Общие сведения о гидравлике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учебное пособие

Гидравлика

Оглавление

гидравлика движение жидкость

Учебная программа курса

1. Гидропривод

2. Предмет гидравлики

3. Основные параметры состояния и свойства жидкости

4. Основное уравнение гидростатики

5. Режимы течения жидкости

6. Уравнение Бернулли для стационарного потока жидкости

7. Уравнение расхода (сплошности) жидкости

8. Гидравлические сопротивления

9. Относительное движение жидкости и твердого тела

Литература

Учебная программа курса

1. Вводные сведения: понятие жидкости (флюида), капельные и газообразные жидкости (газы, пары), аморфные тела и газожидкостные смеси (ГЖС). Место гидравлики среди родственных наук. Разделы гидравлики: гидростатика, кинематика жидкости и гидродинамика. Предмет изучения. Реальная жидкость и ее сплошная однородная (изотропная) модель.

2. Параметры состояния жидкости: абсолютное давление, абсолютная температура, плотность, относительная плотность. Статические параметры.

3. Температурные коэффициенты жидкостей: объёмного изобарного расширения, объёмной изотермной (адиабатной) сжимаемости и изохорного изменения давления. Модуль объёмного изотермного сжатия жидкости.

4. Осмотическое давление, закон Вант-Гоффа.

5. Абсорбция и дегазация жидкостей. Закон Генри. Растворение твёрдых и жидких веществ в жидкостях.

6. Фазовые переходы: кипение, конденсация, кавитация. Ретроградные явления. Испарение и замерзание жидкостей.

7. Молекулярное давление. Уравнение изохорного процесса равновесия и движения жидкости, несжимаемая жидкость. Поверхностное натяжение (сцепление) жидкостей. Смачивание и несмачивание поверхностей жидкостью. Мениск жидкости. Сила поверхностног натяжения. Капиллярное давление. Формула Лапласа. Угол смачивания (краевой угол). Формула Юнга. Капиллярное поднятие (опускание) жидкости. Формула Жюрена.

8. Закон трения Ньютона. Вязкость жидкости. Ньютоновские жидкости.

9. Реология. Тиксотропные свойства жидкостей. Неньютоновские (аномальные) жидкости. Закон трения Бингама. Бингамовские жидкости. Реограмма глинистого раствора.

10. Силы, действующие в жидкости.

11. Гидростатика. Статическое давление и его свойства.

12. Дифференциальное уравнение равновесия жидкости и газа.

13. Изобарная поверхность жидкости и газа.

14. Основное уравнение гидростатики. Геометрическая иллюстрация основного уравнения гидростатики. Равновесие жидкости в сообщающихся сосудах. Абсолютное, внешнее и атмосферное давления. Закон Паскаля. Абсолютный, внешний и атмосферный напоры.

15. Весовое, избыточное и вакуумметрическое давления. Манометр с пружиной Бурдона. Весовой, избыточный и вакуумметрический напоры. Высота всасывания жидкости насосом. Принцип работы автоцистерны для доставки воды и буровых растворов.

16. Энергетический смысл основного уравнения гидростатики.

17. Давление жидкости на плоские поверхности. Гидростатический парадокс.

18. Давление жидкости на незамкнутые криволинейные поверхности. Толщина стенки трубопровода, нагруженного давлением. Формулы Мариотта и Ламе.

19. Давление жидкости на замкнутые криволинейные поверхности. Закон Архимеда. Воздействие силы Архимеда на колонну бурильных труб. Инерционная и подъёмная силы Архимеда в центрифуге.

20. Двухфазные механические смеси: жидкость + жидкость, жидкость + твёрдые частицы, газожидкостные смеси (ГЖС). Двухфазные механические газожидкостные смеси в бурении. Аэрированные жидкости: плотность и давление смеси.

21. Дифференциальное давление, его регулирование. Вскрытие пласта полезного ископаемого на репрессии, депрессии и равновесии.

22. Кинематика. Виды движения частиц и потока жидкости и газа: упорядоченное и неупорядоченное, стационарное и нестационарное, равномерное и неравномерное, потенциальное, вихревое, деформационное и турбулентное.

23. Гидродинамика. Режимы течения жидкости и газа: ламинарный, структурный и турбулентный.

24. Виды потоков: напорный, безнапорный и струя. Геометрические характеристики потока: площадь поперечного и живого сечений, периметр площади поперечного сечения, гидравлический радиус, эквивалентный диаметр, длина.

25. Струйная модель потока жидкости и газа. Линия тока, трубка тока, элементарная струйка.

26. Дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости и газа. Уравнение Бернулли и уравнение расхода (сплошности) для стационарного течения элементарной струйки невязкой жидкости. Статическое, геометрическое и динамическое давления.

