Способ определения реологических параметров неньютоновских жидкостей и ротационный вискозиметр для его осуществления

Способ определения реологических параметров неньютоновских жидкостей и ротационный вискозиметр для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(72) Автор изобретения

И.Н.Гуднин

Всесоюзный научно-исследовательский институт по креплению скважин и буровым растворам (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ И РОТАЦИОННЫЙ ВИСКОЗИМЕТР ДЛЯ ЕЛО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области исследований химических и физических свойств веществ и может найти применение во многих областях науки и производства, где имеется необходимость измерять реологические.парамет" ры неньютоновских жидкостей, например, в бурении нефтяных и газовых скважин — для измерения реологических параметров буровых промывочных растворов.

Известен способ определения реологических параметров жидкостей разных реологических типов, согласно которому реологические параметры оп- 15 редЕляются по разности скоростей наружного и внутренннего цилиндров, один иэ которых приводят во вращение, а другой, представляющий собой постоянный магнит, притормаживают 20 с помощью внешнего регулируемого магнитного поля (11 .

Чаиболее близким техническим решением является способ определения . реологйческих параметров неиьютонов- 25 ских жидкостей при непрерывной сдвиговой деформации слоев исследуемой жидкости по обе стороны измерительной поверхности с иэмеренйем их реакции на деформирование путем изме- ЗО рения крутящего момента при одновременной подаче исследуемой жидкости снизу вверх (2).

Наиболее близким техническим решением является рота4ионный вискозиметр (П), содержащий два самостоятельно связанных с приводом коксиальных цилиндров, расположенный в кольцевой полости между ними соосный им измерительный цилиндр типа колокол, соединенный с динамометром, устройство для подачи исследуемой жидкости i кольцевую полость, внутреннее и внешнее переливные устройства )2j .

В указанном вискоэиметре приводные цилиндры связаны с одним и тем же приводом через две пары зубчатых колес, причем один иэ цилиндров может также яереэ параэитную шестерню приводиться во вращение и в противоположном другому цилиндру направлении.

Основной конструктивный недостаток известных вискозиметров заключается в том, что свободная поверхность исследуемой жидкости, расположенной с противоположных сторон от измеритель» ного цилиндра, находится на одном уровне, вследствие чего для создания крутяций момент, действующий на динамометр. По этой причине при исследованиях нысоковяэких жидкостей динамометр может подвергаться большим нагрузкам, приводящим к потере первоначальной упругости (что вызывает необходимость перетарировки) ИЛИ даже к разрушению его чувствительного элемента (торсиона и г.п.) .

При исследовании ньютоновских жидкостей слои жидкости, расположенные с разных сторон от измерительного цилиндра, подвергают тангенциальной деформации со скоростями сдвига одного знака путем вращения приводных цилиндров н одном направлении.

А прй исследовании неньютоновских, 30 в честности, бингамовских жидкостей д указанные слои жидкости подвергают деформации со скоростями сдвига разных знаков путем вращения приводных цилиндров н противоположных направ- лениях. 25

Затем на основании измеренных скоростей сдвига 64 и Я и Е суммарного крутяцего момента М (который при проI t тивоположных знаках 6< и Е< представ.:ляет собой разйость моментов сил, действующих по обе стороны от измерительного цилиндра) определяют пара .метры реологического уравнения, описывающего зависимость тангенциального напряжения (находимого по измеренному М ) от скорости сдвига.

В случае исследования бингамовских

3 бб12 разности тангенци альных напряжений, ноэникаюцих по обе стороны от измерительного цилиндра, необходимо создавать пропорциональный этой разности

97 осуцестнлении этого способа возникает необходимость нагружать динамометр разностью крутящих моментов, которая при исследовании высоковязких жидкостей может быть настолько большой, что превзойдет предел, допустимый для данного конкретного динамометра.

В связи с этим при исследованиях по известному способу жидкостей, значительно различающихся по реологическим свойствам, приходится час;то заменять торсионы н динамометре, ! т,е. изменять их жесткость и предел упругости с целью расширения диапазона измеряемых напряжений, Целью предлагаемого изобретения — расширение диапазона измерений и обеспечение возможности определения реологических параметров жидкостей, обладающих нелинейной реологической кривой течения.

