Способ измерения реологических параметров дисперсных систем и устройство для его осуществления

Способ измерения реологических параметров дисперсных систем и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

57 О817

Сояз Советских

Социалистических

Республик (б1) Дополнительное к (22) Заявлено 17.02.76

М. Кл. 6 01N 11/14 с присоединением (23) Приоритет

Опубликова:|о 30.08.77.

Дата опубликования о

Госуларствеккык комитет

Совета Министров СССР

УДК 532.137 (088.8) по делам изобретекий

H OTKPb THH (72) Автор изобретения

И. Н. Гуднии (71) Заявитель Всесоюзный научно-исследовательский институт по креплению скважин и буровым растворам (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕИИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ДИСПЕРСИЫХ СИСТЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУ1ЦЕСТВЛ ЕН ИЯ

Изобретение относится к области исследования химических и физических свойств веществ, а именно реологических свойств дисперсных систем типа глинисто-водных суспензий, применяемых в бурении скважин в качестве промывочных жидкостеи. Оно может найTH п1?именение так?ке H B gpss I Hx 06JIHcTBx науки и техники, где возникает необходимость измерять реологические свойства различных дисперсных твердо-жидкостных систем.

Известны ротационные реометры, включающие коаксиально расположенные тела вращения, например цилиндры, в рабочем зазоре между которыми помещается испытуемая дисперсная система, которые имеют невысокую точность.

Ближайшим к предлагаемому способу является способ измерения реологических параметров дисперсных систем, реализуемый с помощью указанных ротационных реометров, который состоит в том, что исследуему|с дисперсную систему (например, глинисто-водную суспензию) заливают в кольцевой зазор между цилиндрами реометра, приводят в состояние сдвигового (ламинарного) течения путем вращения одного из цилиндров или оооих одновременно и при постоянной скорости вращения замеряют возникающее при этом в суспензии напряжение сдвига, измеряемое динамометром, связанным с одним из цилиндров. Аналогичные измерения повторяют при разных скоростях сдвига и по результатам измерения строят реологическую кривую течения — кривую зависимости напряжения от скорости сдвига, которую описывают (аппроксимируют) реологическим уравнением (линейного, степенного или какого-либо другого типа). Параметры этого управления и служат реологическими параметрами дисперсной системы.

Недостаток указанных способа измерения и ротационных реометров геолотических параметров дисперсных систем состоит в низкой точности измерений, обусловленной образова15 нием вблизи стенок цилиндров (при вращении одного из них или обоих одновременно) тонких слоев жидкой дисперсионной среды, не содержащих частиц твердой дисперсной фазы. По этим слоям и происходит скольже20 ние всей массы испытуемой дисперсной системы (так называемый «пристеночный эффект»), вследствие чего прибор показывает не действительные реологические параметры исследуемой системы, а существенно отличающиеся от

25 них величины.

Целью изобретения является |повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что периодически, непосредственно перед измерения30 ми напряжения сдвига во внутренних поло570817

65 стях тел вращения создаются импульсные (кратковременные) понижения давления. Для осуществления этого способа предлагается устройство, в котором в отличие от известного ротационного реометра внутреннее тело вращения и цилиндрические стенки внешнего тела вращения представляют собой замкнутые полости, сообщающиеся с источником давления, меньшего давления в рабочем зазоре, причем стенки этих полостей, образующие рабочий зазор, изготовлены из пористого материала со сквозными порами.

На чертеже показана схема предлагаемого ротационного реометра, Ротационный реометр состоит из коаксиально расположенных наружного 1 и внутреннего

2 цилиндров, контейнера 3 для испытуемой жидкости (дисперсной системы) 4. Наружный цилиндр 1 может вращаться в подшипниках

5, причем приводится во вращение от электродвигателя через вариатор скорости (не показаны на чертеже) и ременную передачу 6.

Внутренний цилиндр подвешен на стальной упругой нити 7 к неподвижной части прибора — кронштейну 8 и жестко связан с трубкой

9, на которой укреплен градусный лимб 10, образующий совместно с неподвижной стрелкой 11 и упругой нитью 7 устройство для измерения крутящего момента (динамометр).