27. Энергетический смысл уравнения Бернулли для стационарного течения элементарной струйки невязкой жидкости. Полное давление. Параметры торможения. Напор торможения. Трубка Пито-Прандтля.

28. Уравнение Бернулли для стационарного течения элементарной струйки ньютоновской жидкости. Потеря давления на трение для струйки.

29. Уравнение Бернулли для стационарного потока ньютоновской жидкости. Средняя скорость жидкости. Механическое давление. Коэффициент Кориолиса. Соотношение начальных и конечных параметров состояния в горизонтальном стационарном потоке жидкости постоянной площади сечения.

30. Уравнение расхода (сплошности) для стационарного потока ньютоновской жидкости. Расходомер Вентури.

31. Уравнение Бернулли для нестационарного потока ньютоновской жидкости. Инерционное давление. Коэффициент Буссинеска.

32. Уравнение импульса для стационарного потока жидкости и газа.

33. Гидравлические сопротивления стационарному движению ньютоновской жидкости в трубопроводах. Потеря давления и потеря напора на трение. Линейные гидросопротивления (линейная потеря давления на трение) в трубопроводах круглого и некруглого поперечных сечений. Формула Дарси-Вейсбаха. Гидравлический радиус и эквивалентный диаметр.

34. Местные гидросопротивления (местные потери давления на трение). Формула Вейсбаха. Область квадратичных и доквадратичных сопротивлений. Резкое расширение, резкое сужение и изгиб трубопровода. Формулы Борда, Альтшуля, Идельчика. Потеря давления в соединительных элементах колонны бурильных труб, формула Б.С.Филатова.

35. Режимы течения ньютоновской жидкости. Опыт и число Рейнольдса.

36. Ламинарное течение ньютоновской жидкости в круглом трубопроводе. Формулы Стокса, Пуазейля и Дарси-Вейсбаха. Область сопротивлений. Кольцевой трубопровод: формула Буссинеска, эквивалентный диаметр.

37. Турбулентное течение ньютоновской жидкости. Пограничный слой. Условно ламинарный подслой. Формула Альтшуля. Области сопротивлений.

38. Движение бингамовской жидкости. Режимы течения. Числа Сен-Венана, Рейнольдса и Хедстрёма. Формула Бакингема. Упрощенная формула Бакингема.

39. Промывка скважин жидкостями, газожидкостными смесями (ГЖС) и продувка воздухом. Назначение. Области применения. Особенности расчёта.

40. Гидравлический удар в трубах. Ударное давление. Фаза гидроудара. Формула Жуковского. Скорость звука. Скорость фронта ударной волны. Полный и неполный гидроудары. Гидротаран. Гидроударник.

41. Стационарное истечение ньютоновской жидкости из отверстия. Тонкая стенка. Совершенное сжатие струи. Истечение затопленной и незатопленной струи.

42. Стационарное истечение ньютоновской жидкости через насадки. Сопло, конфузор, диффузор. Насадок Вентури: незатопленная струя, сравнение с истечением из отверстия, затопленная струя.

43. Насадки. Истечение из насадка Борда, конфузора, диффузора, коноидального насадка и комбинированного насадка.

44. Сила давления струи жидкости на твердые поверхности: произвольную, симметричную, нормальную струе и криволинейную симметричную. Использование силы давления.

45. Относительное движение жидкости и твёрдого тела. Обтекание шара невязкой жидкостью.

46. Относительное движение жидкости и твёрдого тела. Обтекание шара ньютоновской жидкостью: сила лобового сопротивления, эффект Магнуса, поперечная сила. Вынос шара восходящим потоком.

47. Падение шара в ньютоновской и бингамовской жидкостях. Скорость витания. Формула Риттингера. Коэффициент лобового сопротивления. Кризис сопротивления. Число Архимеда. Вынос шара восходящим потоком.

48. Падение шара в бингамовской жидкости. Скорость витания. Формула Риттингера. Модифицированное число Рейнольдса. Сила трения. Числа Архимеда и Хедстрёма.

49. Центрифуга и гидроциклон.

50. Основы гидропривода. Структурная блок-схема гидропривода, классификация гидроприводов и гидропередач. Насосы и гидродвигатели, их классификация.

51. Напорная характеристика сети. Параметры режима работы насоса: развиваемое давление, объёмный расход (подача) и развиваемая мощность. Напорная и энергетическая характеристики объемного насоса. Совместная работа объемного насоса и сети.

52. Регулирование расхода жидкости при совместной работе объемного насоса и сети. Дросселирование. Изменение характеристик насоса.

53. Объемные поршневые насосы и гидродвигатели.

