассмотренных ранее (см. рис. 3, кривые течения 4, 5). В частном случае, если τо=0, то имеем реологическое уравнение (5); если К=μ., b=1, то получим модель Шведова-Бингама. При τо=0, К=μ., b=1 получаем закон Ньютона.
Для многих реальных жидкостей кажущаяся вязкость определяется не только скоростью сдвига, но и продолжительностью сдвига. Эти жидкости называются нереостабильными и в зависимости от характера изменения кривой течения во времени подразделяются на тиксотропные и реопектические.
Тиксотропными называются материалы, консистенция которых зависит от продолжительности сдвига и величины скорости сдвига.
Если тиксотропный материал, находящийся в состоянии покоя, деформировать с постоянной скоростью сдвига, то его структура будет постепенно разрушаться, а эффективная вязкость и касательные напряжения снижаться со
Рис. 4. График зависимости от времени
временем. На рис. 4 представлен график зависимости касательных напряжений т при постоянном градиенте скорости сдвига от времени t. Линия 1 принадлежит реостабильным жидкостям. Линия 3 - тиксотропным. Тиксотропию проявляют нефти и нефтепродукты с большим содержанием парафина, глинистые растворы. Тиксотропия является обратимым процессом, после исчезновения возмущения ее касательных напряжений структура постепенно восстанавливается.
Если снимать кривые течения, повторяя опыты друг за другом, то для тиксотропной жидкости будет наблюдаться изменение кривой течения от опыта к опыту (рис. 5).
Рис. 5. Кривые течения тиксотропных жидкостей
Если снять кривую течения тиксотропной жидкости сначала для равномерного возрастания градиента скорости сдвига, а затем с равномерным убыванием, то получим кривую течения, представленную на рис. 6 в виде гистерезисной петли.
Рис. 6. Гистерезисные петли тиксотропной жидкости:
1 - с ненарушенной или частично разрушенной структурой;
2 - с полностью разрушенной структурой
Если с увеличением времени при фиксированной скорости сдвига касательные напряжения увеличиваются, жидкость называется реопектической (см. кривую 2, рис. 4). Реопексию проявляет, например, 40 % -ный раствор гипса. По-видимому, при малых скоростях сдвига более благоприятные условия образования структуры (но и термический эффект).