2. Реология буровых и тампонажных растворов
2.1. Сведения о реологии. Основные уравнения
В широком смысле реология представляет раздел физики, изучающий деформацию тел, включая их текучесть. Согласно этому определению, она охватывает и сферы других, самостоятельных, наук: гидро- и аэродинамику, теорию упругости, теорию пластичности и даже металлургию.
Практически же реология изучает лишь те материалы, которые по своему поведению занимают промежуточное положение между твердыми и жидкими телами; следовательно, реология — это раздел механики деформируемых тел, находящийся на стыке между теориями пластичности и упругости, с одной стороны, и механикой жидкости — с другой.
Реология появилась ввиду необходимости описать поведение некоторых веществ с очень сложными свойствами, для которых существующие теории представлялись недостаточными. К таким веществам относятся суспензии, эмульсии, полимеры, пищевые продукты, бетон, керамические материалы, асфальт, некоторые горные породы и многие другие материалы.
В более узком смысле цель реологии как науки сводится к изучению реологических уравнений в самой обобщенной их форме, описывающих поведение различных материалов.
Реологическое уравнение для какого-либо материала выражает зависимость между напряжением и соответствующей деформацией, т. е. между кинематикой и динамикой движения частиц вещества. Релаксация—уменьшение во времени напряжений при постоянных деформациях и ползучесть—увеличение деформаций во времени при постоянных напряжениях относятся к двум типичным процессам, изучаемым реологией.
Точнее, реологическое уравнение представляет соотношение между напряжениями , вызванными деформациями , и их производными во времени:
(1)
Скалярные параметры, фигурирующие в этом уравнении и характеризующие реологические свойства материала, называются реологическими константами (модулями, параметрами, коэффициентами), а напряжения, деформации и их производные составляют реологические переменные. В общем случае реологические параметры зависят как от некоторых нереологических величин (например, характеристик температурного или электромагнитного поля), так и от некоторых инвариантов напряжения (или деформации), что придает реологическому уравнению нелинейный характер.
Следует отметить, что имеют место деформации и не сопровождаемые напряжениями, а возникающие вследствие изменений температуры, влажности, каких-либо физико-химических реакций, т.е. факторов, которые необходимо принимать во внимание. В реологии выделяют три основных раздела:
• феноменологическая реология количественно и качественно исследует и изучает деформации и текучесть тел без анализа их причин;
• макрореология рассматривает тела (гомогенные или квазигомогенные, изотропные или квазиизотропные) как непрерывные среды — гомогенные и изотропные, абстрагируясь при этом от их внутренней структуры;
• микрореология выявляет свойства и реологическое поведение вещества путем исследования его состава, кристаллической структуры, формы и длины макромолекул, свойств его компонентов и т.д. Например, вязкость суспензий слабой концентрации можно рассчитать при помощи формулы, выведенной Эйнштейном в 1905 г.