Башкатов А.Д. Прогрессивные технологии сооружения скважин

Подождите немного. Документ загружается.

óìåíüøåíèÿ âÿçêîñòè äî êðèòè÷åñêèõ çíà÷åíèé îò öåíòðà ê ãðà-

íèöàì ïîòîêà.

Ñêîðîñòè, ïðè êîòîðûõ âÿçêîñòü óìåíüøèëàñü â öåíòðå ïî-

òîêà äî êðèòè÷åñêèõ çíà÷åíèé è íà÷èíàåòñÿ òóðáóëèçàöèÿ, ñ÷è-

òàþòñÿ êðèòè÷åñêèìè. Ìîæíî ãîâîðèòü î êðèòè÷åñêîì äàâëåíèè

êð.2

ïðè êîòîðîì âîçíèêàåò òóðáóëèçàöèÿ ïîòîêà. Îäíàêî ïîëó-

÷åííûå çíà÷åíèÿ

êð.2

ñïðàâåäëèâû òîëüêî äëÿ îïðåäåëåííûõ êà-

ïèëëÿðîâ èëè òðóá ñ çàäàííûìè ãåîìåòðè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòè-

êàìè.

Òàêèì îáðàçîì, â ïîïåðå÷íîì ñå÷åíèè ïîòîêà ïðè

êð.2

vv>

ñóùåñòâóþò äâå îáëàñòè ñ ðàçíûìè äàâëåíèÿìè, ïðè÷åì

çîíà ïîâûøåííîãî äàâëåíèÿ ðàñïîëîæåíà â öåíòðàëüíûõ ñå÷å-

íèÿõ ïîòîêà, à çîíà ïîíèæåííîãî

–

â ïåðèôåðèéíûõ. Äàâëåíèå â

çîíå òóðáóëåíòíîãî ïîòîêà äîëæíî óðåãóëèðîâàòüñÿ ñ äàâëåíèåì

â çîíàõ ëàìèíàðíîãî ïîòîêà è äåôîðìàöèè. Çîíà ìåæäó ëàìè-

íàðíîé è òóðáóëåíòíîé îáëàñòÿìè, â êîòîðîé ïðîèñõîäèò óðåãó-

ëèðîâàíèå äàâëåíèÿ, èãðàþùàÿ ðîëü ñâîåîáðàçíîãî øëþçà, íîñèò

íàçâàíèå ïåðåõîäíîé çîíû (ñì. ðèñ. 1.20). Óðåãóëèðîâàíèå äàâ-

ëåíèÿ â ïåðåõîäíîé çîíå ïðîèñõîäèò çà ñ÷åò âèõðåâîãî äâèæå-

íèÿ. Äåéñòâèòåëüíî, âðàùåíèå âèõðÿ ñîçäàåò â ïîòîêå îïðåäåëåí-

íóþ ñèëó, êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ â ëèòåðàòóðå ïîäúåìíîé ñèëîé

èëè ñèëîé Ìàãíóñà – Æóêîâñêîãî, îáóñëîâëèâàþùóþ îïðåäåëåí-

íóþ âåëè÷èíó äàâëåíèÿ îò ãðàíèö ïîòîêà ê öåíòðó. Ïðè çàêðó-

÷èâàíèè âèõðÿ îò ãðàíèö ïîòîêà ê öåíòðó âèõðü ñîçäàåò îïðåäå-

ëåííîå ïîëå äàâëåíèÿ

âåëè÷èíó êîòîðîãî ìîæíî îïðåäåëèòü

èç îòíîøåíèÿ ïîäúåìíîé ñèëû

ê ïëîùàäè âèõðÿ

(ðèñ. 1.21).

Ïîäúåìíàÿ ñèëà ëåãêî îïðåäåëÿåòñÿ èç òåîðåìû Æóêîâñêîãî.

Ðèñ. 1.21. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà óðåãóëèðîâàíèÿ áîëåå âûñîêîãî äàâëåíèÿ â

öåíòðàëüíûõ ñå÷åíèÿõ ïîòîêà ñ áîëåå íèçêèì â ïåðèôåðèéíûõ ñå÷åíèÿõ çà

ñ÷åò ñîçäàíèÿ ïîëÿ âèõðåâîãî äàâëåíèÿ ïðè îáðàçîâàíèè â ïåðåõîäíîé îáëàñòè

âèõðåâîãî äâèæåíèÿ. Îáîçíà÷åíèÿ ñì. ðèñ. 1.20

Ðèñ. 1.22. Ýïþðà äàâëåíèÿ â ïîïåðå÷íîì ñå÷åíèè òóðáóëåíòíîãî ïîòîêà ñ ó÷å-

òîì åãî ñàìîðåãóëèðîâàíèÿ â ïåðåõîäíîé çîíå ñ ïîìîùüþ âèõðåâîãî äâèæåíèÿ.

Îáîçíà÷åíèÿ ñì. ðèñ. 1.20

Ñ ðîñòîì ïåðåïàäà äàâëåíèÿ ìåæäó òóðáóëåíòíûì ÿäðîì è

çîíîé ëàìèíàðíîãî ïîòîêà èíòåíñèâíîñòü âèõðåé, ïåðåìåùàþ-

ùèõñÿ ñîâìåñòíî ñ ïîòîêîì, óâåëè÷èâàåòñÿ, ÷òî îáåñïå÷èâàåò

áîëüøåå ïîëå âèõðåâîãî äàâëåíèÿ. Èòàê, çà ñ÷åò âèõðåîáðàçîâà-

íèÿ óäàåòñÿ óðåãóëèðîâàòü áîëåå âûñîêèå äàâëåíèÿ â çîíå òóð-

áóëåíòíîãî ïîòîêà ñ ìåíåå âûñîêèìè â çîíå ëàìèíàðíîãî ïîòîêà.

