Стрекалов А.В. Математические модели гидравлических систем для управления системами поддержания пластового давления

Подождите немного. Документ загружается.

ляются на два типа: устройства, служащие для изменения направле-

ния потока (УН) текучей среды (задвижки, клапаны, распределители

и т.п.), и устройства для изменения гидравлических параметров

потока (УП) текучей среды (штуцеры, регуляторы расхода и давления

и т.п.).

Каналы связи – сооружения, необходимые для обеспечения на-

правленного движения текучей среды от од

ного элемента гидросистем

к другому. Каналами связи могут быть как открытые каналы иррига-

ционных систем, так и закрытые трубопроводы, служащие единой це-

ли: пропусканию сквозь себя потока текучей среды для обеспечения

связи других элементов (УУ, АСП, НТС) рабочей средой.

Приборы для регистрации параметров текучей среды – устрой-

ства, предназначенные для контроля п

араметров потока текучей сре-

ды. Такими устройствами являются манометры, расходомеры, термо-

метры, а контролируемыми ими параметрами – давление, расход, тем-

пература.

Таким образом, элементы гидросистем могут быть однозначно

классифицированы по цели их функционирования и принципу дейст-

вия на текучую среду и систему в целом (см. рис. 3.1).

Все представленные элементы составляют полный мо

дуль гидро-

системы, т.е. с помощью данных элементов можно построить любую

ТГС.

Вообще говоря, ТГС может быть составлена как полным модулем,

так и неполным. Если в качестве рассматриваемой ТГС мы возьмем

гидросистему ППД (см. рис. 3.4 и 3.5), то можно сказать, что она пред-

ставлена всеми вышеперечисленными элементами и поэтому является

полномодульной. Та

к, практически все сложные ТГС являются пол-

номодульными. Более простые гидросистемы, в которых отсутствуют

АСП, ПР или УУ, следует считать неполномодульными.

Одним из примеров неполномодульных гидросистем служат систе-

мы, в которых движение текучей среды происходит без использования

насосов, т.е. за счет потенциальной гидравлической энергии в накопи-

телях текучей среды ил

и гидростатического перепада.

Предлагаемая здесь классификация элементов гидросистем позво-

ляет в процессе анализа гидросистем соотносить тот или иной физиче-

ский объект к определенному элементу, что однозначно определяет

назначение объекта, физическую суть его функционирования и тип

математического описания.

Итак, исходя из предложенной классификации, любая гидросисте-

ма может состоять из следующих элементов: НТС, АСГ, АСТ, АП

Г,

АПТ, УН, УП, КС, ПР. Каждый из выделенных элементов может быть

классифицирован по тем или иным критериям. Позже при объектном

анализе мы остановимся на этом подробнее.

Для полноты отражения функций и свойств каждого элемента при-

ведем ряд примеров. На рис. 3.2 условно показан внешний вид ТГС

буровой установки. Данная гидравлическая система пр

едназначена для

выноса породы с забоя скважины на поверхность. Ее задачей является

смешивание и транспортировка многокомпонентной текучей среды

(ТГС

ТМ≈

Для наиболее последовательного анализа гидросистем сначала сле-

дует установить местонахождение объектов, являющихся накопителя-

ми текучей среды. В рассматриваемой системе этим объектом является

емкость с буровым раствором – 1 (см. рис. 3.2 и 3.3 – а). Под действи-

ем давления в НТС буровой раствор по трубе, являющейся каналом

связи (КС), поступает в приемную часть бурового насоса – 2, к

оторый

является аппаратом для сообщения гидравлической энергии (АСГ), т.е.

на выходе АСГ буровой раствор имеет уже больший энергетический

потенциал (напор). Далее раствор проходит сквозь пусковую задвижку

– 7, являющуюся устройством для изменения направления движения

потока (УН). Затем по вертлюжному шлангу (КС) раствор поступает в

бурильные трубы – 3 (они также яв

ляются КС) и по ним доходит до

забоя – 4, где, увлекая за собой разрушенную породу, поднимается по

затрубному пространству (КС) на поверхность. На поверхности поток

бурового раствора протекает по желобу – 5 (КС) и попадает в систему

очистки – 6 (она является отдельной системой, находящейся внутри

гидравлической системы буровой установки, и выполняет др

угие зада-

чи, см. главу 1), после чего снова поступает в НТС. На рис. 3.3 – б по-

казана схема ТГС буровой установки при турбинном бурении. Данная

схема отличается от предыдущей схемы (см. рис. 3.3 – а) тем, что в нее

дополнительно входит аппарат для поглощения гидравлической энер-

гии текучей среды – турбобур, преобразующий энергию потока буро-

во

го раствора в механическую энергию породоразрушающего инстру-

мента.

Рис. 3.1. Классификация элементов ТГС по назначению и принципу действия на текучую среду

Рис. 3.2. Схема ТГС

буровой установки: 1 –

емкость с текучей средой

(буровой раствор); 2 –

буровой насос; 3 –

устьевая часть скважины

(ротор, квадрат); 4 –

забойная часть скважины

(долото); 5 – желоб; 6 –

система очистки; 7 –

запорная арматура

Рис. 3.3. ТГС буровой установки (схема элементов): а – при роторном бурении; б – при турбинном

бурении

Элемент гидросистем – приборы для регистрации параметров теку-

чей среды, в данном примере не представлены, так как их количество и

положение в системе зависит от необходимости в предоставляемой

ими информации и, строго говоря, широко варьируется.

Проанализировав, таким образом, ТГС буровой установки, мы от-

несли физические объекты к тем или иным элементам, чт

о позволило

четко выяснить механизм функционирования данной гидравлической

системы и роль каждого составляющего ее объекта. Также мы прихо-

дим к выводу о том, что ТГС буровой установки является полномо-

дульной.

