Теоретические основы работы гидротаранов и гидроимпульсных насосов

Факт существования гидравлического удара был известен еще в XVIII веке, но правильная теория его была дана впервые про­фессором Н. Е. Жуковским в 1897 году. Свои теоретические вы­воды Жуковский Н. Е. проверил и подтвердил специальными опытами, проведенными им в 1897—1898 годах над водопроводными трубами. В 1898 году теория гидравлического удара была доложена Академии и впервые опубликована в 1899 году в «Бюл­летенях Политехнического общества».

Опыты, проводимые Жуковским Н. Е. на Алексеевской водо-водной станции в Москве полностью подтвердили правильность основных положений теории гидравлического удара.

Гидравлическим импульсом называют изменение давления в струе жидкости в трубах вследствие изменения скорости потока. При этом различают положительный гидравлический импульс, когда давление в трубопроводе повышается, и отрицательный гидравлический импульс, когда давление в трубопроводе падает.

Положительный импульс в трубе возникает в момент закры­тия задвижки на выходе жидкости из длинной трубы, отрица­тельный импульс — после закрытия задвижки у входа жидкости в длинную трубу. Амплитуда давления гидравлического импуль­са находится в пропорциональной зависимости от изменения скорости потока. Оказалось, что зависимость амплитуды давле­ния гидравлического импульса от изменения скорости движе­ния жидкости в жестких трубах определяется очень простой формулой:

(3.11)

где ΔР — амплитуда давления, Па; ΔW— изменение скорости жидкости, м/с; К_о — коэффициент волнового сопротивления жидкости, Н·с/м³.

(3.12)

где р — плотность жидкости, кг/м³; Е — объемный модуль упругости жидкости, Н/м². Для упругого трубопровода:

(3.13)

где Е_Т — модуль упругости материала трубы, Н/м³; d — внут­ренний диаметр трубы, м; Δd — толщина стенки трубы, м.

Амплитуда давления гидравлического импульса распростра­няется вдоль трубы со скоростью звука, м/с.

(3.14)

Рассмотрим процесс распространения гидравлического им­пульса в условиях, приближенных к работе гидроимпульсного на­соса (рис. 3.24). В открытом конце трубы 1 поддерживается посто­янное давление. Амплитуда давления Δр исходного волнового импульса при его выходе через открытый конец трубы должна исчезнуть. Это значит, что в открытом конце трубы образуется отрицательный отраженный импульс давления с амплитудой -р, возвращающийся со скоростью звука к началу координат. Амп­литуда скорости этого импульса равна +Δw. В интервале супер­позиции исходного и отраженного импульсов суммарная амп­литуда давления +Δр + (-ΔР) = 0, а суммарная амплитуда скоро­сти +Δw + Δw = 2Δw. После выхода из трубы исходного импульса в ней наблюдается только отраженный отрицательный импульс давления с параметрами И (-ΔР; +Δw; -с), который в свою оче­редь отражается от неподвижного поршня без изменения амп­литуды давления и только после повторного отражения в откры­том конце трубы приобретает амплитуду давления исходного импульса. Описанный процесс можно записать так:

И_П(+Δр;+Δw; +c) → И(-Δр; +Δw; -с) → И(-Δр; -Δw; +c) →

→ И(+Δр; -Δw; -с) → И_П . (3.15)

Высокий КПД установки достигается при соблюдении до­полнительных условий. Первое из них — это постоянная ско­рость потока силовой жидкости в нагнетательной трубе, второе — своевременное переключение нагнетательного клапана.

В соответствии с принципом прямого превращения кинети­ческой и потенциальной упругой энергии силовой жидкости в полезную работу в УкргипроНИИнефти в 70-х годах XX века был разработан гидроимпульсный насос. Рабочая схема гидроимпульсного насоса основана на действии гидравлических тара­нов и работе упругих волн, а также требовании полной ликвида­ции ударных перегрузок НКТ. Отвечающая указанным требованиям схема гидроимпульсного насоса разработана и описа­на Э. Б. Чекалюком и И. Н. Поливко*.

Рис. 3.24. Схемы гидроимпульсной насосной установки:

а — общий вид установки; б — скважинного агрегата; в — управ­ления распределительным клапаном; г — эффективного привода распределительного клапана УГИН

Работа гидроимпульсного насоса основана на принципе пре­образования энергии упругих волн, индуцируемых в столбе жид­кости в рабочих трубках, в полезную работу, в частности преоб­разования энергии упругих волн силовой жидкости, возникаю­щих при гидравлических импульсах (изменение давления в по­токе жидкости в зависимости от скорости течения потока). При этом различают положительный гидравлический импульс, когда давление в трубопроводе повышается, и отрицательный, когда давление в трубопроводе падает. Подобные явления известны, глубоко изучены Н. Е. Жуковским, И. А. Чарным и другими учеными. Рабочий цикл гидроимпульсного насоса разделяется на два полупериода: зарядки, когда расходуется силовая жид­кость с постоянной скоростью, и разрядки, когда жидкость вса­сывается из скважины с той же скоростью.

