способ изучения реологических свойств жидкостей и газов

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗУЧЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ, включающий помещение в капилляр, заполненный смывающей средой, некоторого объема исследуемой среды, и определение искомых параметров расчетным путем, отличающийся тем, что в омывающую среду вводят часть капли исследуемой среды, осуществляют движение омывающей среды за счет создания перепада давления, определяют зависимость степени деформации объема исследуемой среды при различных расходах омывающей среды, с использованием которой определяют кажущуюся вязкость двухфазной системы и степень релаксации деформируемого объема исследуемой среды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для изучения реологических свойств жидкостей и газов в зависимости от расхода и природы контактирующих сред.

Известен способ изучения реологических свойств жидкостей и газов, включающий помещение в капилляр, заполненный омывающей средой некоторого объема исследуемой среды, и определение искомых параметров расчетным путем.

Технической задачей изобретения является повышение точности изучения реологических свойств жидкостей и газов за счет наиболее полного моделирования процессов, происходящих при удалении нефти и газа с твердых поверхностей горных пород вытесняющей средой.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе изучения реологических свойств жидкостей и газов, включающем помещение в капилляр, заполненный омывающей средой некоторого объема исследуемой среды, и определение искомых параметров расчетным путем, согласно изобретению в омывающую среду вводят часть капли исследуемой среды, осуществляют движение омывающей среды за счет создания перепада давления, определяют зависимость степени деформации объема исследуемой среды при различных расходах омывающей среды, с использованием которой определяют кажущуюся вязкость двухфазной системы и степень релаксации деформируемого объема исследуемой среды.

На фиг. 1 приведена схема установки для изучения реологических свойств жидкостей и газов; на фиг.2 различные стадии деформации капель нефти (газа) при возрастании скорости движения водной фазы в капилляре.

Установка состоит из капилляра 1, выполненного из кварцевого стекла, двух краников 2, установленных на его противоположных концах, и микропьезометра 3. Капилляр снабжен последовательно соединенными друг с другом микрометром 4, медицинским шприцем 5 и отводом 6, которые обеспечивают подачу в капилляр капель 7 нефти или пузырьков газа, контактирующих с омывающей средой 8. Объемный расход измеряется с помощью мерного цилиндра 9 и секундомера.

Способ осуществляют следующим образом.

Капилляр 1 при открытых краниках 2 заполняют омывающей средой 8. В омывающую среду 8 через отвод 6 вводят часть капли 7 исследуемой среды (нефти), подаваемой из медицинского шприца 5 с помощью микрометра 4. Объем выдавливаемой капли определяют по делениям лимба микрометра 4. Степень заполнения каплей внутреннего диаметра капилляра, т.е. толщина пленки омывающей среды между каплей и внутренней стенкой капилляра, контролируется с помощью микроскопа (не показан), а также по электропроводности раствора. Если в опытах используется в качестве омывающей среды неэлектропроводящая среда, например газ, то контроль за величиной прослойки между каплей и стенкой капилляра ведется с помощью микроскопа.

Открываются краники 2, и из емкости (не показана) омывающая среда 8 поступает в капилляр 1. За счет создания перепада давления осуществляют движение омывающей среды. Перепад давления в капилляре 1 определяют по высоте столба жидкости с помощью микропьезометра 3, расход омывающей среды определяют с помощью мерного цилиндра 9 и секундомера, далее определяют зависимость степени деформации объема исследуемой среды при различных расходах омывающей среды 8, с использованием которой определяют кажущуюся вязкость двухфазной системы и степень релаксации деформируемого объема исследуемой среды.

В зависимости от расхода омывающей среды 8, ее физико-химических свойств и реологических свойств капель 7 исследуемой среды (нефти) происходит их различная степень деформации, которая характеризуется величиной отклонения капли от ее равновесного положения при покоящейся относительно нее омывающей среде 8.