Рассмотрим теперь гидравлическую систему поддержания пласто-

вого давления. Как было отмечено ранее, системы ППД относятся к

гидравлическим системам, служащим для т

ранспортировки одноком-

понентной жидкости с одновременной передачей энергии технологи-

ческому объекту (технологическими объектами являются продуктив-

ные или водонасыщенные пласты, а передаваемая энергия преобразу-

ется в энергию пластовой системы).

Возьмем наиболее простой и распространенный вид систем ППД

(см. рис. 3.4). Проиллюстрированная гидросистема представлена тремя

нагнетательными скважинами, гребенкой, кустовой насосной станци-

ей, подпорными н

асосами и водоемом (рекой). Данная система являет-

ся упрощенной визуализацией реальной гидросистемы ППД, однако,

она содержит все элементы полномодульной гидросистемы. Основны-

ми накопителями текучей среды в данном случае являются река/озеро

– 1 (см. рис. 3.4) и заводняемые пласты – 2. Аппараты для сообщения

гидравлической энергии текучей среде – насосы ЦНС на станции – 3 и

одпорные насосы первого – 4 и второго – 5 водоподъемов. Устройст-

ва по изменению направления потока – задвижки и обратные клапаны

на кустовой станции, на гребенке – 6 и на фонтанной арматуре нагне-

тательных скважин – 7. Устройствами по изменению параметров по-

тока здесь являются штуцеры на гребенке – 6, а каналами связи – тру-

бы, в то

м числе и НКТ нагнетательных скважин. Приборами регист-

рации являются различного рода манометры и расходомеры. На рис.

3.5 представлена структурная схема данной системы ППД в элемент-

ном представлении. После выделения элементов, составляющих лю-

бую ТГС, данное ранее определение гидросистемы можно конкретизи-

ровать так: техническая гидравлическая система – это система, со-

стоящая из мн

ожества физических объектов, относящихся к тем или

иным элементам ТГС, взаимодействующих по известным системным и

гидравлическим законам.

Рис. 3.4. Техническая гидросистема ППД (условный внешний вид)

Рис. 3.5.

Техническая гидросистема

ППД (структура в схеме элементов)

Основные свойства элементов гидросистем

Следующим шагом в общесистемном анализе гидросистем являет-

ся описание свойств каждого из ранее выделенных элементов. Свой-

ство есть категория, выражающая определенную сторону рассматри-

ваемого предмета, которая обуславливает его отношение к другим

предметам. Здесь рассматриваются свойства элементов как характер

их взаимодействия с текучей средой и системой в це

лом.

Элемент – НТС

Данный элемент является одним из ключевых элементов любой

гидросистемы, так как ни одна из существующих гидравлических сис-

тем не может функционировать без НТС. Это относится как к ТГС, так

и к естественным гидравлическим системам.

Основные свойства НТС:

− НТС задает определенный (начальный) энергетический потенци-

ал вмещаемой текучей среде;

− НТ

С является элементом, разрывающим поток текучей среды (в

рассматриваемой ТГС);

− НТС не оказывает влияния на вектор перемещения потока теку-

чей среды, но может влиять на знак расхода, т.е. формирование

притока или оттока.

Поясним на конкретных примерах выделенные свойства. Как из-

вестно, в ТГС

, служащих только для передачи энергии и имеющих

замкнутый характер, имеет

место вероятность утечек (по-

тери массы) рабочей текучей

среды, что влечет за собой

необходимость в установке

резервных емкостей (см. рис.

3.6, 3.7 и 3.8).

Во всех этих системах

НТС выполняет, с одной сто-

роны, роль компенсатора не-

избежных утечек, а с другой

стороны, – ро

ль буфера в

Рис. 3.6. Схема локальной двухконтурной

системы теплоснабжения

100

Рис. 3.7. Гидравлическая тормозная система

автотранспорта

переходные процессы (запуска, остановки ТГС) для заполнения «пус-

тот» в других элементах.

В отличие от ТГС, показанных на рис. 3.6, 3.7, 3.8, задачей которых

является передача энергии,

в ТГС

(транспортировки)

(системы водоснабжения,

транспорта нефти и т.п.) и

в ТГС

ТЕ

(транспортировки

с одновременной переда-

чей энергии), к коим отно-

сятся системы ППД (где

пласты являются еще и

технологическим объектом), элемент НТС является ключевым эле-

ментом, определяющим цель работы системы. Так, в гидросистемах

ППД накопителями текучей среды являются река, озеро, заводняемые

продуктивные и водонасыщенные пласты (см. рис. 3.5).

Согласно первому свойству НТС, они зад

ают некоторый начальный

потенциал вмещаемой текучей среде. Действительно, для вышепере-

численных ТГС:

− в емкости буровой раствор обладает потенциалом, равным дав-

лению гидростатического напора в точке отбора, или, грубо говоря,

атмосферному давлению;

− для локальной сис-

темы теплоснабжения,

системы охлаждения и

тормозной системы: те-

кучая среда в НТС также

обладает э

нергетическим

потенциалом, прибли-

женно равным атмосфер-

ному;

− в озерах и реках на

глубине отбора вода обладает потенциалом, равным давлению гидро-

статического напора, а в пластах потенциал текучей среды определяет-

ся пластовым давлением в точке нагнетания или отбора.

Для гидросистем, где рабочей средой является газ, НТС также об-

ладает этим свойством. Н

апример, в системах вентиляции основным

НТС является атмосфера, задающая потенциал воздуха в различных

точках. Для ТГС локального газоснабжения, где в качестве НТС вы-

Рис. 3.8 Система охлаждения двигателей

внутреннего сгорания