Экспериментальное и теоретическое исследование реологических свойств неньютоновских сред (растворов вязкоупругих ПАВ) при квазистатическом и динамическом нагружениях
DOI:
https://doi.org/10.7242/2658-705X/2022.1.3Ключевые слова:
растворы вязкоупругих ПАВ, неньютоновская жидкость, реология, обобщённая модель Максвелла, спектр времён релаксации, ударные волныАннотация
Объектом исследования являются жидкости на основе вязкоупругого поверхностно активного вещества (ПАВ) марки Д (тип 70-100, производства АО «Полиэкс») и на основе гуара. Данные жидкости применяются для технологии гидроразрыва пласта (ГРП) в качестве пропантонесущей и пропантоудерживающей жидкости ГРП с целью повышения нефтеотдачи, в том числе с трудноизвлекаемыми запасами нефти и газа. Работа посвящена разработке реологической модели поведения вязкоупругих жидкостей в широком диапазоне скоростей сдвига, характерных для ГРП. Актуальной научной проблемой является обоснование выбора концентрации вязкоупругого ПАВ при изготовлении жидкости разрыва (ЖР). В отечественной практике принято применение жидкости разрыва с эффективной вязкостью 0,4 Па·с (=400 сП) при скорости деформации 100 с-1 и температуре, равной среднему арифметическому между температурой пласта и устья. В последние годы в зарубежной литературе всё чаще упоминается об упругой составляющей жидкости разрыва как наиболее адекватной характеристике, коррелирующей с пропантоудерживающей способностью жидкости (невязкая составляющая). В настоящее время востребованы модели поведения пропантонесущих вязкоупругих жидкостей (вязкоупругих растворов ПАВ) в процессах гидроразыыва пласта. В связи с этим возникает необходимость в разработке математических моделей и методик расчета пропантоудерживающей способности ЖР в зависимости от ее вязкоупругих характеристик. Целью работы являлось развитие математической модели поведения растворов вязкоупругих ПАВ, разработка подходов и методики идентификации параметров модели Леонова-Прокунина, которая позволяет адекватно описать как процесс стационарного течения жидкости, так и динамическое нагружение в режиме осцилляций и ударно-волновом нагружении. Результатом проекта является методика идентификации параметров модели поведения растворов вязкоупругих ПАВ по данным статических и динамических испытаний, которая может быть использована в коммерческих решателях по гидроразрыву пласта.
Библиографические ссылки
- Gomaa A.M., Gupta D.V.S., Carman P. Proppant Transport? Viscosity Is Not All It's Cracked Up To Be // SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference: Conference Proceedings. – USA. – OnePetro, 2015.
- Dogon D. Partical Flow In Fractures Eindhoven. – Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2016. – 125 p.
- Arnipally S.K., Kuru E. Settling velocity of particles in viscoelastic fluids: a comparison of the shearviscosity and elasticity effects // SPE Journal. – 2018. – Vol. 23. – № 5. – P. 1689–1705.
- Evans D.J., Hanley H.J.M., Hess S. Non-Newtonian phenomena in simple fluids // Physics Today. –
– Vol. 37. – № 1. – P. 26–33. Kawasaki K., Gunton J.D. Theory of nonlinear transport processes: Nonlinear shear viscosity and normal stress effects // Physical Review A. – 1973. – Vol. 8. – № 4. – P. 2048-2064. Yamada T., Kawasaki K. Nonlinear effects in the shear viscosity of a critical mixture // Progress Theoretical Physics. – 1967. – Vol. 38. – № 8. – Р. 1031–1051. Derjaguin B.V., Bazaron U.B., Lamazhapova Kh.D., Tsidypov B.D. Shear elasticity of low-viscosity liquids at low frequencies // Progress in Surface Science. – 1992. – Vol. 40. – № 1–4. – P. 462–465. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. – Л: Изд-во «Наука», 1975. – 592 с. Минеев В.Н., Зайдель Р.М. Вязкость воды и ртути при ударном нагружении // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 1968. – Т. 54. – № 6. – С. 1634–1639. Сахаров А.Д., Зайдель Р.М., Минеев В.Н., Олейник А.Г. Экспериментальное исследование устойчивости ударных волн и механических свойств вещества при высоких давлениях и температурах // Доклады Академии Наук СССР. – 1964. – Т. 159. – № 5. – C. 1019–1022. Минеев В.Н., Савинов Е.В. Вязкость и температура плавления алюминия, свинца и хлористого натрия при ударном сжатии // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 1967. – Т. 52. – № 3. – С. 629–636. Богач А.А., Уткин А.В. Прочность воды при импульсном растяжении // Прикладная Механика и