Для этого слои исследуемой жидкости устанавливают на разных уровнях, деФормацию обоих слоев. прово» дят сначала с одинаковыми по величине и знаку скоростями сдвига, а затем — со взаимно противоположными по знаку скоростями сдвига, которые дискретно изменяют по ступенчатой программе, соответствуюцей последовательному .пРохождению одного и того же ряда значений, íî с постоянной разницей на интервал этого ряда, поддерживая при этом крутяций момент равным нулю, после чего определяют ряд значений тангенциального напряжейия, соответствующих разным скорос-, тям сдвига, rio Формуле

55 жидкостей таким уравнением является линейное бингамонское уравнение о с параметрами Го и, . Эти параметры и являются искомыми величинами.

Яедостаток известных способов заключается в том, что при исследовании жидкостей, сильно различающихся по вязкости, динамометр .подвергается меняющимся в.широком диапазоне нагрузкам, что приводит к разрешению его чувствительного элемента (торсиона) и т.п., вследствие усталости материала или случайных черезмерных. нагрузок; к по- тере первойачальной жесткости (упругости) торсиона, что.вызывает необходимость повторных тарировок.Хроме этого, к низкой чувствительности, а, следовательно, и точности динамометра, так как он должен изготавливаться с расчетом на широкий диапазон нагрузок, в том числе больших.

Необходимо отметить также ограниченность и узость диапазонов тангенциальных напряжений, которые можно измерять по известному способу. При,(; 9

iI ! +1 где Ä— тангециальное напря%ение сдвигау

n — ряд принимаемых значений тангенциальным напряжением сдвига;

h h — высоты уровней слоев ис4 2 следуемой жидкости.

Цель достигается также эа счет того, что в ротационном нискоэиметре перелинные устройства установлены с возможностью независимого смещения относительно друг друга в направлении, параллельном оси цилиндров.

На чертеже представлена схема ротационного вискозиметра.

Связанный с динамометром 1 цилиндр 2 колокольного типа установлен в кольцевом пространстве между коаксиальными цилиндрами 3 и 4, самостоятельно и независимо друг от друга связанными с приводом (электродвигателем) через посредство двух независимых реверсивных вариантов скорости (привод и варианты скорости ,на чертеже не показаны), 661297

Цилиндры 3 н 4 сопрягаются с неподвижным цилиндром 5 через уплотнения 6, так что кольцевые пространства 7 и 8 между цилиндрами 2-3 и

2-4 могут быть заполнены испытуемой жидкостью.

Между цилиндрами 2 и 5 имеется 5 малый вертикальный зазор 9, через который жидкость может перетекать из кольцевого пространства 7 в пространство 8 или обратно.

Цилиндры 3 и 4 установлены с воэ- р можностью независимых перемещений вдоль вертикальной оси прибора, причем снабжены устройством для измерения относительных положений их вертикальных кромок и фиксации цилиндров .в заданных положениях (на чертеже не показано) благодаря чему цилиндры могут работать в произвольно смещенном относительно друг друга положении, когда их верхние кромки находятся на разных уровнях Ъ» н Ь2.

В нижней части прибора установлена трубка 10, по которой испытуемая жидкость может поступать в вискоэиметр. A в верхней части прибора размещены кольцевой коллектор 11 и воронка 12, по которым жидкость может удаляться из. вискозиметра, переливаясь через верхние кромки цилиндров 3 и 4. Благодаря устройству для подачи и удаления жидкости вис.— коэиметр может работать в потоке.

Возможен также другой вариант переливного устройства, согласно которому цилиндры не смещаются,относительно друг друга, а изменяется 35 лишь относительное положение переливных отверстий, выполненных в стенках внутреннего и внешнего приводных цилиндров (отверстия на чертеже не показаны). 40

Для изменения скоростей вращения цилиндров 3 и 4 каждый из них .снабжен тахометром (тахометры На чертеже не .показаны) °

Предлагаемый ротационный вискоэи- 48 метр работает следующим образом, Определение реологических параметров неньютоновских жидкостей можно осуществлять по известному способу, который:заключается в следующем.

