8.4.2. 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 водоводной 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:}

_(8.10)­

_{где ΔР — амплитуда давления, Па; ΔW— изменение скорости жидкости, м/с; К0 — коэффициент волнового сопротивления жидкости, Н∙с/м}³_.

_(8.11)­

_{где ρ — плотность жидкости, кг/м}³_{; Е — объемный модуль упругости жидкости, Н/м}²_.

_{Для упругого трубопровода:}

_(8.12)­

_{где Ет — модуль упругости материала трубы, Н/м; d — внутренний диаметр трубы, м; Δd — толщина стенки трубы, м.}

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

_(8.13)­

_{Рассмотрим процесс распространения гидравлического импульса в условиях, приближенных к работе гидроимпульсного насоса (рис. 8.3). 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 -Δр, 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:}

_(8.14)­

_{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*.}

_{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 гидроимлульсного 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 агрегата 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 канал 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 скважинного 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 длины 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.}

_{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.*}

_{высокой эффективности (КПД около 0,3—0,25). При этом возможна эксплуатация наклонно-направленных скважин. Установка может быть выполнена сбрасываемой в скважину при увеличенной частоте вращения вала. Это существенно снижает объем ремонтных работ на скважине.}

_{Однако недостатки этой установки пока не преодолены. Большие объемы рабочей жидкости, закачиваемой в скважину, требуют обустройства ее каналами со значительными проходными сечениями. В скважинах с обсадными колоннами диаметром 146 и 168 мм это трудновыполнимо. На поверхности необходимо организовать очистку и подготовку больших количеств рабочей жидкости, что приводит к установке металлоемкого оборудования, требует затрат на его обслуживание.}

_{Фирма Weir Pumps (Великобритания) разработала несколько типоразмеров турбонасосов, рабочие параметры (рис. 8.6.).}

Подача, м3/сут	до 3000
Мощность турбины, кВт	50-750
Частота вращения вала, об/мин	5000-15000
Диапазон рабочих температур, ° С	до 200

_{Кроме того, существуют особые конструкции турбонасосов для работы при более высоких температурах. Турбонасосы имеют следующие преимущества:}

• _{отсутствие погружного электродвигателя и кабеля исключает все сложности выполнения спускоподъемных операций в скважинах со значительной кривизной ствола, позволяет использовать турбонасосы для подъема жидкостей с высокими температурами, в том числе из геотермальных скважин;}

• _{незначительная габаритная длина скважинного агрегата по сравнению с электроприводными центробежными насосами дает возможность применять его в скважинах с большой интенсивностью набора кривизны, облегчает транспортные и монтажные, работы;}

• _{отсутствие клапанов в скважинном насосном агрегате обусловливает использование турбонасоса практически, без ограничений по кривизне ствола скважин вплоть до горизонтальных;}

• _{подшипники насоса и турбины гидростатического типа, что обеспечивает прочную и надежную работу опоры ротора агрегата; смазка подшипников выполняется предварительно очищенной и подготовленной жидкостью, что защищает подшипники от воздействия абразивных компонентов скважинной жидкости;}

• _{гибкость регулирования рабочих характеристик, широкий рабочий диапазон плавного изменения подачи насоса;}

• _{возможность применения скважинного турбонасосного агрегата сбрасываемого типа;}

• _{неограниченность глубины спуска турбонасоса;}

• _{в скважину могут вводиться различные химические реагенты, ингибиторы коррозии, деэмульгаторы и др.;}

• _{можно применить различные методы глушения скважин перед подземным ремонтом, в том числе при нахождении турбонасосного агрегата в скважине.}

_{Для спуска турбонасосного агрегата в скважину используются стандартные НКТ и оборудование, применяемые в нефтяной промышленности. Силовые поверхностные насосы выбираются из множества стандартных насосов компании Weir Pumps' таким образом, чтобы обеспечивать любой эксплуатационный режим скважинного турбонасосного агрегата.}