РАСЧЕТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ КОