Архив метки: метод

4.1. Основные принципы преобразования давления деформационным манометром

Добавить комментарий

Принципиальное отличие деформационных манометров от жидкост­ных и поршневых состоит в применении упругого чувствительного эле­мента (УЧЭ) в качестве первичного преобразователя давления. Чувстви­тельный элемент, воспринимающий измеряемое давление, представляет собой упругую оболочку, которая обычно выполняется в форме тела вращения, причем толщина стенки оболочки существенно меньше ее внешних размеров. Под действием измеряемого давления упругая обо­лочка деформируется так, что в любой точке оболочки возникают напря­жения, уравновешивающие действующее на нее давление.

Понятие „деформационный манометр" в общем виде может быть сформулировано следующим образом. Деформационный манометр — ма­нометр, в котором измеряемое давление, действующее на упругую обо­лочку УЧЭ, уравновешивается напряжениями, которые возникают в ма­териале упругой оболочки. Таким образом УЧЭ преобразует давление, являющееся входной величиной, в выходную величину, несущую изме­рительную информацию о значении давления. Для УЧЭ естественно вы­брать в качестве выходной величины в зависимости от принципа дейст­вия деформационного манометра: перемещение заданной точки УЧЭ; напряжение в материале заданной точки и усилие, развиваемое УЧЭ под действием давления.

Выбор того или иного выходного сигнала УЧЭ определяет способы его дальнейшего преобразования для получения результатов измерения давления, а следовательно, и принцип действия деформационного мано­метра.

В технике измерения давления нашли применение два основных ме­тода: метод прямого! преобразования и метод уравновешивающего пре­образования (рис. ЗТ}.

По методу прямого преобразования (рис. 32, а) все преобразования информации о значении давления проводятся в направлении от УЧЭ через

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УЧЭ

1

 

пг

Уг

п„

 

И

 

 

 

 

 

 

v,

а

 

 

у

 

 

п7

пг

 

п„

И

 

 

 

 

 

LI

 

■Non

)

 

1

 

 

УЧЭ

N

 

fen

ОП

 

 

 

 

 

 

 

 

посредство промежуточных преобразователей Я1(
Я2, . . ., П„ к устройству И, представляющему резуль­таты измерений давления в требуемой форме. При этом суммарная погреш­ность преобразования опре­деляется погрешностями всех преобразователей, вхо­дящих в измерительный ка­нал.

Рис. 32. Методы измерения давления

Метод уравновешива­ющего преобразования (рис. 32, б) характеризу­ется тем, что используются две цепи преобразователей:

цепь прял ого преобразования, состоящая из цепи промежуточных преоб-разоватеггй Пи П2, ■ ■ ., П„, выходной сигнал которой Увых поступает на указа-.ель результата измерений И и одновременно на цепь обратного преобразования, состоящей из преобразователя ОП. Метод уравновеши­вания состоит в том, что усилие /У, развиваемое УЧЭ, уравновешивается усилием Won» создаваемым обратным преобразователем ОП выходного сигнала /вых цепи прямого преобразования. Поэтому на вход последней поступает ллшь отклонение заданной точки УЧЭ от положения равнове­сия. В отличие от предыдущего метода суммарная погрешность преобра­зования в данном случае почти полностью определяется погрешностью обратного преобразователя. Однако применение метода уравновешива­ния приводит к усложнению конструкции деформационного манометра. В зависимости от назначения и принципа действия отдельные звенья измерительных цепей деформационных манометров могут конструктив­но выполняться в виде самостоятельных блоков. Во многих случаях, на­пример, при жестких эксплуатационных условиях на объекте измерения (повышенная или пониженная температура, высокий уровень вибраций, труднодоступность места подключения и пр.) целесообразно свести к ми­нимуму количество звеньев, находящихся непосредственно на объекте. Конструктивная совокупность этих измерительных элементов с обяза­тельным включением в нее УЧЭ называется датчиком. В то же время ука­затель результата измерений должен находиться в месте с более благо­приятными условиями, удобном для наблюдателя. Это же касается и ос­тальной части измерительной цепи. Блочный принцип построения целесо-

образен также и с точки зрения изготовления манометров на разных предприятиях при массовом производстве.

