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Was ist die Fließgrenze von Süßwasser

Der Inhalt von PetroWiki ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und soll das technische Urteilsvermögen ergänzen, nicht ersetzen. SPE lehnt jegliche Haftung für die Verwendung solcher Inhalte ab. Mehr Informationen. Die Drücke in einem fließenden Fluid werden unter der Annahme berechnet, dass der Wert des Fanning-Reibungsfaktors bekannt ist. Die Bestimmung des Fanning-Reibungsfaktors kann tatsächlich der schwierigste Schritt bei dieser Berechnung sein. Die Flüssigkeitsreibung wird von der Wissenschaft der Rheologie untersucht.

Die Wissenschaft der Rheologie befasst sich mit der Verformung aller Arten von Materie, hat jedoch ihre größte Entwicklung in der Untersuchung des Fließverhaltens von Suspensionen in Rohren und anderen Leitungen erfahren. Der Rheologe interessiert sich vor allem für die Beziehung zwischen Strömungsdruck und Strömungsgeschwindigkeit und für den Einfluss der Strömungseigenschaften der Flüssigkeit darauf.

Es gibt zwei grundlegend unterschiedliche Beziehungen: Die laminaren Strömungsgleichungen, die das Strömungsverhalten mit den Strömungseigenschaften des Fluids in Beziehung setzen, basieren auf bestimmten Strömungsmodellen, nämlich: Nur die ersten vier sind für die Bohrflüssigkeitstechnologie von Interesse. Die meisten Bohrflüssigkeiten entsprechen keinem dieser Modelle genau, aber das Verhalten der Bohrflüssigkeiten kann von einem oder mehreren von ihnen mit ausreichender Genauigkeit vorhergesagt werden. Strömungsmodelle werden normalerweise anhand von Konsistenzkurven visualisiert, die entweder den Strömungsdruck oder den Strömungsdruck darstellen

Die Scherspannung ist die Kraft pro Flächeneinheit und wird als Funktion des Geschwindigkeitsgradienten der Flüssigkeit ausgedrückt als. Das negative Vorzeichen wird in Gl. Das heißt, der Impuls tendiert dazu, in Richtung abnehmender Geschwindigkeit zu gehen. Der Absolutwert des Geschwindigkeitsgradienten wird als Schergeschwindigkeit bezeichnet und ist definiert als.

Die Viskosität ist der Widerstand, den eine Flüssigkeit gegen Verformung bietet, wenn sie einer Scherbeanspruchung ausgesetzt ist. Wenn die Viskosität unabhängig von der Schergeschwindigkeit ist, wird die Flüssigkeit als Newtonsche Flüssigkeit bezeichnet. Wasser, Sole und Gase sind Beispiele für Newtonsche Flüssigkeit. Die Scherspannung ist linear mit der Schergeschwindigkeit für eine Newtonsche Flüssigkeit und wird durch Kurve A in Fig. 1 dargestellt. Die meisten Flüssigkeiten, die beim Bohren und Zementieren verwendet werden, sind nicht Newtonsche und ihr Verhalten wird als nächstes diskutiert.

Wenn die Viskosität eines Fluids eine Funktion der Scherbeanspruchung oder äquivalent der Schergeschwindigkeit ist, wird ein solches Fluid als nicht-Newtonsches Fluid bezeichnet. Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten können in drei allgemeine Kategorien eingeteilt werden: Oberhalb dieser endlichen Scherspannung, die als Streckgrenze bezeichnet wird, ist die Schergeschwindigkeit genau wie bei einer Newtonschen Flüssigkeit linear zur Scherspannung.

Bingham-Flüssigkeiten verhalten sich wie Feststoffe, bis der angewendete Druck hoch genug ist, um den bloßen Stress abzubauen, wie wenn man Catsup aus einer Flasche holt.

Das Fluid ist durch die Kurve B in Fig. 1 dargestellt. Die Scherspannung kann wie folgt geschrieben werden. Einige Schlämme auf Wasserbasis und Klärschlamm sind Beispiele für Bingham-Kunststoffflüssigkeit. Die meisten Zementaufschlämmungen auf Wasserbasis und Bohrflüssigkeiten auf Wasserbasis zeigen ein plastisches Verhalten von Bingham. Bohrschlämme werden häufig mit YP- und PV-Werten charakterisiert. Dies hat jedoch historische Gründe und bedeutet nicht unbedingt, dass das Bingham-Fluidmodell das beste Modell für alle Schlämme ist. Diese Flüssigkeiten zeigen eine lineare Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit, wenn sie auf einem Log-Log-Papier aufgetragen werden.

Dies wird durch die Kurve C in Fig. 1 veranschaulicht. Dieses Fluid wird üblicherweise auch als nicht-Newtonsches Fluid nach dem Potenzgesetz bezeichnet. Beachten Sie, dass die von verschiedenen Autoren definierte scheinbare Viskosität und effektive Viskosität nicht immer in dem hier verwendeten Sinne definiert sind. Lesen Sie daher mit Vorsicht. Die scheinbare Viskosität nimmt mit zunehmender Schergeschwindigkeit für Flüssigkeiten nach dem Potenzgesetz ab.

Aus diesem Grund ist ein anderer Begriff, der üblicherweise für pseudoplastische Flüssigkeiten verwendet wird, "Scherverdünnung". Einige Bohrflüssigkeiten und Zementschlämme können abhängig von ihrer Formulierung ein Verhalten nach dem Potenzgesetz aufweisen. Oberhalb dieser endlichen Scherspannung, die als Streckgrenze bezeichnet wird, ist die Schergeschwindigkeit hängt mit der Scherspannung durch eine Beziehung vom Typ Potenzgesetz zusammen.

Diese Flüssigkeiten zeigen auch eine lineare Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit, wenn sie auf einem logarithmischen Protokoll aufgetragen werden, und sind in Fig. 1 als Kurve D dargestellt. Der Ausdruck der Scherspannung für dilatantes Fluid ist ähnlich dem Fluid nach dem Potenzgesetz, aber der Exponent n ist größer als 1. Die scheinbare Viskosität für diese Flüssigkeiten nimmt mit zunehmender Schergeschwindigkeit zu. Aus diesem Grund werden dilatante Flüssigkeiten oft als "Scherverdickung" bezeichnet.

Treibsand ist ein Beispiel für dilatante Flüssigkeit. Bei Zementiervorgängen wäre es nachteilig, wenn die Viskosität von Flüssigkeiten mit zunehmender Scherbeanspruchung zunehmen würde. Diese Flüssigkeiten zeigen eine Änderung der Scherspannung mit der Dauer der Scherung. Dies schließt Änderungen aufgrund von Reaktionen, mechanischen Effekten usw. nicht ein. Zementschlämme und Bohrflüssigkeiten zeigen normalerweise kein zeitabhängiges Verhalten. Bei der regelmäßigen Einführung neuer Chemikalien sollte das Verhalten jedoch getestet und verifiziert werden.

Diese Flüssigkeiten zeigen eine elastische Erholung von Verformungen, die während des Fließens auftreten und als viskoelastisch bezeichnet werden. Die meisten Zementschlämme und Bohrflüssigkeiten zeigen dieses Verhalten nicht. Wie bereits erwähnt, werden jedoch regelmäßig neue Polymere eingeführt, und es sollten Tests durchgeführt werden, um das Verhalten zu überprüfen. Ein Pa-s entspricht 10 Poise P, 1.000 Centipoise cp oder 0.

Ein Pa-s n entspricht 208. Dies besteht aus konzentrischen Zylindern, von denen einer rotiert, normalerweise der äußere. Eine Flüssigkeitsprobe wird zwischen die Zylinder gelegt und das Drehmoment am inneren Zylinder gemessen.

In einem konzentrischen Viskosimeter wird das Drehmoment M T bei einer anderen Drehzahl des äußeren Zylinders gemessen. Die Scherspannung wird dann aus Gl.

Eine Anzahl von im Handel erhältlichen Rotationsviskosimetern mit konzentrischen Zylindern ist zur Verwendung mit Bohrschlämmen geeignet. Sie ähneln im Prinzip dem bereits diskutierten Viskosimeter. Alle basieren auf einem Entwurf von Savins und Roper, mit dem die plastische Viskosität und die Streckgrenze sehr einfach aus zwei Messwerten bei 600 bzw. 300 U / min berechnet werden können. PV ist der herkömmliche Ölfeldbegriff für die so gemessene plastische Viskosität. Dann wird die Streckgrenze bestimmt.