11о трубке 10 исследуемая жидкость подается в рабочие зазоры, образованные колоколом 2 и приводными цилиндрами 3 и 4, откуда она вытекает через внутреннее -: внешнее переливнне устройства в воронку 12 и кольцевой лоток, Измерения можно выполнять и при отсутствии течения исследуемой жидкости снизу вверх .по кольцевым рабочим зазорам, как в .обычных непроточных вискозиметрах 60 лабораторного типа.

Привод через вариаторы скорости вращает с заданными скоростями п4 и и цилиндры 3 и 4, которые, в свою

gt очередь, через исследуемую жидкость передают крутящий момент М на колокол 2 и динамометр l. При измерении ньютоновских жидкостей оба цилиндра вращают с одинаковой скоростью в одном направлении, а при измерении вязко-пластичных бингамовских .жидкостей задают вращение цилиндрам

3 и 4 с разными скоростями в противоположных направлениях.

Затем на о 3новании измеренных М, п и п определяют параметры рвологического уравнения, описывающего зависимость тангенциаль)»ого напряжения

2 от скорости сдвига Я .

При измерениях согласно предлагае-. мому способу исследуемую жидкость медленно прокачивают.снизу вверх через рабочие зазоры вискозиметра, образованные приводными и измерительными цилиндрами. При этом свободные поверхности жидкости в слоях, рас положенных с противоположных сторон от измерительного цилиндра, должны находиться на разных уровнях Ь» и h что достигают путем смещения переливных устройств относительно друг друга в вертикальном (параллельном оси цилиндров) направлении.

Одновременно эти слои жидкости. подвергают непрерывным тангенциальным деформациям со скоростями сдвига одинаковых или противоположных знаков — путем вращения приводных цилиндров в одном или взаимно проти" воположных направлениях. При этом сначала указанные слои деформируют с одинаковыми (по величине и знаку) постоянными скоростями сдвига б»вЂ” путем вращения обоих цилиндров в одном направлении с одинаковыми угловыми скоростяМи и» (об/сек.).

Одновременно измеряют динамометром крутящий момент М» тангенциальных сил, действующих на измерительный цилиндр с обоих сторон, что при известном радиусе r цилиндра позволяет определить напряжение по фореле

1. м, 1 21tv*(tl„i h ) (1);

Соответствующую скорость сдвига определяют по следующей формуле (с использованием известного и» вЂ” (г) где d — - ширина зазора между приводными цилиндрами и измерительным.

Найденцые значения » и Г» являются координатами первой точки на искомой реологической кривой течения.

С целью уменьшения нагрузки на динамометр целесообразно выбирать небольшое значение для п, при котором Г также как правило, невелико.

»

Ф

После опредЕления. первой, точки . (Я, C ) реогравелы те же слои жидкости деформируют с взаимно протнвопо» ложными по знаку скоростями сдвига, 661297 при Мн = О.

""14Â Я2сн О откуда

М. в н И„

И, т ак к ак

7 для чего, не изменяя направления и скорости вращения одного из цилиндров, изменяют направление вращения другого цилиндра на обратное, причем его скорость и> выбирают такой, чтобы показыВаемый динамометром мо-, мент MZ стал равен нулю .(М z = О) .

Так как hq$hz то и напряжение

ТВ и C„, действующие на внутренией и наружной поверхностях колокола, также не будут равны между собой (ТВФ7н) при М =О. Чтобы убедиться в 10 этом, найдем соотношейие Между CB и С„при M z = О.

Моменты сил, действующих на внутренней и наружной поверхностях колокола, равны l5

М = 211 r 11„Г

Юн=2 Г1 (2 ьн

Разность этих моментов, измеряемая динамометром

А я -» %S» Mrr = 2 () 1 (, Э- 8 g Cp)s

)Ь,, тоТВ> (;„°

Вследствие того, что скорость на« ружного цилиндра не изменились и ос" талась равной и< то и напряжение 35

Тн будет прежним, равным уже йзвестному У4, Используя формулу (3), можно легко найти tB по известному rr = С .

Соответствующая скорость сдвига р 40 определяется по формуле (2) на осйо« ванин известной viz измеренной тахометром, при. которой М = О. Таким образом, определяется вторая точка искомой кривой зависимости от 6 .

Ее координаты: Я2 и Г .

