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

Подождите немного. Документ загружается.

111

При разработке классификации необходимо соблюдать ряд известных

правил, главное из которых – раскрытие содержания родового понятия

посредством выделения комплекса существенных признаков объекта.

Определение родового понятия считается правильным, если оно охва-

тывает все исследуемое множество. Далее принимается основание

(критерий) деления объема родового понятия. При выборе основания

деления необходимо учитывать наиболее важные признаки, раск

ры-

вающие сущность рассматриваемого объекта. Признак или совокуп-

ность признаков, по которым объем родового понятия делится на ви-

ды, классы, подклассы, группы называется основанием деления.

Деление родового понятия подчиняется следующим требованиям:

− в одной и той же классификации следует использовать одно и то

же основание;

− объем членов классификации должен равняться об

ъему класси-

фицируемого класса;

− члены классификации должны взаимно исключать друг друга;

− деление на подклассы должно быть непрерывным.

Объект классифицируется делением родового понятия (дедуктив-

ный метод) либо систематизацией частных предметов (индуктивный

метод). Как правило, при разработке классификации используются оба

метода.

Различают три категории классификации: естественная, искусст-

венная и вспомогательная. Ест

ественная классификация основывается

на существенных признаках, отвечающих природе изучаемого объек-

та. Примером естественной классификации является таблица химиче-

ских элементов Д.И. Менделеева, которая также содержит элементы

искусственной классификации: наличие двойственности между метал-

лами и водородом, а также нет четкого выделения амфотерных эле-

ментов. Искусственная или частная классификации предусматривают

деление родового понятия по п

роизвольно взятому признаку. Напри-

мер, для исследования или выполнения конструкторских работ. Вспо-

могательная классификация дает возможность из множества выбрать

необходимый объект, например, по типоразмеру или прочностным

характеристикам.

В данной работе предлагается ряд классификаций элементов гид-

росистем. Остановимся на каждой из них детально.

112

Классификация накопителей текучей среды

Элемент НТС в известных гидросистемах представлен множеством

физических объектов, реализующих его свойства. Для выявления мор-

фологии этих объектов на рис. 3.12 приводится классификация НТС. В

предлагаемой классификации все НТС делятся на накопители:

− с изотропной (однородной) вмещающей средой (ВС), т.е. сре-

дой, не способной препятствовать растеканию вмещаемых фл

юидов:

при отсутствии других сдерживающих факторов текучая среда прини-

мает свободную форму;

− с анизотропной (неоднородной) вмещающей средой, т.е. сре-

дой, способной сдерживать растекание содержащихся в ней флюидов.

Признаком первых НТС является выполнение закона Паскаля:

практически мгновенная передача давления во все точки. Признаком

вторых является немгновенная передача давления всл

едствие дефор-

мации вмещающей среды.

Под вмещающей средой понимается некая среда, способная вме-

щать текучие среды (флюиды). Такими средами могут быть как абсо-

лютный вакуум, эфир, темная материя (пример идеальной изотропной

среды), так и пористые коллекторы (пример явной анизотропной сре-

ды).

Далее все НТС делятся на накопители естественного и искусствен-

ного п

роисхождения. Все устройства (сооружения), служащие для

вмещения текучей среды, следует относить к искусственным (техно-

генным) НТС.

Завершающим критерием деления является фактор герметичности

НТС, т.е. все накопители делятся на загерметизированные и незагер-

метизированные. Любой объект или устройство, являющееся накопи-

телем текучей среды, состоит из двух элементов:

1. Изолирующая система, ограничивающая ха

отичное распро-

странение текучей среды независимо от вмещающей среды: твердый

или упруго-пластический корпус для искусственных и твердые или

упруго-пластические образования для естественных накопителей.

2. Вмещающая среда, находящаяся внутри изолирующей систе-

мы.

Поясним данный вывод на примере газового баллона (см. рис. 3.12

– а, б). Газовый баллон выполнен в виде твердого к

орпуса – 1, препят-

ствующего распространению содержащегося в нем газа – 2. Этот кор-

пус и является первой частью данного НТС. Что касается второй части

(вмещающая среда), то мы ее увидим, откачав весь газ, находящийся

113

внутри газового баллона. Естественно, средой, оставшейся внутри

корпуса баллона, будет

вакуум – 3 (рис. 3.12 –

б).

Покажем присутст-

вие тех же частей НТС

на примере наиболее

интересующих нас по-

ровых продуктивных

пластов (см. рис. 3.12 –

в, г). В данном случае

первой частью НТС, т.е.

системой, ограничи-

вающей распростране-

ние текучих сред (газа –

2, не

фти – 3 и воды – 4),

является непроницае-

мая кровля и подошва –

1. Вторая часть есть

пористый коллектор – 2

(рис. 3.12 – г), вме-

щающий газ – 2, нефть

3 и воду 4 (рис. 3.13 –

в).

В приведенных при-

мерах вмещающей сре-

дой в первом случае

является вакуум – изо-

тропная среда, а во вто-

ром сл

учае пористый

коллектор – анизотроп-

ная среда. В обоих слу-

чаях НТС являются

герметичными.

НТС могут быть как

герметичными (ГНТС),

так и негерметичными

(ННТС). К представителям ГНТС следует отнести газовые баллоны,

закрытые баки, изолированные пласты и т.п., а к ННТС – открытые

емкости, неизолированные пласты, озера, моря и т.п.

а) б)

в)

г)

Рис. 3.12. Накопители текучей среды: а – газовый

баллон со сжатым газом; б – газовый баллон с

откачанным газом; в – коллектор, насыщенный

газом, нефтью и водой; г – коллектор с откачан-

ным газом, нефтью и водой

114

На рис. 3.13 представлена схема трехкаскадной классификации

НТС, где на первом каскаде все НТС подразделяются на НТС с одно-

родной и неоднородной вмещающей средой. Этот критерий является

наиболее существенным, так как он оказывает влияние на характер

передачи давления (потенциала) внутри НТС. Следующим критерием

деления является происхождение НТС: искусственное или естествен-

ное. Д

анный критерий обусловлен необходимостью отделения техни-

ческих (резервуары, баллоны и др. емкости) накопителей текучей сре-

ды от природных (моря, пласты–коллекторы, атмосфера). Последний

критерий деления определяет техническую сторону взаимодействия

объекта НТС с гидросистемой, в которой он присутствует. Герметич-

ность накопителей определяет характер изменения внутри них давле-

ния с течением времени при во

здействии со стороны гидравлической

системы. Проще говоря, давление в герметичных НТС реагирует нели-

нейно на приток (или отток) текучей среды со стороны ТГС вследст-

вие упругих свойств изолирующей системы и вмещающей среды. Дав-

ление в негерметичных НТС зачастую линейно реагирует (или не реа-

гирует, например, в больших по площади водоемах) на пр

иток/отток

В случае ГНТС, когда поток поступает в него со стороны ТГС, гид-

равлическая энергия потока переходит в энергию упругих деформаций

изолирующей системы, вмещающей и текучей сред. Этот факт объяс-

няется тем, что герметичность ГНТС «слабо» позволяет текучей среде

увеличивать занимаемый ею объем, что приводит к степенной зависи-

мости давления внутри ГНТС от времен

и воздействия на него со сто-

роны ТГС. Это ярко выражено в ГНТС естественного происхождения

(насыщенные флюидами пласты): при их эксплуатации падение давле-

ния происходит согласно уравнению пьезопроводности и характеризу-

ется сублогарифмической зависимостью.

Для ННТС характерна совершенно другая схема взаимодействия с

ТГС. Так, при установившемся потоке текучей среды из г

идросистемы

в ННТС его гидравлическая энергия переходит, например, в энергию

гидростатического напора. Это объясняется тем, что ННТС не создают

препятствия распространению текучей среды в некотором направле-

нии. Следовательно, зависимость давления в точке притока (или отто-

ка) ННТС от времени воздействия на него со стороны системы будет

линейной. Как частный случай, дл

я ННТС естественного происхожде-

ния с изотропной ВС – озера будем иметь, при сравнительно невысо-

ких темпах оттока/притока, зависимость P=f(t)=const, где const опре-

деляется глубиной точки оттока/притока. Для случая обычных жидко-

стных резервуаров зависимость будет иметь вид: P=f(t)=A+B

⋅

t, где A –

Здесь рассматривается давление в точках связи между НТС и гидросистемой.

115

начальное давление в резервуаре в точке оттока/притока, B – коэффи-

циент, зависящий от соотношения величины расхода потока, размеров

и формы резервуара.

Рис. 3.13. Классификация накопителей текучей среды

116

Классификация аппаратов сообщения гидравлической энергии

текучей среде

Элемент АСГ (аппарат для сообщения гидравлической энергии)

представлен широким спектром устройств и аппаратов, предназначен-

ных, прежде всего, для перекачки жидкостей и газов. Эти устройства в

зависимости от перекачиваемой среды принято называть насосами и

компрессорами. Их конструктивное многообразие велико, поэтому

классифицировать их по назначению до

вольно трудно.

