Что изучает гидродинамика. Гидродинамические условия работы электродвигателя погружной установки. Смотреть что такое "Гидродинамика" в других словарях
2. Гидродинамика и ГиДродинамические процессы
2.1. Физические свойства жидкостей и газов
В гидромеханике принято объединять жидкости, газы и пары под одним названием – жидкости. Это связано с тем, что законы движения жидкостей и газов (паров) одинаковы, если их скорости значительно ниже скорости звука. Жидкостями называются все вещества, обладающие текучестью при приложении к ним самых незначительных сил сдвига.
При выводе основных закономерностей в гидромеханике также вводится понятие идеальной жидкости, которая, в отличие от реальной (вязкой) жидкости, абсолютно несжимаема под действием давления, не изменяет плотности при изменении температуры и не обладает вязкостью.
Масса жидкости, содержащаяся в единице объема V , представляет собойплотность тела
Величина, обратная плотности и представляющая собой объем, занимаемый единицей массы, называется удельным объемом :
.
Вес единицы объема жидкости называется удельным весом :
.
Удельный вес жидкости и её плотность связаны соотношением
.
Плотность, удельный объем и удельный вес относятся к важнейшим характеристикам жидкостей.
Реальные жидкости делятся на капельные и упругие. Капельные жидкости несжимаемы и обладают малым коэффициентом объемного расширения. Объем упругих жидкостей изменяется при изменении температуры и давления (газы, пары). В большинстве технических задач газы полагают идеальными. Состояние идеального газа описывается уравнением Клапейрона-Менделеева
,
где
– универсальная газовая постоянная,
равная 8314 Дж/(кмоль·К).
Это уравнение можно записать для расчета плотности газа
В ряде задач необходимо учитывать также состояние жидкостей. Для изоэнтропийных процессов в жидкости можно применять уравнение Тета
,
где
–
давление молекулярного взаимодействия;
n
–
коэффициент,
зависящий от свойств жидкостей. Для
воды
3,210 8
Па, n
7,15.
В зависимости от температуры и давления вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. В твердых телах молекулы взаимосвязаны между собой, расположены в определенном порядке и совершают только тепловое колебательное движение. Вероятность покинуть занимаемое молекулой (атомом) место мала. Поэтому твердые тела сохраняют заданную форму и объем.
В жидкостях тепловое движение молекул существенно выше, часть молекул получает достаточную энергию возбуждения и покидает свои места. Поэтому в жидкости молекулы перемещаются по всему объему, но их кинетическая энергия остается недостаточной для выхода за пределы жидкости. В этой связи жидкости сохраняют свой объем.
В газах тепловое движение еще больше, молекулы удалены настолько, что взаимодействие между ними становится недостаточным для удержания на определенном удалении, т.е. газ имеет возможность беспредельно расширяться.
Свободное перемешивание молекул в жидкостях и газах приводит к тому, что они изменяют свою форму при приложении сколь угодно малого силового действия. Это явление называют текучестью . Жидкости и газы принимают форму того сосуда, в котором они содержатся.
В результате хаотического движения молекулы в газе претерпевают столкновения. Процесс столкновения молекул характеризуется эффективным диаметром молекул, под которым понимается минимальное расстояние между центрами молекул при их сближении. Расстояние, которое молекула проходит между столкновениями, называется свободным пробегом молекулы.
В результате переноса количества движения при переходе молекул, движущихся в слоях с разными скоростями, возникает касательная сила, действующая между этими слоями. Свойство жидкости и газа сопротивляться сдвигающим усилиям называют вязкостью .
Расположим в жидкой среде пластину 1 на некотором расстоянии от стенки (рис. 2.1).
Пусть пластина движется относительно стенки 2 со скоростью w. Так как жидкость будет увлекаться пластиной, то в зазоре установится послойное течение жидкости со скоростями, изменяющимися от 0 до w . Выделим в жидкости слой толщиной dy . Очевидно, что скорости нижней и верхней поверхностей слоя будут отличаться по толщине на dw . В результате теплового движения молекулы непрерывно переходят из нижнего слоя в верхний и обратно. Так как их скорости различны, то их количества движения тоже различны. Но, переходя из слоя в слой, они должны принимать количество движения, характерное данному слою, т.е. будет иметь место непрерывное изменение количества движения, от чего появится касательная сила между слоями.
Обозначим через dT касательную силу, действующую на поверхность слоя площадью dF, тогда
Опыт
показывает, что касательная сила Т
,
которую надо приложить для сдвига, тем
больше, чем больше градиент скорости
,
характеризующий изменение скорости,
приходящейся на единицу расстояния по
нормали между слоями. Кроме того, сила
Т
пропорциональна площади соприкосновения
F
слоев, т.е.
.
В такой форме уравнение выражает закон внутреннего трения Ньютона , согласно которому напряжение внутреннего трения, возникающее между слоями жидкости при ее течении, прямо пропорционально градиенту скорости.
Знак минус в правой части уравнения указывает на то, что касательное напряжение тормозит слой, движущийся с относительно большой скоростью.
Коэффициент
пропорциональности
в приведенных уравнениях называетсядинамическим
коэффициентом вязкости
.
Размерность динамического коэффициента вязкости в СИ может быть выражена как
Вязкость жидкостей также можно характеризовать кинематическим коэффициентом вязкости
.
Вязкость капельных жидкостей снижается с возрастанием температуры, газов – растет. При умеренном давлении вязкость газов от давления не зависит, однако, начиная с некоторого давления, вязкость возрастает при его увеличении.
Причины разных зависимостей от температуры для газов и жидкостей в том, что вязкость газов имеет молекулярно-кинетическую природу, а капельных жидкостей зависит от сил сцепления между молекулами.
В ряде процессов химической технологии капельная жидкость при движении соприкасается с газом (или паром) или с другой капельной жидкостью, практически не смешивающейся с первой.
Силовое взаимодействие молекул, которые находятся на поверхности жидкости, и молекул, расположенных вдали от нее, неодинаково. Молекула, расположенная на поверхности, находится в симметричном силовом состоянии, верхняя часть силового поля ее вынуждена взаимодействовать с молекулами, находящимися под поверхностью. В результате этого потенциальная энергия связи в поверхностном слое увеличивается, а сам слой находится в более напряженном состоянии. Это явление называют поверхностным натяжением .
Потенциальная энергия связи в поверхностном слое
,
где – коэффициент поверхностного натяжения; dF – представляет собой поверхность жидкости, имеющей порядок dl 2 .
Энергию dE можно представить как некоторую силу, совершающую работу на пути dl , поэтому
,
.
Таким образом, поверхность жидкости стягивается силой dZ пропорциональной длине, на которой она действует. Эту силу называют силой поверхностного натяжения.
Поверхностное натяжение проявляется в том, что выделенный объем жидкости стремится принять сферическую форму, особенно это заметно на малых объемах – каплях. Действие силы поверхностного натяжения приводит к увеличению давления внутри капли, направленного внутрь жидкости по нормали к ее поверхности.
Поверхностное
натяжение уменьшается с увеличением
температуры. С величиной
связаны характеристики смачивания
капельными жидкостями твердых материалов.
Смачивание оказывает существенное
влияние на гидродинамические условия
протекания процессов в абсорбционных
и ректификационных аппаратах, конденсаторах
и т.п.
Поверхностное натяжение значительно влияет на диспергирование одной жидкости в другой, с ней не смешивающейся, и поэтому существенно сказывается на гидродинамических условиях проведения процессов жидкостной экстракции.
Гидродинамика, гидродинамики, гидродинамики, гидродинамик, гидродинамике, гидродинамикам, гидродинамику, гидродинамики, гидродинамикой, гидродинамикою, гидродинамиками, гидродинамике, гидродинамиках Грамматический словарь Зализняка
Как и в других научных сферах, рассматривающих динамику сплошных сред, прежде всего, осуществляется плавный переход от реального состояния, состоящего из огромного количества отдельных атомов или молекул, к абстрактному постоянному состоянию, для которого и записываются уравнения движения.
Большой круг изучаемых задач химической технологии и инженерной практики, непосредственно связаны с явлениями гидродинамики. При всей своей распространенности и востребованности гидродинамические вопросы имеют достаточно сложный характер, как в реализационном, так и теоретическом аспекте.
В гидродинамике характеристики потоков в технологическом предмете можно определить теоретически и экспериментально. Несмотря на то, что результаты исследований точны и надежны, проведение самих экспериментов является трудоемкой и дорогостоящей работой.
Замечание 1
Альтернативой данному направлению считается использование вычислительной гидродинамики, которая представляет собой подраздел механики сплошных сред, состоящий из физических, численных и математических методов.
Преимуществами вычислительной гидродинамики перед экспериментальными опытами является полнота полученных сведений, высокая скорость и низкая стоимость. Конечно, применение указанного раздела в физике не отменяет постановку самого научного эксперимента, однако ее использование позволяет значительно удешевить и ускорить достижение поставленной цели.
Некоторые аспекты применения гидродинамики
Многие технологические процессы в химической промышленности тесно связаны с:
- движением газов, жидкостей или паров;
- перемешиванием в нестабильных жидких средах;
- распределением неоднородных смесей посредством фильтрования, отстаивания и центрифугирования.
Скорость вышеуказанных физических явлений определяется законами гидродинамики. Гидродинамические теории и их практические приложения рассматривает принципы равновесия в состоянии покоя, а также закономерности движения жидкостей и газов.
Значение изучения гидродинамики для инженера или химика не исчерпывается тем, что ее законы являются базой гидромеханических процессов. Гидродинамические закономерности зачастую полностью определяют характер протекания эффектов теплопередачи, массопередачи и реакционных химических процессов в масштабных промышленных аппаратах.
