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.

Вязкость жидкости. Вязкость крови

За счет сил взаимодействия между молекулами реальной жидкости при ее течении возникают силы трения, которые направлены по каса­тельной к поверхности перемещающихсяслоев. Эти силы определяютвнутреннее трение или вязкость жидкости . Наличие сил внутреннего трения в жидкости приводит к тому, что ее различные слои движутся с различными скоростями. На рис.9 представлен случай, когда для самого верхнего слоя жидкости помеха его движению минимальна, а для нижнего - максимальна (например, течение в реке).

В вязкой жидкости существует перепад скоростей ее движущихся слоев вдоль оси x , перпендикулярной направлению движения жидкости. Для частного случая, показанного на рис.9, этот перепад осуществляется по линейному зако­ну. Количественно величина различий в скорости движе­ния слоев жидкости характе­ризуется градиентом скорос­ти d v /dx , называемым также скоростью сдвига . Чем выше скорость сдвига, тем больше и сила трения между слоями движущейся жидкости. Эта сила F тр пропорциональна площади соприкосновения S движущихся слоев жидкости и зависит от величины взаимодействия между ее молекулами. Из этих соображений вытекает формула Ньютона , определяющая силу внутреннего трения:

Рис. 9

F тр = h S . (12)

Коэффициент h , зависящий от свойств жидкости и температуры, назы­вают коэффициентом внутреннего трения или вязкостью или динамичес­кой вязкостью.

Единицей вязкости в Международной системе является паскаль-секунда (Па×с). Применяется и внесистемная единица вязкости - пуаз (П), причем,
1Па×с = 10П.

Если в движущейся жидкости ее вязкость не зависит от градиен­та скорости, то такие жидкости называют ньютоновскими . К ним отно­сятся однородные жидкости. Когда жидкость неоднородна, например, состоит из сложных и крупных молекул, образующих сложные прост­ранственные структуры, то при ее течении вязкость зависит от гра­диента скорости. Такие жидкости называют неньютоновскими . Кровь является типичной неньютоновской жидкостью , так как она представля­ет собой взвесь форменных элементов (эритроциты, лейкоциты и др.) в плазме. Это значит, что из-за различных градиентов скорости, ре­ализующихся в движущейся крови, ее вязкость в различных участках сосудистой системы может изменяться.

Вязкость воды при температуре 20 о С составляет 1мПа×c или 1сП (сантипуаз), а вязкость крови в норме - 4-5 мПа×с. При различных патологиях значения вязкости крови могут изменяться от 1,7 до 22,9 мПа×с. Отношение вязкости крови к вязкости воды называютотноси­тельной вязкостью крови.

Следует подчеркнуть, что приведенные численные значения ха­рактеризуют среднюю вязкость крови в крупных кровеносных сосудах , или вязкость проб крови вне организма , измеренную капиллярными ме­тодами (см.1.6). Неоднородность структуры крови, специфика строения и разветвления кровеносных сосудов приводит к довольно сложному распределению вязкости крови, движущейся по сосудистой системе. Проанализируем основные факторы, влияющие на вязкость крови в жи­вом организме.

а) Температура . Влияние температуры на вязкость движущейся по сосудистой системеньютоновской жидкости достаточно тривиально. С ее повышением она уменьшается. Должна уменьшаться и вязкость крови. По-видимому, это могло бы несколько уменьшить нагрузку на сердце при развитии в организме патологических процессов, сопровождающихся повышением температуры тела как защитной реакции организма. Однако, следует учесть, что изменение температуры может приводить к изменению степени агрега­ции эритроцитов и вызывать другие изменения в структуре крови. Поэтому температурные изменения вязкости при патологических процес­сах отличаются большой сложностью. Воздействие температурного фак­тора на вязкость крови необходимо учитывать и при лечебных воз­действиях, в частности, при использовании для лечения ряда заболе­ваний гипертермии - повышения температуры всего тела или отдельных его частей за счет нагревания различными методами.