Ñ óâåëè÷åíèåì âîçìóùàþùåé íàãðóçêè è ñòåïåíè òóðáóëèçàöèè

ïîòîêà èíòåíñèâíîñòü âèõðåîáðàçîâàíèÿ ðàñòåò (ðèñ. 1.22).

Íà ðèñ. 1.22 ïîêàçàíà ýïþðà äàâëåíèÿ äëÿ òóðáóëåíòíîãî ðå-

æèìà ñ ó÷åòîì åãî ñàìîðåãóëèðîâàíèÿ ïî ïîïåðå÷íîìó ñå÷åíèþ

ïîòîêà ñ ïîìîùüþ îáðàçóþùèõñÿ âèõðåé. Çíà÷åíèå äàâëåíèÿ â

ïîïåðå÷íîì ñå÷åíèè îïðåäåëÿåòñÿ íàïðàâëåíèåì ïîòîêà íà

òðåòüåé ñòàäèè ðàçâèòèÿ äâèæåíèÿ, ôàçå ðàçâèòèÿ òóðáóëåíòíîãî

ïîòîêà (ðèñ. 1.23). Äàâëåíèå â ÿäðå òóðáóëåíòíîãî ïîòîêà ïîñòî-

ÿííî òàê æå, êàê è âÿçêîñòü æèäêîñòè. Â ñâÿçè ñ ýòèì ñðåäíÿÿ

ñêîðîñòü, ïðè êîòîðîé áóäåò ñîáëþäàòüñÿ ïîñòîÿíñòâî âÿçêîñòè

è äàâëåíèÿ, òîæå äîëæíà áûòü ïîñòîÿííà

ÿäð

const;

v =

(1.118)

ÿäð êð.2 min

==const.

MMM=

(1.119)

Ðèñ. 1.23. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà

íàïðàâëåíèÿ ñêîðîñòåé ïîòîêà íà

òðåòüåé ñòàäèè ðàçâèòèÿ äâèæå-

íèÿ (îáëàñòü òóðáóëåíòíîãî ïî-

òîêà)

Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ïðè ïåðåõîäå îò âòîðîé ôàçû ðàç-

âèòèÿ äâèæåíèÿ (ôàçà ëàìèíàðíîãî ïîòîêà) ê òðåòüåé ôàçå (ôàçà

òóðáóëåíòíîãî ïîòîêà) êà÷åñòâåííî ìåíÿåòñÿ õàðàêòåð âçàèìî-

äåéñòâèÿ ñîñåäíèõ ñëîåâ æèäêîñòè ïðè ñìåùåíèè îòíîñèòåëüíî

äðóã äðóãà. Åñëè äëÿ ëàìèíàðíîé îáëàñòè õàðàêòåðíà ëèíåéíàÿ

çàâèñèìîñòü ñèëû òðåíèÿ îò ñêîðîñòè, òî äëÿ òóðáóëåíòíîé îá-

ëàñòè îíà íàðóøàåòñÿ. Äåëî â òîì, ÷òî âçàèìîäåéñòâèå ýëåìåí-

òàðíûõ îáúåìîâ æèäêîñòè ïðè áîëüøèõ ñêîðîñòÿõ äâèæåíèÿ îò-

íîñèòåëüíî äðóã äðóãà íîñèò äèñêðåòíûé õàðàêòåð. Èìåííî òàêîé

õàðàêòåð ñèë òðåíèÿ îáåñïå÷èâàåò ìèíèìàëüíóþ ðàáîòó, íåîáõî-

äèìóþ äëÿ òðàíñïîðòèðîâêè åäèíèöû îáúåìà ïðè çàäàííûõ

âíåøíèõ óñëîâèÿõ, ê ìèíèìèçàöèè êîòîðîé ñòðåìèòñÿ ëþáàÿ

äâèæóùàÿñÿ ñèñòåìà. Ïîÿñíèì ýòî íà ïðèìåðå.

Òåëî, äâèæóùååñÿ ïî ãëàäêîé ïîâåðõíîñòè ïðè îïðåäåëåííîé

ñêîðîñòè, íà÷èíàåò ïåðèîäè÷åñêè ïîäïðûãèâàòü è ÷àñòü ïóòè

ïðîõîäèòü âíå âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ïîâåðõíîñòüþ. Àíàëîãè÷íûé

ýôôåêò íàáëþäàåòñÿ è â æèäêîñòÿõ, ÷òî ïðîÿâëÿåòñÿ â âîçíèê-

íîâåíèè ïóëüñèðóþùèõ ñêîðîñòåé â ïåðåõîäíîé îáëàñòè. Ïðè

íàêàïëèâàíèè, àêêóìóëèðîâàíèè ýíåðãèè â îäíîì ñëîå æèäêîñòè

îí èìååò âîçìîæíîñòü ïðîñêî÷èòü îòíîñèòåëüíî äðóãîãî, à çàòåì,

îòäàâ ýíåðãèþ, çàòîðìîçèòüñÿ è ïðîïóñòèòü îòíîñèòåëüíî ñåáÿ

ñîñåäíèå ñëîè è îïÿòü íàêîïèòü ýíåðãèþ äëÿ ïîñëåäóþùåé ïóëü-

ñàöèè.