Затем увеличивают скорости вращения обоих цилиндров одновременно, причем настолько, чтобы скорость наружного цилиндра стала равной п, а скорость внутреннего вибирается такой чтобы момент, действующий на динамометр, оставался равным нулю (М .О}. Пусть эта скорость будет пу, определяемая тахометром. Зная

Г, легко найти ®s по формуле (3) @ (причем н= g +B = Гз ) g а на осно ванин п нетрудно найти. f, по формуле (2) . Это дает третью точку (с координатами и Сз) искомой кривой, Продолжая ступенчато наращивать 60 скорости вращения цилиндров (а, следовательно, и скорости сдвига) и напряжения, указанным способом получают достаточное количество точек искомой кривой и строят полную 65

8 логическую кривую (или ее участок), параметры которой и являются искомыми реологическими параметрами жидкости

В зависимости от вида кривой подбирают наиболее адекватное описывающее ее уравнение.

Как видно иэ описания предлагаемого способа, в ходе его осуществления динамометр только один раз нагружается не равным нулю дифференциальным моментом М4 (М„ О), который по желанию может быть выбран очень малым (при наличии высокочувствительного динамометра). В течение остального времени измерения нагрузка на

Йийамометр равна нулю (М2"-М =М, ...=9) какими бы высокими не были действующие при этом в жидкости напряжения и скорости сдвига .

В это время от динамометра не требуется выполнения его обычной функции — измерения сил, так как ой фак= тически работает лишь как индикатор отсутствия нагрузки. Это можно осу.ществить значительно проще и точнее, так как можно применить очень чувст-, вительный индикатор иулевой нагрузки, работу которого к тому же легко автоматизировать. Кроме того, в связи с небольшой величиной единственного измеряемого,.неравного нулю момента М,(, появляется воэможность значительно сократить шкалу динамометра (т.е. диапазон непосредственно измеряемых моментов) при весьма широком диапазоне определяемых напряжений сдвига.

Точность способа обусловлена тем, что. в процессе определения реалогической кривой изменяют и непосредственно измеряют главным образом не напряжения сдвига (что трудно вщюлнить с большей точностью), а угловые скорости цилиндров, которые мож= но измерять более точно, s особенности с. помощью тахометров, работающих по принципу дискретного счета числа оборотов.

Следует отметить также, что йредлагаемый вискозометр может исполь-зоваться и при установленных на одном уровне переливных устройствах (когда h< = Ь2), В этом случае отпадает необходимость течения исследуемой жидкости снизу-вверх в рабочих зазорах между цилиндрами, и вискозиметр может работать как обычные вискозиметры непроточного T èïà.

Однако, при этом исчезает возможность снижать крутящий Момент в процессе измерения до нуля, Предлагаемый для этого сЛучая способ измерения заключается в следующем, Свободные поверхности жидкости в слоях, расположенных с двух сторон измерительного цилиндра, устанавливают на одном уровне h. Сначала эти

1297

15

30

9;-" 66 слои подвергают непрерывным тангенциальным деформациям с одинаковыми по знаку и величине скоростями сдвига путем вращения приводных цилиндров в одном направлении с одинаковыми угловыми скоростями и<, и при этом измеряют динамометром.,крутящий

;:: =, Г ; ", 1 момент М,(тангенци"альных сил, дейст- . вующих с обеих сторон на измерительный цилиндр. Это позволяет определить напряжение С по формуле, которая получается из формулы (1), если положить h = h< = h

М (4) д а соот ветс т вующую скорост ь сдви га Я, — по формуле (2). Затем деформируют эти слои с взаимно противоположными по знаку скоростями сдвига, которые, изменяют дискретно по ступенчатой программе, придавая им такие значения чтобы они проходили последовательно один и тот же ряд, начинающийся с

Я, найденной по формуле (2), и чтобй при этом постоянного разнились бы на один интервал этого ряда. Но момент И, представляющий собой разность моментов (M„-МВ), в этом случае не может быть равным нулю,.а принимает различные небольшие по величине значения, пропорциональные приращениям напряжения, возникающим при ступенчатых приращениях скорости сдвига АЕ. После этого определяют ряд значений напряжения сдвига соответствующих разным скоростям сдвига Я, причем любое (и + 1) напряжение (Гп + 1), начиная с Г, определяют на основе найденного ранее и-го значения (Тп ) по формуле С = ; +а . В этом случае предлагаемый вискозиметр также обладает преимуществом по сравнению с известными. внскозиметрами, заключающимся в том, что реологическую кривую любой, в том числе криволинейной формы, и ее параметры можно определять, нагружая динамометр не большими нагрузками, соответствующими полным действующим в жидкости напряжениям, а лишь разностями (приращениями) этих напряжений, возникающими при ступенчатых возрастаниях скорости сдвига. Эти разности напряжений и пропорциональные им нагрузки на динамометр могут выбираться произвольно и быть как угодно малыми (при высоной чувствительности и точности динамометра).