В этой связи следует остановиться н.а часто применяемом понятии „измерительный преобразователь давления" (ИПД). В принципе, ИПД — это составная часть измерительной цепи многих современных деформа­ционных манометров, включающая промежуточный преобразователь с унифицированным выходным сигналом. Поэтому выделение ИПД в самостоятельный раздел нецелесообразно из-за неизбежности повторов при их описании. В то же время ИПД по функциональным возможностям имеет более широкое применение, чем манометры.

7.12. Техника измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах больших диаметров

Добавить комментарий

Проблема измерения расхода в трубопроводах больших диаметров (свыше 1 м) является самостоятельной расходоизмерительной пробле­мой, которая решается своим специфическим путем. Это обусловлива­ется тем, что использование для этих целей расходомеров, реализующих традиционные методы (описанные в предыдущей главе), требует колос­сальных затрат как на создание самих приборов, так и на создание средств их индивидуальной градуировки и поверки, которые в настоящее время практически полностью отсутствуют.

Последнее обстоятельство и определяет, в основном, те специфичес­кие требования, которые предъявляются к методам и средствам изме­рения расхода в трубопроводах больших диаметров:

возможность косвенной (расчетной) градуировки без применения расходомерных стендов и установок;

инвариантность (независимость) градуировочных характеристик к диаметру трубопровода или возможность их пересчета с малых диамет­ров (для которых имеются образцовые установки) на сколь угодно большие.

Контрольный вопрос № 15

При некоторых режимах работы сечение технологического трубопровода диаметром 100 мм лишь частично заполняется те­кущей жидкостью (трубопровод в месте установки расходоме­ра „работает" неполным сечением).

Какой из известных Вам типов расходомеров Вы бы вы­брали для измерений при этих условиях?

Ответ на этот общий по гл. 7 вопрос дан в конце гл. 8.

К контрольному вопросу № 14

Вы правильно ответили на вопрос.

Действительно, показания ультразвуковых расходомеров зависят от распределения скоростей по сечению потока, кото­рое в свою очередь зависит от числа Рейнольдса и, следователь­но, от вязкости. В то же время, как следует из принципа дейст­вия и рабочего уравнения ЯМР-расходомеров, изменения вяз­кости измеряемой среды не влииют на их показания.

Парциальный метод измерения расхода основан на измерении расхо­да определенной части основного потока,1
отведенной в байпасную или обводную трубку.

Часть потока отводится обычно при помощи сужающего устройства, установленного в трубопроводе так, как это показано на рис. 82.

Для измерения расхода в байпасной трубке можно применять любой из рассмотренных в гл. 7 расходомеров.

 

Рис.  82. Схема осуществления парциального

метода измерения расхода:

1  —  байпасяая трубка;   2 — расходомер;   3 — диафрагма, установленная в основном трубо­проводе

Если между расходом Q в основном трубопроводе и расходом q в байпасе существует стабильная функциональная зависимость Q =/(#), то по результатам измерения q в каждом конкретном случае можно оп­ределить Q. Для этого необходимо лишь определить зависимость между Q и q при непосредственной (в ограниченной области) или расчетной гра­дуировке (например, по соотношению сопротивлений основного и бай-пасного трубопроводов).

Погрешность измерения расхода парциальным методом будет скла­дываться из погрешностей установления и стабильности зависимости Q =f(q) и измерения расхода в байпасе.

Измерение расхода методом гидравлического удара. Гидравлический удар, возникающий при быстром перекрытии потока капельной жидкос­ти (за счет инерционного воздействия внезапно остановленной массы жидкости), вызывает колебания давления в трубопроводе, фронт кото­рых распространяется со скоростью звука. Процесс изменения давления в сечении трубопровода, находящемся на расстоянии L перед перекрыва­ющей поток задвижкой, графически изображен на рис. 83, на котором

7.12. Техника измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах больших диаметров

Ри

Рис. 83. График изменения давления в трубопроводе при гид­равлическом ударе

Ро — начальное статическое давление в контрольном сечении; рк — ко­нечное статическое давление в том же сечении. Точка А соответствует на­чалу перекрытия потока задвижкой, точка В — окончанию.. Затухающие колебания после закрытия задвижки (по истечении времени ДО харак­теризуют лишь инерционные свойства прибора, примененного для записи изменений давления.

