Введение

Скорости сдвига при переработке полимеров.

Нанесение слоя латекса непрерывным способом при производстве ковров

Особенности пробочного режима течения

Примеры оценки скоростей сдвига, соответствующих некоторым типичным технологическим процессам

1. Нанесение лакокрасочных покрытий

   Нанесение покрытия на бумагу

   Эффективность машинного масла

   Печать па трафаретной сетке

   Скорости сдвига в некоторых других процессах

Заключение

Список литературы

Введение

Скорость сдвига - это показатель чувствительности расплава, которая определяется по влиянию усилия на поршне.

Зависимость вязкости от скорости сдвига у многих неньютоновских жидкостей, таких, как краски, пищевые полуфабрикаты или расплавы полимеров, совершенно удивительна: как и в случае расплавов ПММА (см. рис. 1 5), их вязкость может падать на три десятичных порядка при изменении скорости сдвига на шесть или более десятичных порядков. Этот, уже и без того достаточно широкий, интервал вязкости может быть еще шире. Например, если образцы обладают пределом текучести, то при напряжениях ниже этого предела их вязкость бесконечно велика. Единичная оценка вязкости какого-либо образца при одной скорости сдвига имеет ограниченную ценность и не дает информации о строении образца и способности его к переработке. Узкий набор условий испытания с определенными значениями напряжения и скорости сдвига применяется лишь для быстрого сравнения образцов, подобных друг другу.

Если инженер хочет использовать экспериментальные данные по вязкости, чтобы выбрать двигатель для привода смесителя или экструдера, или химик на фабрике красок хочет тщательно разобраться в таких процессах, как окраска кистью или нанесение покрытии, которые могут стекать с вертикальных стен, то они должны оценить скорости сдвига, соответствующие этим реальным процессам, что-бы результаты измерений вязкости имели реальный смысл. Ниже представлен ряд примеров, в которых путем простых расчетов была проведена оценка значений скоростей сдвига, часто встречающихся на практике. Ввиду того что каждый специалист, как обычно, задает параметры технологического процесса с некоторыми допусками, вполне вероятно, что расчетные значения скоростей сдвига, полученные разными специалистами, могут отличаться друг от друга. Поэтому при такой приблизительной оценке скоростей сдвига разность между 1 260 и 1280 не имеет значения. В большинстве случаев достаточно знать, что скорость сдвига при окраске малярной кистью составляет примерно 5000а не 50 или даже 0,5.

При оценке скоростей сдвига, соответствующих тем или иным технологическим процессам или типичным случаям применения материалов, важно отметить, что почти всегда разные стадии одного и тога же процесса производства или применения материалов характеризуются совершенная разными скоростями сдвига.

Рассмотрим три примера для иллюстрации этого положения.

1. Скорости сдвига при переработке полимеров.

В десятках книг по технологии полимеров пригодятся значения скоростей сдвига для основных технологических процессов:

Прямое прессование…………………………………………… до 100

Экструзия профилей (в головке)……………………….. до 1000

Питье под давлением (в литиике)……………...........до 10 000

Это, по видимому, очень упрощенный взгляд на действительность. Скорости сдвига имеют место не только в головке экструдера, но и на всех других стадиях процесса переработки, при течении в экструдере или в термопласт-автомате. Например, в процессе экструзии имеет место множество скоростей сдвига: при течении расплава вдоль канала шнека, при перемешивающем течении, перпендикулярном к оси канала, и при обратном потоке от любого витка шнека к ведущим канавкам. Элементы объема расплава полимера в любой точке канала шнека одновременно подвергаются различным типам течения, которые характеризуются необычайно широким диапазоном скоростей сдвига-приблизительно от 0,01 до 1000 . В этих условиях трудно определить реально существующую вязкость элементов объема, находящихся в состоянии трехмерного напряжения, и тем самым предвидеть, хороши или плохи будут условия переработки в дозирующей части шнека экструдера (например, вероятный уровень однородности расплава), отнесенные к верхней или нижней границе данного интервала скоростей сдвига.

На различных стадиях такого процесса, как заполнение литьевой формы и термопласт-автомата, не существует какой-либо одной единственной скорости сдвига, а имеет места диапазон скоростей сдвига, часто перекрывающий более четырех десятичных порядков: впрыскивание через питьевое отверстие капиллярного типа - до 10000 , течение при заполнении питьевой формы - примерно 100-1000и течение после снятия давления (для обеспечения полного заполнения питьевой формы и предотвращения температурной усадки горячего расплава в холодной форме) - менее 1.

Расплавы полимеров являются не только вязкими, но и в значительной степени упругими жидкостями. Упругие деформации молекул и/или элементов объема со временем будут релаксировать. Наиболее значительная релаксация происходит сразу после того, как полимер переходит в состояние покоя по завершении экструзии, или когда сформованную деталь извлекают из формы. В листовых или экструдированных изделиях из высокомолекулярных полимеров, охлажденных до комнатной температуры, упругие деформации (элементы типа растянутых спиралей) "замораживаются" в отвержденном полимере. При комнатной температуре спад внутренних напряжении протекает в течение длительного периода времени (часы, дни или, возможно, недели) путем, известным как "микротечение" на молекулярном уровне, что приводит к искажению размеров изделий (короблению) или образованию микротрещин ("креизов") в прозрачных деталях. Более вязкие компоненты полимерной композиции, которые достигают очень высокой вязкости при почти нулевой скорости сдвига, когда экструдат переходит в состояние покоя, оказывают противодействие и тормозят процесс снятия внутренних напряжений, даже в полиэтиленах при температуре расплава около 205 °С вязкость при нулевой скорости сдвига % составляет примерно Па с, а при более низких температурах она становится гораздо выше. Скорость сдвига, соответствующая процессу релаксации, близка к, что отвечает периоду релаксации примерно в 28 ч.

В этих условиях спад упругих напряжений в термопластичных полимерах или каучуковых композициях представляет собой достаточно длительный процесс.

Рассмотренные выше значения скоростей сдвига, соответствующие обоим технологическим процессам - переработке полимеров и снятию "замороженных" напряжений, - могут перекрывать диапазон почти в 10 десятичных порядков (рис. 84). Ни один из существующих реометров не может работать в таком широком диапазоне скоростей сдвига, не говоря уже о том, что измерение кривой вязкости в таком интервале скоростей сдвига потребует очень длительных испытаний.

Если в процессе исследования полимеров или при технологическом контроле в производстве возникает необходимость измерения вязкости в таком широком диапазоне скоростей сдвига, используют не-сколько ротационных и капиллярных реометров. каждый из них в лучшем случае охватывает диапазон скоростей сдвига акало трех десятичных порядков. Ротационные и капиллярные вискозиметры сконструированы таким образом, чтобы охватить. Разные области полного диапазона скоростей сдвига, поэтому при совместном использовании они могут перекрыть требуемый диапазон скоростей сдвига (рис. 85).

Отклонения от стандартной кривой вязкости на нижней или верхней границе интервала скоростей сдвига должны быть проверены и рассортированы по степени их технической значимости, например по отношению к однородности расплава, разбуханию струи экструдата или долговременной стабильности размеров профилей и других деталей, полученных методом экструзии или прессования.

Вопрос о том, какая скорость сдвига соответствует конкретной технологии переработки полимеров, не может быть разрешен в общей форме. Необходимо рассматривать отдельные аспекты или фазы каждого производственного процесса.