Наиболее правильно в настоящее время определить насосы и

компрессоры как машины для преобразования различных видов энер-

гии в энергию перекачиваемой текучей среды. Далее речь пойдет в

основном о насосах и компрессорах, т.е. машинах для перекачки теку-

чих сред (жидкости, газа, расплавленных металлов или плазмы).

Исходя из определения насосов и об

ращаясь к математическому

выражению удельной энергии потока капельной жидкости в плоскости

нормального сечения потока по Д. Бернулли:

gzE ++=

Заметим, что насос как гидравлическая машина, увеличивая общую

энергию потока на величину

E, изменяет и составляющие энергии

потока.

Долгое время в технической литературе существовала классифика-

ция по составляющим энергии потока. Насосы, увеличивающие вели-

чину gz, называли подъемниками; насосы, наращивающие величину

, называли насосами давления; насосы, увеличивающие величину

/2, называли скоростными. Позже Касьяновым В.Н. предложено раз-

делить все АСГ на насосы объемного и динамического действия, при

этом критерий деления звучит примерно так: насосами объемного

действия называются те гидравлические машины, в которых приемная

и выкидная области периодически разобщаются. Как будет показано

далее, этот критерий является несколько формализованным и звучит

ск

орее как признак определенного типа насосов вытеснения. Позже

С.А. Абдурашитовым, А.А. Тупиченковым, И.М. Вершининым и С.М.

Тененгольцем была предложена следующая классификация АСГ[88].

На первой ступени все АСГ подразделяются на три основных клас-

са:

117

− лопастные и лопаточные (насосы обтекания), в которых преоб-

разование механической энергии происходит в процессе обтекания

лопастей (лопаток) колеса и их силового воздействия на поток;

− вихревые (насосы увлечения), в которых преобразование энер-

гии происходит в процессе интенсивного образования и разрушения

вихрей при увлечении быстро движущимися частицами жидкости в

ячейках колеса мед

ленно движущихся частиц жидкости в боковых или

охватывающих верхнюю часть колеса каналах (вихревой эффект);

− объемные насосы, характеризующиеся тем, что их рабочие ор-

ганы периодически образуют замкнутые объемы жидкости и вытесня-

ют эти отобранные порции жидкости, увеличивая давление в нагнета-

тельной части.

Далее, лопастные насосы разделяются на:

− центробежные (рад

иальные), в которых движение жидкости в

рабочем колесе происходит от центральной части к периферии по ра-

диальным направлениям, т.е. в потоке частиц жидкости нет осевых

составляющих абсолютной скорости;

− диагональные, в которых частицы жидкости движутся по по-

верхностям вращения с образующими, наклонными к оси, т.е. осевые и

радиальные составляющие абсол

ютной скорости – величины одного

порядка;

− осевые, в которых частицы жидкости движутся в осевом на-

правлении.

Объемные делятся на поршневые и ротационные. Причем, поршне-

вые, в свою очередь, подразделяются на поршневые, где используются

поршни, и плунжерные, где в качестве вытеснителя используются

плунжеры. Ротационные насосы представлены шестеренными, винто-

выми, пластинчатыми и ши

берными насосами.

Наиболее общепризнанной сейчас является классификация Касья-

нова В.Н.

По мнению автора, существующие классификации являются не-

полными и не отражают всего многообразия АСГ. Так, в классифика-

циях Касьянова В.Н. и Абдурашитова С.А. не нашли место следую-

щие АСГ: струйные насосы, газлифтные установки, насос Монжю,

плазменные насосы, гидроприводной н

асос Стрекалова В.Е. и ряд дру-

гих.

Автором предлагается классификация АСГ, включающая все из-

вестные насосы и компрессоры для перекачки текучих сред, таких как

газ, жидкость, плазма, расплавленные металлы (см. рис. 3.20).

118

Для адекватного разделения АСГ по принципу действия на теку-

чую среду и внутреннему устройству следует ввести два понятия, су-

щественно определяющие свойства рассматриваемых объектов в об-

щей массе существующих.

Любой АСГ состоит из двух основных элементов:

Пассивный элемент АСГ (рабочий объем) – замкнутый объем,

представленный корпусом с входом и выходом для те

кучей среды,

внутри которого посредством работы активного элемента на нее ока-

зывается энергетическое воздействие.