Линия АС характеризует изменение давления, связанное с изменени­ем гидравлического сопротивления задвижки при перемещении ее затво­ра, а линия АВ — изменение давления вследствие гидравлического удара.

Закон количества движения при гидравлическом ударе имеет вид

pLQ = F f&pdt,                        (7.48)

At                              °

где   J Ар dt — импульс ударной волны, равный площади/д диаграммы

о

изменения давления (см. рис. 83), ограниченной линиями АВ и AC; F — площадь сечения трубопровода.

Откуда искомый объемный расход

 (7-49)

рь

Таким образом, планиметрируя диаграмму изменения давления, из­мерив предварительно диаметр трубопровода (а, следовательно, и F), длину контрольного участка!, и плотность протекающей среды, по выра­жению (7.49) можно рассчитать объемный расход.

Данный метод применяют при испытаниях гидравлических машин и насосов, т. е. в тех случаях, когда расход можно измерять после воспро­изведения (а не в процессе испытаний) определенных режимов испы­таний.

Измерение расхода с помощью интегрирующей трубки. Интегриру­ющая трубка представляет собой цилиндрический зонд, полностью пере­секающий поток по диаметру водовода. По образующей трубки просвер­лен ряд отверстий для отбора давления набегающего потока.

Статическая характеристика интегрирующей трубки имеет вид

7.12. Техника измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах больших диаметров<2 = ¥><о\/ ~- Ар,                   (7.50)

где Ар — перепад давлений, отбираемых в конце интегрирующей трубки и со стенок водовода; >fi — коэффициент расхода трубки; со — площадь сечения отверстий.

Автомодельность коэффициента расхода ip для трубок с отношением толщины стенки к диаметру отверстия, равным 0,33, наступает при чис­лах Рейнольдса, больших 1(г. Значение у при этом устойчиво стремится к единице. ‘

В этих условиях возможность расчетной градуировки интегрирую-

7.12. Техника измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах больших диаметровщих трубок обусловливается соответствием величины V — &Р  сРеД-

р

ней скорости потока. ‘

Однако влияние температуры измеряемой среды, пульсаций давле­ния и расхода, трудности технологического порядка не позволяют на се­годняшний день получить погрешности измерения расхода интегрирую­щими трубками, меньшие 6—8 %. Кроме того, область применения дан-

ных устройств ограничивается измерением расхода чистых однофазных веществ.

Методы смешения. Принцип измерений,ллежаший в основе этих мето­дов, заключается в следующем. В протекающее по трубопроводу вещест­во вводят раствор реагента („прививку") и определяют кратность раз­бавления этого реагента в потоке вещества.

Уравнение баланса реагента, вводимого в поток, имеет вид

qC1+QC0 = (Q + q)C2,               (7.51)

где q — расход раствора реагента, вводимого в поток; С0,С1,С2— кон­центрации реагента соответственно в среде до „прививки" в растворе реагента и в смеси, отбираемой из потока после „прививки".

В соответствии с выражением (7.51) уравнение измерений данным методом будет

Q=   CJ~C*     q=Kq,                   (7.52)

С    — С       

где/if = ——— коэффициент разбавления.

С г — Со

Если в самом измеряемом веществе не содержится примесей вводи­мого реагента или они ничтожно (по сравнению с С2) малы, то К = = Q/C2-L

Расход q может быть измерен с достаточно высокой точностью, чего нельзя сказать о точности измерения величины К. Действительно, если концентрация реагента (С2) в отбираемом из потока пробе ненамного превышает его концентрацию в „чистой" среде (Со), а именно к этому и стремятся при реализации метода, то даже незначительные погрешности измерений С2
и Со приведут к существенно недостоверной оценке вели­чины К.

Другой разновидностью методов смешения является метод интегри­рования, заключающийся в том, что в поток вещества за малый проме­жуток времени вводят определенную объемную порцию V раствора реа­гента и непрерывно (в течение времени t) следят за изменением концен­трации С реагента в потоке.

Уравнение этого метода, полученное на основе баланса объемных ко­личеств реагента, имеет вид

С=—у— •                              (7-53)

/ Cdt

«

Методы смешения используют в настоящее время исключительно для измерения расхода воды в цилиндрических водоводах. В качестве реагентов в растворах.с концентрацией 10~4—10 мг/д применяют дихро­мат натрия, хлорид натрия, родамин и другие химически пассивные к во­де вещества (в основном, соли). Применяют и радиоактивные „привив­ки", например, изотопы брома, натрия, йода. Использование радиоактив­ных реагентов позволяет осуществить бесконтактные измерения, однако требует обеспечения специальныхусловий работы.