Необходимость очень широкого интервала скоростей сдвига для правильного описания реологического поведения неньютоновских жидкостей в условиях установившегося течения дополняется широкой областью частот, применяемых для исследования вязкоупругих веществ при динамических испытаниях, так как особенности молекулярной структуры лучше всего проявляются при очень низких величинах ω, а упругость превышает вязкость только при высоких частотах, частотный диапазон, в котором следует проводить измерения, часто превышает шесть десятичных порядков. Интервал частот, фактически доступный для исследования, может быть расширен с помощью принципа температурной временной суперпозиции Вильямса-Лэндела-Ферри до десяти порядков и при этом общее время измерения остается в разумных пределах.

2. Нанесение слоя латекса непрерывным способом при производстве ковров

Качество ковровых покрытии машинного изготовления часто повышают путем нанесения слоя вспененного латекса на нижнюю поверхность ковра. Это создает ощущение мягкости при ходьбе по такому ковру. В данном разделе непрерывный процесс нанесения такого латекса рассмотрен по стадиям, которые характеризуются разными скоростями сдвига.

Нанесение латекса происходит следующим образом (рис. 86). Ковер 1 разматывают с барабана и пропускают над большой емкостью 2, наполненной латексом. Вращающийся цилиндр 3, частично погруженный в латекс, увлекает слой латекса и наносит его на нижнюю сторону ковра в точке 4. Сэндвич из ковра и слоя латекса проходит над ракельным ножом 5 с заранее установленной шириной зазора, что обеспечивает одинаковую толщину слоя латекса. Весь избыток латекса, не прошедший через ракель, стекает обратно в емкость, после чего вновь медленно возвращается в область 6, где цилиндр 3 вводит его в новый цикл нанесения слоя. Если принять скорость движения ковра равной 60 м/мин и калибр ракельного ножа 0,5 мм, то скорость сдвига в слое латекса в точке S будет близка к 200 . Латекс, стекающий за счет силы тяжести обратно в емкость 2, перемещается в зону 6, и скорость сдвига, соответствующая этому течению, не превышает 0,01. Скорость сдвига в точке 4 нельзя определить простым делением скорости движения ковра на толщину слоя латекса, так как предполагается, что скорость ковра и линейная скорость на поверхности цилиндра 3 равны. Некоторая скорость сдвига могла бы возникнуть только из-за разности скоростей. Однако ковер и поверхность цилиндра образуют клин, в котором латекс тянется, отчего в точке 4 возникает давление, благодаря которому создается более или менее параболический профиль скоростей течения латекса в зазоре между поверхностями нижней стороны ковра и цилиндра, движущимися с равными скоростями. Такой профиль скоростей как известна из капиллярной реометрии, связан с характерной скоростью сдвига которая в данном случае может находиться в пределах от 1 до 10.

Представляя этот пример нанесения покрытия на ковер, необходимо обратить внимание читателя на тот факт, что для очень многих процессов, с которыми мы сталкиваемся в производстве, характерна не одна единственная скорость сдвига, а диапазон скоростей сдвига, который во многих случаях перекрывает 3-4 десятичных порядка. Если вязкость в точке 5 при данной скорости сдвига велика, то высокое и, возможно, слишком высокое растягивающее напряжение действует на ковер, который протягивают через зазор ракельного ножа. Если при сдвиге вязкость сильно снижается, слишком много латекса стекает в этом зазоре. Если латекс, стекающий обратно в емкость, слишком сильна загустевает при почти нулевой скорости сдвига, то цилиндр 3 не мажет поднять достаточное количество латекса, поэтому его поверхность остается почти сухой, и к точке 4 поступает недостаточное количество латекса.

Описанный выше процесс может быть проведен неудачно как из-за слишком низкой вязкости при высокой скорости сдвига, так и, в равной степени, из-за слишком высокой вязкости при низкой скорости сдвига. Анализ различных стадий производственного процесса должен привести к правильной оценке скоростей сдвига на каждой стадии.

3. Особенности пробочного режима течения.

Ежедневный опыт показывает, что зубная паста выдавливается из тюбика в виде цилиндра, который, будучи полутвердым, просто садится на щетинки зубной щетки. Зубные пасты, как и многие другие жидкости, такие как высоконаполненные расплавы полимеров или каучуковые композиции, содержащие в некоторых случаях более 30% углеродной сажи, характеризуются отчетливо выраженным пределом текучести. Экструзия их через капилляры часто сопровождается необычным профилем скоростей, который существенно отличается от параболического профиля скоростей ньютоновских жидкостей (рис. 87). Если напряжение, уменьшающееся по направлению от стенки капилляра к его центру, падает ниже предела теку-чести, как, например, у зубной пасты, то центральная часть выдавливаемой массы движется вперед как твердая пробка. В массе, которая находится внутри пробки, не возникает сдвигового напряжения, и ее вязкость бесконечна. Реальный сдвиг концентрируется в наружном кольцевом слое массы между внутренней пробкой и стенкой капилляра (толщиной иногда в доли миллиметра), в результате чего вязкость этой части массы сильно снижается. Часто этот кольцевой слой действует как своего рода низковязкая "смазка" при экструзии внутренней пробки.

Высокий сдвиг может дополнительно привести к фазовому разделению водной композиции, выдавливая тонкий слой воды, которая служит дополнительной смазкой для внутренней пробки.

Расчет скорости сдвига и вязкости материалов, проявляющих пробочный характер течения, по обычным уравнениям Хаге-на-Пуазейля для течения ньютоновских жидкостей приводит к совершенно ошибочным результатам. В этом случае расчет любой "средней" скорости сдвига по сечению капилляра не имеет смысла.

Величины предела текучести при нулевом сдвиге и свойства массы при высокой скорости сдвига были измерены в рабочем зазоре ротационных реометров с учетом того, что скорости сдвига жидкостей, склонных к развитию пробочного течения, составляют не 500 или 1000 ,а “нуль” в центре пробки и, возможно, 10 или а даже 10- в кольцевом слое вблизи стенки капилляра.

4. Примеры оценки скоростей сдвига, соответствующих некоторым типичным технологическим процессам.

В данном случае величины скоростей сдвига могут быть определены с коэффициентом точности в пределах порядка.

Такая оценка проводится по уравнению:

4.1. Нанесение лакокрасочных покрытий

Обычно в технологии лакокрасочных покрытий имеют дело с широким диапазоном скоростей сдвига. Поэтому лакокрасочные покрытия при нанесении подвергаются воздействию как очень высоких, так и очень низких скоростей сдвига (рис. 88). Когда краску вычерпывают из бидона-скорость сдвига может достигать 10 .

В процессе нанесения краски (рис. 89) кисть может двигаться по поверхности со скоростью 𝑣=1000 мм/с. Толщина слоя краски принимается равной у = 0,2 мм. Тогда скорость сдвига при нанесении кистью составляет:

При распылении краски давлением воздуха из сопла пистолета скорость сдвига приблизительно равна 50000 .

Лакокрасочное покрытие, нанесенное кистью на вертикальную стенку, стремится стечь под влиянием силы тяжести (рис. 90). Напряжение сдвига на стенке , которое существует на границе между слоем покрытия и стенкой, равно

где напряжение сдвига на стенке, Па;A-площадь поверхности стенки; G-вес покрытия, действующим на площади A, Н; h-толщина слоя покрытия, м; y-переменная в горизонтальном направлении (h); ρ-плотность краски, кг/; g-ускорение силы тяжести, м/;𝑣-скорость стекаиия в вертикальном направлении; s-длина потека покрытия за период времени t.

