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1 液体的流变特性.doc

1 液体的流变特性

ipnt
2013-01-21 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《1 液体的流变特性doc》,可适用于工程科技领域

第一章液体的流变特性非牛顿流体的流变方程第一节概论液体区别于固体的主要特征就是液体具有流动性。这就是说很小的力就能使液体发生变形而且只要力作用的时间相当长很小的力就能使液体发生很大的变形。液体在流动和变形过程中所呈现出的各种特性如塑性粘度动切应力、表观粘度、切力和角变性等性能都属于流变性。这些性能对钻井速度、压力损耗、排量大小、岩屑的携带、井下安全等都有着十分密切的关系因此研究与控制液体的流变性是钻井工作(特别是泥浆工作)的重要内容。泥浆流变学是专门研究泥浆变形流动的一门科学。它与作用力及时间等因素有密切关系如泥浆的流动涉及到作用力的大小及作用力历程例如静止时间、搅拌时间、开始加作用力或加作用力一段时间以后其流变性是不相同的。所以流变性实际包括作用力、流动状况以及作用力作用的时间历程因而严格的定义应该是研究某一瞬间泥浆所受到的作用力及它的流动状况。泥浆受到一定的作用力就流动但由于作用力大小不同流动速度不同其流动状态、流变性也不同。例如一个比较平缓宽阔的河床河水平稳而缓慢的向前流动清澈透明见底这种流动水流质点是规则成层的向前流动在流态上称为层流。假如流经一较狭窄的河谷水流速度加快有一定的波纹但水还是清亮的这时是层流向紊流转化称为过渡流。当流经狭窄而地形险恶的山峡水流质点受周围岩石激烈冲击河流波浪翻滚呈现白色不透明状态质点呈现完全不规则运动这时称紊流。描绘液体流态最科学的方法是采用流变性曲线在平面直角坐标上以剪切应力与剪切速率的关系所作出的关系曲线。当液体以层流状在槽中流动时处于槽边的液体基本是静止的离槽边近的液体流速较小而靠近槽中心流速最大其流速分布如图所示。在垂直于流速方向上的一段无限近的距离dx内流速由u变到,则比值表示在垂直于流速方向上的单位距离内的流速的增量称为速度梯度又称剪切速度。单位为(厘米秒)厘米=秒。钻井过程中的泥浆循环由于各部位的流速不同其速梯(剪切速率)也不同。大体数据为沉砂池处速梯为~秒环形空间内速梯为~秒钻杆内速梯为~秒钻头水眼速梯为~秒液体流动时由于各层流速不同则液层间相互发生内摩擦阻碍液层的相对运动。液体流动时产生内摩擦阻滞液体作相对运动的这种特性称为液体的粘滞性。实验证明在定温下液体层与层之间的内摩擦力(F)不仅取决于液体的性质还与液层间的接触面积(A)和速度梯度成正比。即写成等式为:()式中比例常数称为粘滞系数简称粘度。令代入()式则得:()表单位面积上的内摩擦力称为切应力单位为达因厘米从()式可以看出即粘滞系数代表单位速度梯度的切应力。的单位为=达因秒厘米达因●秒厘米称为泊。对于同一液体速度梯度越大单位面积上产生的内摩擦力也越大但单位速度梯度的切应力则是个常数。对于不同液体大者表示单位速度梯度的切应力大即在相同速度梯度时它能产生较大的内摩擦力亦即粘滞性较大。所以粘滞系数是量度液体粘滞性大小的物理参数。()式称为液体的内摩擦定律。它只适用于牛顿液体即不具有结构的液体对于泥浆则不适用。遵守牛顿内摩擦定律的液体称为牛顿液体不遵守牛顿内摩擦定律的液体称非牛顿液体。液体的流动特性可用流变曲线来表示。所谓流变曲线就是速度梯度切应力关系曲线。如牛顿液体的流变曲线如图所示。直线斜率的倒数代表其粘度即显然越小也越小越大即小表示粘度大如图中液体的粘度比液体的粘度高。第二节液体的流型及其流变方程用旋转粘度计测定各种液体的流变曲线通常将液体分为四种基本类型(见图):一、牛顿流型如水、汽油、煤油、低分子化合物都属于这种类型。它的流型曲线为通过原点的直线。其流动特征是在很小的应力作用下就可以流动液流的速度梯度与切应力成正比即这类液体的流动遵从牛顿内摩擦定律。在层流范围内粘度不随切应力或速度梯度变化是个常量。其粘度是图中直线斜率的倒数。