Ïóëüñàöèÿ â ïåðåõîäíîé îáëàñòè íàáëþäàåòñÿ òàêæå çà ñ÷åò

îñåâîãî ïåðåìåùåíèÿ âèõðåé âäîëü îñè ïîòîêà. Åñëè èíòåíñèâ-

íîñòü âèõðÿ ñ óäàëåíèåì îò åãî öåíòðà è ïåðèôåðèè èçìåíÿåòñÿ,

òî è ñêîðîñòè â ïðîäîëüíîì è ïîïåðå÷íîì íàïðàâëåíèÿõ ïîòîêà

òàêæå ìåíÿþòñÿ, ò.å. íàáëþäàåòñÿ ïóëüñàöèÿ ñêîðîñòåé. Ñ èíòåí-

ñèôèêàöèåé òóðáóëèçàöèè ðàñòåò íåîäíîðîäíîñòü âèõðåé è óâå-

ëè÷èâàåòñÿ ðàçëè÷èå ìåæäó ìàêñèìàëüíîé è ìèíèìàëüíîé ñêî-

ðîñòÿìè â ïåðåõîäíîé îáëàñòè.

Â ÿäðå òóðáóëåíòíîãî ïîòîêà, ïî-âèäèìîìó, ïóëüñàöèè ñêîðî-

ñòåé íå âîçíèêíåò èç-çà íàëè÷èÿ ãðàäèåíòîâ ñêîðîñòè â ïîïåðå÷-

íîì ñå÷åíèè ïîòîêà, áëèçêèõ ê íóëþ, è îòñóòñòâèÿ ñìåùåíèÿ îä-

íîãî ñëîÿ æèäêîñòè îòíîñèòåëüíî äðóãîãî.

Ýïþðà äàâëåíèÿ äëÿ òðåòüåé ôàçû ðàçâèòèÿ äâèæåíèÿ, ôàçû

òóðáóëåíòíîãî ïîòîêà ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 1.24,

à.

Â ïåðåõîäíîé

îáëàñòè îíà èìååò òî÷êó ïåðåãèáà, îáóñëîâëåííóþ âèõðåâûì

äâèæåíèåì, ïðè êîòîðîì â âèõðå áëèæàéøèå ê çîíå ëàìèíàðíîãî

ïîòîêà ñëîè äâèæóòñÿ â âîñõîäÿùåì ïîòîêå, à áëèæå ê çîíå òóð-

áóëåíòíîãî ÿäðà – â íèñõîäÿùåì (ðèñ. 1.24,

á).

Íåîáõîäèìî çà-

ìåòèòü, ÷òî ñàìè âèõðè ïåðåìåùàþòñÿ â íàïðàâëåíèè äâèæåíèÿ

ïîòîêà ñ ñîîòâåòñòâóþùèìè ñêîðîñòÿìè. Íà ðèñ. 1.24,

ïîêàçàíà

ýïþðà ðàñïðåäåëåíèÿ âÿçêîñòè ïî ïîïåðå÷íîìó ñå÷åíèþ ïîòîêà, à

Ðèñ. 1.24. Ýïþðû äàâëåíèÿ (à), âîçìóùàþùåãî ìîìåíòà Ì

èëè ìîìåíòà ñèë

ñîïðîòèâëåíèÿ Ì

(á), âÿçêîñòè µ

(â) è ñèëû òðåíèÿ

òð

F (ã), ðàâíîé òàíãåíñó

óãëà

íàêëîíà

ýïþðû

ìîìåíòîâ

ê ïîïåðå÷íîé îñè ñèììåòðèè ïîòîêà

òð

F= tg ϕ ïî

ñå÷åíèþ òóðáóëåíòíîãî ïîòîêà

íà ðèñ. 1.24,

– ñèë òðåíèÿ. Äëÿ òðåòüåé ñòàäèè ðàçâèòèÿ äâèæå-

íèÿ õàðàêòåðíî íàëè÷èå ÷åòûðåõ ïðèíöèïèàëüíî ðàçëè÷íûõ îá-

ëàñòåé ïîòîêà. Îáëàñòü äåôîðìàöèè ñìåíÿåòñÿ îáëàñòüþ ëàìè-

íàðíîãî ïîòîêà, êîòîðàÿ ïåðåõîäèò ÷åðåç ïåðåõîäíóþ çîíó â çîíó

òóðáóëåíòíîãî ðåæèìà.

Ïîòåðè íàïîðà íà òðåòüåé ñòàäèè ðàçâèòèÿ äâèæåíèÿ îïðå-

äåëÿþòñÿ ñóììîé íàïîðà â îáëàñòè äåôîðìàöèè, ëàìèíàðíîãî,

ïåðåõîäíîãî è òóðáóëåíòíîãî ïîòîêîâ. Ïðè èçìåíåíèè âíåøíèõ

ôàêòîðîâ õàðàêòåð è ìîùíîñòü ðàçëè÷íûõ îáëàñòåé ìîãóò ìå-

íÿòüñÿ. Ñ óâåëè÷åíèåì òåìïåðàòóðû ñðåäû âÿçêîñòü æèäêîñòè

äî êðèòè÷åñêèõ çíà÷åíèé óìåíüøàåòñÿ áûñòðåå. Òàêæå óìåíüøà-

þòñÿ è ñêîðîñòè ïîòîêà, êîòîðûì ñîîòâåòñòâóþò çíà÷åíèÿ êðè-

òè÷åñêîé âÿçêîñòè. Â ýòîé ñâÿçè ïåðåõîä îò ôàçû äåôîðìàöèè

ôàçå

ëàìèíàðíîãî

ïîòîêà, îò ôàçû ëàìèíàðíîãî ïîòîêà ê ïå-

ðåõîäíîé áàçå è ê ôàçå òóðáóëåíòíîãî ïîòîêà äëÿ áîëåå âûñîêèõ

òåìïåðàòóð îñóùåñòâëÿåòñÿ áûñòðåå, ÷åì äëÿ áîëåå íèçêèõ.