Скорость сдвига равна

Интегрирование выражения

дает скорость стекания 𝑣:

для ньютоновской жидкости

В случае такой неньютоновской жидкости, как тело Бингама, напряжение сдвига равна

При τ величина ɣ=0, т. е. слой покрытия не течет. При τ слойбудет опускаться вниз как твердая пластина по слою (), который течет со скоростью𝑣, определяемой сдвиговой зависимостью вязкости данного покрытия.

Пример: для покрытия, не проявляющего предела текучести: у=0,1 мм=0,01 см=0,0001 м; ρ=1,1 г/; = 1100 кг/; g = 9,81 м/;ŋ = 2,0 Пас приɣ=1 ;=yρg=0,000111009,81 =1,08 ;

При условии, что покрытие не проявляет предела текучести и его вязкость не возрастает из-за испарения растворителя или сорбции растворителя порами стены, длина потека на окрашенной поверхности за время t=60 с составит

s=𝑣t=0,02560=1,5 мм

Покрытие будет стекать с вертикальной стены, только когда напряжение сдвига на границе выше, чем напряжение сдвига :

Это значит, что стекание покрытия будет иметь место только в том случае, если толщина его слоя отвечает соотношению

Чтобы иметь хорошие потребительские характеристики, качест-венные краски обязательно должны быть неньютоновскими жидко-стями, вязкость которых сильно зависит от скорости сдвига. очень важно знать, обладает ли краска пределом текучести , который необходимо измерять при скорости сдвига, близкой кɣ=0. Для классификации качества красок с точки зрения реологии необходимо учитывать не только одну скорость сдвига, а область скоростей сдвига, перекрывающую иногда более шести десятичных порядков.

4.2. Нанесение покрытия на бумагу

Для повышения качества бумаги на ее поверхность наносят покрытие, после чего она становится гладкой, а часта и глянцевой (рис. 91).

Типичные условия непрерывного процесса нанесения покрытия следующие: скорость бумаги 𝑣=500 м/мин (до 1000 м/мин);

𝑣=50000 см/мин=50000/60 см/с

размер зазора у равен расстоянию между ножом скрепера поверхностью вала:

скорость сдвига

ɣ==()=8,3

Максимальная скорость сдвига при покрытии бумаги может быть выше

4.3 Эффективность машинного масла

Типичные размеры поперечного сечения подшипника скольжения коленчатого вала (рис. 92)

радиус вала =27,53 мм; радиус муфты=27,50 мм;

толщина пленки масла у=0,03 мм;

частота вращения коленчатого вала n=4000 ;

Это дает значение ɣ=4.

Приведенные в литературе для данного случая значения скорости сдвига варьируют от ɣ=в начале движения автомобиля доɣ=, когда спортивный автомобиль движется на полной скорости.

Типичные размеры цилиндра и порция двигателя (рис. 93):

размер зазора у=0,03 мм;

частота вращения коленчатого вала n=4000 ;

максимальная скорость поршня =20 м/с;

средняя скорость поршня =14 м/с.

Это приводит к значению

Или

Скорость сдвига в слое масла между маслосъемным кольцом поршня и цилиндром обычно достигает экстремально высоких значении.

Типичные размеры масляного насоса, расположенного в масло-сборнике двигателя (рис. 94): диаметр трубы d=0,7 см=7 мм; радиус трубы R=0,35 см= 3,5 мм;

скорость течения Q=30 /мин=500/с.

При этом значение ɣ

Скорости сдвига машинного масла во входной области патрубка масляного насоса очень высоки. В самом масляном насосе скорости сдвига гораздо ниже. Во время работы двигателя машинное масло подвергается воздействию очень широкого интервала скоростей сдвига, а не какой-либо одной скорости сдвига. Это важно знать, несмотря на тот факт, что масла обычно являются ньютоновскими жидкостями. Моторные масла подвержены действию значительных переменных нагрузок в широком интервале температур, для повышения смазывающей способности в высококачественные масла вводят соответствующие добавки, которые придают им неньютоновский характер течения.

Необходимо изготавливать масла, которые обладают достаточной вязкостью при высоких скоростях сдвига. Это обеспечивает хорошую смазку поверхности металлических деталей и предотвращает непосредственный контакт между ними. В то же время вязкость масла должна быть достаточно низкой при низких скоростях сдвига, когда оно течет в масляном насосе малых скоростях сдвига, се под действием гравитации по направлению к входному патрубку насоса, а затем вверх при всасывании масла насосом. Если масло слишком вязкое насос частично втягивать воздух, и тогда подача масла в подшипники ограничивается. Очень важно, особенно в условиях низких температур чтобы масло не проявляло предела текучести (при нулевой и скорости сдвига) и вследствие этого не вело бы себя как твердое тело, которое совсем не поступает в масляный насос.

4.4 Печать па трафаретной сетке

Оценку скорости сдвига чернил, продавливаемых через сетчатый трафарет (рис. 95), можно провести следующим образом.

Если в движущейся жидкости её вязкость зависит только от её природы и температуры и не зависит от градиента скорости, то такие жидкости называют ньютоновскими. К ним относятся однородные жидкости. Когда жидкость неоднородна, например, состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры, то при её течении вязкость зависит от градиента скорости.

Такие жидкости называют неньютоновскими.

Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей, эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействие, но и даже звуковыми волнами. Если воздействовать механически на обычную жидкость то чем большее будет воздействие на нее, тем больше будет сдвиг между плоскостями жидкости, иными словами чем сильнее воздействовать на жидкость, тем быстрее она будет течь и менять свою форму. Если воздействовать на Неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мы получим совершенно другой эффект, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело, связь между молекулами жидкости будет усиливаться с увеличением силы воздействия на нее, в следствии мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои таких жидкостей. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшение скорости тока жидкости

Вот еще один пример:

Если к вязкопластичной жидкости прикладывать напряжение сдвига, меньшим по величине, чем пороговое значение, то такая жидкость будет оставаться в покое. Как только напряжение сдвига превысит, вязкопластик начнет течь, как обычная ньютоновская жидкость. Иначе говоря, привести в движение вязкопластичную жидкость можно, лишь преодолев её предельное напряжение.
Такое поведение вязкопластиков объясняется тем, что в жидкости, находящейся в покое, образуется жесткая пространственная структура, оказывающая сопротивление любому напряжению, меньшему, чем пороговое. К вязкопластичным жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту – то есть то, что похоже на пасту, главным образом суспензии.

К псевдопластичным жидкостям относятся жидкости, содержащие несимметричные частицы или молекулы высокополимеров, например, суспензии или растворы полимеров, подобных производным целлюлозы.

Кривые текучести - t и зависимости эффективной вязкости h * от напряжения сдвига t : a - диаграммы для ньютоновской жидкости; б ,г -диаграммы для неньютоновских жидкостей, у к-рых h * снижается с ростом и t ; в -диаграмма для неньютоновской жидкости, у к-рой h * повышается с ростом и t ; д - диаграмма для вязкопластического тела с пределом текучести q .

При маленьких изменениях скоростей деформации молекулы высокополимеров или несимметричные частицы своими большими осями ориентируются вдоль направления движения, вследствие чего возрастает напряжение внутри. После завершения ориентирования, а поведение жидкости не отличается от ньютоновского. Иными словами, если нажимать на псевдопластическую жидкость не резко, то ее вязкость будет высока, а если резко – то будет уменьшаться.

Реология – это изучение деформаций и течения материалов, включая эластичные, вязкие и пластичные свойства.