Активный элемент АСГ – объект, который при непосредственном

контакте с текучей средой, оказывает на нее энергетическое воздейст-

вие.

В паре активный и пассивный элементы составляют модуль АСГ.

АСГ могут быть мономодульными, если АСГ состоит из одного мо-

дуля, ил

и мультимодульными, если состоит из множества модулей.

Примером мультимодульных АСГ могут служить буровые поршневые

и многосекционные центробежные насосы (см. рис. 3.14).

Исходя из данных понятий и согласно принципу энергетического

воздействия активного элемента (АЭ) на текучую среду в пределах

рабочего объема (РО), все АСГ на первом каскаде деления разделяют-

ся на два ти

па: АСГ кинетического и АСГ силового воздействия.

Под кинетическим воздействием понимается воздействие АЭ на

частицы (кластеры, молекулы или атомы) текучей среды таким обра-

зом, что энергия АЭ трансформируется в кинетическую энергию час-

тиц текучей среды в момент их контакта с активным элементом.

Под силовым воздействием понимается воздействие АЭ на неко-

Рис. 3.14. Многосекционный центробежный насос типа ЦНС, при-

меняемый в системах ППД в качестве АСГ: 1 – модули насоса

119

торую массу текучей среды посредством ее вытеснения из рабочего

объема.

Основное отличие кинетического воздействия от силового заклю-

чается в том, что первое подразумевает действие не на объем текучей

среды в целом, а на каждую частицу текучей среды в отдельности.

Примем сокращенное обозначение этих двух классов: АСГ с сило-

вым воздействием – АСГ

, а АСГ с кинетическим воздействием –

АСГ

С.

Данное разделение не является нововведением, оно фактически

повторяет первый каскад деления предыдущих классификаций с той

лишь разницей, что сформулированный критерий является более об-

щим. Например, Касьянов В.Н. вводит схожие понятия насосов объем-

ного и динамического действия. Однако, его определение насосов объ-

емного действия отчуждает некоторые насосы, принципиально отно-

сящиеся к н

асосам вытеснения.

Для предупреждения разночтений в общепринятых понятиях АСГ

кинетического действия также будем называть скоростными (С), а

АСГ силового действия – насосами вытеснения (В). В АСГ

воздейст-

вие АЭ на текучую среду осуществляется в целом на некоторый под-

а) б)

Рис. 3.15. Принципиальные схемы АСГ

с текучим активным эле-

ментом: а – струйный насос: 1 – конфузор, 2 – насадка, 3 – диффузор;

б – газлифтная установка

120

газ

жидкость

б)

Рис. 3.16. Принципиальная схема АСГ

ВФН

с текучим активным элементом: а – на-

сос Монжю; б – периодическая газлифт-

ная установка: 1 – обсадная колонна, 2

–

насосно-компрессорные трубы, 3 – об-

ратный клапан, 4 – камера замещения, 5

–

пакер, 6 – рабочий клапан, 7 – трехходо-

вой кран (слева двухрядный подъемник с

камерой замещения, а справа однорядный

подъемник с пакером и обратным клапа-

ном)

вижный объем текучей среды, который вытесняется из рабочего объе-

ма АСГ в процессе его работы.

На следующем каскаде деления АСГ разделяются по физическому

(агрегатному) состоянию активного элемента на 3 класса:

1. АСГ_

с активным элементом, представленным твердым телом

(Т – твердое);

2. АСГ_

с активным элементом, представленным текучей средой

(Ф – флюид);

3. АСГ_

с активным

элементом, являющимся

каким-либо силовым полем,

например, электромагнитным

(Э – электромагнитное поле).

Активный элемент в виде

твердого тела наиболее часто

используется в АСГ как

кинетического, так и силового

типов.

Текучая среда в качестве

активного элемента чаще

используется в скоростных

АСГ, например, в инжек-

торах, эжекторах, газлифтных

установках, струйных насосах

(ри

с. 3.15). В АСГ вытеснения

текучий активный элемент

используется гораздо реже: в

насосе Монжю, применяемом

в соляровозах (рис. 3.16 – а), в

установке периодического газ-

лифта (рис. 3.16 – б) и

буровом насосе Стрекалова

В.Е. (рис. 3.17).

Струйные насосы часто

применяются в системах ППД

в качестве АСГ первого водо-

подъема, а в системах нефте-

сбора – в та

ндеме с ЭЦН и

хороши своей износо-

стойкостью и отсутствием