б) Гематокрит . Этот показатель представляет собой отношение суммарного объема эритроцитов (V эр ) к объему плазмы крови (V пл ), в котором они содержатся. В норме V эр /V пл » 0,4. Оказывается, что с повышением гематокрита вязкость крови возрастает. Увеличение гема­токрита может происходить из-за увеличения концентрации эритроци­тов, их агрегации и возрастания размеров. Вязкость венозной крови выше потому, что в венозной крови повышено содержание углекислого газа. Из-за этого эритроциты венозной крови имеют размеры большие, чем артериальные, и другую форму. В результате увеличивается гема­токрит и возрастает вязкость.

в) Скорость сдвига (градиент скорости) . Линейная скорость крови и диаметры кровеносных сосудов в различных участках сосудис­той системы изменяются очень сильно. Следовательно, существенно отличаются и скорости сдвига в потоке движущейся крови. Поскольку кровь является неньютоновской жидкостью, то и ее вязкость, завися­щая от скорости сдвига, будет различной в разных отделах системы кровообращения.

Считается, что во многих крупных кровеносных сосудах скорость сдвига близка к 1000 с -1 . В этом случае проявление неньютоновского характера движения крови незначительно, и ее вязкость соответству­ет приведенным выше значениям 4-5 мПа×с в норме. Однако, при уменьшении скорости сдвига в мелких кровеносных сосудах эффектив­ная вязкость постепенно возрастает, причем, при скоростях сдвига, меньших 1 с -1 , этот рост происходит весьма резко.

г) Организация эритроцитов в потоке крови. Существуют доволь­но сложные и не до конца выясненные механизмы, приводящие к сниже­нию вязкости движущейся крови. Они связаны со специфической пе­рестройкой эритроцитов в плазме. Если бы по сосуду двигалась одно­родная ньютоновская жидкость, то скорость ее частиц по оси сосуда была бы максимальной, а у стенок - минимальной (см.рис.10). Соеди­няя концы векторов скорости различных частиц жидкости, получим линию - профиль скорости. Для ньютоновской жидкости он имеет вид па­раболы. В движущейся крови профиль скоростей существенно "уплощает­ся", т.е. скорости дви­жения частиц по центру сосуда и у ее краев от­личаются не так уж силь­но. Это происходит по нескольким причинам. Считается, что при дви­жении эритроцитов с по­током плазмы возникает их продольная ориентация в соответствии с направ­лением движения. У стенки сосуда образуется тонкий пристеночный слой плазмы крови, не содержащий эритроцитов и обладающий понижен­ной вязкостью. В итоге, эритроциты, как бы "построившиеся" друг за другом, продвигаются по сосуду в оболочке из плазмы. Это явления приводят к уменьшению вязкости крови и облегчают ее движение, осо­бенно, в мелких кровеносных сосудах.

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.

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 учение о текучести материалов. Текучесть жидкости измеряется вязкостью, текучесть твердых веществ - ползучестью (крипом) и вязкоэластичностью.

Вязкость

Когда вещество течет под воздействием прилагаемой к нему нагрузки (например, сил гравитации), молекулы или атомы начинают контактировать с соседними атомами или молекулами. Таким образом, имеющиеся связи могут распадаться и образовываться снова, оказывая сопротивление течению. Это сопротивление течению и называется вязкостью.

Для таких жидкостей, как вода, силы связи между молекулами очень малы и легко преодолеваются, поэтому вода легко течет под воздействием сил, прилагаемых извне, и вязкость ее невысока. У некоторых других жидкостей силы межмолекулярного взаимодействия будут намного выше. Обычно такие силы ассоциируются с крупными молекулами, например, молекулами такого известного вещества, как патока. Молекулы в подобных веществах могут переплетаться друг с другом, что делает жидкость очень вязкой.