54. Объемные шестеренные насосы и гидродвигатели.

55. Объемные пластинчатые насосы и гидродвигатели.

56. Объемные роторно-поршневые, аксиально-поршневые и винтовые насосы и гидродвигатели.

57. Динамические лопастные центробежные насосы и гидродвигатели. Скважинные погружные центробежные насосы и турбобуры.

58. Динамические лопастные насосы: центробежный и осевой. Напорная и энергетическая характеристики. Пуск насосов.

59. Гидромуфты и гидротрансформаторы. Применение в бурении.

60. Эрлифт, газлифт: принцип действия, КПД, коэффициент погружения смесителя, область применения.

61. Принцип действия струйного аппарата. Коэффициент инжекции. Потоки: рабочий, инжектируемый и смешанный. КПД струйного насоса. Области применения.

1. Гидропривод

Гидропривод - это совокупность устройств, предназначенных для передачи посредством жидкости механической энергии от источника (приводящего двигателя) потребителю (рис. 1.).

Рис. 1. Структурная блок-схема гидропривода:

1- насос;

2- напорная гидролиния;

3- гидродвигатель (гидромотор);

4- аппаратура управления, контроля и защиты;

5- гидробак;

6- всасывающая гидролиния;

7- сливная гидролиния;

8- источник энергии;

9- потребитель энергии.

В состав гидропривода в общем случае входят:

- гидропередача (насос + напорная гидролиния + гидродвигатель);

- аппаратура управления, контроля и защиты (клапаны, дроссели, манометры, расходомеры и т.д.);

- гидробак (емкость для рабочей жидкости);

- всасывающая магистраль насоса;

- сливная магистраль гидродвигателя.

У насоса давление на выходе при работе выше, чем на входе. У гидродвигателя - наоборот. На выходе из насоса получают поток жидкости, на выходе из гидродвигателя - перемещение его выходного звена (штока поршня, ротора, винта, турбинного колеса и пр.).

Гидравлические машины (насосы и гидродвигатели) бывают объемные и динамические. К объемным машинам можно отнести поршневые (плунжерные; плунжер - это поршень, длина которого превышает диаметр), пластинчатые, винтовые, роторно-поршневые, шестеренные, аксиально-поршневые и др. К динамическим машинам относятся лопастные (центробежные и осевые) и нелопастные (вихревые, струйные, шнуровые и пр.).

Объемные поршневые насосы в бурении применяют для промывки и цементирования скважин, а объемные поршневые гидродвигатели - в качестве силовых гидроцилиндров различного назначения. Забойными объемными гидродвигателями являются винтовые машины, а забойными динамическими (центробежными) - турбобуры. Центробежные и струйные насосы применяют для скважинных откачек воды и нефти.

В составе разделенной (не имеющей единого корпуса) объемной гидропередачи имеются объемный насос, напорная гидролиния и объемный гидродвигатель (пример - поршневой насос + колонна бурильных труб + винтовой забойный двигатель). Динамическая разделенная гидропередача (в бурении отсутствует) включает динамический насос, напорную гидролинию и динамический гидродвигатель. Комбинированная разделенная передача состоит из объемного насоса, напорной гидролинии и динамического двигателя (пример - поршневой насос + колонна бурильных труб + турбобур) или из динамического насоса, напорной гидролинии и динамического двигателя (в бурении отсутствует).

К неразделенным (в едином корпусе) динамическим гидропередачам относят гидротрансформаторы и гидромуфты (пример - гидродинамический тормоз буровой лебедки). У неразделённых гидропередач напорная гидролиния отсутствует.

Принцип действия поршневого насоса (рис. 2.) заключается в следующем: при перемещении поршня вправо объем рабочей камеры насоса (поршневой полости цилиндра) увеличивается, давление в ней снижается, становится меньше атмосферного. За счет разницы давлений (атмосферного P0 и абсолютного P в рабочей камере) открывается всасывающий клапан, и жидкость из емкости поступает в насос. При движении поршня влево увеличивается давление P, закрывается всасывающий клапан, открывается нагнетательный и жидкость поступает в нагнетательную магистраль.

Перекачиваемая жидкость выполняет по отношению к насосу функции охлаждающего и смазывающего агентов. Недопустима работа насоса «всухую» (трение, нагрев, износ). Препятствует вытеканию жидкости из всасывающей линии обратный клапан.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Упрощенная схема поршневого насоса простого действия:

1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - шток поршня;

4 - ползун;

5 - шатун;

6 - кривошип;

7 - нагнетательная магистраль; 8 - нагнетательный клапан; 9 - всасывающий клапан; 10 - всасывающая магистраль;

11 - обратный клапан;

12 - фильтр;

13 - емкость;

Щугл - угловая скорость кривошипа;

P0 - атмосферное давление;

P - абсолютное давление в рабочей камере;

Hвс.max - максимальная высота всасывания жидкости насосом.