.. Основным источником погрешности определения расхода методами смешения является .неравномерность распределения: концентрации вво­димого реагента по сечению, в котором отбирают пробы. Относительная неравномерность распределения концентрации, а следовательно, и вызы­ваемая ею погрешность, зависит от расстояния Lc между устройствами для ввода раствора реагента в поток и отбора проб (расстояния смеше­ния), а также характеристик потока. Для обеспечения приемлемых (меньших 1,5 %) значений погрешности Lc должно быть большим 6QD (D — диаметр трубопровода).

Предложено несколько способов уменьшения неравномерности рас­пределения концентрации и сокращения- Lc. Например, одновременное впрыскивание, раствора реагента с помощью ряда инжекторов, равно­мерно расположенных на кольцевой линии, радиус которой составляет 0,63 радиуса трубопровода; искусственная турбулизация потока на участке смешения с помощью различных местных сопротивлений; отбор проб в нескольких точках сечения потока и определение осредненной концентрации. Особенно эффективен последний способ.

При соблюдении оптимальных условий погрешность измерения рас­хода методами смешения (без учета влияния турбулентности, изменений температуры, наличия примесей и т. п.), по-видимому, может быть оце­нена в 13—2,5 % верхнего предела измерений. Однако достоверных дан­ных на этот счет до настоящего времени не имеется.

Основным достоинством методов смешения является отсутствие не­обходимости определения площади сечения трубопровода.

„Точечные" методы основаны на измерении локальной скорости в одной какой-либо точке потока и определении расхода по теоретической или эмпирической зависимости между измеренной локальной и средней скоростями потока.

Локальную (местную) скорость можно измерять различными мето­дами (оптическими, акустическими, тепловыми) и приборами (трубки скоростного напора, микровертушки, термоанемометры, электромагнит­ные измерители скорости и др.).

По существу, если известна модель развитого турбулентного потока, с достаточной точностью описывающая распределение его скоростей, то локальную скорость при реализации „точечного" метода можно измерять в любой фиксированной точке потока. Однако отсутствие такой (метро­логически пригодной) модели обусловило практическое использование на сегодняшний день лишь двух модификаций „точечного" метода — ме­тода средней скорости и метода максимальной скорости.

К контрольному вопросу № 14

Вы неправильно ответили на вопрос.

Разберитесь как следует в физических принципах, лежащих в основе ультразвуковых и ЯМР-расходомеров- Ведь вполне воз­можно, что в своей практической деятельности Вам придется столкнуться с этими новыми достаточно универсальными расхо-•    доизмерительными устройствами.

Суть первого метода заключается в измерении локальной скорости в точке, где скорость равна средней скорости потока. Тогда по результа­там предварительных измерений диаметра трубопровода и показаниям измерителя местной скорости (ИМС) можно определить расход.

По уточненным данным А.Д. Альтшуля ордината точки, где скорость равна средней скорости развитого осесимметричного турбулентного по­тока

/•о = 0,777/?,                       (7.54)

где/? — радиус трубопровода в месте установки ИМС.

Соотношение (7.54) и положено в основу метода средней скорости.

Погрешности измерений г0, установки ИМС, изменение местополо­жения точки средней скорости при изменении чисел Рейнольдса, коэффи­циента гидравлического трения, турбулентные пульсации — все это обус­ловливает погрешность измерения данным методом, равную 4—6 % верх­него предела измерений.

Второй метод — метод максимальной скорости заключается в изме­рении скорости на оси трубопровода (максимальной) и определении расхода по уточненным соотношениям между максимальной и средней скоростями потока.

Достоинствами второго метода являются: стабильность ординаты точки (всегда жестко фиксирована на геометрической оси осесимметрич­ного потока), в которой скорость максимальна; независимость ордина­ты от чисел Рейнольдса и характеристик потока; наибольшая удален­ность места установки ИМС от стенок трубопровода, что существенно снижает требования к его габаритным размерам. Так, при установке ИМС в точке средней скорости наибольшая площадь сечения ИМС не дол­жна превышать 0,01 площади сечения трубопровода, при установке же ИМС на оси трубопровода отношение площадей может быть увеличено до 0,06.