Основными формулами гидродинамики являются уравнения Навье-Стокса. Концепция включает параметры движения и коэффициенты неразрывности. В гидродинамике также выделяют два основных типа течения жидкостей – турбулентное и ламинарное. Серьезные трудности для моделирования проектов вызывает именно турбулентное направление.
Определение 2
Турбулентность – нестабильное состояние жидкости, сплошной среды, газа, их смесей, когда в них происходят хаотические колебания скорости, давления, температуры и плотности относительно начальных значений.
Такое явление возможно наблюдать за счет зарождения, взаимодействия и исчезновения в системах вихревых движений разных масштабов, а также нелинейных и линейных струй. Турбулентность появляется, когда число Рейнольдса значительно превышает критическое значение. Турбулентность может возникать и при кавитации (кипении). Мгновенные показатели внешней среды становятся неконтролируемыми. Моделирование турбулентности – одна из нерешенных и наиболее трудных проблем в гидродинамике. На сегодняшний день создано множество разнообразных моделей и программ для точного расчета турбулентных течений, которые отличаются друг от друга точностью описания течения и сложностью решения.
Гидродинамика в химической аппаратуре
Рисунок 2. Гидродинамика в химической аппаратуре. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Гидродинамика в химических производствах вещества часто находится в жидком состоянии. Такие разнообразные элементы приходится нагревать и охлаждать, транспортировать и перемешивать. Знание законов движение жидкостей необходимо для рационального оформления технологических процессов.
При решении задач, связанных с определением гидродинамических потерь и условий тепло и массообмена, следует применить знание о режиме движения веществ. Например, для небольших цилиндрических труб, зачастую используется ламинарный режим, однако при большем объеме - турбулентный.
Доказано, при ламинарном режиме потери внутренней энергии прямо пропорциональны средней скорости жидкости, а при турбулентном значительно выше. В общем случае, потери энергетического потенциала объясняется уравнением Бернулли, характеризующего напряженность движущегося потока.
В гидродинамике опытным путем было установлено, что величина возможных утрат будет аналогична скоростному напору и зависит от вида потерь, которые могут быть линейные и местные. Природа течения в них находится в прямой зависимости от изменения вектора скорости, как по величине, так и по времени.
Определение 3
В некоторых химических аппаратах устанавливают тонкий гидродинамический перегораживающий порог, называемый водосливом.
Одной из важнейших характеристик процессов гидродинамики в этой среде является плотность орошения поверхности или расход, позволяющий определить общую толщину. Аппараты со ступенчатой поверхностью нагрева решают важные задачи в производстве в нестойких органических продуктах.
Использование принципов гидродинамики в других научных сферах
Замечание 2
В эру технического прогресса постоянно появляются новые станки, механизмы, машины и оборудование, облегчающие труд людей и механизирующие различные по характеру технологические процессы.
Достоинства гидродинамических аппаратов и приборов были подтверждены на практике. Они нашли широкое применение в народном хозяйстве.
Станки и машины, оснащенные гидродинамическим приводом, становятся все более востребованы в современном машиностроении, автоматических линиях и транспортных структурах. Использование гидропривода в значительной степени увеличивает мощность и потенциал машин. Станки и механизмы в гидродинамике могут быть приспособлены к работе в автоматическом режиме по заранее заданной программе.
Гидропривод прост в управлении и представляет собой систему устройств для передачи механической энергии с помощью жидкости. Это устройство включает в себя насосы, гидронасосы, цилиндры и управляющие элементы. Достоинствам такого управления являются широкий диапазон изменения скоростей, простота и быстродействие.
Для предотвращения возможных потерь энергии и самопроизвольной остановки используются специальные гидроприборы:
- гидродемпферы;
- гидрозамедлители;
- гидроускорители.
Подвижные элементы этих устройств имеют специально спроектированные профильные участки. В гидродинамических устройствах возможно увеличить время реверса, что позволяет осуществлять процесс с большой плавностью. Это повышает долговечность, производительности и надежность технического оборудования.
Современные гидроприводы, имеющие достаточно гибкую и сложную схему, при тщательном соблюдении правил расчета, способны обеспечить длительную и безотказную работу самых совершенных машин.
100 р бонус за первый заказ
Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line
Узнать цену
Необходимость точного вычисления объема задавочной жидкости и соблюдения технологического режима определяется следующим обстоятельством. Отмечаемое в обследуемых скважинах избыточное забойное давление над пластовым к моменту начала освоения приводит к заметному запаздыванию притока из пласта. Так, в скважине № 6677 только после снижения уровня в кольцевом пространстве с 96 до 494 м давление на забое скважины становится равным пластовому и только с этого момента теоретически возможен приток из пласта. Этот момент наступает через 1,5 ч работы установки ЭЦН. Следовательно, весь этот период практически исключается возможность принудительного охлаждения погружного двигателя восходящим потоком пластовой жидкости.