2. Предмет гидравлики

Гидравлика (техническая механика жидкости) - это наука о законах равновесия и движения жидкостей и тел в жидкостях.

Гидравлика включает в себя не только собственно механику жидкости, но и необходимые разделы химии, термодинамики и др. наук.

Жидкость - это физическое тело (жидкое агрегатное состояние тела), обладающее свойством текучести, т.е. способное течь (флюид).

Жидкости, как и газы, легко изменяют форму, но, в отличие от газов, малосжимаемы.

Гидравлика состоит из следующих разделов:

- Гидростатика - изучает равновесие жидкостей и тел в жидкостях.

- Кинематика - изучает геометрию движения жидкостей (без учета сил).

- Гидродинамика - изучает движение жидкостей и тел в жидкостях с учетом действующих сил.

3. Основные параметры состояния и свойства жидкости

Параметрами состояния называют физические величины, характеризующие состояние жидкости в данный момент времени.

Основными параметрами являются:

1. Абсолютное давление Р [Па] = [Н/м2],

, (1)

где F - сила, Н; f - площадь, м2.

Давление вызвано силами отталкивания молекул при приложении сжимающих усилий к жидкости.

Ро - атмосферное давление: Р = Ро ? 1 ат = 1кгс/см2 ? 105 Па ? 10 мвс.

Давление всегда нормально поверхности, на которую оно действует.

2. Абсолютная температура Т [К]

, (2)

где t - температура в °С.

3. Плотность с [кг/м3]

с = m / V = M/Q, (3)

где m - масса, кг; V - объём, м3; М - массовый расход, кг/с; Q - объёмный расход, м3/с.

Плотность жидкости в бурении измеряют ареометром. Для воды при t0 = 4 °С плотность равна 1000 кг/м3, обычно для глинистых растворов с = 1000 ч 1300 кг/м3, для газожидкостных смесей (ГЖС - аэрированных жидкостей, пен, аэрозолей) с < 1000 кг/м3, для воздуха (при атмосферном давлении) с = 1,3 кг/м3, для цементных растворов с = 1500 ч 3000 кг/м3, для нефти с = 800 ч 980 кг/м3.

Если при данной температуре tнп (температура насыщенного пара) давление жидкости снизится до величины Рнп (давление насыщенного пара) или при данном Рнп температура увеличится до tнп, жидкость начнет переходить в пар. Если пузырьки пара всплывают на поверхность, то процесс называют кипением жидкости. Если пузырьки пара попадают в условия (высокое давление, низкая температура), где пар переходит в жидкость, то процесс называют кавитацией жидкости (табл. 1).

Параметры насыщенного пара воды

Таблица 1.

Температура tнп, °С	0	4	100	374
Абсолютное давление Рнп, Па	0,0061·105	0,0081·105	1,013·105	220,8·105

Давление, возникающее в процессе кавитации при почти мгновенном переходе пара в жидкость, составляет десятки мегапаскалей и может приводить к кавитационной эрозии поверхностей. По этой причине ограничивают максимальную высоту всасывания насосов, применяют кавитационностойкие покрытия и материалы. Искусственно создаваемая кавитационная эрозия может способствовать разрушению горных пород при бурении и декольматажу фильтров и прифильтровых зон буровых скважин.

Вязкость - способность жидкостей оказывать сопротивление сдвигу.

Вязкость проявляется в виде сил внутреннего трения при сравнительно малых скоростях сдвига.

Поведение многих буровых жидкостей подчиняется двум базовым законам трения - Ньютона и Бингама.

Жидкости, подчиняющиеся первому закону называются ньютоновскими жидкостями (НЖ - вода, нефть, эмульсии, масла гидросистем, а также воздух, газы и их смеси. аэрозоли и пр.). НЖ приходят в движение при касательных напряжениях ф > 0, начальное напряжение сдвига фо, определяющее начало движения, отсутствует: фо = 0.

Жидкости, подчиняющиеся второму закону трения называются бингамовскими жидкостями (БЖ - глинистые растворы, пены, аэрированные жидкости, цементные растворы, некоторые пасты и пр.). БЖ начинают течь только при превышении значения фо, т.е. для БЖ фо > 0.

µ0 = н0·с, (4)

где µ0 - абсолютная (динамическая) вязкость, Па.с; н0 - кинематическая вязкость, м2/c.

Абсолютная вязкость глинистых растворов, называемая пластической (структурной), может колебаться в широком диапазоне:

µ0 = 0,004 ч 0,02 Па·с.

