Design and construction of a magneto-rheometer to determine the rheological properties of magnetorheological fluids for use in drilling applications

Magnetorheological (MR) fluids are suspensions which exhibit a rapid, continuous and reversible change in their rheological properties upon application of an external magnetic field. They consist of micron-sized magnetizable solid particles suspended in a non-magnetic carrier fluid. The dispersed phase can be ferromagnetic, ferrimagnetic, and paramagnetic materials while the carrier fluid can be water, kerosene or mineral oil. The main drawback of this kind of fluids is the sedimentation and settling of the magnetic microparticles due to the high mismatch density, so the addition of surfactants is essential. When no magnetic field is applied the suspensions of magnetizable particles are randomly distributed, so the fluids behave similarly to a Newtonian fluid. Under the influence of magnetic field the particles form chains aligned with the field direction and this causes the MR fluid to exhibit semisolid behavior, with increased yield stress. The yield stress, ranges between 10 and 100 kPa proportionally to the magnetic field, the percentage of the solids in the fluid and their particle size. The rheology is described by non-Newtonian models such as Bingham plastic or Herschel-Bulkley model. To study the effect of the different components of the MR fluids on the rheology of the suspensions, a flexible and innovative magneto-rheometer has been designed and fabricated in the laboratory. It consists of a vertical pipe running across a magnetic field created by an electromagnet. The system is equipped with a coriolis flowmeter and three pressure transmitters. The flow is provided by a peristaltic pump. The pipes which carry the fluid are non-magnetic. The parameters which are monitored are flow rate, density, temperature, pressure, pressure drop and magnetic flux. The rheological properties of the MR fluids in the homogenous magnetic field perpendicular to the shear flow direction are evaluated under different flow conditions like flow rate, different additives and solid loading and different strength of magnetic field. The data can be analyzed via a data acquisition system and a personal computer.

Magnetoreologiczne (MR) płyny są zawiesinami charakteryzującymi się gwałtownymi, ciągłymi i odwracalnymi zmianami właściwości reologicznych pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. W składzie swoim mają mikronowe magnesowalne cząsteczki zawieszone niemagnetycznym płynie przewodzącym. Rozproszona faza może składać się z materiałów ferromagnetycznych, ferrymagnetycznych i paramagnetycznych, podczas gdy płyn może być wodą, naftą bądź olejem mineralnym. Główny problem w przypadku tych płynów polega na osadzaniu się magnetycznych mikrocząsteczek pod wpływem silnie zróżnicowanej gęstości i konieczności dodawania czynników powierzchniowo czynnych. W przypadku niezastosowania pola magnetycznego, zawiesiny magnesowalnych cząsteczek rozkładają się przypadkowo i płyn zachowuje się podobnie do cieczy newtonowskiej. Pod wpływem pola magnetycznego cząsteczki tworzą łańcuchy zgodnie z jego kierunkiem a to powoduje, że płyn magnetoreologiczny zachowuje się niemal jak ciało stałe o podwyższonej granicy plastyczności, która waha się od 10 do 100 kPa, proporcjonalnie do pola magnetycznego, udziału procentowego fazy stałej i jej wielkości. Reologię opisują modele newtonowskie, np. model plastyczny Binghama lub Herschel-Bulkley'a. W celu przebadania wpływu różnych składników płynów magnetoreologicznych na reologię zawiesin zaprojektowano i wykonano w laboratorium innowacyjny giętki reometr magnetyczny. Składa się on z pionowej rury przecinającej pole magnetyczne wywołane przez elektromagnes. Układ wyposażono w przepływomierz Coriolisa i trzy przekaźniki ciśnienia. Przepływ następuje pod wpływem pompy perystaltycznej. Rury zawierające płyn są niemagnetyczne. Monitorowano prędkość przepływu, gęstość, temperaturę, ciśnienie, spadek ciśnienia i strumień magnetyczny. Właściwości reologiczne płynów magnetoreologicznych w warunkach jednorodnego pola magnetycznego prostopadłego do kierunku zwykłego przepływu przebadano dla różnych parametrów przepływu, np. prędkości przepływu, dodanych środków, zawartości fazy stałej czy natężenia pola magnetycznego. Analizy danych dokonano za pomocą systemu akwizycji danych lub komputera osobistego.