Данные по остальным скважинам показаны в табл. 3.5.
Таблица 3.5
Характеристика обследуемых скважин по периоду возможной
инфильтрации рабочего агента в пласт после включения УЭЦН
|
Номер скважины |
Перепад давления Рзаб - Рпл , МПа |
Уровень жидкости в скважине, м |
Время перемещения уровня с Ннач до Нст . , ч |
||
|
Фактический |
Соответствую- щий Рпл и |
||||
|
6677 |
|||||
|
585 |
|||||
|
6984 |
|||||
|
52 |
|||||
|
7706 |
|||||
|
6765 |
|||||
|
6737 |
|||||
|
7519 |
|||||
|
7447 |
|||||
|
7466 |
|||||
|
68 |
|||||
|
7735 |
|||||
Примечание. (Pзаб-Рпл) - перепад давления к моменту начала освоения скважины; Ннач - фактическое расстояние от устья до уровня жидкости к моменту начала освоения скважины; Нст - статический уровень.
Видно, что во всех скважинах наблюдается принципиально одинаковая картина. После включения погружного насоса во всех случаях проходит ощутимый промежуток времени, прежде чем создаются гидродинамические предпосылки для возникновения притока из пласта. В скважинах с достаточным перепадом давления (Рзаб - Рпл), несмотря на начавшуюся откачку из скважины, продолжается некоторое время инфильтрация рабочего агента в пласт, и на участке от приема насоса до пласта поток является нисходящим. Следовательно, в такой категории скважин электродвигатель погружной установки в начальный момент освоения, несмотря на отсутствие притока из пласта обтекается потоком рабочего агента.
После прекращения инфильтрации жидкости в пласт скорость обтекания двигателя приближается к нулевой. Учитывая, что по многим скважинам, осваиваемым после подземного ремонта погружными электроцентробежными установками, период возможного "обмыва" двигателя нисходящим потоком рабочего агента достаточно велик, были проведены дополнительные исследования.
В этих исследованиях ставилась цель получить зависимость скорости обтекания двигателя от времени при освоении скважины с детализацией этой зависимости в начальные периоды.
Методика исследований
Для характеристики гидродинамики обтекания погружного электродвигателя целесообразней использовать величину не абсолютной скорости, а относительной:
где 
- фактическая абсолютная скорость обтекания погружного двигателя; 
- номинальная абсолютная скорость обтекания; Qпл - расход жидкости, поступающей из пласта, или, наоборот, инфильтрующейся в пласт; Qном - номинальная производительность погружной электроцентробежной установки; Dном - номиналь,ный внутренний диаметр обсадной колонны; Dдв - внешний диаметр погружного двигателя.
Величина Qпл определяется на основе фактических замеров подачи насоса Q и динамики движения уровня жидкости в кольцевом пространстве в период освоения скважины:
(3.21)
где Hур(t) - расстояние от устья до уровня жидкости в кольцевом пространстве.
Результаты исследований
На рис. 3.9. представлены результаты измерений и обработки по каждой скважине. На рисунках показаны динамика изменения уровня жидкости, замеренная волномером и относительная скорость обтекания, вычисленная по вышеприведенной методике. Учитывая многообразие форм приведенных графиков первоначально был проведен анализ по отдельным скважинам. Здесь подробно описаны данные по скважинам 6677 и 6984.
Скважина 6677. Согласно данным исследований скважины 6677 первоначально освоение проводилось при значительной недогрузке погружной электроцентробежной установки и насос развивал подачу в 20-50% номинальной, лишь после перефазировки двигателя производительность насоса стала соответствовать характеристике. Данные о динамике подачи насоса приведены в табл. 3.6.
Представленный на рис. 3.9. и в табл. 3.6. материал указывает на то, что в данной скважине условия работы погружного электродвигателя в начальные периоды освоения были неблагоприятными - в течение длительного времени относительная скорость обтекания была близка к нулевой.
Период после вторичного запуска установки (t >3,6 ч) характеризуется не только резким снижением уровня, но и интенсивным притоком из пласта. В результате чего, скорость потока в кольцевом пространстве между погружным двигателем и обсадной колонной резко возрастает и достигает величины на 20-30% превышающей номинальную (ŵ = 1,2-1,3).
Наличие максимума в приводимых на рис. 3.9. зависимостях при t ≈ 5ч можно объяснить различным характером изменения плотности по мере притока жидкости из пласта на участке от забоя до приема насоса и от приема насоса до уровня жидкости. Последний участок вследствие разделения фаз будет формироваться газоводонефтяной смесью с пониженной по сравнению с забойным участком плотностью.