Кинематическая вязкость нефти также сильно варьирует:

н0= 1,2 ч 55·10-6 м2/с.

Вязкость существенно зависит от температуры t0(°С) и не зависит от давления. Для воды справедлива формула Пуазейля (5):

, Па * с. (5)

Добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ) в промывочную жидкость существенно снижают вязкость.

Часто применяемое на практике понятие "условная вязкость" (время истечения из воронки фиксированного объёма жидкости), строго говоря, вязкостью вообще не является, а представляет собой обобщенный показатель реологических свойств. Точный пересчёт условной вязкости в абсолютную невозможен.

Абсорбцией называется поглощение объёмом жидкости газа, контактирующего с её поверхностью. Абсорбируемое (растворённое) количество газа приблизительно пропорционально его давлению (закон Генри).

При повышении температуры и при понижении давления растворённые газы выделяются из жидкости. Выделившиеся газы (воздух) ухудшают рабочие свойства масел гидроприводов буровых установок. Выделившийся в пласте из нефти или воды газ снижает проницаемость коллектора. Давление насыщения пластовой нефти Рнас (не путать с Рнп) - избыточное давление, при котором из нефти при данной температуре начинают выделяться первые пузырьки растворённого в ней газа. Если над пластовой нефтью имеется газовая шапка, то Рнас = Рпл (пластовое давление). Если Рпл > Рнас, то нефть недосыщена газом, свободный газ в пласте отсутствует.

4. Основное уравнение гидростатики

Основное уравнение характеризует закономерность распределения давления по глубине.

Р = Ро + с·g · h, (6)

где Р - абсолютное давление, Па; Ро - внешнее (атмосферное) давление, Па; с - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение силы тяжести, Н/кг; h - глубина (высота столба жидкости), измеряемая вдоль вертикали (рис. 3.), м.

Р - Ро = Рв - весовое давление; если Ро - атмосферное давление, то Рв = Ри - избыточное, или манометрическое, давление.

Ро - Р = Рвак - вакуумметрическое давление (Ро - атмосферное давление).

 Ро

vvv

> <

h

Рис. 3. Профиль буровой скважины:

Ро - атмосферное давление; Нс - длина ствола; h - глубина; Ин и Ик - начальное и конечное значения зенитных углов; Ри - избыточное давление;

,

где И - среднее значение зенитного угла.

Уравнению (6) можно придать иной вид:

, (7)

где , - абсолютный и атмосферный напоры, м.

Задача. Определить максимальную высоту всасывания воды поршневым насосом (рис. 2) при t = 4°С и Ро = 105 Па.

Решение. Чтобы избежать кавитации жидкости примем минимальное значение P Рнп = 0,0081.105 Па (Табл. 1). Тогда

hвс max = (Р0 - Рнп) / ( g) = (105 - 0,0081 105) / (1000 9,81) 10 м.

Следовательно, поднять воду при всасывании насосом на высоту более 10 м невозможно. Практически hвс max = 7 ч 8 м.

5. Режимы течения жидкости

а) Ньютоновская жидкость.

Выделяют ламинарный (при малой скорости) и турбулентный (при высокой скорости) режимы течения (рис. 4., а и б).

щ = 0 щ = 0 1 щ = 0 3

а) б) 2 в) 2

Рис. 4. Режимы течения жидкости:

а) - ламинарный; б) - турбулентный; в) - структурный; 1 - пристенный условно ламинарный подслой; 2 - ядро потока; 3 - градиентный слой; щ - местная скорость жидкости.

При ламинарном течении жидкость движется кольцевыми слоями, упорядоченно, не перемешиваясь. Ламинарно могут двигаться пластовые жидкости (нефть, вода) к скважине и масла в гидросистемах буровых установок. Ламинарное течение промывочных жидкостей в скважине почти не встречается. Ламинарное течение характеризуется низкой скоростью движения.

При турбулентном течении частицы жидкости движутся неупорядоченно, хаотически, жидкость интенсивно перемешивается, слои отсутствуют. В пристенном подслое течение близко к ламинарному. Промывочная НЖ в скважине движется почти всегда турбулентно. Для турбулентного течения характерны высокие скорости движения.

б) Бингамовская жидкость.

Различают структурный (при малой скорости) и турбулентный (при высокой скорости) режимы течения (рис. 4, б и в).

При структурном течении (это разновидность ламинарного течения) в градиентном слое жидкость движется ламинарно, а в ядре потока - как единое твёрдое тело.

Турбулентный режим рассмотрен выше.

Промывочная БЖ в скважине может двигаться как структурно, так и турбулентно.