Вязкость – измерение внутреннего трения жидкости. Это трение возникает между слоями жидкости при ее движении. Чем больше трение, тем больше силы необходимо приложить, чтобы вызвать движение («сдвиг»).

Сдвиг имеет место при физическом перемещении или разрушении жидкости: разливе, растекании, разбрызгивании, перемешивании и т.п. Для сдвига жидкостей с высокой вязкостью необходимо приложить больше силы, чем для маловязких материалов.

По характеру течения жидкости (и псевдожидкости) делят на ньютоновские и неньютоновские жидкости, а по поведению во времени – на тиксотропные и реопексные.

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Жидкости , для которых вязкость не зависит от скорости деформации, называются ньютоновскими . Характерными ньютоновскими жидкостями являются вода и маловязкие моторные топлива.

Поведение ньютоновских жидкостей отлично видно на графиках зависимости напряжения сдвига (А) или вязкости (В) от скорости сдвига.

На практике это означет, что вязкость жидкости при данной температуре остается постоянной и не зависит от модели вискозиметра, шпинделя или скорости сдвига. Стандатры вязкости Brookfield являются также ньютоновскими жидкостями и подходять для всех моделей вискозиметров Brookfield .

Для неньютоновских жидкостей вязкость изменяется при изменении скорости сдвига. Для этих жидкостей модель вискозиметра, шпиндель и скорость сдвига влияют на конечный результат; для неньютоновских жидкостей измереяется, так называемая, «кажущаяся вязкость». Точности и воспроизводимости результатов для таких жидкостей можно достичь только при воспроизведении всех параметров измерений (модели вискозиметра, шпинделя, температуры и т.д.).

Существует несколько типов неньютоновских жидкостей, различающихся влиянением скорости сдвига на вязкость. Наиболее известны три типа:

• псевдопластичные жидкости
• дилатантные жидкости
• пластичные жидкости

Вязкость псевдопластичных жидкостей уменьшается при увеличении скорости сдвига.

Наиболее известные псевдопластичные жидкости – краски, эмульсии и некоторые суспензии. Для понимания такого поведения представьте, что в момент вращения шпинделя в образце структура молекул вещества будет меняться, они будут стремиться расположиться параллельно движению поверхности шпинделя. В результате сопротивление между отдельными слоями жидкости будет ослабевать, вязкость – снижаться. С ускорением вращения первоначальная структура будет разрушаться, молекулы будут скользить относительно друг друга, и вязкость будет понижаться.

У дилатантных жидкостей , наоборот, с увеличением скорости сдвига вязкость увеличивается.

Хотя дилатантные жидкости не так распространены, но их довольно много, к ним относится большинство дефлокулянтов: глиняные суспензии, сладкие смеси, взвесь кукурузного крахмала в воде, системы песок/вода.

Пластичные жидкости в статических условиях ведут себя как твердые материалы, но при воздействии на них определенной силой они начинают течь. Минимальное усилие, которое необходимо прилоить к системе, чтобы она начала течь называется предельным напряжением сдвига (f’).

Томатный кетчуп является ярким примером пластичных жидкостей: пока бутылку с продуктом не потрясти или ударить по ней, кетчуп течь не будет. После преодоления критического напряжения сдвига пластичные жидкости могут вести себя как ньютоновские, псевдопластичные или дилатантные.

Тиксотропные и реопексные жидкости

Вязкость некоторых жидкостей, при постоянных окружающих условиях и скорости сдвига, изменяется со временем. Если вязкость жидкости со временем уменьшается, то жидкость называют тиксотропной, а если, наоборот, увеличивается, то – реопексной.

Оба поведения могут встречаться как вместе с вышеописанными типами течения жидкостей, так и только при определенных скоростях сдвига. Временной интервал может сильно варьироваться для разных веществ: некоторые материалы достигают постоянного значения за считанные секунды, другие – за несколько дней. Реопексные материалы встречаются довольно редко, в отличие от тиксотропных, к которым относятся смазки, вязкие печатные чернила, краски.

При изучении влияния двух параметров (времени и скорости сдвига) на вязкость материалов, для тиксотропных жидкостей будут получаться следующие кривые.

Нисходящая и восходящая кривые не совпадают и образуют «петлю гистерезиса», которая вызвана уменьшением вязкости жидкости при длительных деформациях. Это явление может быть обратимо или нет: некоторые системы могут обрести первоначальную вязкость после периода покоя, другие системы – никогда.

Более подробную информацию о реологических свойствах систем можно прочитать из буклета « More Solutions to Sticky Problems », который включен в комплект поставки вискозиметра.

Реологические свойства конкретных жидкостей устанавливаются экспериментальными методами. Измеряя реологические характеристики бурового раствора, можно определить, как этот раствор будет течь при различной температуре, давлении и скорости сдвига.

В язкость
Из всех реологических терминов самым распространенным является вязкость. Вязкостью в широком смысле может быть названа способность среды сопротивляться течению. В нефтяной промышленности используются следующие термины, связанные с вязкостью и другими реологическими характеристиками буровых растворов:

1. Условная вязкость /Funnelviscosity/ (сек/кварта или сек/л)
2. Кажущаяся вязкость /Apparentviscosity/ (сП или мПа с)
3. Эффективная вязкость /Effectiveviscosity/ (сП или мПа с)
4. Пластическая вязкость /Plasticviscosity/ (сП или мПа с)
5. Динамическое напряжение сдвига /Yieldpoint/ (фунты/100кв.футов или Па)
6. Вязкость при низкой скорости сдвига (ВНСС) /Low-Shear-RateViscosity/ (сП или мПа с)
7. Статическое напряжение сдвига /Gelstrengths/ (фунты/100кв.футов или Па).

Это важнейшие реологические характеристики, которыми оперируют при приготовлении и обработке буровых растворов.

Условная вязкость
Условная вязкость (FV) , как это описано в главе«Исследование свойств буровых растворов». Условная вязкость используется как относительный показатель состояния жидкости. Он не дает достаточной информации для определения реологических свойств или характеристик течения жидкости. Условная вязкость используется в промысловых условиях только как индикатор относительных изменений текучести раствора. Нельзя использовать условную вязкость в качестве критерия сравнения различных систем буровых растворов и нельзя назвать наилучшее ее значение для всех систем растворов - то, что хорошо работает водном случае, может не сработать в другом. Однако существует простое правило, применимое к глинистым буровым растворам:условная вязкость большинства глинистых растворов должна быть в четыре раза (или слегка меньше) больше плотности раствора(в фунтах/галлон). Есть, однако,исключения и для глинистых растворов, например, если требуется раствор с повышенной вязкостью. Кроме того, данное правило вообще не применимо к полимерным, инвертно-эмульсионным растворам (на углеводородной или синтетической основе).