Оптимальным условием работы гидроимпульсного насоса яв­ляется синхронизация частоты перемещения распределительного устройства и волновых процессов в рабочих трубках. В этом слу­чае подача установки зависит только от расхода силовой жидко­сти или от давления на силовом насосе, поскольку гидравличес­кие потери являются также функцией расхода. Гидравлические потери установки суммируются из потерь в рабочих узлах глубин­ного афегата и потерь в подводящем канале (трубопроводах, НКТ). Оптимальная синхронизация работы распределительного кла­пана и собственной частоты колебаний жидкости в рабочих труб­ках возможна, если перемещение распределительного клапана уп­равляется импульсами. Неустойчивость распределительного кла­пана 9 в крайних положениях возникает вследствие закрепления на нем шайбы 13. В любом крайнем положении клапана один из отводных каналов А для жидкости закрыт, и весь поток проходит через противоположный поток Б. В радиальной щели скорость потока возрастает, а давление снижается. С противоположной стороны шайбы жидкость находится в покое, поэтому там нет перепада давления. Длина рабочих трубок подбирается и рассчи­тывается так, чтобы продолжительность переключения составляла 1—3 % рабочего цикла. Этому способствует также уменьшение щели, снижение массы распределительного клапана с шайбой путем применения легких полимерных материалов. Рабочие труб­ки, поочередно соединяясь с нагнетательной трубой при помощи распределительного клапана, получают от силовой жидкости им­пульсную энергию, которая после отключения рабочих трубок от нагнетательной трубы превращается в полезную работу по подъе­му жидкости из скважины через нагнетательные клапаны.

Исследованиям рабочих характеристик гидроимпульсного насо­са были посвящены многие работы Э. Б. Чекалюка, И. Н. По­ливко, И. Н. Антоненко, С. Г. Просвирова и др.

Режимные параметры рабочего процесса гидроимпульсного насоса: высота подъема пластовой жидкости, подача скважин-ного насоса, подача силового насоса и давление на выкиде си­лового насоса, установленного.на устье скважины, — связаны не только между собой, но зависят от размеров установки — диаметра и длиной рабочих трубок, диаметра силового напорно­го трубопровода, диаметров кольцевого канала, длины лифто­вых труб и др. Режимные параметры УГИН связаны системой двух независимых уравнений — волновым уравнением Н. Е. Жу­ковского и уравнением Бернулли. Существует прямая зависи­мость между амплитудами скорости импульсной волны в рабо­чих трубках в процессе их зарядки и разрядки и импульсами давления, которые определяются по формуле Н. Е. Жуковского.

После перекрытия потока силовой жидкости в рабочих труб­ках возникает отрицательный импульс давления, т.е. импульс всасывания. Амплитуда скорости всасывания зависит от скачка давления в момент перекрытия потока силовой жидкости.

В табл. 3.7 приведены расчетные технических данные гидро­импульсного насоса для воды при подвеске на концентричных колоннах труб с соотношением диаметров 3:2.

Относительно высокие КПД и подача гидроимпульсных ус­тановок, особенно на больших глубинах порядка 3000 м, свиде­тельствуют об их перспективности в нефтяной отрасли.

Результаты испытаний, проведенных в УкргипроНИИнефти и ИГГГИ АН УССР, подтверждают результаты теоретических исследований.*

Таблица 3.7

Высота подъе­ма жидкости Н, м	Давление Р, МПа	Минимальная подача УГИН, м3/сут при различной длине трубы, м
		10	20	50
1000 2000 3000 4000 5000 6000	10 20 30 40 50 60	0,7 5,7 19 45 90 160	3,0 24 80 180 400 650	16 124 420 1000 2000 3500

В ВолгоградНИПИнефть были проведены исследования рас­пределительного клапана гидроимпульсного насоса (ГИН). Эк­сперименты проводили на натурном образце распределительно­го клапана при различной суммарной площади сечений дрос­сельных отверстий и разных размерах хода клапана. Давление измеряли образцовыми манометрами на входе и выходе распре­делительного узла.

Технические характеристики гидроимпульсного насоса, раз­работанного в Волгограде ЗАО «ПАРМ-ГИНС», приведены ниже

Подача насоса, м³/сут…………………………………….20—150

Расход силовой жидкости, м³/сут ……………………..100—400

Маскимальное давление силовой жидкости, МПа……20

Амплитуда колебания давления, МПа…………………до 12

Частота генерируемых импульсов, Гц…………………..5—30

Максимальная глубина спуска насоса, м………………до 3000

Допустимая максимальная вязкость добываемой

жидкости, Па*с…………………………………………..0,8

Наличие свободного газа на приеме насоса……………не ограничено

Температура добываемой жидкости, °С ………………..не более 140

Основные размеры, мм:

длина………………………………….………………5000—10000

диаметр.……………………………………..………..114

Пластовая жидкость, откачиваемая насосом, может содержать сероводорода не более 0,01 г/л.

Отсутствие ограничения на наличие свободного газа на при­еме выгодно отличает ГНИ от штанговых или центробежных скважинных насосов. Еще одной особенностью ГИНа является амплитуда колебания импульсов давления (20—80 атм.) и часто­та их следования (5—30 ударов в секунду), которые позволяют предположить, что все загрязняющие материалы будут выноситься из призабойной зоны пласта. Таким образом происходит откач­ка жидкости из пласта при одновременном импульсном воздей­ствии на пористый коллектор.

Промысловые испытания гидроимпульсного насоса доказали его работоспособность и возможность откачивать жидкость с глу­бин до 2085 метров.

Помимо сказанного в предыдущих главах, в качестве выво­дов будет уместно указать те преимущества, которыми обладает гидроимпульсный насос по сравнению с существующими типа­ми насосов:

1. отсутствие в стволе скважины длинной механической свя­зи глубинного агрегата с наземным приводом (ШСНУ) или элек­трокабеля (УЭЦН);

2. возможность использования потоков рабочей жидкости не только для передачи энергии для привода забойного агрегата, но и для проведения многих технологических операций, например, пе­редачи к забою химических реагентов, тепла, растворителей и т.д.;

3. возможность осуществления наземного группового приво­да на кустах скважин, что позволяет увеличить технологические возможности.

К очевидным недостаткам можно отнести неотработанность конструкций гидроимпульсных насосных установок.