Таблица 3.6
Подача насоса и плотность перекачиваемой жидкости в период освоения скв. 6677
|
Время, ч |
Подача насоса, м3/сут |
Плотность жидкости, кг/м3 |
Время, ч |
Подача насоса, м3/сут |
Плотность жидкости, кг/м3 |
|
Остановка |
|||||
Надо отметить, что в дальнейшем процесс сепарации газа приводит к росту давления в затрубном пространстве и оттеснению уровня. В данной скважине это наблюдается через 20-24 ч после начала освоения скважины (табл. 3.7). Таким образом зависимость Hур(t) в конечном счете имеет и другой экстремум (минимум). Анализируя зависимость w(t),
следует отметить, что скорость обтекания погружного электродвигателя на средней и заключительной стадиях освоения высока и при выходе на режим соответствует номинальному значению.
Таблипа 3.7
Данные средней и заключительной стадий освоения скв. 6677
|
Время, ч |
Hур, м |
Давление в затрубном пространстве, МПа |
Время, ч |
Hур, м |
Давление в затрубвом простравстве, МПа |
Таким образом, освоение скв. 6677 характеризуется напряженными условиями работы ПЭД в начальной стадии; период работы ПЭД (Тн) с w ≤ 0,2 составляет около 3 ч - весь этот период погружной электродвигатель охлаждается потоком, имеющим скорость в 5 и более раз меньшую, чем wном.
Скважина № 6984. Начальная стадия освоения этой скважины отмечена двумя кратковременными остановками погружного насоса при t = 1,5 и 2,3 ч, а также одной длительной остановкой с t = 3 до t = 4,4 ч.
Из рис. 3.9. видно, что темп снижения уровня в затрубном пространстве до первой остановки погружного насоса достаточно высок, хотя производительность насоса в это время (табл. 3.8) невелика. Такое "несоответствие" объясняется ин-
Таблица 3.8
Подача насоса в период освоения скв. 6984
|
Подача насоса, м3/сут |
Подача насоса, м3/сут |
||||
фильтрацией жидкости в этом интервале времени в пласт. Это видно также из зависимости ŵ(t), согласно которой (см. рис. 3.9) продолжительность инфильтрации в пласт составляет около часа. Велико и значение периода слабого обтекания погружного электродвигателя (Tн = 2 ч).
Общим в освоении скв. 6677 и 6984 является значительная недогрузка погружной электроцентробежной установки в начальный период по производительности. Это обстоятельство является дополнительной причиной увеличения Tн.
Анализ и обработка экспериментального материала показывают, что существует вполне определенная взаимосвязь между тремя гидродинамическими показателями освоения скважин после их подземного ремонта: Tн, ΔР = Рзаб - Рпл, Vф. Из обобщающего рисунка 3.10 видно, что продолжительность периода слабого обмыва ПЭД - величина Tн - растет с увеличением ΔР и Vф.
Но при этом надо отметить, что представленный материал несколько меняет существующее представление о характере освоения скважин после подземного ремонта. Это выражается, главным образом, в том, что успешность освоения в большой степени определяется существующим к моменту начала освоения избытком забойного давления над пластовым. Судя по фактическим данным для рассматриваемых условий избыток в 1,5 - 2,0 МПа является критическим; при ΔР > (1,5 - 2,0) МПа резко возрастает продолжительность периода слабого обмыва ПЭД.
Из вышесказанного следует, что при традиционной технологии освоения оперативность проведения подземного ремонта в некоторых случаях (при ΔР > ΔРкр) не может служить гарантией нормального режима обтекания погружного двигателя в начальный период.
Кроме того, режим обтекания может быть значительно улучшен, если начало освоения скважины после подземного ремонта будет смещено и перепад давления ΔР = Рзаб - Рпл к моменту начала освоения будет ниже критического. Но такая мера будет действенна лишь в том случае, когда фактический и расчетный объемы рабочего агента будут примерно одинаковы, а объем инфильтрующейся в пласт жидкости Vф при этом минимален. Только в этом случае отрицательный эффект от снижения фильтрационной характеристики призабойной зоны скважины может быть скомпенсирован положительным воздействием от снижения ΔР к началу освоения. По иному идет процесс освоения в скважинах, заглушенных. ГЭР (рис. 3.11). Ниже приведем результаты исследования скв. 1560, продукция которой содержит нефть угленосных отложений вязкостью 19,2 мПа-с в пластовых условиях. Процесс освоения этой скважины проходит практически без осложнений. Уже в первые 50 мин ŵ равна 0,5, а через 4,6 ч достигает 0,95. В динамике Hyp = f(t) и ŵ = f(t) можно выделить четыре зоны.
Первая зона (t1) представляет из себя процесс, когда включенный насос забирает жидкость с затрубного пространства и резко снижает уровень. Приток из пласта жидкости начинается более интенсивно через 12-15 мин и в точке t1 имет максимум. Основная жидкость из затрубного пространства к этому моменту откачана и на прием насоса начинает поступать пластовая жидкость. Ввиду различия плотностей продукции пласта и задавочной жидкости насос,. как правило, меняет свою характеристику в сторону снижения, которое продолжается до выравнивания плотностей до приёма насоса и в затрубном участке.
С точки t2 (вторая зона) над приёмом насоса начинает накапливаться нефтяная фаза, плотность которой практически. равна плотности нефти в пластовых условиях. Этот процесс продолжается до точки t3 (третья зона). С момента t3 до t4 (четвертая зона) идет выравнивание системы пласт-насос-подъёмник и система переходит на "условно стационарный режим" работы. Аналогичный процесс происходит и в других исследованных скважинах.
При применении ГЭР эффект проявления начальных градиентов и капиллярных сил значительно ниже в сравнении со скважинами, заглушенными минерализованной водой высокой плотности . Так, по скв. 6737 он составляет 18 мин (см. начало кривой ŵ -рис. 3.9), скв. 7519 и 7447 - 24 и 36 мин соответственно, в то время как по скв. 1560 он составляет всего лишь 6 мин.
Представляют интерес результаты освоения скв. 7466, на которой перед ремонтом была проведена промывка забоя с допуском труб водным раствором дистиллята деэмульгатором типа дисолван. Операция с промывкой забоя скважины была: связана с другим технологическим процессом - очисткой призабойной зоны. Эффект действия химреагентов на этой скважине проявляется значительно, хотя перед ремонтом она была промыта технологической жидкостью. Фильтровавшиеся в пласт и адсорбированные в призабойной зоне углеводородный радикал и деэмульгатор изменяют картину освоения в сторону облегчения процесса. Если сравнить характер изменения ŵ = f(t) по скв. 7466 и 1560, то можно наблюдать схожесть происходящих процессов. Отличие физико-химических свойств задавочной жидкости и продукции скважин приводит к значительной перегрузке погружных установок в момент освоения и изменению геологофизических характеристик призабойной зоны.
Обобщая результаты исследования более чем 400 скважин с ЭЦН и используя зависимости (3.20) и (3.21) для скважин, откачивающих девонскую нефть, получили зависимость ŵ = f(Qн) при критериях ΔР = 1,5-2,0 МПа.
Действие параметров притока на ŵ комплексно. В значительной степени влияние оказывает μн и k.
На рис. 3.12 зависимость ŵ = f(Qн) приведена для трех значений проницаемостей 0,2; 0,5 и 0,8 мкм2. Для данного случая принято, что приток из пласта в "условно стационарном режиме" соответствует производительности насоса. Анализируя кривые 1, 2, 3 (см. рис. 3.12), можно отметить следующее. Условия освоения и вывода на режим даже для одного и того же значения притока из пласта, наряду с другими параметрами, определяющим образом зависят от проницаемости призабойной зоны пласта. При притоках менее 150 - 180 м3/сут применение химреагентов, сохраняющих первоначальные характеристики пласта крайне необходимо.
Для скважин с притоком более 180 м3/сут могут быть применены и более дешевые технологические приемы, позволяющие значительно облегчить процесс освоения и пуска скважин. Но здесь следует иметь в виду, что процесс освоения и пуска скважины в работу комплексно взаимосвязан с работой погружного двигателя, насоса и подъемника, как единая гидродинамическая система. Применение жидкостей различных плотностей и вязкостей отражается на работе погружного насоса, двигателя и подъемника по-разному.
Рассмотрим прежде всего как первый элемент этой системы работу погружного двигателя. Двойственность причин, ухудшающих режим работы погружного двигателя в период освоения делает необходимым пересмотр существующей технологии подготовки к подземному ремонту и последующему освоению насосной скважины.
Из вышесказанного следует, что совершенствование технологии может проводиться в двух направлениях.
Первое - сокращение объема инфильтрации задавочной жидкости в пласт, особенно в тех случаях, когда физико-химические свойства рабочего агента сильно отличаются от свойств пластовой жидкости или же приводят к трудноустранимому в процессе эксплуатации ухудшению фильтрационной характеристики призабойной зоны скважины.
Второе направление - снижение забойного давления в скважине к моменту начала освоения погружным электроцентробежным насосом, то есть уровень задавочной жидкости в скважине к моменту включения установки должен быть близок к статическому или ниже его.
Эти два требования, конечно, при традиционной технологии подготовки и освоения после подземного ремонта не могут быть реализованы в одинаковой степени. И, как правило, выполнение одного требования может быть сделано лишь в ущерб другому. Количество жидкости, попадающей в пласт Vф, а также уровень жидкости в скважине Нур зависят от времени восстановления забойного давления после остановки скважины на подземный ремонт, иными словами, от времени ожидания задавки. При одинаковом объеме рабочего агента, используемого для задавки, и одинаковом времени проведения подземного ремонта, влияние времени ожидания задавки Тз на величины Vф и Нур сказывается по-разному.