Технический и экономический эффект предлагаемого изобретения заключается в том, что оно позволяет сущест.венно увеличить работоспособность динамометра в результате значитепьного снижения нагрузки на sего u

° сокращения времени его работы при этой уменьшенной нагрузке; повысить чувствительность, а, следовательно, и точность динамометра, что становит= ся возможным благодаря значительному снижению его максимальной нагрузки, равной И,.

При высокой чувствительности и точности динамометра возможно определять реологические параметры жидкостей. разных реологических типов, в том числе обладающих нелинейными реологическими кривыми течения (известные вискозиметр и способ не обладают такой возможностью).

Возможно также значительно расширить диапазон определяемых напряжений, а, следовательно, и вязкостей при существенном сокращении диапазона непосредственно измеряемых крутящих моментов, поскольку диапазон напряжений становится независимым от максимальной допустимой нагрузки на динамометр; в связи с этим при исследованиях жидкостей, сильно различающихся по реологическим свойствам, отпадает необходимость изменять жесткость чувствительного элемента динамометра (например, торсиона), т.е. переходить с одной шкалы напряжений на другую, заменять один торсион другим и т.п. и при этом изменять точность измерений.

Кроме того, легко автоматизировать вискозиметр и использовать его в качестве проточного прибора, устанавливаемого на технологическом потоке с целью оперативного контроля реологическнх свойств протекающих жидкостей.

Формула изобретения

1 ° Способ определения реологических параметров неньютоновских жидкостей при непрерывной сдвиговой деформации слоев исследуемой жидкости по обе стороны измерительной йоверхности с .измерением их реакции на деформирование путем измерения крутящего момента нри одновременной подаче исследуемой жидкости снизу вверх, о т л и ч а ю щ и и .с я тем, что, с целью расширения диапазона измерений и обеспечения возможности определения реологических параметров жидкостей, обладающих нелинейной реологической кривой течения, слои исследуемой жидкости устанавливают на разных уровнях, деформацию обоих слоев проводят сначала с одинаковыми по величине и знаку скоростями сдвига, а затем — со взаимно противоположным по знаку скоростями сдвига, которые дискретно изменяют по ступенчатой программе, соответствующей последовательному прохождению одного и того же ряда значений, но с постоянной разницей на интервал зтого ряда, по)щерживая при этом крутящий момент равным нулю, после чего определяют ряд значений тангенци12

1297

Составитель H.Ïëoòíèêîâà

Техред Э.Чужик Корректор М. Пожо

Редактор Б.Павлов, Тираж 1 0 89 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11 30 35, Москва, Ж-35, Раушск ая н аб., д. 4/5

Заказ 2427/37

Филиал ППП Патент, г,ужгород, ул,Проектная,4 ч

, .,+,i s9, .Ô м @ ме :. фФГ ального напряжения, соответствующих -" разным скоростям сдвига„ по формуле и

" г где à — тангенциальное напряжение сдвига;

И вЂ” ряд принимаемых значений тангенциальным напряжением сдвига; 4 g — высоты уровней слоев исследуемой жидкости.

2. Ротационный вискоэиметр для осуществления способа по п.1, содержащий два самостоятельно связанных с приводом коаксиальных цилиндра, расположенный в кольцевой полости между ними соосный им измерительный цилиндр типа . колокол, соединенHblA с динамометром, устройство для подачи исследуемой жидкости в кольцевую полость, внешнее и внутреннее переливные устройства, о т л и

6 ч а ю щ н и с я тем, что переливные устройства установлены с возможностью независимого смещения относительно друг друга в направлении, параллельном оси цилиндров.

)О Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 181873, кл.6 01 N 11/14 1966.

2. Авторское свидетельство СССР

15 М 269579, кл.С 01 N 11/14, 1970.