Ïðè óâåëè÷åíèè âíåøíåé íàãðóçêè îò

äî

ïîòåðè íàïîðà

ïðè äâèæåíèè âîçðàñòàþò çà ñ÷åò ðàçâèòèÿ òóðáóëåíòíîãî ÿäðà

(îò

ÿä.1

äî

ÿä.3

) òå÷åíèÿ îò îñè ê ïåðèôåðèè ïîòîêà è óâåëè÷åíèÿ

óãëà òðåíèÿ â ÿäðå ïî ñðàâíåíèþ ñ îáëàñòüþ ëàìèíàðíîãî ïîòîêà

è çîíîé äåôîðìàöèè (ðèñ. 1.25). Ïîòåðè íàïîðà ïðè òóð-

áóëåíòíîì ðåæèìå ëåãêî íàéòè, åñëè èçâåñòíû ïëîùàäü òóðáó-

ëåíòíîãî ÿäðà è òîëùèíà ëàìèíàðíîãî ïîäñëîÿ.

Ïîòåðè íàïîðà â òóðáóëåíòíîì ÿäðå ñ óðàâíåíèÿìè (1.106) –

(1.108)

ÿä.ì ì ÿä.ì

òêð.2

ÿä ì ÿä

()

Srr

Sr r

−

(1.120)

ãäå

– ïîòåðè íàïîðà â òóðáóëåíòíîì ÿäðå èññëåäóåìîãî ïîòî-

êà;

ÿä

– ïëîùàäü ÿäðà èññëåäóåìîãî òóðáóëåíòíîãî ïîòîêà;

ÿä

–

ðàäèóñ êàíàëà;

ÿä.ì

–

ðàäèóñ ÿäðà òóðáóëåíòíîãî ïîòîêà;

êð.2

–

êðèòè÷åñêîå äàâëåíèå, ïðè êîòîðîì îñóùåñòâèëñÿ ïåðåõîä îò

ëàìèíàðíîãî ê òóðáóëåíòíîìó ðåæèìó äâèæåíèÿ ñ ïëîùàäüþ

ÿäðà

ÿä.ì

è ðàçìàõîì

íà ðàíåå èññëåäóåìîé ìîäåëè

ϕ <

2êð

(

– r

ÿä.ì

)/(

r – r

ÿä

(1.121)

ãäå

– óãîë íàêëîíà ýïþðû ìîìåíòîâ ê ïîïåðå÷íîé îñè ñèììåò-

ðèè èññëåäóåìîãî ïîòîêà;

êð

– êðèòè÷åñêèé óãîë íàêëîíà ýïþ-

ðû ìîìåíòîâ ê ïîïåðå÷íîé îñè ñèììåòðèè ïîòîêà íà ìîäåëè, ïðè

êîòîðîì îáðàçîâàëîñü ÿäðî òóðáóëåíòíîãî ïîòîêà ðàäèóñà

ÿä.ì

ðàçìàõà 2

ÿä.ì

Ïîòåðè íàïîðà â îáëàñòè äåôîðìàöèè è ëàìèíàðíîãî ïîòîêà

ñîñòàâÿò ïî àíàëîãèè ñ óðàâíåíèåì (1.108).

ë.ì ë.ì

ëêð.1

ëë

JJ=

(1.122)

ãäå

–

ïëîùàäü êîëüöåâîé îáëàñòè ëàìèíàðíîãî ïîòîêà è çîíû

Ðèñ. 1.25. Ýïþðà

ìîìåíòîâ ñî-

ïðîòèâëåíèÿ (p

< p

)

äåôîðìàöèè, îãðàíè÷åííàÿ ñòåíêàìè ïîòîêà è ïåðåõîäíîé îáëà-

ñòüþ, ðàññòîÿíèå ìåæäó êîòîðûìè

Ïîòåðè íàïîðà â ïåðåõîäíîé ìåæäó ëàìèíàðíîé è òóðáóëåíò-

íîé îáëàñòÿìè äâèæåíèÿ ñ äîñòàòî÷íîé ñòåïåíüþ ïðèáëèæåíèÿ

ìîæíî îïðåäåëèòü íà îñíîâàíèè ñðåäíåé âåëè÷èíû óãëà íàêëîíà

ýïþð ìîìåíòîâ äëÿ ëàìèíàðíîé è òóðáóëåíòíîé îáëàñòåé. Ýòî

äîïóùåíèå âïîëíå êîððåêòíî, òàê êàê ïåðåõîäíàÿ îáëàñòü êîì-

ïåíñèðóåò äàâëåíèå â òóðáóëåíòíîé è ëàìèíàðíîé îáëàñòÿõ äðóã

ñ äðóãîì è ïîýòîìó ïðèíèìàåò ïðîìåæóòî÷íûå, ñðåäíèå çíà÷åíèÿ

= (tg

+ tg

)/2;

(1.123)

= (

ÿä

(1.124)

ãäå

– óãîë íàêëîíà ýïþðû ìîìåíòîâ ê ïîïåðå÷íîé îñè ïî-

òîêà äëÿ çîíû ñîîòâåòñòâåííî ëàìèíàðíîãî è òóðáóëåíòíîãî ïî-

òîêîâ;

– ïëîùàäü êîëüöåâîé îáëàñòè ïåðåõîäíîãî ðåæèìà ìå-

æäó ëàìèíàðíîé è òóðáóëåíòíîé îáëàñòÿìè.