Верхний конец трубки 9 соединен эластичной (например, резиновой) трубкой 12 с отверстием в кронштейне 8 и далее через отводящую трубку 13 и регулирующий кран 14 связан с вакуумсборником и вакуумнасосом, не показанными на чертеже.

Наружный цилиндр,1 имеет две цилиндрические стенки (наружную сплошную 15 и внутреннюю изготовленную из пористого материала 16), которые образуют замкнутую внутреннюю полость, соединенную через кольцевой коллектор 17, вторую отводящую трубку

18 и второй регулирующий кран 19 с вакуумсборником и вакуумнасосом.

Нижняя, погружаемая в испытуемую жидкость часть внутренней стенки 16 наружного цилиндра, изготовлена из пористого материала, а верхняя ее часть, не погружаемая в жидкость,— из сплошного материала, Внутренний цилиндр 2 полый, причем нижняя, погружаемая в жидкость часть его цилиндрической стенки также изготовлена из пористого материала, а верхняя часть, не погружаемая в жидlKOcTb> и з сплошного материала. Зазор между кольцевым коллектором

17 и наружной стенкой внешнего цилиндра уплотнен сальниковым уплотнением 20.

Ротационный реометр работает следующим образом.

Исследуемую дисперсную систему заливают в контейнер в таком количестве, чтобы уровень ее свободной поверхности совпал с верхней границей пористого материала цилиндров или же оказался немного выше этой границы (так, чтобы пористые части этих цилиндров были полностью погру>кены в жидкость и на5

Зо

4 ходились под ее уровнем). Благодаря наличию в стенках цилиндров сквозных пор их внутренние полости также заполняются испытуемой жидкостью, которая проникает в них через эти поры. При этом ввиду полидисперсности глинистой суспензии ее твердые частицы могут быть мельче или крупнее размеров сечения пор. Если поры имеют меньшее сечение, чем частицы твердой фазы дисперсной системы, то в полости цилиндров проникает лишь дисперсионная среда (жидкая фаза) системы. В общем случае (при разных соотношениях размеров пор и твердых частиц) в поры может проникнуть также часть наименее крупных твердых частиц.

Включают электропривод, вращающий наружный цилиндр с определенной, устанавливаемой с помощью вариаторов скоростью, и при этой постоянной скорости измеряют напря>кение сдвига.

Аналогичные измерения повторяют при разных скоростях сдвига и по результатам измерения строят реологическую кривую течения, параметры уравнения которой используются в качестве реологических параметров дисперсной системы.

До начала реологических исследований ротационный реометр должен быть протарирован с помощью эталонной простой ньютоновской жидкости, вязкость которой известна (определена другим — независимым способом) и должна быть приблизительно такого же .порядка, как и вязкость дисперсионной среды исследуемой дисперсной системы. Результаты тарировки необходимы для опрделения констант упругости стальной нити (совместно с упругой эластичной трубкой 12), которые впоследствии используются при определении вязкости исследуемой дисперсной системы.

Отличительная особенность предлагаемого способа измерения реологических параметров дисперсных систем с помощью указанного ротационного реометра заключается в том, что перед тем, как измерить напряжение сдвига при установленной постоянной скорости вращения цилиндра, открывают одновременно на короткое время регулирующие краны 14 и 19 и, таким образом, соединяют внутренние замкнутые полости обоих цилиндров с вакуумсборником, создавая в них иипульсное понижение давления.

Затем изменяют скорость сдвига дисперсной системы и, прежде чем сделать очередной замер напряжения сдвига, вновь создают импульсное .пони>кение давления в замкнутых полостях цилиндров путем кратковременного открывания кранов 14 и 19 и соединения таким образом полостей с вакуумсборником.

Аналогичные понижения давления в полостях повторяются перед каждым измерением напряжения сдвига. Остальные измерительные и расчетные операции не отличаются от таковых известного способа.