Использование наиболее универсального соотношения между сред­ней и максимальной скоростями развитого осесимметричного турбулент­ного потока дает следующее рабочее уравнение измерений расхода ме­тодом максимальной скорости

Q = ttR2S (0,75 + 0,0275 lg -^-)   (7.55)

(S — показания ИМС, установленного на оси трубопровода радиусом Л) и позволяет оценить погрешность метода в 3—5 % верхнего предела из­мерений.

Суть кросс-корреляциоиного метода заключается в определении функции корреляции между случайными пульсациями скорости в двух точках (А и В) турбулентного потока, отстоящими друг от друга на рас­стояние L.

Так как функция корреляции случайных величин характеризует сте­пень их связи и степень их взаимообусловленности во времени, то оче­видно, что максимум ее будет соответствовать времени перемещения

турбулентных возмущений из точки А в точку В (так как степень вре­менной взаимообусловленности тех же самых пульсаций, естественно, максимальна).

Полученный вывод справедлив и для осредненных по сечению пото­ка пульсационных составляющих скоростей.

Таким образом, зафиксировав пульсационные составляющие скорос­тей в двух сечениях потока, отстоящих друг от друга на расстояние L, определив (с помощью специального прибора — коррелографа) функ­цию корреляции между ними и измерив (автоматически или непосред­ственно по рис. 84) значение времени тт, соответствующее максиму­му (пику) этой функции фхут, можно определить расход потока по формуле

Тт

(7.56)

Сам метод прост, однако его аппаратурная реализация, требующая наличия ультразвуковых или лазерных измерителей пульсационных составляющих скоростей, коррелографа и устройств автоматической ре­гистрации тт довольно сложна.

При компенсации наиболее существенных методических и аппара­турных погрешностей точность метода соответствует приведенной по­грешности ±(2—2,5) % в диапазоне значений измеряемых расходов 15:1.

7.12. Техника измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах больших диаметров

Рис. 84. Кросс-корреляционная функция турбулентного потока

К контрольному вопросу № 15

Сравните уравнения измерений расходомеров, описанных в гл. 2, и убедитесь, что единственно пригодными для этих ус­ловий измерений являются гироскопические или кориолисовы расходомеры.

1.3. Методы и средства измерения давления

Добавить комментарий

Методы измерения давления во многом предопределяют как принци­пы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановиться на наиболее общих ме­тодологических вопросах техники измерения давления.

Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измере­ния другой физической величины, функционально связанной с измеряе­мым давлением.

В первом случае измеряемое давление воздействует непосредствен­но на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преоб­разующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления яв­ляется методом прямых измерений и получил наибольшее распростране­ние в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.

Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства изме­ряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразву­ка, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвен­ных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, ког-

да прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при изме­рении высоких и сверхвысоких давлений.

Методологически не менее важен и вопрос о способе, которым сред­ство измерений воспроизводит единицу давления, что непосредственно сказывается на его функциональных возможностях.

Давление является производной физической величиной, определяе­мой тремя основными физическими величинами — массой, длиной и вре­менем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения единицы давления. При измерении по формуле (1.1) давление определяется силой и площадью, а по формуле (1.6) —длиной, плотностью и ускорением. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундамен­тальными) методами и применяются при воспроизведении единицы дав­ления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволя­ют, при необходимости, производить аттестацию образцовых средств измерений.

Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов средств измерения дав­ления при методах прямых, измерений или других физических величин и свойств измеряемой среды — при методах косвенных измерений. На­пример, деформационные манометры перед их применением для изме­рения давления должны быть сначала отградуированы по образцовым средствам измерений соответствующей точности.

Помимо классификации по основным методам измерений и видам давления, средства измерений давления классифицируют по принципу действия, функциональному назначению, диапазону и точности измере­ний.

Наиболее существенный классификационный признак — принцип действия средства измерения давления, в соответствии с ним и построе­но дальнейшее изложение.