Рис. 1.8.1. Сдвиг слоя жидкости толщиной d, расположенного между двумя твердыми пластинами. Для движения верхней подвижной пластины относительно неподвижной нижней со скоростью V необходимо приложить силу F для преодоления сопротивления данного слоя жидкости

Эти явления наблюдаются у полимеров с высокой молекулярной массой.

Когда мы перемешиваем жидкость, мы прикладываем усилия, которые создают в жидкости напряжения сдвига, чем энергичнее перемешивается жидкость, тем выше скорость сдвига. Эта ситуация графически показана на Рис. 1.8.1. Напряжение и скорость сдвига определяются соотношениями:

Напряжение сдвига = r\s = F/A

Скорость сдвига = е = V/d

Существует ряд методов измерения напряжения сдвига путем оценки ряда скоростей сдвига для данной жидкости. По значениям скоростей сдвига, полученным экспериментальным путем, строят график в координатах напряжение сдвига - скорость сдвига. Зависимость между напряжением и скоростью сдвига для многих жидкостей является линейной. На Рис. 1.8.2 представлена типичная кривая для такой жидкости. Угол наклона кривой равен вязкости, т), определяемой по формуле: Т| = напряжение сдвига/скорость сдвига. Единицами измерения вязкости являются Паскаль секунды (Пах).

Вещества, для которых соотношение между напряжением и скоростью при сдвиге носит линейный характер, имеют один показатель вязкости для всего диапазона скоростей сдвига, и проявляют «ньютоновские » свойства текучести. Однако линейное соотношение наблюдается далеко не у всех материалов, некоторые имеют другие отличные характеристики, представленные на Рис. 1.8.3.

Рис. 1.8.2. Зависимость напряжения сдвига от скорости для ньютоновской жидкости

Рис. 1.8.3. Графическое представление реологических свойств ряда жидкостей

Жидкости с пластической характеристикой не будут течь, пока приложенное начальное напряжение сдвига не достигнет определенной величины. После этого течение жидкости будет соответствовать ньютоновскому поведению.

У дилатантных (расширяющихся) жидкостей при повышении скорости сдвига будет увеличиваться вязкость. Это означает, что чем быстрее мы будем перемешивать жидкость, тем труднее будет проводить этот процесс. Текучесть таких жидкостей невозможно характеризовать одним единственным показателем вязкости.

Для некоторых жидкостей увеличение скорости сдвига не приводит к соответствующему повышению напряжения сдвига. Это означает, что увеличение скорости сдвига облегчает перемешивание таких веществ, что отличает их от «ньютоновских» или дилантатных жидкостей. Подобное поведение жидкости называют псевдопластическим, оно приводит к распространенному явлению, называемому «разжижением вещества». Примером псевдопластического вещества стоматологического назначения является силиконовый оттискной материал, который за счет разжижения при увеличении скорости сдвига будет значительно легче вытекать из шприца, чем вещество, не обладающее псевдопластичностью.

Тиксотропия

До настоящего момента полагали, что если известны значения напряжения и скорости сдвига в данный момент времени, то можно определить вязкость. Для некоторых веществ при определенной скорости сдвига вязкость будет меняться, и если построить график в системе координат «напряжение сдвига - скорость сдвига», то можно увидеть картину, представленную на Рис. 1.8.4.

Рис. 1.8.4. Характеристика тиксотропного поведения жидкостей

В этом случае, вязкость, наблюдаемая при повы шении скорости сдвига, отличается от таковой, при снижении этой скорости. Подобное явление называется гистерезисом. В таких случаях вязкость жидкости зависит от предшествующих деформаций, которым эта жидкость ранее подвергалась.

Этот тип поведения жидкости наблюдается в тех случаях, когда в результате перемешивания в ней произошло перераспределение молекул, и при этом молекулам не хватило времени снова вернуться к своему нормальному положению, имевшему место до перемешивания. Таким образом, чем дольше перемешивать жидкость с заданной скоростью сдвига, тем ниже будет напряжение сдвига, тем меньше будет вязкость этой жидкости. Однако если жидкость после перемешивания оставить на какое-то время, молекулы вернутся к своему нормальному распределению, и тогда весь процесс можно будет проводить снова. Такой тип поведения жидкости называется тиксотропным. Примером тиксотропной жидкости являются красители, не стекающие с кисти художника.