На фиг.2 видно, что степень деформации капли l увеличивается от начального (статического положения, фиг.2а), при котором жидкость, окружающая каплю, находится в покое, проходит промежуточное положение (фиг.2б) и при дальнейшем возрастании расхода жидкости доходит до величины l_кр, после чего капля отрывается (фиг,2г) и уносится потоком омывающей среды 8. При снижении расхода омывающей среды 8 до нуля основная масса омывающей среды приходит в равновесное состояние.

По результатам измерений строится зависимость l f(a), которая характеризует данные контактирующей среды. Чем меньше l_кр, тем наиболее эффективна омывающая среда для данной капли при прочих равных условиях.

П р и м е р 1. В табл.1 приведена динамика деформации l, мм капли керосина при движении 0,1%-ного раствора NaCl в дистиллированной воде по капиллярам диаметром 2 мм с различными расходами. Высота введенной капли равна 1,0 мм, т.е. капля занимает половину внутреннего диаметра капилляра 1.

Из табл.1 видно, что с повышением расхода водной фазы в капилляре происходит увеличение деформации капли углеводородной жидкости. При Q 5 мл/с происходит отрыв капли керосина и ее унос потоком водной фазы, т.е. при l_кр 5,00 мм. Видно, что зависимость l Q на начальном участке (примерно до 0,2 мл/с) носит нелинейный характер. Это можно объяснить тем, что для осуществления начальной деформации капли шарообразной формы, являющейся наиболее устойчивой, требуются значительные усилия со стороны движущейся омывающей водной фазы. Однако после начала деформации капли керосина упругость устойчивой шарообразной формы капли ослабевает и при дальнейшей деформации капли вплоть до ее отрыва играет роль только когезионная сила, возникающая при ее деформации.

П р и м е р 2. Расчет кажущейся вязкости _к двухфазной системы.

Величина _к определяется по формуле

_к= Паc где i напряжение сдвига, н/м²;

S градиент скорости, с^-1.

Величина i находится по формуле

i где R радиус капилляра, м;

Р перепад давления на концах капилляра, Па;

L длина капилляра, м.

Для нашего случая R 1 10^-3 м, L 0,3 м.

Значение S находится по формуле

S где Q расход омывающей среды, м³/с.

Перепад давления определяется по формуле

Р Н, где = 1000 кг/м³ удельный вес омывающей среды;

Н высота столба омывающей среды в микропьезометре, м.

С учетом исходных данных и формулы Р выражение примет вид

i 1,67H, н/м²

Выражение S примет вид

S 3,1810⁸Q, с^-1

Из табл. 2 видно, что кажущаяся вязкость двухфазной системы зависит от градиента скорости и напряжения сдвига, кроме того, она в несколько раз меньше вязкости самой водной среды, которая в данном случае равна 1мПАс.

П р и м е р 3. Определение степени релаксации деформированной капли омываемой жидкости.

Степень релаксации определяют следующим образом. В покоящуюся омывающую среду 8 (фиг.1) вводят каплю 7 исследуемой жидкости, которая принимает исходную форму (фиг.2а). В соответствии с вышеуказанной методикой приводится в движение омывающая среда, при этом капля жидкости деформируется на величину l. Увеличивается расход Q и снова определяется соответствующая ему величина. Аналогичные измерения проводятся вплоть до достижения "критического" состояния капли (фиг.2в). Процесс увеличения Q и соответствующий ему рост l называется прямым ходом в определении степени релаксации.

После достижения "критического" состояния капли снижают расход омывающей среды и фиксируют соответствующее ему уменьшение величины l. Это называется обратным ходом в изучении степени релаксации капель. Обратный ход заканчивается при полной остановке движения омывающей среды. Если после остановки движения омывающей среды при обратном ходе величина l 0, то говоpят об остаточной деформации, а сама величина l_ост характеризует релаксационные свойства капель.

Опыты, проведенные по изучению релаксационных свойств капель керосина при движении относительно нее. 0,1%-ного раствора NaCl в дистиллированной воде в диапазоне расходов от 0 до 0,4 мл/с, показали, что l_ост 0, т.е. в данных условиях капля керосина ведет себя как абсолютно упругое тело.