Для определения режима течения НЖ рассчитывают безразмерное число Рейнольдса Re и сравнивают его с минимальным опытным значением критического числа Рейнольдса Reкр. Если Re ? Reкр, режим течения турбулентный, если Re < Reкр - ламинарный или структурный.

Re = d / 0, (8)

где - средняя скорость жидкости, м/с; d - диаметр потока, м; 0 - абсолютная вязкость, Па * с.

6. Уравнение Бернулли для стационарного потока жидкости

Уравнение Бернулли представляет собой закон сохранения энергии (другими словами, первый закон термодинамики) для потока жидкости.

Стационарным называется неускоренный поток жидкости, нестационарным - ускоренный.

Уравнение Бернулли справедливо для потока между двумя поперечным потоку сечениями жидкости:

Р1 + g z1 + 12/2 = Р2 + g z2 + 22/2 + Ртр + Рмех (9)

где 1 - индекс первого сечения; 2 - индекс второго сечения (рис. 5); P - абсолютное давление в сечении, Па; с·g·z - геометрическое давление в сечении, Па; 2/2 - динамическое давление в сечении, Па; Р + g z + 2/2 - полное давление в сечении (в первом всегда выше, чем во втором), Па; z - геометрическая высота центра сечения (вертикальная) над произвольной горизонтальной плоскостью, называемой плоскостью сравнения, м; б - коэффициент Кориолиса (для турбулентных потоков можно принять б = 1, а для ламинарных и структурных б = 2); - средняя скорость потока в сечении, м/с; Ртр - потеря давления на трение между сечениями, Па; Рмех - механическое давление (давление, расходуемое жидкостью на работу забойного гидродвигателя, гидроударной машины, на вынос шлама из скважины и др.), Па.

Рис. 5. Поток жидкости между сечениями 1 - 1 и 2 - 2:

а) - произвольный; б) - горизонтальный, постоянной площади сечения;
0 - 0 - плоскость сравнения; Н - длина потока.

В произвольном потоке (рис. 5а) соотношение давлений может быть различным: Р1 > P2, Р1 = P2 или Р1 < P2. Для случая, представленного на рис. 5б: Р1 > P2; 1 = 2.

7. Уравнение расхода (сплошности) жидкости

Массовый и объёмный расходы жидкости в любом сечении стационарного потока постоянны и определяются уравнением расхода:

М = с·Q =с··f = const, (10)

Q = ·f = const, (11)

где М - массовый расход, кг/с; Q - объёмный расход, м3/c; f - площадь поперечного сечения потока жидкости, м2; - средняя скорость жидкости в сечении, м/с.

Тогда:

= Q / f (12)

8. Гидравлические сопротивления

Гидравлические сопротивления при движении стационарного потока жидкости вызваны наличием сил внутреннего трения и называются потерями давления на трение Ртр.

Гидросопротивления делят на линейные Рл, зависящие от длины потока (рис. 5), и местные Рм, вызванные местной деформацией потока (расширением, сужением (рис. 6), поворотом потока).

Ртр = Рл + Рм, (13)

где Рл и Рм - линейная и местная потеря давления соответственно.

Уравнение Бернулли (9) показывает, что при постоянном полном давлении чем выше скорость, тем меньше давление в сечении (рис. 6б, область II). Образование вихревых зон (рис. 6) вызвано движением жидкости по инерции при резком расширении и резком сужении потока.

Линейную потерю давления на трение Рл (Па) рассчитываю по формуле Дарси - Вейсбаха, а местную Рм (Па) - по формуле Вейсбаха:

Рл = Н 2/(2 d), (14)

Рм = 2/2, (15)

где л и о - коэффициент линейной и местной потери давления соответственно.

При промывке скважины линейные потери давления имеют место внутри и снаружи бурильных труб, а местные - внутри и снаружи соединительных элементов бурильной колонны.

Рис. 6. Местные гидравлические сопротивления:

а - резкое расширение; б - резкое сужение потока;

I - вихревая зона; II - область низкого давления.

9. Относительное движение жидкости и тяжёлого тела

Падение тела в неподвижной жидкости (и газе) является ускоренным. Однако, существенный прирост скорости наблюдается лишь на малой части траектории падения. Поэтому путь тела в жидкости (газе) условно делят на два участка: ускоренного падения и равномерного (приблизительно) падения. Причиной смены ускоренного движения на равномерное является рост силы лобового сопротивления при увеличении скорости относительного движения (рис. 7).

F*

Рис. 7. Схема сил, действующих на падающее в жидкости тело (шар):

F*, FA и FT - сила лобового сопротивления, архимедова и тяжести соответственно.