На рис. 3.13 и 3.14 показаны условные графики гидродинамического состояния системы скважина - пласт для двух значений времени ожидания. Первый график соответствует условиям практически полного восстановления давления в скважине перед ее задавкой, а второй график - условиям, когда задавка начата непосредственно после остановки скважины на подземный ремонт (давление ещё не восстановлено).
Во втором случае отмечается значительно более высокий градиент давления в призабойной зоне, следовательно - более высокая скорость инфильтрации и высокий темп снижения давления. В результате к моменту начала освоения объем жидкости, проникшей в пласт, будет большим, а забойное давление (давление столба жидкости в скважине) меньшим, чем в первом случае.
На каждом конкретном объекте в связи с этим существует оптимальное время ожидания задавки, то есть оптимальная степень восстановления давления к моменту задавки скважины. В скважинах, оснащенных насосами большой производительности целесообразной является высокая степень восстановления давления. Большая скорость откачки до минимума сократит период слабого обмыва ПЭД, и призабойная зона пласта будет минимально загрязнена, так как Vф при этом незначителен.
В скважинах, освоение которых проводится насосами малой производительности, необходимо сократить время ожидания задавки. Это позволит к моменту включения погружной насосной установки обеспечить минимум разности между давлением столба жидкости в скважине и пластовым давлением, а после включения обеспечить практически мгновенный приток из пласта. Начнется обмыв погружного электродвигателя хоть и с недостаточно высокой скоростью, так как здесь происходит ухудшение фильтрационной характеристики призабойной зоны (в этом случае Vф велико). Впрочем, фактическая скорость обмыва будет находиться в определенном соответствии с требуемой для охлаждения ПЭД скоростью обмыва, ибо мощность двигателя относительно невелика.
Но главным требованием независимо от типоразмера применяемого оборудования при традиционной технологии задавки и освоения насосных скважин, следует повторить, остается строгая дозировка объема рабочего агента, обработанного химреагентом, используемого для задавки ремонтируемой скважины. Этот объем может быть подсчитан на основе вышеприведенных формул (3.19), согласно которых основными исходными параметрами служит пластовое давление, плотность задавочной жидкости, диаметр скважины, а также коэффициент запаса. Могут быть и другие разновидности технологии глушения, которые коренным образом исключают попадание задавочной жидкости в продуктивный пласт. Одним из способов, реализующих этот подход, является способ, основанный на использовании в процессе задавки скважины энергии сжатого газообразного агента.
Гидродинамика -- это раздел гидравлики, изучающий законы механического движения жидкости и ее взаимодействия с неподвижными и подвижными поверхностями. Основная задача гидродинамики: определение гидродинамических характеристик потока, таких как гидродинамическое давление, скорость движения жидкости, сопротивление движению жидкости, а также изучение их взаимосвязи.
Общие сведения.
Кинематика жидкости обычно в гидравлике рассматривается совместно с динамикой и отличается от нее изучением видов и кинематических характеристик движения жидкости без учета сил, под действием которых происходит движение, тогда как динамика жидкости изучает законы движения жидкости в зависимости от приложенных к ней сил.
Жидкость в гидравлике рассматривается как непрерывная среда, сплошь заполняющая некоторое пространство без образования пустот. Причины, вызывающие ее движение, -- внешние силы, такие, как сила тяжести, внешнее давление и т. д. Обычно при решении задач гидродинамики этими силами задаются. Неизвестные факторы, характеризующие движение жидкости, -- это внутреннее гидродинамическое давление (по аналогии с гидростатическим давлением в гидростатике) и скорость течения жидкости в каждой точке некоторого пространства. Причем гидродинамическое давление в каждой точке -- функция не только координат данной точки, как это было с гидростатическим давлением, но и функция времени t, т. е. может изменяться и со временем.
Основной задачей этого раздела гидравлики является определение следующих зависимостей скорости u и давления P в каждой точке потока жидкости, которые являются соответствующими функциями времени t и координат x,y,z:
Трудность изучения законов движения жидкости обусловливается самой природой жидкости и особенно сложностью учета касательных напряжений, возникающих вследствие наличия сил трения между частицами. Поэтому изучение гидродинамики, по предложению Л. Эйлера, удобнее начинать с рассмотрения невязкой (идеальной) жидкости, т. е. без учета сил трения, внося затем уточнения в полученные уравнения для учета сил трения реальных жидкостей.
Существует два метода изучения движения жидкости: метод Ж. Лагранжа и метод Л. Эйлера.
Метод Лагранжа заключается в рассмотрении движения каждой частицы жидкости, т. е. траектории их движения. Из-за значительной трудоемкости этот метод не получил широкого распространения.
Метод Эйлера заключается в рассмотрении всей картины движения жидкости в различных точках пространства в данный момент времени. Этот метод позволяет определить скорость движения жидкости в любой точке пространства в любой момент времени, т. е. характеризуется построением поля скоростей и поэтому широко применяется при изучении движения жидкости. Недостаток метода Эйлера в том, что при рассмотрении поля скоростей не изучается траектория отдельных частиц жидкости.
При перемещении жидкости силу давления, отнесенную к единице площади, рассматривают как напряжение гидродинамического давления, подобно напряжению гидростатического давления при равновесии жидкости. Как и в гидростатике, вместо термина «напряжение давления» используют выражение «гидродинамическое давление», или просто «давление».
По характеру изменения скоростей во времени движение жидкости бывает установившееся и неустановившееся.
Виды движения (течения) жидкости
Течение жидкости вообще может быть неустановившимся (нестационарным) или установившимся (стационарным).
гидродинамика движение жидкость трубопровод
Неустановившееся движение - такое, при котором в любой точке потока скорость движения и давление с течением времени изменяются, т.е. u и P зависят не только от координат точки в потоке, но и от момента времени, в который определяются характеристики движения т.е.:
Примером неустановившегося движения может являться вытекание жидкости из опорожняющегося сосуда, при котором уровень жидкости в сосуде постепенно меняется (уменьшается) по мере вытекания жидкости.
Установившееся движение - такое, при котором в любой точке потока скорость движения и давление с течением времени не изменяются, т.е. u и P зависят только от координат точки в потоке, но не зависят от момента времени, в который определяются характеристики движения:
и, следовательно,
Пример установившегося движения - вытекание жидкости из сосуда с постоянным уровнем, который не меняется (остаётся постоянным) по мере вытекания жидкости.
В случае установившегося течения в процессе движения любая частица, попадая в заданное, относительно твёрдых стенок, место потока, всегда имеет одинаковые параметры движения. Следовательно, каждая частица движется по определённой траектории.
Траекторией называется путь, проходимый данной частицей жидкости в пространстве за определенный промежуток времени.
При установившемся движении форма траекторий не изменяется во время движения. В случае неустановившегося движения величины направления и скорости движения любой частицы жидкости непрерывно изменяются, следовательно, и траектории движения частиц в этом случае также постоянно изменяются во времени.
Поэтому для рассмотрения картины движения, образующейся в каждый момент времени, применяется понятие линии тока.
Линия тока - это кривая, проведенная в движущейся жидкости в данный момент времени так, что в каждой точке векторы скорости ui совпадают с касательными к этой кривой.
Нужно различать траекторию и линию тока. Траектория характеризует путь, проходимый одной определенной частицей, а линия тока направление движения в данный момент времени каждой частицы жидкости, лежащей на ней.
При установившемся движении линии тока совпадают с траекториями частиц жидкости. При неустановившемся движении они не совпадают, и каждая частица жидкости лишь один момент времени находится на линии тока, которая сама существует лишь в это мгновение. В следующий момент возникают другие линии тока, на которых будут располагаться другие частицы. Еще через мгновение картина опять меняется.
Если выделить в движущейся жидкости элементарный замкнутый контур площадью dщ и через все точки этого контура провести линии тока, то получится трубчатая поверхность, которую называют трубкой тока. Часть потока, ограниченная поверхностью трубки тока, называется элементарной струйкой жидкости. Таким образом, элементарная струйка жидкости заполняет трубку тока и ограничена линиями тока, проходящими через точки выделенного контура с площадью dщ. Если dщ устремить к 0, то элементарная струйка превратится в линию тока.
Из приведённых выше определений вытекает, что в любом месте поверхности каждой элементарной струйки (трубки тока) в любой момент времени вектора скоростей направлены по касательной (и, следовательно, нормальные составляющие отсутствуют). Это означает, что ни одна частица жидкости не может проникнуть внутрь струйки или выйти наружу.
При установившемся движении элементарные струйки жидкости обладают рядом свойств:
- · площадь поперечного сечения струйки и ее форма с течением времени не изменяются, так как не изменяются линии тока;
- · проникновение частиц жидкости через боковую поверхность элементарной струйки не происходит;
- · во всех точках поперечного сечения элементарной струйки скорости движения одинаковы вследствие малой площади поперечного сечения;
- · форма, площадь поперечного сечения элементарной струйки и скорости в различных поперечных сечениях струйки могут изменяться.
Трубка тока является как бы непроницаемой для частиц жидкости, а элементарная струйка представляет собой элементарный поток жидкости.
При неустановившемся движении форма и местоположение элементарных струек непрерывно изменяются.
Кроме того, установившееся движение подразделяется на равномерное и неравномерное.
Равномерное движение характеризуется тем, что скорости, форма и площадь сечения потока не изменяются по длине потока.
Неравномерное движение отличается изменением скоростей, глубин, площадей сечений потока по длине потока.
Среди неравномерно движущихся потоков следует отметить плавно изменяющиеся движения, характеризующееся тем, что:
- · линии тока искривляются мало;
- · линии тока почти параллельны, и живое сечение можно считать плоским;
- · давления в живом сечении потока зависят от глубины.