二、塑性流型一般泥浆属于这种类型。塑性液体不同于牛顿液体当所加的切应力低于静切应力时塑性液体的内部不发生相对运动而象固体一样。只有当切应力超过静切应力时塑性液体才开始流动初期切应力与速度梯度成曲线关系(见图)。当切应力达到一定程度后切应力与速度梯度成直线关系。该直线斜率的倒数称为塑性粘度又称结构粘度常用表示。直线的延长线在切应力轴上的交点称为动切应力有的文献称作屈服值塑性粘度和动切应力是泥浆的两个重要参数。静切应力是指要使静止的朔性液体开始运动时破坏其单位面积上的网状结构所需要的切力。它常用于分析塑性液体由静止状态发展到运动状态的转变过程。动切应力是指塑性液体在流动时需要经常克服的而与朔性粘度和速度梯度无关的那一部分定值切应力。动切应力常用于分析塑性液体的流动问题。当朔性液体的流速大到一定程度时它的流变方程常可以用宾汉公式表示为:()或()式中:切应力动切应力塑性粘度或结构粘度速度梯度或剪切速率凡是流变规律符合上式的液体叫做宾汉液体。塑性液体的流变性之所以不同于牛顿液体是与其内部结构密切相关。例如:钻井泥浆中由于固体颗粒形状的不规则和表面性质的不均匀使得颗粒之间相互粘结形成絮凝网状结构。在低的速度梯度范围内网状结构的拆散程度随着切应力的增大而增大所以泥浆的粘性随着切应力的增大而降低如图中的曲线部分。随着网状结构拆散程度的增大可供拆散的网状结构逐渐减少拆散速度逐渐减小同时由于被拆散的结构多了它们之间再碰到一起而重新恢复网状结构的机会也就多了于是网状结构的恢复速度增大。当达到一定的速度梯度后网状结构的拆散速度等于其恢复速度而变化则泥浆的粘性也不随切应力的增大而变化因此作为塑性液体的泥浆有一个稳定的塑性粘度如图中所示的直线部分。由于塑性液体的动切应力和塑性粘度不随切应力和速度梯度而变化即对于给定的塑性液体来说和分别为定值因此人们常把它们作为反映塑性液体流变性的两个重要参数。另外还有一种表征非牛顿液体流变性的简便方法就是使用视粘度来表示。视粘度又称为表观粘度或有效粘度。它是仿照牛顿内摩擦定律取切应力与切应变的比值即()式中视粘度显然视粘度是随切应力和切应变而变化。如图所示a点的视粘度:b点的视粘度:对于塑性液体来说一般可以将视粘度表示为()从上式可以看出塑性液体的视粘度是由动切应力、塑性粘度和速度梯度三个参数决定的。而对于给定的塑性液体来说和分别为定值所以视粘度随着速度速度梯度增加而降低为一变数。使用视粘度的优点是在一定条件下用它表示比较简单、方便但缺点是它把表征塑性液体流变性的两个意义不同的参数(动切应力塑性粘度)混在一起了。漏斗粘度计所测的结果就是反映这种粘度。由于塑性液体的流变性不同于牛顿液体所以它的流动状态也和牛顿液体的不同。塑性液体具有结构流和紊流两种流动状态。今以宾汉液体在圆管中的流动为例说明其流动状态。如图所示。取一段水平液流进行分析设两端的压强差为则应符合以下要求:()所以()()此时仅仅在半径R处推动力超过了由动切应力所引起的阻力所以只有该处的液体才开始流动。同时也可以看出推动力与半径的平方成正比而阻力与半径的一次方成正比。当半径减小时推动力的减少较多而阻力的减少较少。所以在上述情况下仅仅在半径R处的宾汉液体可以流动其内部的宾汉液体则不可能发生相对运动而像一根固体的液柱一样随着半径R的液层向前移动。这根类似固体的液柱叫做流核。在流核内各个质点的运动速度是一样的即速度梯度为零。而流核之外各液层的速度不同存在着速度梯度该区域称为速梯区。随着两端压强差的增大流核的半径将逐渐减小。速梯区的范围将逐逐渐扩大最后流核消失。这种具有流核的流动状态称为结构流。当速度再继续增大时则流动状态由结构流转变为紊流。塑性液体的整个流动状态转变过程如图所示。还可将结构流细分为其初期流核很大几乎占据整个流流好象一个塞子称为流塞其末期的流核很小类似牛顿液体的层流故有人称其为层流。三、假塑性流型高分子化合物溶液乳化泥浆及油色水乳化泥浆都属于这种流型。流变曲线是通过原点并凸向切应力轴的曲线。其流动特性是施加极小的切应力就能发生流动没有静切应力而且粘度随切应力的增大而降低。