Клиническое значение

Реологические свойства материалов имеют большое значение потому, что они существенным образом определяют технологические характеристики материала.

Вязкоэластичность

Многие материалы по физическим свойствам находятся где-то посередине между вязкой жидкостью и упругим твердым телом. Считается, что у упругого твердого материала соотношение между напряжением и деформацией не зависит от каких бы то ни было динамических факторов, таких, как скорость приложения нагрузки или скорость деформации. Однако если материал нагружен в течение достаточного времени, в некоторых твердых веществах под воздействием нагрузок происходит перераспределение молекул, что приводит к изменению величины деформации материала. После снятия нагрузки, материал не способен сразу же вернуться в исходное состояние. Это означает, что поведение материала зависит от таких факторов, как «длительность нагрузки» и «величина прилагаемой нагрузки».

Простым и эффективным способом наглядного представления этих свойств является использование модели, основанной на комбинации пружины и масляного амортизатора, представляющей собой устройство для поглощения энергии удара. Пружина играет роль упругого элемента, а масляный амортизатор - вязкого. Изменение деформации этой модели со временем представлено на Рис.1.8.5. Для пружины приложение нагрузки приведет к моментальной деформации, которая будет сохраняться в течение всего времени действия нагрузки. Сразу же после снятия нагрузки пружина вернется в исходное состояние за счет сил упругости. Для масляного амортизатора, напротив, приложение нагрузки приведет к постепенному нарастанию деформации в течение всего времени

действия нагрузки. После снятия нагрузки деформация не исчезнет, и масляный амортизатор останется в новом положении.

Рис. 1.8.5. Графическая характеристика упругого поведения пружины и вязкого масляного амортизатора

При параллельном соединении этих двух элементов можно получить простую модель вязкоэластичности. Реакция такой модели на нагрузку представлена на Рис. 1.8.6. В этой модели масляный амортизатор препятствует резкой деформации упругой пружины. При этом деформация масляного амортизатора постепенно позволяет пружине приближаться к желаемому состоянию деформирования. При снятии нагрузки, масляный амортизатор препятствует возвращению пружины в исходное состояние, которое, в конце концов, может быть достигнуто через определенное время.

Рис. 1.8.6. Вязкоэластичное поведение пружины и амортизатора, соединенных параллельно

Вязкоэластичными свойствами обладает группа эластомерных оттискных материалов. Кривая в координатах «деформация-время» для эластомеров и отвечающая ей модель, основанная на упругом, вязком и вязкоэластичном элементах, представлена на Рис. 1.8.7. Для того, чтобы избежать избыточной постоянной деформации этих материалов, их не следует нагружать дольше положенного времени. По этой причине эластомерный оттискной материал удаляют из полости рта коротким резким рывком. Чем быстрее будет приложена и снята нагрузка, тем более упругой будет реакция материала.

Рис. 1.8.7. Вязкоэластичная модель реологического поведения полностью отвержденного эластомерного оттискного материала.

Нагрузка, приложенная в момент to приводит к мгновенному растяжению пружины А, а деформация пружины D запаздывает из-за противодействия амортизатора С. Через некоторое время амортизаторы С и В срабатывают и приводят к дальнейшей деформации. В момент t1 нагрузка снимается, пружина А мгновенно возвращается в исходное состояние. Амортизатор С препятствует возвращению пружины D в исходное состояние. Постепенно к моменту t2 пружина возвращается к своей первоначальной длине. Некоторая величина остаточной деформации сохраняется, так как поршень масляного амортизатора В не вернулся в свое исходное положение

Клиническое значение

Некоторые материалы по своим свойствам занимают промежуточное положение между жидкостью и твердым телом, что обуславливает их склонность к деформации.

Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт