Cтраница 1
Гидродинамические условия в аппарате стабилизированы и изменяются несущественно.
Гидродинамические условия стабилизированы и рассматриваются как квазистационарные.
Гидродинамические условия в колонне с насадкой существенно отличаются от гидродинамики пустотелых колонных экстракторов. Если сплошная жидкость лучше смачивает насадку, чем диспергированная, то поток будет иметь тот же характер, что и в колоннах без насадки, и вторая фаза будет протекать через колонну в виде капель, которые катятся по поверхности. Если жидкость, которая вводится через распылитель, обладает лучшей смачиваемостью, то такая жидкость образует на насадке либо сплошные, либо прерывистые пленки.
Гидродинамические условия в задачах с вынужденной конвекцией обычно описываются с помощью числа Рейнольдса Re Vljv.
Гидродинамические условия на первой стадии весьма жесткие, скорость дымовых газов на входе в камеру около 40 м / с; в верхней части камеры она падает до 0 7 м / с. Примерно 70 - 80 % влаги удаляется в этой первой камере.
Гидродинамические условия псевдоожижения во всех секциях одинаковы.
Гидродинамические условия области изучены слабо.
Гидродинамические условия эксплуатации экспериментальных по - лей (южное и северное) в начале эксперимента были близкими. Перепад между средним пластовым давлением на линии нагнетания к средним забойным давлением в добывающих скважинах был примерно одинаковым.
Гидродинамические условия залежи и свойства нефтей изучены недостаточно.
Гидродинамические условия контакта паровой и жидкой фаз в перекрестноточных насадочных колоннах (ПНК) существенно отличаются от таковых при противотоке.
Гидродинамические условия движения жидкости и газа по трещинам принципиально отличаются от условий фильтрации в пористой среде. Это позволяет сделать вывод, что для определения кол-лекторских свойств трещиноватых пород решающее значение имеет трещинная проницаемость, способствующая фильтрации нефти и газа в скважины, а также межзернистая (гранулярная) пористость этой породы, по которой определяют емкость породы-коллектора.
Гидродинамические условия водоносного горизонта во многом зависят от изменений климата, которые оказывают влияние на условия питания и разгрузки подземных вод. В общем отмечается, что для последнего ледникового периода в высоких широтах характерно низкое испарение, а для областей, расположенных в средних широтах, - повышенное количество атмосферных осадков. Безусловно, это чрезвычайно схематичная трактовка ледниковых эпох.
Гидродинамические условия движения жидкости и газа по трещинам зависят от структуры пласта; сложность структуры побуждает при расчетах прибегать к различным схемам - моделям пласта. Различные гипотезы о структуре пласта при теоретических исследованиях фильтрации жидкости приводят к различным выводам.
В механике жидкости такому понятию, как «гидродинамика», придается достаточно широкий смысл. Гидродинамика жидкости, в свою очередь, рассматривает несколько направлений для изучения.
Так, основными из направлений являются следующие:
- гидродинамика идеальной жидкости;
- гидродинамика жидкости в критическом состоянии;
- гидродинамика вязкой жидкости.
Гидродинамика идеальной жидкости
Идеальная жидкость в гидродинамике представляет собой воображаемую несжимаемую жидкость, в которой вязкость будет отсутствовать. Также в ней не будет наблюдаться присутствие теплопроводности и внутреннего трения. В связи с отсутствием в идеальной жидкости внутреннего трения, в нем также не будут фиксироваться касательные напряжения между двумя соседствующими слоями жидкости.
Моделью идеальной жидкости можно воспользоваться в физике в случае теоретического рассмотрения задач, в которых вязкость не будет являться определяющим фактором, что позволяет ею пренебречь. Подобная идеализация, в частности, может быть допустимой во многих случаях течения, которые рассматривает гидроаэромеханика, где при этом дается качественное описание реальных течений жидкостей, достаточно удаленных от поверхностей раздела с неподвижной средой.
Уравнения Эйлера-Лагранжа (полученные Л.Эйлером и Ж.Лагранжем в 1750 г.) представлены в физике в формате основных формул вариационного исчисления, посредством привлечения которых ведется поиск стационарных точек и экстремумов функционалов. В частности, подобные уравнения известны своим широким использованием в рассмотрении задач оптимизации, и также (в совокупности с принципом наименьшего действия) применяются с целью вычисления траекторий в механике.
В теоретической физике уравнения Лагранжа представлены в виде классических уравнений движения в контексте их получения из написанного явно выражения для действия (что называется лагранжиана).
Рисунок 2. Уравнение Эйлера-Лагранжа. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Применение таких уравнений с целью определения экстремума функционала в некотором смысле подобно задействованию теоремы дифференциального исчисления, согласно утверждениям которой, лишь в точке обращения первой производной в ноль гладкая функция обретает способность иметь экстремум (при векторном аргументе к нулевому значению приравнивается нулю градиент функции, иными словами - производная по векторному аргументу). Соответственно, это представляет прямое обобщение рассматриваемой формулы на случай функционалов (функций бесконечно мерного аргумента).
Гидродинамика жидкости в критическом состоянии
Рисунок 3. Следствия из уравнения Бернулли. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Замечание 1
В случае исследования околокритического состояния среды, ее течению будет уделяться значительно меньше внимания в сравнении с акцентом на физические свойства, несмотря на невозможность обладать свойством неподвижности для реальной жидкой субстанции.
Провокаторами перемещения отдельных частей относительно друг друга выступают:
- температурные неоднородности;
- перепады давления.
В случае описания динамики вблизи критической точки, оказывается несовершенными традиционные гидродинамические модели, сориентированные на обычные среды. Это обусловлено порождением новых законов движения новыми физическими свойствами.
Выделяются также динамические критические явления, обнаруживаемые в условиях перемещения массы и переноса тепла. В частности, процесс рассасывания (или релаксации) температурных неоднородностей, обусловленный механизмом теплопроводности, будет происходить крайне медленно. Так, если, например, в околокритической жидкости будет изменена температура хотя бы на сотые доли градуса, на установление прежних условий уйдут многие часы, а, возможно, даже и несколько суток.
В качестве еще одной значимой особенности околокритических жидкостей можно назвать их удивительную подвижность, которую можно объяснить за счет высокой гравитационной чувствительности. Так, в экспериментах, осуществляемых в условиях космического полета, удалось выявить способность к инициированию весьма заметных конвективных движений даже у остаточных неоднородностей теплового поля.
В ходе движения околокритических жидкостей начинают возникать эффекты разновременных масштабов, зачастую описываемые различными моделями, что позволило сформировать (с развитием представлений о моделировании в данной области) целую последовательность усложняющихся моделей, обладающих так называемой иерархической структурой. Так, в данной структуре могут рассматриваться:
- модели конвекции несжимаемой жидкости, учитывая разность плотностей только в архимедовой силе (модель Обербека-Буссинеска, наиболее всего она распространена для простых жидких и газовых сред);
- полные гидродинамические модели (с включением нестационарных уравнений динамики и теплопереноса и учетом свойства сжимаемости и переменных теплофизических свойств среды) в совокупности с уравнением состояния, предполагающим присутствие критической точки).
В настоящее время, таким образом, можно говорить о возможности активного развития нового направления в механике сплошных сред, таком, как гидродинамика околокритических жидкостей.
Гидродинамика вязкой жидкости
Определение 1
Вязкость (или внутреннее трение) является свойством реальных жидкостей, выраженным в оказании их сопротивления перемещениям одной части жидкости относительно другой. В момент перемещения одних слоев реальной жидкости относительно других будут возникать силы внутреннего трения, направленные к поверхности таких слоев по касательной.
Действие подобных сил выражается в том, что со стороны движущегося быстрее слоя на то слой, который движется медленнее, оказывает непосредственное воздействие ускоряющая сила. Наряду с тем, со стороны более медленно движущегося слоя в отношении быстродвижущегося окажет свое воздействие тормозящая сила.
Идеальная жидкость (жидкость, исключающая свойство трения) представляет собой абстракцию. Вязкость (в большей или меньшей степени) присуща всем реальным жидкостям. Проявление вязкости выражено в том, что возникшее в жидкости или газе движение (после устранения вызвавших его причин и их последствий) постепенно прекращает свою работу.
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
Гидродинамика – это раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы движения и взаимодействия жидкости с неподвижными и подвижными поверхностями.
Движение жидкости существенно отличается от движения твердого тела. При движении жидкости расстояние между ее частицами не остается постоянным. Перемещение достаточно малого объема жидкости можно представить в виде суммы трех движений: поступательного, вращательного движения всего объема в целом, а также перемещения различных частиц объема относительно друг друга. В движущейся жидкости учитывают как массовые силы, так и силы трения (вязкость).
Движущаяся жидкость характеризуется двумя параметрами: скоростью течения и гидродинамическим давлением . Основной задачей гидродинамики является определение этих параметров при заданной системе внешних сил.
Установившимся называется движение, при котором скорость и давление в каждой точке пространства, занятого жидкостью, не изменяются во времени и являются функциями только ее координат:
При неустановившемся движении давление и скорость изменяются в каждой точке не только с изменением координат, но и во времени:
Под жидкой частицей в гидродинамике понимают условно выделенный очень малый объем жидкости, изменением формы которого можно пренебречь. Каждая частица жидкости при движении описывает кривую, которая называется траекторией движения .
Под потоком жидкости понимают движущуюся массу жидкости, полностью или частично ограниченную поверхностями. Поверхности раздела могут быть твердыми или образованными самой жидкостью на границе раздела фаз. Границами потоков служат стенки труб, каналов, открытая поверхность жидкости, а также поверхность обтекаемых потоком тел.
Напорным называется движение потока в закрытых руслах при полном заполнении поперечного сечения жидкостью. Например, напорное движение в трубах. Оно возникает за счет разности давлений в начале и конце трубопровода.
Безнапорным называется движение жидкости в открытых руслах, когда поток имеет свободную поверхность. В этом случае движение осуществляется только за счет силы тяжести, т.е. при наличии уклона (движение воды в каналах, реках, лотках и т.п.).
Струи представляют собой потоки жидкости, вытекающие через отверстия или сопла под действием напора. Струи могут быть ограничены со всех сторон газообразной или жидкой средой. В первом случае они называются свободными, во втором – затопленными.
 |
Линией тока называют воображаемую кривую в движущемся потоке жидкости, для которой векторы скоростей каждой из частиц жидкости, находящихся на ней в данный момент времени, являются касательными к этой кривой. Линия тока при установившемся движении совпадает с траекторией частиц. Для неустановившегося движения линии тока не совпадают с траекторией. Линия тока характеризует направление движения всех частиц, расположенных на ней в данный момент, а траектория представляет собой путь, пройденной одной частицей за какое-то время .
Если в потоке движущейся жидкости выделить элементарную площадку , ограниченную контуром , и через все его точки провести линии тока, то образуется трубчатая поверхность, называемая трубкой тока , а жидкость, движущаяся внутри трубки тока, называется элементарной струйкой . Сечение, расположенное нормально к линиям тока называется живым сечением элементарной струйки.
К – контур тока
Элементарная струйка при установившемся движении обладает следующими свойствами:
Ее форма и ориентация в пространстве остаются неизменными по времени;
Боковая поверхность струйки непроницаема для жидкости, т.е. ни одна частичка жидкости не может проникнуть внутрь или выйти наружу через боковые стенки трубки тока;
Ввиду малости живого сечения струйки скорость и давление во всех точках сечения следует считать одинаковыми. Однако вдоль струек значения скорости и давления в общем случае могут меняться.
Живым сечением потока F называется площадь сечения, перпендикулярная к направлению линии тока и ограниченная его внешним контуром. Площадь живого сечения потока равна сумме площадей живых сечений элементарных струек.
Смоченным периметром потока П называется длина контура живого сечения, по которому жидкость соприкасается с ограничивающими ее стенками.
При напорном движении жидкости смоченный периметр П совпадает с геометрическим периметром Пг , при безнапорном не совпадает.
Гидравлическим радиусом R г называется отношение площади живого сечения к смоченному периметру:
Геометрический радиус и гидравлический радиус – совершенно разные понятия, даже в случае напорного движения жидкости в круглой трубе. Например, для трубы диаметром d
геометрический радиус , а гидравлический 
.
При гидравлических расчетах часто используется понятие эквивалентного диаметра
: 
Расходом называется количество жидкости, протекающей через живое сечение потока в единицу времени. Различают объемный Q, массовый M и весовой G расходы жидкости. Они связаны между собой:
Для элементарной струйки элементарный расход определяется по формуле:
где dF - площадь живого сечения элементарной струйки.
Скорость жидкости в различных точках живого сечения потока различна, и точный закон изменения скорости по сечению не всегда известен, поэтому для упрощения расчетов вводят понятие средней скорости для живого сечения , тогда: 
.
Средняя скорость – фиктивная скорость потока, которая считается одинаковой для всех частиц данного сечения и подобрана так, что расход, определенный по ее значению, равен истинному значению расхода.
Установившееся движение характеризуется постоянством расхода во времени. Различают равномерное и неравномерное установившееся движение.
Равномерным установившимся движением называется такое движение жидкости, при котором средняя скорость и площади живых сечений потока не изменяются по его длине, например установившееся в цилиндрической трубе, движение в канале призматической формы.
Неравномерным установившемся движением называется такое движение, при котором средняя скорость и площади живых сечений потока изменяются по его длине, например, движение в трубе переменного сечения, движение в открытых руслах при наличии перегораживающего сооружения.
Явления, происходящие в реальных гидравлических устройствах, сложны, поэтому процессы описывают с помощью упрощенных моделей жидкости разной степени идеализации. При необходимости полученные результаты уточняют. В гидродинамике используют четыре модели жидкости:
Þидеальную (невязкую) и несжимаемую, наиболее грубую и простую модель жидкости, когда V=0 и ;
Þреальную (вязкую) и несжимаемую, которая учитывает потери энергии на трение и используется при исследованиях статических и энергетических характеристик элементов;
Þидеальную (невязкуго) и сжимаемую, позволяющую с минимальными трудностями рассмотреть динамические процессы в первом приближении;
Þреальную (вязкую) и сжимаемую, наиболее полно отражающую действительность, используемую при детальном исследовании динамических процессов.
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.
Loading...