Для качественного отбора керна необходимо знать все параметры, которые могут повлиять на проникновение бурового раствора в керноприемник и на его контакт с отобранным керном. К таким параметрам относятся и реологические параметры жидкости для керноприемника, изолирующей керн в процессе отбора.
В работе исследовали суспензию синтетического каучука в неполярном масле. Состав имеет текучую консистенцию при заполнении керноприемника на поверхности, в забойных условиях (эффективная вязкость менее 70 мПа•с при T > +60 °C), и образует твердый эластомер после охлаждения в поверхностных условиях. Суспензия обладает хорошей смазывающей способностью и снижает трение на контакте керн-керноприемник. Твердый эластомер обеспечивает механическое закрепление колонки при подъеме и наземной транспортировке керна [2].
Поскольку при исследовании рассматриваемого состава для изоляции керна очень важно не допустить разрушающих деформаций материала в упругом состоянии, а также определить момент его перехода из жидкого состояния в упругое, реологические эксперименты проводили в режиме осцилляции с малой амплитудой на ротационном вискозиметре Rheotest RN4.1 с использованием термостатируемой измерительной ячейки H2 из двух коаксиальных цилиндров диаметрами 38 мм и 27,5 мм, длиной 70 мм, с зазором 5,25 мм.
В режиме колебаний с малой амплитудой определяют две (за исключением предельных констант) величины при некоторой заданной частоте: компоненты комплексного модуля сдвига, или же одна из них, и угол сдвига фаз. Комплексный модуль является аналогом вязкости при обычных измерениях [3].
В данной работе исследования проводятся при задании на вискозиметре частоты и напряжения сдвига, изменяющегося по гармоническому закону:
Колебания напряжения приводят к появлению осциллирующих деформаций, которые выражаются следующим образом:
Комплексный модуль сдвига можно записать как сумму:
Величины G' и G'' — это действительная и мнимая компоненты комплексного модуля сдвига соответственно. Они записываются как:
где τ0 – амплитуда гармонических колебаний напряжения сдвига, Па; γ0 – амплитуда гармонических колебаний деформации сдвига, радиан; а δ – угол сдвига фаз, радиан.
Компоненты комплексного модуля сдвига G' и G'' представляют напряжения, изменяющиеся в фазе и противофазе по отношению к деформации.
Как легко видеть, угол сдвига вычисляется следующим образом:
Таким образом, угол сдвига фаз определяет, в каком состоянии на данный момент времени находится вещество (90 °С соответствуют идеальной жидкости, а 0 °С – абсолютно упругому телу).
В литературе [4–5] часто встречается использование колебательных методов вискозиметрии для определения структурных эффектов, сопровождающихся изменением реологических свойств. Так, например, в [5] получали график зависимости компонент комплексного модуля сдвига от температуры для сырой парафинистой нефти (рис. 1). По данному графику нетрудно определить момент выпадения парафинов в исследуемом образце и переход его из жидкого состояния в упругое (точка пересечения графиков). Из формулы (5) следует, что пересечению графиков действительной и мнимой компонент комплексного модуля сдвига соответствует угол сдвига фаз δ = 45 °, что означает, что момент гелирования можно определять как по зависимостям модулей, так и по графикам угла сдвига фаз.
Аналогичным образом авторы [6] исследовали гели для герметизации водонасыщенных зон и определяли время гелирования для различных рецептур по пересечениям графиков компонент комплексного модуля сдвига.
Таким образом, колебательная реометрия является информативным методом изучения дисперсных систем, гелирующихся при тех или иных условиях.
В настоящей работе изучали дисперсные системы синтетического каучука в неполярном масле с концентрацией каучука от 5 до 10 % мас. Температуру при измерениях меняли в пределах от +35 °С до +85 °С и обратно до +35 °С, что позволяло отследить реологическое поведение состава как в жидком, так и в упругом состояниях. Были подобраны рабочие значения режима колебаний реометра: частота f=0,5 Гц и амплитуда напряжений τ0=5 Па .
Получены графики зависимости компонент комплексного модуля сдвига (рис. 2) и угла сдвига фаз (рис. 3) от температуры.
Как видно из графиков, при концентрациях каучука от 5 до 9 %, состав переходит в упругое состояние при
65 °С, а 10-процентный состав – уже при 55 °С. Исходя из предполагаемой забойной температуры, при которой отбирают керн, уже можно сказать, какая концентрация каучука в масле точно не подходит для рассматриваемой скважины, а какую можно рассматривать для дальнейших исследований.
Последующий анализ составов предполагает следующее. Подходящие по температуре гелирования составы должны быть изучены методами ротационной вискозиметрии при скоростях сдвига, близких к условиям течения в керноприемной трубке при поступлении в нее колонки горной породы. Полученные значения реологических параметров должны использоваться для гидравлического расчета керноотборного снаряда в постановке задачи определения максимально допустимой вязкости состава при условии сохранения его герметичности в узле верхнего клапана [7–8].
