1.2 Опытная установка

В лаборатории кафедры технологии и техники бурения скважин ЛГИ была сооружена опытная установка, монтировавшаяся в двух вариантах.

В первом случае (рис. 2.1, а) для исследования влияния формы частиц на критическую скорость свободного падения на специальном штативе 1 в строго вертикальном положении устанавливали стакан из стеклянной трубы 2 внутренним диаметром 60 мм, длиной 1,4 м с глухим дном и съемной верхней крышкой 3, в центре которой по оси стакана закрепляли стеклянную трубку 4 для направленного забрасывания частиц. В средней части стеклянного стакана рисками 5 отмечен измерительный участок длинной 1 м.

Во втором случае (рис. 2.1, 6) при исследовании влияния стесненности кольцевого канала на критическую скорость установка отличалась тем, что по оси стесненного стакана с помощью концентрически закрепленного на его дне конуса б и верхней съемной крышки устанавливали внутренние стеклянные трубы 7 шести наружных диаметров: 11,9; 18; 24; 35,05; 44,27; 53,5 мм. Трубку для направленного забрасывания частиц располагали в середине кольцевого зазора. В качестве частиц идеализированной формы использовали стеклянные шарики. В качестве частиц неправильной формы с относительно гладкой поверхностью использовали песок, а с шероховатой – дробленый кварц со средней линейной крупностью в обоих случаях: 1 ,0; 2,5 и 5,0 мм.

1.3 Проведение экспериментов и результаты

Для проведения опытов потребовалась специальная подготовка стеклянных шариков, частиц неправильной формы и тяжелой жидкости. Было отобрано по 100 стеклянных шариков каждого из восьми классов линейной крупности, определена общая масса и средняя плотность материала каждой порции. На основании этих данных был вычислен средний эквивалентный диаметр для каждой сотни шариков по формуле:

(1.2)

Результаты этих измерений, необходимые в дальнейшем при обработке опытных данных, приведены ниже.

Характеристика стеклянных шариков.

Поскольку оценка формы частиц реального шлама при бурении осуществляется практически визуально, при подготовке опытов по исследованию влияния формы на критическую скорость из общей массы зерен дюнного песка и кварца каждого из трех классов линейной крупности также на основе визуальной оценки были отобраны по 100 частиц «компактной» («изометрической»), удлиненной и плоской формы (кроме частиц кварца плоской формы, которые практически отсутствовали). Для каждой сотни зерен, аналогично предыдущему, были определены средний эквивалентный диаметр и плотность материала, представленные в табл. 2.1.

Указанным образом к опытам было подготовлено 800 стеклянных шариков, 900 зерен окатанного дюнного песка и 600 зерен дробленого кварца.

Таблица 2.1

Характеристика частиц неправильной формы

Заранее было заготовлено достаточное количество водного раствора химически чистого хлорида цинка, который хранился в герметичной емкости при постоянной температуре.

Через каждые 2 ч работы контролировали плотность и вязкость раствора, залитого в сосуд установки, и при необходимости заменяли свежим. Благодаря этому свойства жидкости повышенной плотности в продолжение экспериментов практически не изменялись и в среднем составляли: .

При исследовании влияния формы частиц на критическую скорость условия падения частиц в сосуде внутренним диаметром 60 мм рассматривались как условия свободного падения, поскольку в наихудшем случае (стеклянные шарики мм) отношение диаметра частицы к диаметру сосуда составляло лишь 0,1, а во всех остальных - еще меньше.

Эксперименты осуществлялись следующим образом. В стакан 2 (см. рис. 2.1, а), заполненный раствором хлорида цинка, через направляющую трубку 4 пинцетом забрасывали заранее смоченную в таком же растворе опытную частицу, (сухая частица увлекала с собой пузырек воздуха, что искажало результаты). Еще до момента достижения верхней риски 5 частица любой крупности и массы уже теряла ускорение и падала с равномерной (критической) скоростью. Время падения частицы от верхней до нижней риски фиксировали одновременно посредством двух секундомеров и записывали среднее значение.

Для стеклянных шариков каждой из восьми крупностей проводили 20 описанных опытов, высчитывали среднее арифметическое времени падения на участке в 1 м и среднюю критическую скорость. В большем числе опытов не было необходимости, так как средние результаты по первым и вторым десяти опытам давали практически полное совпадение.

С зернами дюнного песка и кварца опыты проводили аналогично, но по 40 раз для частиц каждой крупности и формы.

Таким образом, по исследованию влияния формы частиц проведено 760 отдельных опытов и на их основании получены 23 средних значения критической скорости свободного падения для частиц шаровой, компактной, удлиненной и плоской форм разной крупности. Эти значения можно считать вполне представительными.

На основе известных плотности и коэффициента кинематической вязкости жидкости, а также плотности, эквивалентного диаметра и критической скорости частиц вычисляли опытные значения Аг, Re, .

При исследовании влияния стесненности канала на конечную скорость сменные внутренние стеклянные трубы 7 (см. рис. 2.1, 6) обеспечивали шесть различных эквивалентных диаметров кольцевого зазора: = 48,1; 42,0; 36,0; 24,95; 15,72; 6,5 мм. Опыты по стесненному падению проводили со стеклянными шариками всех восьми крупностей по описанной выше методике, но с той разницей, что шарики забрасывали в кольцевой зазор между стенками стакана и внутренней трубкой. При минимальном эквивалентном диаметре = 6,5 мм стеклянные шарики со средним эквивалентным диаметром = 6,1; 5,06; 4,2 мм превышали ширину кольцевого зазора. Таким образом, исследовали 45 разных сочетаний и . Для каждого сочетания проводили 10 замеров времени стесненного падения шариков на измерительном участке в 1 м, определяли среднее арифметическое времени и среднюю скорость стесненного падения.

Всего проведено 450 отдельных опытов и на их основе получено 45 средних значений критической скорости стесненного падения для 45 сочетаний и .