Напряжение сдвига и скорость сдвига
Другим способом вязкость (µ)можно охарактеризовать как соотношение напряжения сдвига (τ) к скорости сдвига (γ)..По определению:

Понятия скорости и напряжения сдвига применяются ко всем потокам жидкости. В системе циркуляции скорость сдвига зависит от средней скорости жидкости в геометрии потока. Таким образом,скорость сдвига выше в малом пространстве (внутри бурильной колонны) и ниже в большом пространстве (напр., кольцевое пространство обсадной или водоотделяющей колонны). Более высокая скорость сдвига обычно вызывает более высокую противодействующую силу напряжения сдвига. Следовательно, напряжение сдвига в бурильной колонне (где скорость сдвига выше) превышает напряжение сдвига в кольцевом пространстве (где скорость сдвига ниже). Общие потери давления в системе циркуляции (давление нагнетания) обычно связываются с напряжением сдвига, а скорость закачки - со скоростью сдвига.Такое соотношение между скоростью и напряжением сдвига жидкости определяет свойства ее потока. На рис. 1 схематично изображены два слоя жидкости (Aи B), двигающиеся друг относительно друга под действием приложенной внешней силы.Во время течения жидкости в ней действует сила, которая сопротивляется течению. Эта сила называется напряжением сдвига .Ее можно представить как силу трения, которая возникает при движении двух слоев жидкости друг относительно друга. Так как сдвиг легче происходит между слоями жидкости, чем между внешним слоем жидкости и стенкой трубы, жидкость, соприкасающаяся со стенкой, не течет. Скорость движения одного слоя относительно другого называется скоростью сдвига. Таким образом,скорость сдвига (γ) является градиентом скорости.

Скорость сдвига (γ).вычисляется по формуле:

V1 = скорость слоя А (футы/с);
V2 = скорость слоя B (футы/с);
d = расстояние между слоями(футы).

Скорость сдвига (γ), с -1 , равна показанию вискозиметра, об/мин(ω), умноженному на 1,703. Этот коэффициент определяется геометрией внешнего и внутреннего цилиндра вискозиметра.

Напряжение сдвига
Напряжение сдвига (τ) - это сила, необходимая для поддержания скорости сдвига. В стандартных нефтепромысловых единицах напряжение сдвига измеряется как сила в фунтах на сто квадратных футов (фунт/100 кв.футов), необходимая для поддержания скорости сдвига. Показания по шкале вискозиметра Фанна (Θ), снятые при использовании стандартного цилиндра №1 как описано в главе «Исследование свойств буровых растворов», можно преобразовать в напряжение сдвига (τ), выраженное в фунтах/100 кв.футов, путем умножения показаний на 1,0678: τ(фунты/100 кв.футов) = 1,0678 х ΘПоказания вискозиметра часто используются для выражения напряжения сдвига в фунтах/100 кв.футов даже без указанного преобразования, так как разница сравнима с относительной ошибкой измерений. Для измерения вязкости бурового раствора используются различные вискозиметры. Вискозиметры Фанна и реометры сконструированы таким образом, чтобы облегчить использование реологических моделей. Вискозиметры также используются для измерения тиксотропных свойств или статического напряжения сдвига растворов.

Эффективная вязкость
Вязкость неньютоновской жидкости изменяется во время сдвига. Эффективная вязкость жидкости (µe) - это вязкость жидкости в определенных условиях. Эти условия включают скорость сдвига, давление и температуру.

Кажущаяся вязкость
Эффективная вязкость иногда называется кажущейся вязкостью (AV). Кажущаяся вязкость измеряется по показаниям вискозиметра при 300 об/мин (Θ300) или как половина значения при 600 об/ мин (Θ600). Следует отметить, что оба эти значения вязкости соответствуют формуле:

Пластическая вязкость
Пластическая вязкость (ПВ) в сантипуазах (сП) или миллипаскаль-секундах (мПа с) по формуле:

Пластическая вязкость - это та часть сопротивления течению, которая вызвана механическим трением. В первую очередь на нее влияют: концентрация твёрдой фазы;

• размер и форма твёрдой фазы;
• вязкость жидкой фазы;
• присутствие полимеров с линейным строением макромолекул и достаточно длинной молекулярной цепью (ЧГПА (Частично гидролизированный полиакриламид),ГЭЦ (гидроксиэтилцеллюлоза),ПАЦ (полианионная целюлоза), КМЦ (карбоксиметилцеллюлоза));
• соотношение углеводородная основа/ вода (O/W) или синтетическая основа/вода (S/W) винвертно-эмульсионных растворах;
• тип эмульгаторов в инвертно-эмульсионных растворах.

Особое внимание инженеру необходимо обращать на твердую фазу бурового раствора. Увеличение пластической вязкости может означать увеличение процентного содержания твёрдой фазы в растворе, уменьшение размера твёрдых частиц, изменение формы частиц или все вышеперечисленное. Любое увеличение площади поверхности приведет к росту пластической вязкости. Например, раскалывание твердой частицы пополам приведет к появлению двух частиц. При этом общая площадь поверхности будет больше, чем у исходной частицы. Плоская частица имеет большую площадь поверхности, чем сферическая частица того же объема. В первую очередь, однако, увеличение пластической вязкости является результатом увеличения процентного содержания твердой фазы. На это могут указать изменения плотности и/или результаты ретортного анализа раствора. Часть присутствующей в буровом растворе твердой фазы специально вводится в раствор. Бентонит, например, используется для увеличения вязкости (в данном выше широком смысле этого термина) и снижения водоотдачи,в то время как барит необходим для увеличения плотности раствора. Следует придерживаться следующего правила: вязкость бурового раствора не должна быть выше, чем это требуется для очистки ствола скважины от шлама и удержания в растворе барита во взвешенном состоянии. Если раствор не может выполнять эти функции, следует увеличить предельное динамическое напряжение сдвига и реологические параметры раствора при низких скоростях сдвига (показания вискозиметра при 6 и 3 об/мин),но не его пластическую вязкость. Присутствие выбуренной породы в буровом растворе отрицательно влияет на его реологические свойства и поэтому нежелательно. Частицы горной породы постоянно попадают в раствор во время бурения, вызывая общее увеличение концентрации твердой фазы. Если частицы быстро не удалить из раствора, то они будут продолжать делиться наиболее мелкие части, циркулируя в скважине и системе очистки. Если содержание выбуренной породы не контролировать и не удалять ее частицы из раствора, то возникнут проблемы с регулированием вязкости раствора. Содержание выбуренной породы в буровом растворе можно снизить до регламентируемого программой промывки скважины уровня тремя способами:

1. Механической очисткой раствора
2. Отстаиванием
3. Разбавлением или замещением загрязненного шламом раствора вновь приготовленным.

Пластическая вязкость бурового раствора зависит также от вязкости его жидкой фазы. По мере снижения вязкости воды с ростом температуры пропорционально снижается и пластическая вязкость раствора. Солесодержащие буровые растворы имеют более высокую пластическую вязкость,чем растворы на основе пресной воды. Нефть, будучи эмульгированной в буровой раствор на водной основе, проявляет себя как мехпримесь и увеличивает пластическую вязкость раствора.Полимеры, добавленные в раствор для поддержания его общей вязкости, снижения фильтрации и ингибирования глин, могут привести к увеличению пластической вязкости, особенно после первоначального добавления полимера. Полимеры с длинной молекулярной цепью (ПАЦ, ГЭЦ, КМЦ, обычно имеют маркировку ВВ (Высокая вязкость) или HV (Highviscosity)) особенно сильно влияют на пластическую вязкость. Модификации тех же полимеров с короткими молекулярными цепями, так называемые полимеры с низкой вязкостью (Обычно имеют маркировку НВ (Низкая вязкость) или LV (lowviscosity)), влияют на пластическую вязкость меньше. Увеличение пластической вязкости наиболее заметно сразу же после добавления в раствор полимеров. Поэтому не рекомендуется измерять вязкость раствора в приёмной емкости во время добавления полимеров. Обычно после нескольких циклов циркуляции пластическая вязкость и другие реологические параметры раствора снижаются и стабилизируются. Что касается инвертно-эмульсионных растворов на углеводородной или синтетической основе, их пластическая вязкость может быть отрегулирована изменением соотношения углеводородной основы и воды или синтетической основы и воды соответственно. В общем случае, чем выше соотношение углеводородной или синтетической основы и воды, тем ниже пластическая вязкость. Выбор первичного эмульгатора так же влияет на пластическую вязкость. Изменения пластической вязкости раствора могут значительно изменить давление в выкидной линии насоса. Это особенно существенно при бурении скважин с большим отходом забоя от вертикали, а также при бурении с использованием гибких труб, более длинных, но меньшего, чем в традиционном бурении, диаметра. В данных условиях минимизация пластической вязкости раствора крайне важна. Как правило,пластическая вязкость раствора всегда поддерживается на как можно более низком уровне, так как при уменьшении пластической вязкости долото обеспечивается большей гидродинамической энергией, эффективность очистки ствола скважины от выбуренной породы возрастает, уменьшается износ оборудования и экономится горючее. На практике, максимальное значение пластической вязкости не должно превышать удвоенное значение плотности раствора(фунты/галлон). В то же время выполнение данного требования может оказаться непростой задачей при использовании растворов высокой плотности. Большое объемное содержание твердой фазы (за счет материала-утяжелителя) делает такие растворы очень восприимчивыми к загрязнению частицами выбуренной породы. Пластическая вязкость дает достаточно точное представление о вязкости жидкости при прохождении через насадки долота.