Ñóììàðíûå ïîòåðè íàïîðà ïðè òóðáóëåíòíîì ðåæèìå [ñì. âû-

ðàæåíèÿ (1.120), (1.121) è (1.124)]

ÿä.ì ì ÿä.ì

òëï êð.2

ÿä ÿä

()

Srr

JJ J J J

−

=++= +

ë.ì ë.ì

òÿä ëë

êð.1

ëë ï

JS JS

Sr S

(1.125)

Äëÿ îïåðàòèâíîãî îïðåäåëåíèÿ ïîòåðü íàïîðà ïðè äâèæåíèè

æèäêîñòè ïî ïðåäëîæåííîé ìåòîäèêå öåëåñîîáðàçíî ñòðîèòü íî-

ìîãðàììû ðåæèìîâ ïîòîêà è ïëîùàäåé çîí äåôîðìàöèè, ëàìè-

íàðíîãî, ïåðåõîäíîãî è òóðáóëåíòíîãî ïîòîêîâ äëÿ ðàçíûõ ïàðà-

ìåòðîâ òðóá è êàïèëëÿðîâ, ÷òî çíà÷èòåëüíî óïðîñòèò ðàñ÷åòû.

Ïîòåðè íàïîðà ïðÿìî íå çàâèñÿò îò øåðîõîâàòîñòè òðóá. Îáû÷íî

â ãèäðàâëèêå ïðèíèìàþò êîýôôèöèåíò ñîïðîòèâëåíèÿ êàê ôóíê-

öèþ øåðîõîâàòîñòè, èçíîñà òðóá è ò.ä. Îäíàêî òàêîå ïðåäïîëî-

æåíèå îøèáî÷íî. Äåëî â òîì, ÷òî øåðîõîâàòîñòü âëèÿåò íà âåëè-

÷èíó ïîòåðü íàïîðà òîëüêî êîñâåííî, çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ ïëî-

ùàäè çîíû äåôîðìàöèè è ëàìèíàðíîãî ïîäñëîÿ è ñîîòâåòñòâåííî

óâåëè÷åíèÿ óãëîâ òðåíèÿ è ìîìåíòîâ ñîïðîòèâëåíèÿ â öåíòðàëü-

íûõ ñå÷åíèÿõ ïîòîêà ïðè çàäàííîì ðàñõîäå.

Ïðèíöèï ñàìîðåãóëèðîâàíèÿ ñèñòåìû â ýòîì ñëó÷àå ïðîÿâëÿ-

åòñÿ â ñëåäóþùåì. Ó áîëüøèõ óñòóïîâ øåðîõîâàòîñòåé íà ãðàíè-

öàõ ïîòîêà ñîçäàåòñÿ ãðàäèåíò äåôîðìàöèè è ñîîòâåòñòâóþùàÿ

òîëùèíà çîíû äåôîðìàöèè è ëàìèíàðíîãî ïîäñëîÿ, ïðè êîòîðûõ

íà òðàíñïîðòèðîâêó äàííîãî îáúåìà æèäêîñòè ïðè èçâåñòíûõ

âíåøíèõ ôàêòîðàõ çàòðà÷èâàåòñÿ ìèíèìàëüíàÿ ýíåðãèÿ. Â ñëó÷àå

ñîçäàíèÿ òå÷åíèÿ ó øåðîõîâàòîñòè ïîòåðè íàïîðà â ïðèñòåííîé

îáëàñòè ðåçêî âîçðàñòóò è íàðóøèòñÿ ðàâíîâåñèå ñèñòåìû. Ïî-

ýòîìó ïðè óâåëè÷åíèè ìàñøòàáà øåðîõîâàòîñòè ìåíÿåòñÿ òîëüêî

âåëè÷èíà çîíû äåôîðìàöèè è çàäàííûé ðàñõîä ïðèõîäèòñÿ íà

ìåíüøåå ðåàëüíîå ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå ïîòîêà. Â âûðàæåíèÿõ

(1.123) è (1.109) øåðîõîâàòîñòü ó÷èòûâàåòñÿ ðàäèóñîì çîíû ëà-

ìèíàðíîãî òå÷åíèÿ, êîòîðûé óâåëè÷èâàåòñÿ ñ ðîñòîì øåðîõîâà-

òîñòè è ìîùíîñòè çîíû äåôîðìàöèè.

Ñ óâåëè÷åíèåì âíåøíåé íàãðóçêè è ñêîðîñòåé äâèæåíèÿ ïî-

òîêà òóðáóëåíòíûé ðåæèì áóäåò èíòåíñèôèöèðîâàòüñÿ è ïðåâà-

ëèðîâàòü íàä ëàìèíàðíûì. Ïðè íåêîòîðûõ çíà÷åíèÿõ âíåøíåé

íàãðóçêè ñèñòåìà ïåðåñòàåò áûòü óñòîé÷èâîé èç-çà íàðóøåíèÿ

ñïëîøíîñòè ïîòîêà, ïðèíöèïà ïîñòîÿíñòâà ìàññû ïî ñå÷åíèÿì

ïîòîêà è ïîÿâëåíèÿ êàâèòàöèè. Î÷åâèäíî, ÷òî òàêàÿ ñèñòåìà ïðè

çàäàííûõ âíåøíèõ ôàêòîðàõ ñòàíîâèòñÿ ýíåðãåòè÷åñêè áîëåå âû-

ãîäíîé. Îäíàêî èç-çà ñïåöèôèêè äâèæåíèÿ äâóõôàçíûõ ñðåä,

êîòîðàÿ íàáëþäàåòñÿ ïðè êàâèòàöèè, ïåðåõîä îò òóðáóëåíòíîãî

ðåæèìà ê êàâèòàöèîííîìó ðåæèìó ðàññìîòðåí íå áóäåò.