Современные средства измерений давления представляют собой измерительные системы, звенья которых имеют различное функциональ­ное назначение. Обобщенные блок-схемы манометров и измерительных преобразователей давления приведены соответственно на рис. 3, а и б. Важнейшим звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое дав­ление и преобразует его в первичный сигнал, поступающий в измеритель­ную цепь прибора. С помощью промежуточных преобразователей сигнал от. ЧЭ преобразуется -в показания манометра или регистрируется им, а в измерительных преобразователях (ИПД) — в унифицированный вы­ходной сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулиро­вания и управления. При этом промежуточные преобразователи и вто­ричные приборы во многих случаях унифицированы и могут приме­няться в сочетании с ЧЭ различных типов. Поэтому принципиальные особенности манометров и ИПД зависят, в первую очередь, от типа ЧЭ.

К контрольному вопросу № 1

Итак, Вы решили, что размер единицы давления зависит от вида измеряемого давления. Вы ошиблись. Повторите заново разд. 1.1 и 1.2.

Обратите внимание на то, что давление как физическая ве­личина не зависит от начала его отсчета. В то же время иногда к обозначению единицы давления добавляют буквенный индекс, указывающий на вид давления, который измеряется данным манометром. Например, для единицы давления psi (фунт на кв. дюйм): psi с— абсолютное давление; psi g — избыточное дав­ление; psi d — разность давлений.

По принципу действия ЧЭ средства измерения1 давления можно разделить на следующие основные группы.

1.  Средства измерения давления, основанные на прямых абсолютных
методах: поршневые манометры и ИПД,в том числе и грузопоршневые
манометры, манометры с нецилиндрическим неуплотненным поршнем,
колокольные, кольцевые и жидкостные манометры.

В первых трех манометрах метод измерений реализуется уравнением (11), основанным на определении величины давления по отношению си­лы к площади; в жидкостных манометрах — уравнением (1.6), основан­ным на уравновешивании давления столбом жидкости.

2.  Средства измерения давления, основанные на прямых относитель­
ных методах: деформационные манометры и ИПД, в том числе и с сило­
вой компенсацией; полупроводниковые манометры и ИПД; манометры

других типов, основанные на изменении физических свойств ЧЭ под дей­ствием давления.

3. Средства измерения давления, основанные на методах косвенных измерений: установки и приборы для определения давления по результа­там измерения других физических величин: установки и приборы для определения давления по результатам измерения параметров физических свойств измеряемой среды (термопарные и ионизационные вакууммет­ры, ультразвуковые манометры, вязкостные вакуумметры и др.) .

К контрольному вопросу № 1

Ответив нет, Вы показали понимание физической сущности термина „давления". Продолжайте изучение дальнейших глав учебника.

Следует отметить, что абсолютные методы измерений, заложенные в поршневых и жидкостных манометрах, во многих случаях на практике не реализуются. Например, жидкостные манометры, исключая первичные эталоны, градуируются и поверяются не абсолютным, а относительным методом, путем их сличения с образцовыми средствами измерений соот­ветствующей точности..

3. Вторичные методы добычи нефти?

Добавить комментарий

Методы воздействия на нефтяные залежи условно подразделяются на:

а) гидродинамические; — закачка воды без специальных добавок;

б) физико-химические; — закачка в пласты газа или воды с  различными химреагентами с целью повышения нефтеотдачи пластов;

в) тепловые;- закачка горячей воды, пара, осуществление различных модификаций внутрипластового горения.

С целью повышения нефтеизвлечения могут применяться также различные сочетания перечисленных методов воздействия на нефтяную залежь.

Выбор метода воздействия на пласт, технология его осуществления, методы контроля и регулирования обосновываются в проектных документах на разработку в зависимости от геолого-физической характеристики коллекторов и насыщающих их жидкостей, глубины и характера залегания пластов и др. факторов.

Перспективные направления в развитии способов бурения в мировой практике

Добавить комментарий

В отечественной и зарубежной практике ведутся научно-исследо­вательские и опытно-конструкторские работы в области создания новых методов бурения, технологий, техники.

К ним относятся углубление в горных породах с использованием взрывов, разрушение пород при помощи ультразвука, эрозионное, с помо­щью лазера, вибрации и др. Анализ различных методов свидетельствует о необходимости увеличения подводимой к забою мощности.

Некоторые из названных методов получили развитие и используются, хотя и в незначительном объеме, зачастую на стадии эксперимента.