Динамическое напряжение сдвига
Динамическое напряжение сдвига (ДНС) в фунтах на 100 квадратных футов (фунты/100 кв.футов) : ДНС (фунты/100 кв.футов) = 2 хΘ300 – Θ600 или ДНС (фунты/100 кв.футов) =Θ300 – ПВ или в паскалях: ДНС (Па) = 0,4788 х (2 х Θ300 –Θ600) или ДНС (Па) = 0,4788 х (Θ300 – ПВ) Динамическое напряжение сдвига, второй компонент сопротивления бурового раствора течению, выражает электро-химические силы или силы притяжения в жидкости. Эти силы возникают в результате отрицательных и положительных зарядов на поверхности или около поверхности частиц. Динамическое напряжение сдвига является мерой этих сил в условиях потока и зависит от: (1) свойств поверхности частиц в жидкости, (2) объемной концентрации твердой фазы и(3) электрической среды твердых частиц (концентрации и типов ионов в жидкой фазе). Высокое динамическое напряжение сдвига может являться причиной высоких значений вязкости. Это может быть вызвано:

1. Попаданием в раствор растворимых примесей, таких как соли, цемент, ангидрит или гипс, результатом чего является флокуляция частиц активной твёрдой фазы.
2. Размалыванием глинистых частиц долотом и бурильными трубами. При этом на сколах частиц создаются новые остаточные заряды (за счет нарушенных валентных связей),что способствует объединению частиц во флокулы (хлопья).
3. Вводом химически инертных материалов или попаданием в раствор инертных частиц выбуренной породы, в результате чего возрастает объемная концентрация твердой фазы раствора. Это приводит к сокращению расстояния между частицами и увеличению сил притяжения между ними.
4. Поступлением в раствор активных частиц выбуренной породы при прохождении интервалов отложений гидрофильных глин и сланцев, за счет общего увеличения концентрации в растворе твердой фазы и наличия некомпенсированных зарядов на вновь поступивших частицах. Недостаточной или избыточной
5. Обработкой раствора реагентами, образующими в растворе ионные пары, чье действие может увеличить силы притяжения между частицами активной твердой фазы.
6. Использованием биополимеров с разветвленным строением молекул

1. Избыточной обработкой растворов на углеводородной основе органофильной глиной или реологическими модификаторами. Динамическое напряжение сдвига - это та составляющая сопротивления течению, которую можно контролировать соответствующей химической обработкой бурового раствора. С уменьшением сил притяжения между частицами активной твердой фазы за счет химической обработки раствора снижается динамическое напряжение сдвига раствора и соответственно его кажущаяся вязкость. Динамическое напряжение сдвига бурового раствора на водной основе можно снизить следующими способами:
2. Нарушение валентных связей вследствие разрушения частиц глины может быть нейтрализовано адсорбцией на сколах частиц определенных анионных материалов -танинов и лигнитов, сложных фосфатов, лигносульфонатов, полиакрилатов с низкой молекулярной массой. В результате нейтрализации положительных зарядов на сколах, у глинистых частиц преобладает отрицательный заряд и, будучи одноименно заряженными, частицы отталкиваются друг от друга.
3. В случае загрязнения раствора кальцием или магнием, катионы этих металлов, способствующие увеличению сил притяжения между частицами активной твердой фазы, могут быть удалены в виде нерастворимого осадка. Таким образом, уменьшатся силы притяжения между частицами и соответственно динамическое напряжение сдвига раствора.
4. Для снижения динамического напряжения сдвига можно разбавить раствор водой, если концентрация твердой фазы не очень высока, иначе добавление воды будет неэффективным:ввод значительного количества воды изменит и другие параметры раствора, что может оказаться нежелательным и скажется, в конце концов, на стоимости раствора. Особенно это относится к утяжелённым растворам, у которых при добавлении воды увеличится водоотдача и снизится плотность, что приведет к необходимости их повторного утяжеления и химической обработки.В общем случае добавление анионных (отрицательно заряженных) реагентов в глинистые буровые растворы ведет к дефлокуляции твердой фазы и снижению вязкости, а добавление катионных (положительно заряженных) реагентов, наоборот,вызывает флокуляцию и повышает вязкость.Повысить динамическое напряжение сдвига можно путем добавления качественного коммерческого загустителя. Кроме того,любые вещества, вызывающие флокуляцию раствора, повышают ДНС. Например, добавление небольшого количества извести в раствор на основе пресной воды,содержащий достаточно гидратированный бентонит и другие глины, вызовет флокуляцию и,следовательно, повышение динамического напряжения сдвига.

Однако следует помнить, что флокуляция оказывает нежелательное воздействие на контроль фильтрации, давление циркуляции и СНС. Значения динамического напряжение сдвига диспергированныхлигносульфонатных растворов обычно поддерживается примерно на уровне плотности бурового раствора. Динамическое напряжение сдвига недиспергированных растворов с низким или минимальным содержанием твёрдой фазы может быть значительно выше, но плотность таких растворов редко превышает 14 фунтов/галлон (1,7 кг/л).Для снижения динамического напряжения сдвига инвертно-эмульсионных растворов могут использоваться смачивающие агенты или химические разжижители. Однако эти материалы иногдаснижают устойчивость растворов к выбуренной породе. Как правило, лучший способ понизить динамическое напряжение сдвиг а у инвертно-эмульсионных растворов - это увеличить соотношение углеводородная основа/вода или синтетическая основа/вода. По значению динамического напряжения сдвига часто судят о способности бурового раствора истончать сдвиг, удерживать во взвешенном состоянии материал-утяжелитель и очищать ствол скважины от выбуренной породы, однако это не всегда верно.Любая жидкость, ДНС которой выше нуля, в определенной степени способствует истончению сдвига. Жидкости с очень низким ДНС не удерживают утяжелители во взвешенном состоянии,но жидкости с высоким ДНС также могут не обладать этой способностью. Растворы СМС, полианионной целлюлозы (ПАЦ) и ГЭЦ в воде обладают динамическим напряжением сдвига, но они не удерживают утяжелитель во взвешенном состоянии в статических условиях. Измерения их напряжения сдвига при низкой скорости сдвига показывают, что их напряжение сдвига при скорости сдвига ноль с -1 равно нулю (0).Способность раствора удерживать во взвешенном состоянии барит в большей степени зависит от СНС, ВНСС и тиксотропных свойств жидкости.