假塑性液体的流动服从指数定律。指数方程如下式:()式中切应力达因厘米速度梯度秒K稠度系数N流性指数无因次。n和K是表征假塑性液体特性的两个重要流变参数。K与流体在秒速度梯度下的粘度有关K值越大粘度越高。指数n表示假塑性液体在一定速度梯度范围内的非牛顿性程度。牛顿液体的n值等于n值越小非牛顿性越强即表明该假塑性液体的流变性偏离牛顿液体越远。从图可以看出在较高的剪切速率范围内指数方程和宾汉公式均能代表实际泥浆的流动特性。但是在环形空间低剪切速率范围内指数方程却比宾汉公式更接近泥浆的真实流动性。因此用指数方程可以更精确地表示泥浆的流变性更精确地预测压力降和判断流态。特别是在环形空间的低剪切速率范围内。四、膨胀流型淀粉糊、面团等都属于这种类型的流型。其流动特点是它和假塑性液体一样施加极小的切应力就能产生流动而不具有静切应力但是它的视粘度随切应力的增大而增加其流变曲线凹向切应力轴。一般膨胀流型的流变方程也可以用式()表示。不过它的流性指数n>。由于假塑性液体和膨胀液体的流变方程都可以用指数方程表示故这种液体又统称为幂律液体。五、卡森流型油漆、涂料、塑料等都属于这种类型。描绘这种液体流动特性的流变方程为卡森(Casson)模式:()如令或则上式可改写为:()或()()式中:视粘度(或称有效粘度)剪切速率极限高剪切速率下的粘度(或简称卡森粘度)动切力(或称卡森屈服应力)切应力C卡森C值凡符合上述方程的非牛顿液体称为卡森液体。卡森液体的流变曲线可以平方根坐标系作图如所示。卡森流变曲线是一直线其截距为其斜率为。卡森模式是在年由卡森提出来的①首先应用于颜料悬浮液中经过近几年国内外实验的检验②③卡森模式能更好地表征钻井泥浆的流变特性试验表明卡森模式不但在低、中剪切速率区有良好的精确度而且还可以利用低、中剪切速率区所测得的结果测高甚至极高剪切速率区的流变特性。因而愈益引起人们的广泛重视。公式()的特点是把一般的流变曲线变成了直线。该直线不仅包括层流区还包括紊流区和塞流区即包括低、中剪切速率到高剪切速率区的流动特性这是它优于宾汉模式和幂律模式的主要特点。卡森方程中有两个独立的常数与此外还有一个由与派生的(即)三者有不同的物理意义。卡森屈服值又称屈服点、屈服极限。它是泥浆内的动结构强度或电吸引力大小的量度。因此凡是能够影响胶体体系的电化学性质的物质(如分散剂、电解质、絮剪剂、固相含量等)以及外界条件(如温度)都可以影响值。一般来说高固相泥浆的值也高加入分散剂和水可使降低加入电解质和絮凝剂(至某一限度内)可提高实测结果证明⑶卡森大大低于宾汉屈服值、而且很接近初始胶凝强度。极限高剪切粘度:简称卡森粘度。这是体系内摩擦性质的量度数值上等于剪切速率为无限大时的有效粘度。对钻井泥浆来说可近似地代表水眼处的粘度。层流流动时邻层流体之间的摩擦表现于固相颗粒之间固相与液相之间、液相内部。因此固相的种类、含量、比表面和形状、液相本身的粘度都将影响。此外温度的影响也很大。低固相泥浆中约为~厘泊比重以上的加重泥浆常超过厘泊。低的有利于降低高剪切速率下的压力降有利于清除井底岩屑。结构指数:它是结构性质与内摩擦相对大小的量度。大则结构性质占主导小则摩擦性质起主要作用。对牛顿液体来说=。钻井时将影响环空中的流体的速度场、剪率场和流态。卡森液体流变参数的测定:使用旋转粘度计测定卡森液体的流变参数时由于目前的旋转粘度计是按牛顿液体内摩擦定律设计的这对卡森液体是不适用的将会产生较大的误差而必须加以校正。研究表明(、)当采用内外筒组合的旋转粘度计时其B=当粘度计的外筒旋转速采用和转分时可以得出下列计算公式:厘泊()(达因厘米)()当外筒转速采用和转分时其计算公式分别为:厘泊()(达因厘米)()式中和分别为外筒转速等于和转分时粘度计刻度盘的读数。R为外筒的内半径为内筒的外半径。�EMBEDEquation�����PAGEunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknown

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