Гидромеханический метод разрушения горных пород при углублении скважин все чаще используется в экспериментальных и полевых условиях. С.С. Шавловским проведена классификация водяных струй, которые могут применяться при бурении скважин. Основа классификации — развиваемое давление, рабочая длина струй и степень их воздействия на породы раз­личного состава, сцементированности и прочности в зависимости от диа­метра насадки, начального давления струи и расхода воды. Применение водяных струй позволяет в сравнении с механическими способами повы­сить технико-экономические показатели.

На VII Международном симпозиуме (Канада, 1984) были представлены результаты работ по использованию водяных струй в бурении. Его воз­можности связываются с непрерывной, пульсирующей или прерывистой подачей флюида, наличием или отсутствием абразивного материала и тех­нико-технологическими особенностями способа.

Эрозионное бурение обеспечивает скорости углубления в 4 — 20 раз больше, чем при роторном бурении (в аналогичных условиях). Сущность его состоит в том, что к долоту специальной конструкции вместе с буро­вым раствором подается абразивный материал — стальная дробь. Размер гранул 0,42 — 0,48 мм, концентрация в растворе — 6 %. Через насадки доло­та с большой скоростью на забой подается этот раствор с дробью, и забой разрушается. В бурильной колонне последовательно устанавливают два фильтра, предназначенные для отсева и удержания частиц, размер которых не позволяет им пройти через насадки долота.

Один фильтр — над долотом, второй — под ведущей трубой, где мож­но осуществлять очистку. Химическая обработка бурового раствора с дро­бью сложнее, чем обработка обычного раствора, особенно при повышен­ных температурах, так как необходимо удерживать дробь в растворе во взвешенном состоянии и затем генерировать этот абразивный материал.

После предварительной очистки бурового раствора от газа и шлама при помощи гидроциклонов дробь отбирают и сохраняют в смоченном со­стоянии. Раствор пропускают через гидроциклоны тонкой очистки и дега­затор и восстанавливают его утраченные показатели химической обработ­кой. Затем часть бурового раствора смешивают с дробью и подают в сква­жину, на пути смешивая с обычным буровым раствором (в расчетном со­отношении).

Лазеры в бурении. Лазеры — квантовые генераторы оптического диа­пазона — одно из замечательных достижений науки и техники. Они нашли широкое применение во многих областях науки и техники. По зарубежным данным в настоящее время возможна организация производства газовых лазеров непрерывного действия с выходной мощностью 100 кВт и выше. КПД газовых лазеров может достигать 20 — 60 %. Большая мощность лазе­ров при условии получения чрезвычайно высоких плотностей излучения достаточна для расплавления и испарения любых материалов, в том числе горных пород, которые при этом также растрескиваются, шелушатся.

Экспериментально установлена минимальная плотность мощности ла­зерного излучения, достаточного для разрушения пород плавлением: для песчаников, алевролитов и глин она составляет примерно 1,2—1,5 кВт/см2. Плотность мощности эффективного разрушения нефтенасыщенных горных пород из-за термических процессов горения нефти, особенно при поддуве в зону разрушения воздуха или кислорода, ниже и составляет 0,7 — 0,9 êÂò/ñì2.

Подсчитано, что для скважины глубиной 2000 м
и диаметром 20 см
нужно затратить около 30 млн. кВт энергии лазерного излучения. Проводка скважин такой глубины пока не конкурентоспособна в сравнении с тради­ционными механическими методами бурения. Однако имеются теоретиче­ские предпосылки повышения КПД лазеров; при КПД, равном 60 % энерге­тические и стоимостные затраты существенно снизятся и конкурентоспо­собность этого метода повысится. При использовании лазера в случае бурения скважин глубиной 100 — 200 м
стоимость работ относительно неве­лика. Но во всех случаях при лазерном бурении форму сечения можно за-

программировать, а стенка скважины будет формироваться из расплава горной породы и будет представлять собой стеклообразную массу, позво­ляющую повысить коэффициент вытеснения бурового раствора цемент­ным. В некоторых случаях можно, очевидно, обойтись без крепления скважин.