Р еологические свойства растворов при низких скоростях сдвига и внсс
Развитие технологий направленного бурения, бурения с большим отходом забоя от вертикали и горизонтального бурения, а также использование биополимеров в составе буровых растворов существенно изменили представление о реологических параметрах растворов, необходимых для качественной очистки искривленного ствола скважины. В ходе проведения многочисленных лабораторных исследований и промысловых опытов было обнаружено, что показания вискозиметра Фанна при 3 и 6 об/мин имеют лучшую корреляцию с оценками качества очистки ствола скважины, чем значения динамического напряжения сдвига растворов. Кроме того, по результатам этих измерений можно оценивать способность растворов удерживать барит в динамических и статических условиях. Об этом подробнее рассказывается в главах, посвященных осаждению барита и очистке скважины от шлама. В дополнение к вышесказанному было обнаружено, что ВНСС, создаваемая сетью полимеров в системах с ксантановой смолой, способствуют значительному повышению качества очистки горизонтальных и наклонных участков ствола скважин и удержанию твердой фазы во взвешенном состоянии. при скорости сдвига 0,3 об/мин (эквивалент 0,037 об/мин на ротационном вискозиметре).

Рис. 2 демонстрирует тот факт,что растворы, имеющие практически одинаковые вязкости при 3 и 6 об/мин ротора вискозиметра Фанна, могут очень сильно различаться по значениям ВНСС. Эти реологические значения при низком сдвиге заполняют пробел между традиционными динамическими измерениями пластической вязкости и ДНС и статическими измерениями СНС.

Тиксотропия и статическое напряжение сдвига
Тиксотропия - это свойство некоторых жидкостей образовывать внутреннюю трехмерную структуру в статических условиях,которая разрушается при сдвиге. Большинство буровых растворов на водной основе проявляют тиксотропные свойства благодаря присутствию электрически заряженных твердых частиц или полимеров, способных образовывать внутреннюю структуру. после 10 секунд и 10 минут выдержки раствора в покое,а в критических ситуациях после 30 мин, с помощью вискозиметра Фанна отражают степень тиксотропности раствора. Величина статического напряжения сдвига зависит от содержания и типа твёрдой фазы бурового раствора, времени выдержки раствора в покое, его температуры и химической обработки. Иными словами,все, что способствует или препятствует сближению и флокуляции частиц, будет усиливать или ослаблять тенденцию к структурообразованию.Скорость образования и прочность внутренней структуры бурового раствора важны для удержания в растворе выбуренной породы и материала-утяжелителя. Требования к значениям статического напряжения сдвига исходят именно из удовлетворения данной способности бурового раствора. При этом избыточная прочность структуры раствора (т. е. выше необходимой для обеспечения удержания шлама и материала утяжелителя) недопустима. Избыточно высокое статическое напряжение сдвига бурового раствора является причиной следующих осложнений:

1. Удержания воздуха или пластового газа в растворе.
2. Избыточного давления на насосах и в скважине при восстановлении циркуляция раствора после спускоподъёмной операции.
3. Снижения эффективности работы оборудования системы очистки раствора.
4. Сильного поршневого эффекта(депрессии) в кольцевом пространстве скважины при подъеме бурильной колонны.
5. Высокой репрессии на стенки скважины при спуске бурильной колонны.
6. Невозможности спуска геофизического оборудования до забоя.

Прогрессирующее или мгновенное структурообразование может указывать на наличие проблем в системе раствора. Большая разница между начальными показаниями СНС и показаниями через 10 или 30 мин называется прогрессирующим структурообразованием и свидетельствует оскоплении твердой фазы. Если начальное значение СНС и значение через 10 мин являются высокими и разница между ними невелика, то это говорит о мгновенном структурообразовании и может указывать на то, что произошла флокуляция. В системах с ксантановой смолой в основном значения СНС высокие и плоские, но причина заключается в образовании полимерной сети. Помимо этого, структурообразование биополимерные системы на основе ксантановой смолы также является хрупким, и структура легко разрушается. Хрупкое структурообразование характерно для полимерных буровых растворов. На Рис.3 представлены различныетипыструктурообразования в буровых растворах.

Статическое и динамическое напряжение являются мерой сил притяжения в растворе. Начальное статическое напряжение сдвига характеризует статические силы притяжения, а динамическое напряжение сдвига- динамические. Следовательно,при избыточном начальном СНС применяется та же обработка, что и при избыточном ДНС. Жидкости с тиксотропной структурой обладают своеобразной «памятью», что следует учесть при исследовании реологических свойств буровых растворов. Если жидкость пробыла в состоянии покоя в течение определенного времени перед измерением напряжения сдвига при определенной скорости сдвига, потребуется определенное время при заданной скорости сдвига прежде, чем можно будет измерить уравновешенное напряжение сдвига. Все связи между частицами, которые могут быть разрушены при данной скорости сдвига, должны быть разрушены,иначе измеренное напряжение сдвига окажется выше, чем истинное уравновешенное напряжение сдвига. Необходимое время зависит от внутренней структуры образца. После измерения при 600 об/мин и снижения скорости сдвига до 300 об/мин жидкость «помнит»свое состояние при 600 об/мин.Требуется некоторое время для того, чтобы восстановились некоторые связи между частицами,которые могут существовать при пониженной скорости сдвига,прежде чем можно будет измерить истинное уравновешенное напряжение сдвига. Такое напряжение сдвига сначала будет слишком низким, но постепенно увеличится и достигнет равновесия. Первое измеренное значение напряжения сдвига при любой скорости сдвига является функцией непосредственной истории сдвига данного образца. Если начальное СНС раствора измеряется непосредственно после его сдвига при 600 об/мин, показанное значение будет ниже, чем истинное напряжение сдвига раствора. Так как образование или разрушение гелевой структуры зависит от времени, существует множество путей перехода от одной скорости сдвига к другой. Это показано на Рис.4.

Сплошная кривая соответствует равновесным условиям замеров - в каждой ее точке достигнуто устойчивое значение показаний вискозиметра. Если в точке A начать быстро снижать скорость сдвига, то реологическая кривая течения во всех точках(кроме A) окажется ниже, чем равновесная кривая.Если теперь вискозиметр остановить и подождать некоторое время, пока в растворе образуется достаточно прочная структура,то включив вискозиметр при минимальной скорости, получим точку B, лежащую выше равновесной кривой. Быстро увеличивая скорость сдвига, получим новую реологическую кривую, все точки которой находятся выше равновесных значений. Достигнув точки C можно дождаться снижения показаний до равновесного значения в точке A.Кривой ВС можно следовать,если раствор плохо обработан. Это приведет к значительному увеличению давления циркуляции. Для достижения точки равновесия А может потребоваться длительное время. Правильно обработанные растворы следуют по более короткому пути для достижения равновесия, что приводит к более низкому давлению закачки.