F* = С* fш 2отн / 2, (16)

, (17)

, (18)

где F*, FA и FT - силы лобового сопротивления, архимедова и тяжести соответственно, Н; fш, Vш и mш - площадь поперечного сечения (м2), объём (м3) и масса (кг) шара соответственно; С* - коэффициент лобового сопротивления; отн - скорость относительного движения, м/с.

При равномерном падении отн = в. По формуле Риттингера:

, (19)

где в - скорость витания, м/с; dш - диаметр шара, м; с - плотность материала шара, кг/м3.

Скоростью витания называется скорость равномерного падения тела относительно жидкости.

Если восходящему потоку жидкости сообщить скорость витания, тело «зависнет» в потоке, т.е. будет витать. Чтобы удалить тело восходящим потоком, скорость последнего должна превышать скорость витания.

Следует иметь ввиду, что не во всякой жидкости тяжёлое тело (сш > с) может тонуть. Так, в бингамовской жидкости (БЖ), при условии

Т + FА = FТ, (20)

где Т = ф0 · fпов - касательная сила (Н), вызванная наличием начального напряжения сдвига ф0, распределённого вдоль площади поверхности тела (шара) fпов, тело тонуть не будет. В этом случае С* > ?, В > 0.

Литература

Общие вопросы гидравлики, гидромашин и гидропривода:

2. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. - М.: Недра, 1982

3. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. - М.: Стройиздат, 1987.

4. Башта Т.М. Объёмные насосы и гидродвигатели гидросистем: Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 1974.

5. Васильев Б.А., Грецов Н.А. Гидравлические машины: Учебник для вузов. - М.: Агропромиздат, 1988.

6. Гейер В.Г., Дулин В.С., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. - М.: Недра, 1991.*

7. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика: Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 1987.

8. Задачник по гидравлике, гидромашинам и гидроприводу: Учебное пособие для вузов./Б.Б.Некрасов, И.В.Фатеев, Ю.А. Беленков и др. Под ред. Б.Б.Некрасова. - М.: Высш. шк., 1989.

9. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1975.

10. Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки. - Л.: Машиностроение, 1988.

11. Сборник задач по гидравлике. Под. ред. Л.Г. Колпакова - М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2007.

12. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

13. Чугаев Р.Р. Гидравлика: Учеб. для вузов. - Л.: Энергоиздат, 1982.

14. Штеренлихт Д.В. Гидравлика: Учеб. для вузов. - в 2-х кн. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

Промывка скважин жидкостями:

15. Астрахан И.М., Иванников В.Г., Кадет В.В., Кочина И.Н., Евгеньев А.Е., Розенберг Г.Д. Сборник задач по гидравлике и газодинамике для нефтегазовых вузов. - М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2007.

16. Беликов В.Г., Булатов А.И., Уханов Р.Ф., Бондарев В.И. Промывка при бурении, креплении и цементировании скважин. - М.: Недра, 1974.

17. Булатов А.И., Просёлков Ю.М., Рябченко В.И. Технология промывки скважин. - М.: Недра, 1981.

18. Бурение разведочных скважин: Учеб. для вузов/Н.В. Соловьев, В.В. Кривошеев, Д.Н. Башкатов и др.; Под общ. ред. Н.В. Соловьева. - М.: Высш. школа, 2007.*

19. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Никитин Б.А. Инженерные расчеты при бурении глубоких скважин: Справочное пособие/Под ред. А.Г. Калинина. - М.: РГГРУ, 2007.*

20. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Сердюк Н.И. Расчеты в бурении: Справочное пособие/Под ред. А.Г. Калинина. - М.: РГГРУ, 2007.*

21. Дерусов В.П. Обратная промывка при бурении геологоразведочных скважин. - М.: Недра, 1984.

22. Есьман Б.И., Габузов Г.Г. Термогидравлические процессы при бурении скважин. - М.: Недра, 1991.

23. Калинин А.Г., Радин А.И., Соловьев Н.В., Бронников И.Д., Тунгусов А.А. Учебное пособие по курсу «Технология бурения разведочных скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые» (Первая часть). - М.: РГГРУ, 2007.*

24. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Гидроаэромеханика в бурении: Учеб. для вузов. - М.: Недра, 1987.

25. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин. Ч.1. Гидроаэромеханика в бурении. - М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2006.

26. Маковей Н. Гидравлика бурения. - М.: Недра, 1986.*

27. Рабинович Е.З. Гидравлика. - М.: Недра, 1980.

28. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. - в 2-х томах./Под общ. ред. Е.А. Козловского. - М.: Недра, 1984.*

29. Шищенко Р.И., Есьман Б.И. Практическая гидравлика в бурении. - М.: Недра, 1966.