Техническая Физика. – 2000. – Т. 41. – № 4. – С. 198–205. Уткин А.В. Влияние кинетики разрушения материалов на амплитуду откольного импульса // Прикладная механика и техническая физика. – 2011. – Т. 52. – № 1. – С. 185–193. Сосиков В.А., Уткин А.В., Фортов В.Е. Особенности разрушения воды вблизи температуры замерзания при импульсном растяжении // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2008. – Т. 133. – № 5. – С. 1036-1041. Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е. Экспериментальные профили ударных волн в конденсированных веществах. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 248 с. Игнатова О.Н., Раевский В.А., Целиков И.С. Модель откольного разрушения в жидкости // Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны: труды международной конференции «XVII Харитоновские тематические научные чтения». – Саров: ФГУП «РФЯЦ- ВНИИЭФ», 2015. – С. 386–390. Peirce A. Modeling multi-scale processes in hydraulic fracture propagation using the implicit level set algorithm // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. – 2015. – Vol. 283. – P. 881–908. Dontsov E.V., Peirce A.P. A multiscale implicit level set algorithm (ILSA) to model hydraulic fracture propagation incorporating combined viscous, toughness, and leak-off asymptotics // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. – 2017. – Vol. 313. – P. 53–84. Linkov A.M. Modern theory of hydraulic fracture modeling with using explicit and implicit schemes [Электронный ресурс] – URL: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1905/1905.06811.pdf Olroyd J.G. On the Formulation of Rheological Equation of State // Proc. Roy. Soc. – 1950. – Vol. A200. – P. 523–541. Mitsoulis E. 50 years of the K-BKZ constitutive relation for polymers // ISRN Polymer Science. – 2013. – Vol. 2013. – P. 952379(22).Giesekus H. A simple constitutive equation for polymer fluids based on the concept of deformationdependent tensorial mobility // J. of Non-Newtonian Fluid Mechanics. — 1982. — Vol. 11. – № 1/2. – P. 69–109.Phan-Thien N., Tanner R.I. A new constitutive equation derived from network theory // J. Non-
Newtonian Fluid Mech. – 1977. – Vol. 2. – № 4. – P. 353–365.Leonov A.I. Nonequilibrium thermodynamics and rheology of viscoelastic polymer media // Rheologica acta. – 1976. – Vol. 15. – №. 2. – С. 85-98.Leonov A.I., Lipkina E.H., Paskhin E.D., Prokunin A.N. Theoretical and experimental investigation of shearing in elastic polymer liquids // Rheologica Acta. – 1976. – Vol. 15. – № 7-8. – С. 411–426. Vinogradov G.V., Malkin A.Ya., Yanovskii Yu.G., Borisenkova E.K., Yarlykov B.V., Berezhnaya G.V.
Viscoelastic properties and flow of narrow polybutadienes and polyisoprenes // Journal of Polymer Science: Part A-2. – 1972. – Vol. 10. – № 6. – P. 1061–1084.Pyshnograi G.V., Gusev A.S., Pokrovskii V.N. Constitutive Equations for Weakly Entangled Linear Polymers // J. Non-Newtonian Fluid Mech. – 2009. – Vol. 163. – № 1–3. – P. 17–28.Шрамм Г. Основы практической реологии и реометрии. – М.: КолосС, 2003. – 312 с.Скульский О.И. Особенности течения концентрированных суспензий твердых частиц // Вычислительная механика сплошных сред. – 2021. – Т. 14. – №. 2. – С. 210–219. Ефремов Д.В., Банникова И.А., Баяндин Ю.В., Крутихин Е.В., Журавлёв В.А. Экспериментальное
исследование реологических свойств жидкостей для гидроразрыва пласта // Вестник Пермского университета. Физика. – 2020. – № 4. – С. 69–77.Efremov D.V., Bannikova I.A., Bayandin Yu.V., Krutihin E.V., Zhuravlev V.A. Study of Viscoelastic
Properties of Fluids for Hydraulic Fracturing // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – Vol. 1945. – P. 012003.Bayandin Yu., Bilalov D., Naimark O., Krutikhin E., Zhuravlev V. Rheological model of viscoelastic surfactants under quasistatic and dynamic influences // AIP Conference Proceedings. – 2020. – Vol. 2216. – P.020001.Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2003. – 527 c.Минеев В.Н., Фунтиков А.И. Измерения вязкости воды при ударно-волновом сжатии // Теплофизика высоких температур. – 2005. – Т. 43. – № 1. – С. 136–145.Swegle J.W., Grady D.E. Shock viscosity and the prediction of shock wave rise times // Journal Applied Physics. – 1985. – Vol. 58. – № 2. – P. 692–701. Barker L.M. Behavior of dense media under high dynamic pressures. – New York: Gordon and
Breach, 1968. – 482 p.Naimark O.B. Defect Induced Transitions as Mechanisms of Plasticity and Failure in Multifield
Continua // In: Advances in Multifield Theories of Continua with Substructure / Ed. G. Capriz and P. Mariano, Birkhäuser, Boston, 2004. – P. 75–114.Grady D.E. Structured shock waves and the fourth-power law // Journal Applied Physics. – 2010. –
Vol. 107. – P. 013506(1–13).Bannikova I.A., Uvarov S.V., Bayandin Yu.V., Naimark O.B. An experimental study of non-Newtonian properties of water under electroexplosive loading // Technical Physics Letters. – 2014. – Vol. 40. – № 9. – P. 766–768.
Банникова И.А., Баяндин Ю.В., Уваров С.В., Изюмов Р.И. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014615995 от 09.06.2014 г.Уткин А.В. Влияние кинетики разрушения материалов на амплитуду откольного импульса // Прикладная Механика и Техническая Физика. – 2011. – Т. 52. – №1. – С. 185–193.Uvarov S.V., Bannikova I.A., Naimark O.B. Pulse loading of glycerol by electric explosion of wire // Journal of Physics: Conference Series. – 2015. – Vol. 653. – P. 012034(1–5).Bannikova I.A., Zubareva A.N., Utkin A.V. Shock-wave pulse compression and stretching of dodecane and mineral oils // Technical Physics. – 2018. – Vol. 63. – № 4. – P. 498–505.Базарон У.Б., Будаев О.Р., Дерягин Б.В., Ламажапова Х.Д. О низкочастотной сдвиговой упругости жидкостей // Доклады Академии наук СССР. – 1990. – Т. 315. – С. 595–599.Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. – М.: Наука, 1984. – 403 с.