YP ist der herkömmliche Ölfeldbegriff für die Streckgrenze, der so gemessen wird. Typische Viskosimeterergebnisse sind in Fig. 1 gezeigt. Die Auswahl des Modells kann durch eine bestimmte interessierende Fluidgeschwindigkeit motiviert sein.

Beispielsweise wird die Flüssigkeit 6 in Fig. Gray und H. Strömung in Rohren und Ringen typischerweise als laminare oder turbulente Strömung charakterisiert. Laminare Strömung kann oft analytisch gelöst werden.

Die Korrelation für turbulente Strömungen wird normalerweise empirisch entwickelt, indem Experimente in einer Strömungsschleife durchgeführt werden. Typische Daten sehen wie in Abb. 1 aus. Experimentelle Daten werden normalerweise unter Verwendung von zwei dimensionslosen Zahlen analysiert und korreliert: Die Beziehung zwischen dem Reibungsfaktor f und der Reynolds-Zahl für Newtonsche Flüssigkeiten ist in Abb. 1 angegeben.

Diese Zahl basiert auf den experimentellen Ergebnissen von Colebrook. Re für pseudoplastische Flüssigkeiten ist in Abb. 1 dargestellt. Diese Abbildung basiert auf den experimentellen Ergebnissen von Dodge und Metzner. Reynolds Nummer Govier und Aziz. Der Reibungsfaktor hängt von der Reynolds-Zahl, Re und der Rauheit des Rohrs ab. Die Reynolds-Zahl Re ist definiert als. Korrelationen für den Reibungsfaktor f sowohl im laminaren als auch im turbulenten Strömungsbereich und für die kritische Reynolds-Zahl sind für eine Reihe von Flüssigkeiten und Geometrien verfügbar.

In kritischen Situationen wird jedoch empfohlen, Flow-Loop-Tests durchzuführen und Daten mit Berechnungen zu vergleichen, die auf grundlegenden Durchflussgleichungen basieren.

Zum Beispiel sollten experimentelle Daten in laminarer Strömung mit geschätzten Werten aus der Korrelation wie Gl. Es ist jedoch bekannt, dass einige mit Feststoffen beladene Polymere eine sogenannte scherinduzierte Diffusion aufweisen, bei der Feststoffe von den Wänden in die Mitte des Rohrs wandern.

Diese Flüssigkeiten zeigen eine Abweichung der berechneten und experimentellen Werte der laminaren Strömung. Korrelationen sollten nach Bedarf geändert werden, um dieses Verhalten widerzuspiegeln. Es ist bekannt, dass mehrere Polymere eine Widerstandsreduzierung in der turbulenten Strömung zeigen.

Die theoretische Vorhersage des Polymerströmungsverhaltens ist noch nicht gut genug, so dass fast immer Strömungsschleifendaten benötigt werden. Häufig verwendete Fanning-Reibungskorrelationen werden im nächsten Abschnitt zusammengefasst.

Korrelationen werden für drei geometrische Konfigurationen bereitgestellt: Die laminaren Strömungsgleichungen für die ringförmige Strömung sind ungefähr für die Newtonsche Strömung und die Potenzgesetzströmung in Ringen mit geringem Spiel, aber einigermaßen genau und viel einfacher als die exakten Lösungen.

Beachten Sie, dass für Ringe mit geringem Spiel das Spaltströmungsmodell ein fast genauso genaues Ergebnis liefert wie das konzentrische Ringmodell, aber auch modifiziert werden kann, um exzentrische Ringe zu berücksichtigen. Für 0. Es ist bekannt, dass der Reibungsdruckabfall in einem exzentrischen Ringraum geringer ist als der Reibungsdruckabfall in einem konzentrischen Ringraum.

Bei laminarer Strömung von Newtonschen Flüssigkeiten beträgt der Druckabfall in einem vollständig exzentrischen Ring die Hälfte des Druckabfalls in einem konzentrischen Ring. Bei nicht-Newtonschen Flüssigkeiten ist der Effekt geringer, aber immer noch signifikant. In abgelenkten Bohrlöchern sollte das Bohrrohr über einen Großteil des abgelenkten Bohrlochs vollständig exzentrisch sein, was zu einer verringerten Flüssigkeitsreibung führt. C e für laminare Strömung wird basierend auf den von Uner et al.

Die Strömungsrate durch einen exzentrischen Ring wurde zu bestimmt. Die Geometrie des exzentrischen Rings ist in Abb. 1 dargestellt.

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