Промывочные жидкости и тампонажные смеси:

a. Боголюбский К.А., Соловьёв Н.В., Букалов А.А. Практикум по курсу «Промывочные жидкости и тампонажные смеси» с основами гидравлики. - М.: МГРИ, 1991.*

b. Данюшевский В.С., Алиев Р.М., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. - М.: Недра, 1987.

c. Ивачёв Л.М. Промывочные жидкости и тампонажные смеси: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1987.*

Промывка скважин газожидкостными смесями (ГЖС) и продувка воздухом:

i. Бурение разведочных скважин: Учебник для вузов./Н.В. Соловьев, В.В. Кривошеев, Д.Н. Башкатов и др.; Под общей редакцией Н.В. Соловьева. - М.: Высшая школа, 2007.*

ii. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Никитин Б.А. Инженерные расчеты при бурении глубоких скважин: Справочное пособие/Под редакцией А.Г. Калинина. - М.: ОАО Издательство «Недра», 2000.*

d. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Сердюк Н.И. Расчеты в бурении: Справочное пособие/Под редакцией А.Г. Калинина. - М.: РГГРУ.2007.*

e. Инструкция по бурению скважин и вскрытию продуктивных пластов с использованием газообразных агентов/И.В. Белей, И.П. Елманов, Р.Г. Карлов и др. - М.: ВНИИБТ, 1994.

f. Инструкция по применению ПАВ при бурении с продувкой./А.С. Бронзов, Н.С. Макурин, В.М. Васюк, Т.И. Вадовская. - М.: ВНИИБТ, 1968.

g. Козловский А.Е., Козлов А.В. Бурение скважин с промывкой пеной (основы теории и эксперимента). Техн. и технол. геол.-развед. работ. Обзор. - М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1999.

h. Кудряшов Б.Б., Кирсанов А.И. Бурение разведочных скважин с применением воздуха. - М.: Недра, 1990.*

i. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Гидроаэромеханика в бурении: Учеб. для вузов. - М.: Недра, 1987.

j. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин. Ч.1. Гидроаэромеханика в бурении. - М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2006.

k. Маковей Н. Гидравлика бурения. - М.: Недра, 1986.*

l. Межлумов А.О. Использование аэрированных жидкостей при проводке скважин. - М.: Недра, 1976.

m. Методические рекомендации по бурению скважин бескерновым способом с очисткой забоя пенами (на примере Норильского рудного района)/А.И. Кирсанов, В.Г. Вартыкян, Н.С. Вулисанов и др. - Л.: ВИТР, 1985.

n. Методические рекомендации по бурению скважин с пеной на твёрдые полезные ископаемые./А.М. Яковлев, В.И. Коваленко, В.Г. Вартыкян и др. - Л.:ЛГИ, 1985.

o. Соловьёв Н.В., Чихоткин В.Ф., Богданов Р.К., Закора А.П. Ресурсосберегающая технология алмазного бурения в сложных геологических условиях. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 1997.*

30. Яковлев А.М., Коваленко В.И. Бурение скважин с пеной на твёрдые полезные ископаемые. - Л.: Недра, 1987.

Скважинные гидромашины и буровой гидропривод:

31. Алексеев В.В., Сердюк Н.И. Рациональный выбор средств подъёма воды (раствора) по гидрогеологическим скважинам: Учебное пособие - М.: МГГРУ, 2005.*

32. Бурение разведочных скважин: Учебник для вузов./Н.В. Соловьев, В.В. Кривошеев, Д.Н. Башкатов и др.; Под общей редакцией Н.В. Соловьева. - М.: Высшая школа, 2007.*

33. Ибатулов К.А. Гидравлические машины и механизмы в нефтяной промышленности. - М.: Недра, 1972.

34. Караев М.А. Гидравлика буровых насосов. - М.: Недра, 1983.

35. Кирсанов А.Н., Зиненко В.П., Кардыш В.Г. Буровые машины и механизмы. - М.: Недра, 1981.*

36. Симонянц С.Л. Технология бурения скважин гидравлическими забойными двигателями: Учебное пособие./РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. - Н.Новгород, изд-во «Вектор ТиС», 2007.

37. Специальные работы при бурении и оборудовании скважин на воду./Д.Н. Башкатов, С.Л. Драхлис, В.В. Сафонов, Г.П. Квашнин. - М.: Недра, 1988.*

38. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. - в 2-х томах./Под общ. ред. Е.А. Козловского. - М.: Недра, 1984.*

39. Теория и практика газлифта./Ю.В. Зайцев, Р.А. Максутов, О.В. Чубанов и др. - М.: Недра, 1987.

40. Ушаков А.М. Гидравлические системы буровых установок. - Л.: Недра, 1988.

* - имеется в учебном фонде библиотеки РГГРУ

Размещено на Allbest.ru