Èòàê, èç ïðèâåäåííîãî àíàëèçà ìîæíî ñäåëàòü ñëåäóþùèå âû-

âîäû.

Ñèñòåìà äâèæóùåéñÿ æèäêîñòè ñ÷èòàåòñÿ ñàìîðåãóëèðóåìîé.

Ñàìîðåãóëèðóåìîñòü åå çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ïðè îïðåäåëåííîé

âåëè÷èíå è õàðàêòåðå âíåøíèõ âîçäåéñòâèé ñèñòåìà ïðèíèìàåò

îïðåäåëåííîå ýíåðãåòè÷åñêîå ñîñòîÿíèå, çàíèìàåò îïðåäåëåííûé

ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü, êîòîðûé ïðè äàííîé íàãðóçêå íàèâû-

ãîäíåéøèé.

Ñ èíòåíñèôèêàöèåé âíåøíåé íàãðóçêè íà ñèñòåìó æèäêîñòè

îíà ïðèíèìàåò ðàçëè÷íûå ýíåðãåòè÷åñêèå ñîñòîÿíèÿ, ñîîòâåòñò-

âóþùèå ðåæèìàì äåôîðìàöèè, ðàçâèòèÿ ëàìèíàðíîãî ïîòîêà,

ðàçâèòèÿ òóðáóëåíòíîãî ïîòîêà è ðàçâèòèÿ íàâèãàöèîííîãî òå÷å-

íèÿ. Ñ ïåðåõîäîì íà íîâûé ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü ñëîæíîñòü

ñèñòåìû âîçðàñòàåò.

Íà ïåðâîé, íà÷àëüíîé ôàçå ðàçâèòèÿ äâèæåíèÿ (ôàçà äåôîð-

ìàöèè) ñàìîðåãóëèðîâàíèå ñèñòåìû çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî â ïî-

ïåðå÷íîì ñå÷åíèè íå ôîðìèðóåòñÿ îñëàáëåííûõ èëè óñèëåííûõ ê

ðàçðóøåíèþ ó÷àñòêîâ, à ñîçäàåòñÿ ðàâíîâåñíàÿ ïîâåðõíîñòü äå-

ôîðìàöèè. Ñ èíòåíñèôèöèðóþùåé âíåøíåé íàãðóçêîé óâåëè÷è-

âàåòñÿ ìîìåíò ñèë ñîïðîòèâëåíèÿ, ïðè ýòîì âÿçêîñòü æèäêîñòè

îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé. Ñàìîðåãóëèðîâàíèå ñèñòåìû â ôàçå óïðó-

ãîé äåôîðìàöèè îñóùåñòâëÿåòñÿ çà ñ÷åò êîìïåíñàöèè âíåøíåé

íàãðóçêè ñèëàìè ñîïðîòèâëåíèÿ æèäêîñòè.

Íà âòîðîé ôàçå ðàçâèòèÿ äâèæåíèÿ (ôàçà ëàìèíàðíîãî ïî-

òîêà) ñîçäàåòñÿ ðàâíîâåñíàÿ â ïîïåðå÷íîì ñå÷åíèè ñèñòåìà. Çîíà

äåôîðìàöèè (ó ïåðèôåðèè) è çîíà ëàìèíàðíîãî ïîòîêà (â öåí-

òðàëüíûõ ñå÷åíèÿõ) â ýíåðãåòè÷åñêîì îòíîøåíèè óðàâíîâåøè-

âàþò äðóã äðóãà. Ñàìîðåãóëèðîâàíèå ñèñòåìû â ôàçå ëàìèíàð-

íîãî ïîòîêà ïðè èçìåíåíèè âíåøíåãî âîçäåéñòâèÿ ïðîèñõîäèò çà

ñ÷åò àâòîìàòè÷åñêîãî èçìåíåíèÿ çíà÷åíèé ñêîðîñòè è âÿçêîñòè

ïîòîêà â êàæäîé òî÷êå, ïðè êîòîðîì ïðîèçâåäåíèå ãðàäèåíòà

âÿçêîñòè ñðåäû íà ãðàäèåíò ñêîðîñòè ïîòîêà â ïîïåðå÷íîì ñå÷å-

íèè – âåëè÷èíà ïîñòîÿííàÿ.

Íà òðåòüåé ôàçå ðàçâèòèÿ äâèæåíèÿ (ôàçà òóðáóëåíòíîãî ïî-

òîêà) â öåíòðàëüíûõ ñå÷åíèÿõ ñîçäàåòñÿ çîíà ïåðåóïëîòíåíèÿ,

õàðàêòåðèçóþùàÿñÿ ïîâûøåííûì äàâëåíèåì è ìèíèìàëüíîé äëÿ

äàííûõ âíåøíèõ ôàêòîðîâ âÿçêîñòüþ. Óðàâíîâåøèâàíèå çîí

òóðáóëåíòíîé îáëàñòè ñ îáëàñòÿìè ëàìèíàðíîãî ïîòîêà è äåôîð-

ìàöèè îñóùåñòâëÿåòñÿ çà ñ÷åò ñîçäàíèÿ ìåæäó íèìè ïåðåõîäíîé

çîíû, êîòîðàÿ õàðàêòåðèçóåòñÿ íàëè÷èåì âèõðåâîãî äâèæåíèÿ,

çàêðó÷èâàþùåãîñÿ ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå ñëåâà îò îñè ñèììåòðèè è

ïðîòèâ – ñïðàâà îò îñè ñèììåòðèè ïîòîêà. Â ïåðåõîäíîé îáëàñòè

ñîçäàåòñÿ ïîëå äàâëåíèÿ îò ïåðèôåðèè ê öåíòðàëüíûì ñå÷åíèÿì

ïîòîêà, ñ ïîìîùüþ êîòîðîãî ýíåðãåòè÷åñêèé ïîòåíöèàë ëàìèíàð-

íîé è òóðáóëåíòíîé îáëàñòåé óðàâíîâåøèâàåòñÿ. Ñàìîðåãóëèðî-

âàíèå ñèñòåìû íà ýòîé ôàçå ïðè èçìåíåíèè âíåøíèõ ôàêòîðîâ

îñóùåñòâëÿåòñÿ çà ñ÷åò èçìåíåíèÿ èíòåíñèâíîñòè âèõðåîáðàçî-

âàíèÿ â ïåðåõîäíîé îáëàñòè.

Ãëàâà 2

•

ÑÍÈÆÅÍÈÅ ÃÈÄÐÀÂËÈ×ÅÑÊÎÃÎ

ÑÎÏÐÎÒÈÂËÅÍÈß ÏÎÐÎÄ

ÏÐÎÄÓÊÒÈÂÍÎÃÎ ÏËÀÑÒÀ

Ñóùåñòâóþò ìåòîäû ïîâûøåíèÿ ôèëüòðàöèîííûõ ñâîéñòâ ïî-

ðîä, êîòîðûå ïîçâîëÿþò îáðàáîòàòü íå òîëüêî îêîëîñêâàæèííóþ

çîíó, íî è çàòðàãèâàþò áîëåå îòäàëåííûå ó÷àñòêè, îòñòîÿùèå îò

ñêâàæèíû íà 50 ì è áîëåå. Â ýòîì ñëó÷àå ìîæíî ãîâîðèòü îá

óëó÷øåíèè ôèëüòðàöèîííûõ ïàðàìåòðîâ ïëàñòà. Ê ìåòîäàì, ïî-

çâîëÿþùèì ðåøèòü ýòó çàäà÷ó, ñëåäóåò îòíåñòè ãèäðàâëè÷åñêèé

ðàçðûâ ïëàñòà, ðàçìûâ ïëàñòà è ýëåêòðîîáðàáîòêó.

2.1. ÃÈÄÐÀÂËÈ×ÅÑÊÈÉ ÐÀÇÐÛÂ ÏËÀÑÒÀ

Ãèäðàâëè÷åñêèé ðàçðûâ ïëàñòà – ïðîöåññ âîçäåéñòâèÿ æèäêî-

ñòè íà ïëàñòîâóþ ïîðîäó ïîä âûñîêèì äàâëåíèåì ïðè åå íàãíå-

òàíèè â ïëàñò. Â îñíîâå ãèäðàâëè÷åñêîãî ðàçðûâà ëåæèò ïðèíöèï

èçìåíåíèÿ ñòðóêòóðû ïîðîäû ïðè âûñîêèõ ðåïðåññèÿõ. Òåîðåòè-

÷åñêè ñêåëåò ãîðíîé ïîðîäû áóäåò ðàçðóøàòüñÿ ïðè âîçäåéñòâèè

íà ïëàñò, ïðåâûøàþùåì ãîðíîå äàâëåíèå íà çàäàííîé ãëóáèíå.

Êàê ïîêàçàëà ïðàêòèêà, ãèäðîðàçðûâ ïîðîäû íàáëþäàåòñÿ ïðè

ñóùåñòâåííî ìåíüøèõ ðåïðåññèÿõ. Ýòî îáñòîÿòåëüñòâî îáúÿñíÿ-

åòñÿ, âî-ïåðâûõ, íàëè÷èåì íà÷àëüíîé òðåùèíîâàòîñòè ïîðîä,

ðàçëîìîâ è íåîäíîðîäíîñòåé, à âî-âòîðûõ, ñóùåñòâåííî ìåíü-

øèìè ïðåäåëüíî äîïóñòèìûìè íàïðÿæåíèÿìè ïîðîäû íà ðàçðûâ,

÷åì íà ñæàòèå.

Ãèäðîðàçðûâ íàáëþäàåòñÿ â òðåùèíîâàòûõ ïîðîäàõ ñ ÿðêî

âûðàæåííûìè ïðèðîäíî-ïëàñòè÷íûìè ñâîéñòâàìè. Ðàçëè÷àþò

íàïðàâëåííûé ãèäðîðàçðûâ äëÿ îïðåäåëåííîãî èíòåðâàëà ïëàñòà

è îáùèé ãèäðîðàçðûâ ïî âñåé ìîùíîñòè ïëàñòà.

Íàïðàâëåííûé ãèäðîðàçðûâ ïðîâîäèòñÿ â ïåðñïåêòèâíûõ îá-

ëàñòÿõ, è, êàê ïðàâèëî, èìååò ïîèíòåðâàëüíûé õàðàêòåð. Ïîñëå

ïðîâåäåíèÿ îïðîáîâàíèÿ ñêâàæèíû è âûäåëåíèÿ îñíîâíûõ èí-

òåðâàëîâ ïðèòîêà â íåå ñïóñêàþò ñïåöèàëüíóþ êîìïîíîâêó ñíà-

ðÿäà, ñîäåðæàùóþ äâà ïàêåðà, ðàçäåëåííûõ ïåðôîðèðîâàííîé

òðóáîé. Èíñòðóìåíò ôèêñèðóþò ïîî÷åðåäíî â êàæäîì çàäàííîì

èíòåðâàëå. Ïàêåðà ïðèâîäÿò â ðàáî÷åå ïîëîæåíèå. Êà÷åñòâî ðàñ-

ïàêåðîâêè êîíòðîëèðóþò ïî íàëè÷èþ öèðêóëÿöèè â çàòðóáíîì

ïðîñòðàíñòâå ñêâàæèíû, à òàêæå ñïåöèàëüíûìè çàòðóáíûìè ìà-

íîìåòðàìè ñ ðåãóëÿòîðîì äàâëåíèÿ. Â ñëó÷àå êà÷åñòâåííîé ãåð-

ìåòèçàöèè âûäåëåííîãî èíòåðâàëà, êîòîðûé ïðîâåðÿåòñÿ îïðåñ-

ñîâêîé, íà÷èíàþò ãèäðîðàçðûâ ïëàñòà.

Â ñêâàæèíó íàãíåòàþò æèäêîñòü, êîòîðàÿ ìîæåò èìåòü âîä-

íóþ èëè óãëåâîäîðîäíóþ îñíîâó (â çàâèñèìîñòè îò òèïà êîëëåê-

òîðà). Â ñëó÷àå îáðàáîòêè âîäîçàáîðíûõ è ãèäðîãåîëîãè÷åñêèõ

ñêâàæèí íà ìèíåðàëüíûå âîäû è ïàðîãèäðîòåðìû ñëåäóåò èñ-

ïîëüçîâàòü â êà÷åñòâå æèäêîñòè âîäó ëèáî ñîëåíóþ âîäó. Æèä-

êîñòü íàãíåòàþò ÷åðåç êîëîííó áóðèëüíûõ òðóá è ïîâåðõíîñòíóþ

îáâÿçêó öåìåíòèðîâî÷íûìè àãðåãàòàìè ÖÀ-320Ì è ÖÀ-400.

Ìîæíî èñïîëüçîâàòü íàñîñíûå óñòàíîâêè âûñîêîãî äàâëåíèÿ.

Â íà÷àëüíûé ìîìåíò íàãíåòàíèÿ íà ïåðâîé ñêîðîñòè ðàáîòû

öåìåíòèðîâî÷íîãî èëè íàñîñíîãî àãðåãàòà ðàñõîä ïîãëîùåíèÿ

ìèíèìàëåí, ïðîèñõîäèò ðåçêîå óâåëè÷åíèå ïåðåïàäà äàâëåíèÿ íà

ïëàñò, ïðåññîâàíèå. Â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ïðè ñðåäíåé èëè âûñî-

êîé íà÷àëüíîé ïðèåìèñòîñòè ïëàñòà ðàñõîäà, îáåñïå÷èâàåìîãî

îäíèì öåìåíòèðîâî÷íûì àãðåãàòîì, áûâàåò íåäîñòàòî÷íî. Óâåëè-

÷åíèå ïîäà÷è èç-çà ñíèæåíèÿ äàâëåíèÿ íàãíåòàíèÿ ïðåïÿòñòâóåò

ñîçäàíèþ òðåáóåìîé ðåïðåññèè íà ïëàñò. Ïîýòîìó ïðè ïîâûøåí-

íîé ïðîíèöàåìîñòè ïëàñòà äëÿ ãèäðîðàçðûâà èñïîëüçóþò íå-

ñêîëüêî ñïàðåííûõ öåìåíòèðîâî÷íûõ àãðåãàòîâ.

Óâåëè÷åíèå äàâëåíèÿ íàãíåòàíèÿ ïðèâîäèò ê ïðîíèêíîâåíèþ

æèäêîñòè â íà÷àëüíûå ïóñòîòû, íåáîëüøèå òðåùèíû è âîçíèêíî-

âåíèþ ðàñêëèíèâàþùåãî ýôôåêòà. Ïðè äîñòèæåíèè äàâëåíèåì

íàãíåòàíèÿ ïðåäåëüíîãî çíà÷åíèÿ åñòåñòâåííûå òðåùèíû â ïëà-

ñòå íà÷èíàþò ðàñøèðÿòüñÿ è ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ â ãëóáü ïëàñòà.

Ðàñêëèíèâàþùèé ýôôåêò, äåéñòâóþùèé íà ðàñêëèíèâàþùóþñÿ

òðåùèíó, ïîçâîëÿåò ðàñêðûòü åå ïðè ïåðåïàäàõ äàâëåíèÿ, ñóùå-

ñòâåííî ìåíüøèõ ãîðíîãî äàâëåíèÿ, êàê ýòî ïðåäïîëàãàåòñÿ òåî-

ðåòè÷åñêè.

Ïðè ðàñêðûòèè òðåùèí ðàñõîä ïîãëîùåíèÿ óâåëè÷èâàåòñÿ è

ñíèæàåòñÿ äàâëåíèå íàãíåòàíèÿ. Â íà÷àëüíûé ìîìåíò ãèäðîðàç-

ðûâà (ïåðâûé ýòàï) ïðîèñõîäèò ðàñêðûòèå òîëüêî íåñêîëüêèõ

íàèáîëåå ïðîíèöàåìûõ òðåùèí, ÷åðåç êîòîðûå è ðàñòåò ðàñõîä

ïîãëîùåíèÿ. Óìåíüøåíèå äàâëåíèÿ ïîñëå ñòàáèëèçàöèè ðàñõîäà

ïîãëîùåíèÿ íå ïîçâîëÿåò, êàê ïðàâèëî, îáðàáîòàòü òðåùèíû

ìåíüøåãî ðàçìåðà, è îíè íå ó÷àñòâóþò â ðàçâèòèè ïðîöåññà. Ïðè

ïåðâîì ñêà÷êå äàâëåíèÿ îáû÷íî îáðàçóåòñÿ íåñêîëüêî ãîðèçîí-