570817

Преимущества предлагаемото ротационного реометра и способа измерения реологических параметров заключаются в следующем. Наличие в цилиндрах замкнутых внутренних полостей, сообщающихся с источником давления, меньшего давления в рабочем зазоре (в рассматриваемом конкретном случае — с источником разряжения) при сквозных порах стенок цилиндров, образующих рабочий зазор, позволяет сутцественно уменьшить и практически сводить к нулю пристеночный эффект и связанные с ним искажения измеряемых реологических параметров, так как при создании вакуума во внутренних полостях цилиндров жидкая дисперсионная среда системы начинает фильтроваться сквозь пористые стенки цилиндров, благодаря чему частицы дисперсной твердой фазы (например, глинистые частицы) не только не удаляются, а наоборот, приближаются к пористым стенкам, образуя на них тонкий слой твердой .фазы. Это приводит к исчезновению пристеночного эффекта и связанных с ним искажений измеряемых параметров.

Вследствие того, что контейнер содержит большое количество испытуемой .жидкости, значительно превосходящее количество ее в цилиндрах, незначительный подъем уровня жидкости в полостях цилиндров практически не изменяет ее уровень в рабочем зазоре, что сохраняет постоянной погруженную в жидкость расчетную высоту внутреннего цилиндра, используемую при вычислении напряжения сдвига и искомых реологических параметров системы.

Благодаря отличительной особенности предлагаемого способа измерения — кратковременного (импульсного) соединения внутренних полостей цилиндров с источником вакуума (непосредственно перед измерением напряжения сдвига), на стенках цилиндров не успевает образоваться значительный слой твердого осадка, который мог бы уменьшить толщину рабочего зазора и тем самым исказить вычисляемые с учетом этого зазора реологические параметры.

После закрытия кранов 14 и 19 (в конце импульсного понижения давления в полостях цилиндров) давление и уровень жидкости в полостях и рабочем зазоре выравниваются благодаря наличию пор, и таким ооразом в промежутках между измерениями напряжения пристеночный эффект восстанавливается.

При следующем измерении напряжения сдвига (при новом значении скорости сдвига), и очередном создании импульсного снижения давления пристеночный эффект вновь устраняется (или уменьшается) и т. д.

Предлагаемыми ротационным реометром и способом можно измерять реологические параметры дисперсных систем непосредственно в промышленных емкостях. При этом отпадает потребность:в контейнере, так как его роль играет сама промышленная емкость (или желоб и т. п.).

Средние размеры поперечных сечений пор материала, из которого изготавливаются стенки цилиндров, а также величина и продолжительность понижений давления в замкнутых полостях цилиндров выбираются в зависимости от гранулометрического состава и физико-химических особенностей исследуемых дисперсных систем и потому не могут быть однозначно установлены заранее.

Технико-экономический эффект изобретения обусловлен повышением точности измерений реологических параметров дисперсных систем, например глинистых промывочных жидкостей, а следовательно, точности технологических расчетов и оперативного производственного контроля, в которых эти параметры используются.

Формула изобретения

1. Способ измерения реологических параметров дисперсных систем путем измерения непрерывной сдвиговой деформации с разными постоянными скоростями сдвига при одновременном измерении напряжения и скорости сдвига, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, периодически, непосредственно перед измерениями напряжения сдвига, во внутренних полостях тел вращения создаются импульсные (кратковременные) понижения давления.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, включающее коаксиально расположенные тела вращения, например цилиндры, в рабочем зазоре между которыми помещается иопытуемая жидкость, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, внутреннее тело вращения и цилиндрические стенки внешнего тела вращения представляют собой замкнутые полости, сообщающиеся с источником давления, меньшего давления в рабочем зазоре, причем стенки этих полостей, образующие рабочий зазор, изготовлены из пористого материала со сквозными порами.

570817

Составитель Е. Устюжанин

Техред А. Степанова Корректор Л. Брахнина

Редактор Н. Коляда

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 1891/12 Изд. Ао 586 Тираж 1109 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5