Зарубежные фирмы предлагают несколько конструкций лазеробуров. Основу их составляет мощный лазер, размещенный в герметичном корпу­се, способном выдержать высокое давление. (Температуроустойчивость по­ка не изучалась.) По этим конструкциям излучение лазера передается на забой через светопроводящее волокно. По мере разрушения (плавления) горной породы лазеробур подается вниз; он может быть снабжен установ­ленным в корпусе вибратором. При вдавливании снаряда в расплав породы стенки скважины могут уплотняться.

В Японии начат выпуск углекислотных газовых лазеров, которые при использовании в бурении существенно (до 10 раз) повысят скорость про­ходки.

Сечение скважины при формировании ствола этим методом может иметь произвольную форму. Компьютер по разработанной программе дис­танционно задает режим сканирования лазерного луча, что позволяет за­программировать размер и форму ствола скважины.

Проведение лазеротермических работ возможно в дальнейшем в пер­форационных работах. Лазерная перфорация обеспечит управляемость процесса разрушения обсадной колонны, цементного камня и породы и может обеспечить проникновение каналов на значительную глубину, что, безусловно, повысит степень совершенства вскрытия пласта. Однако оплавление пород, целесообразное при углублении скважины, здесь непри­емлемо, что должно быть учтено при использовании этого метода в даль­нейшем.

В отечественных работах есть предложения о создании лазероплаз-менных установок для термического бурения скважин. Однако транспор­тировка плазмы к забою скважины пока затруднена. В настоящее время проводятся исследования по возможности разработки световодов («свето-водных труб»).

Одним из наиболее интересных методов воздействия на горные поро­ды, обладающим критерием универсальности, является метод их плавления при помощи непосредственного контакта с тугоплавким наконечником — пенетратором. Значительные успехи в создании термопрочных материалов позволили перенести вопрос о плавлении горных пород в область реально­го проектирования. Уже при температурах порядка 1200—1300 °С метод плавления работоспособен в рыхлых грунтах, песках и песчаниках, базаль­тах и других породах кристаллического фундамента. В породах осадочного комплекса проходка глинистых и карбонатных пород требует, по-видимому, более высокой температуры.

Метод бурения плавлением позволяет получить на стенках скважины достаточно толстую ситалловую корку с гладкими внутренними стенками. Метод имеет высокий коэффициент ввода энергии в породу — до 80 — 90 %. При этом может быть, хотя бы принципиально, решена проблема удаления расплава с забоя. Выходя по выводящим каналам или просто обтекая глад­кий пенетратор, расплав, застывая, образует шлам, размерами и формой которого можно управлять. Шлам выносится жидкостью, циркулирующей выше бурового снаряда и охлаждающей его верхнюю часть.

Первые проекты и образцы термобуров появились в 60-х годах, а наи­более активно теория и практика плавления горных пород начали разви­ваться с середины 70-х годов. Эффективность процесса плавления опреде­ляется в основном температурой поверхности пенетратора и физическими свойствами горных пород и мало зависит от их механических и прочност­ных свойств. Это обстоятельство обусловливает определенную универсаль­ность метода плавления в смысле применимости его для проходки различ­ных пород. Температурный интервал плавления этих различных полимине­ральных многокомпонентных систем в основном укладывается в диапазон 1200—1500 °С при атмосферном давлении. В отличие от механического ме­тод разрушения горных пород плавлением с увеличением глубины и тем­пературы залегающих пород повышает свою эффективность.

Как уже говорилось, параллельно с проходкой осуществляются креп­ление и изоляция стенок скважины в результате создания непроницаемого стекловидного кольцевого слоя. Пока не ясно, будет ли происходить износ поверхностного слоя пенетратора, каковы его механизм и интенсивность. Не исключено, однако, что бурение плавлением, хотя и с небольшой ско­ростью, может проводиться непрерывно в пределах интервала, определяе­мого конструкцией скважины. Сама же эта конструкция в силу непрерыв­ного крепления стенок может быть значительно упрощена, даже в слож­ных геологических условиях.

Очевидно, что можно себе представить технологические процедуры, связанные только с креплением и изоляцией стенок последовательно с проходкой ствола способом обычного механического бурения. Эти проце­дуры могут относиться только к интервалам, представляющим опасность в связи с возможностью возникновения различных осложнений.

С точки зрения технической реализации следует предусмотреть токо-провод к нагнетательным элементам пенетратора аналогично используемо­му при электробурении.