Влияние температуры и давления на вязкость раствора
Увеличение температуры и давления влияет на вязкость жидкой фазы буровых растворов. Этот эффект сильнее сказывается на инвертно-эмульсионных растворах, чем на растворах на водной основе. Минеральные и синтетические масла разжижаются при повышении температуры более интенсивно, но при этом различные системы растворов на углеводородной и синтетической основе поразному реагируют на изменение температуры.Растворы на водной основе являются почти идеальными с гидродинамической точки зрения жидкостями, т.к. они практически несжимаемы. Растворы на углеводородной или синтетической основе, напротив, в той или иной степени подвержены сжатию под давлением. Их способность сжиматься варьируется в зависимости от основы раствора, соотношения углеводородная основа/вода или синтетическая основа/вода, а также от используемых добавок.В особенно сложных условиях бурения необходимо учитывать влияние температуры и давления на параметры бурового раствора.Это влияние на вязкость раствора можно определить с помощью ротационного вискозиметра высокого давления и температуры, такого как FannModel 50 (для растворов на водной основе), FannModel 70/75 или HuxleyBertram(для растворов на углеводородной или синтетической основе).Методика API для определения влияния температуры и давления

Температурная константа (β) для каждого раствора должна определятся для каждой скорости сдвига.

Константа давления (α) должна определятся для каждого бурового раствора.

Областью механики, изучающей особенности деформации и течения реальных сплошных сред, одни из представителей которых - неньютоновские жидкости, имеющие структурную вязкость, выступает реология. В данной статье рассмотрим реологические свойства станет понятно.

Определение

Типичная неньютоновская жидкость - это кровь. Плазмой ее называют, если она лишена форменных элементов. Кровяной сывороткой является плазма, в которой отсутствует фибриноген.

Гемореология, или реология, изучает механические закономерности, в особенности как изменяются физколлоидные свойства крови при циркуляции с различной скоростью и на разных участках русла сосудов. Ее свойства, кровеносного русла, сократительная способность сердца определяют движение крови в организме. Когда линейная скорость течения мала, кровяные частицы смещаются параллельно оси сосуда и друг к другу. В таком случае у потока слоистый характер, а течение называется ламинарным. Так в чем же заключаются реологические свойства? Об этом - далее.

Что такое число Рейнольдса?

В случае увеличения линейной скорости и превышения определенной величины, различной для всех сосудов, ламинарное течение превратится в вихревое, беспорядочное, называемое турбулентным. Скорость перехода ламинарного движения в турбулентное определяет число Рейнольдса, составляющее для кровеносных сосудов приблизительно 1160. По данным о числах Рейнольдса, турбулентность может быть только в тех местах, где ветвятся крупные сосуды, а также в аорте. По многим сосудам жидкость движется ламинарно.

Скорость и напряжение сдвига

Не только объемная и линейная скорость кровотока имеют значение, еще два важных параметра характеризуют движение к сосуду: скорость и напряжение сдвига. Напряжением сдвига характеризуется сила, действующая на единицу сосудистой поверхности в тангенциальном направлении к поверхности, измеряемая в паскалях или дин/см 2 . Скорость сдвига измеряют в секундах обратных (с-1), а означает она величину градиента скорости движения между движущимися параллельно слоями жидкости на единицу расстояния между ними.

От каких показателей зависят реологические свойства?

Отношение напряжения к скорости сдвига определяет вязкость крови, измеряемую в мПас. У цельной жидкости вязкость зависит от диапазона скорости сдвига 0,1-120 с-1 . Если скорость сдвига >100 с-1 , вязкость изменяется не так выраженно, а по достижении скорости сдвига 200 с-1 почти не меняется. Величина, измеренная при высокой скорости сдвига, называется асимптотической. Принципиальные факторы, которые влияют на вязкость, - это деформируемость элементов клеток, гематокрит и агрегация. А с учетом того, что эритроцитов по сравнению с тромбоцитами и лейкоцитами гораздо больше, их в основном определяют красные клетки. Это отражается на реологических свойствах крови.

Факторы вязкости

Самый главный определяющий вязкость фактор - объемная концентрация эритроцитов, их средний объем и содержание, это называется гематокритом. Он составляет приблизительно 0,4-0,5 л/л и определяется центрифугированием из пробы крови. Плазма - это жидкость ньютоновская, вязкость которой определяет состав белков, и зависит она от температуры. На вязкость больше всего влияют глобулины и фибриноген. Некоторые исследователи считают, что более важный фактор, который ведет к изменению вязкости плазмы, - это соотношения белков: альбумин/фибриноген, альбумин/глобулины. Увеличение происходит при агрегации, определяемое неньютоновским поведением цельной крови, что обусловливает агрегационная способность эритроцитов. Агрегация эритроцитов физиологическая является обратимым процессом. Вот что это такое - реологические свойства крови.

Образование эритроцитами агрегатов зависит от факторов механических, гемодинамических, электростатических, плазменных и других. В наше время существует несколько теорий, которые объясняют механизм эритроцитной агрегации. Наиболее известна сегодня теория мостикового механизма, по которой мостики из крупномолекулярных белков, фибриногена, Y-глобулинов адсорбируются на поверхности эритроцитов. Сила агрегации чистая - это разность между сдвиговой силой (вызывает дезагрегацию), слой электростатического отталкивания эритроцитов, которые заряжены отрицательно, силой в мостиках. Механизм, отвечающий за фиксацию отрицательно заряженных макромолекул на эритроцитах, то есть Y-глобулина, фибриногена, пока еще не совсем понятен. Существуем мнение, что молекулы сцепляются благодаря дисперсным силам Ван-дер-Ваальса и слабых водородных связей.

Что помогают оценить реологические свойства крови?

По какой причине происходит агрегация эритроцитов?

Объяснение агрегации эритроцитов также объясняют истощением, отсутствием высокомолекулярных белков близко к эритроцитам, в связи с чем появляется взаимодействие давления, по природе схожее с давлением макромолекулярного раствора осмотическим, приводящим к сближению частиц суспендированных. К тому же существует теория, связывающая агрегацию эритроцитов с эритроцитарными факторами, приводящими к уменьшению дзета-потенциала и изменению метаболизма и формы эритроцитов.

Из-за взаимосвязи вязкости и агрегационной способности эритроцитов, чтобы оценить реологические свойства крови и особенности движения ее по сосудам, нужно провести комплексный анализ данных показателей. Один из самых распространенных и вполне доступных методов для измерения агрегации - это оценка скорости эритроцитной седиментации. Однако традиционный вариант этого теста малоинформативен, поскольку в нем не учитываются реологические характеристики.

Методы измерения

Согласно исследованиям реологических кровяных характеристик и факторов, которые на них влияют, можно заключить, что на оценку реологических свойств крови влияет агрегационное состояние. В наше время исследователи уделяют больше внимания на изучение микрореологических свойств этой жидкости, однако и вискозиметрия также актуальности не утратила. Основные методы для измерения свойств крови можно условно разделить на две группы: с полем напряжений и деформаций однородным - конусплоскость, дисковые, цилиндрические и прочие реометры, имеющие различную геометрию рабочих частей; с полем деформаций и напряжений относительно неоднородным - по регистрационному принципу акустических, электрических, механических колебаний, приборы, которые работают по методу Стокса, капиллярные вискозиметры. Так измеряются реологические свойства крови, плазмы и сыворотки.

Два типа вискозиметров

Самое большое распространение сейчас имеют два типа и капиллярные. Также применяются вискозиметры, внутренний цилиндр которых плавает в жидкости, которая испытывается. Сейчас активно занимаются различными модификациями ротационных реометров.

Заключение

Стоит также отметить, что заметный прогресс развития реологической техники как раз и позволяет изучать биохимические и биофизические свойства крови, чтобы управлять микрорегуляцией при метаболических и гемодинамических расстройствах. Тем не менее актуальна на данный момент разработка методов для анализа гемореологии, которые бы объективно отражали агрегационные и реологические свойства ньютоновской жидкости.

Отчетность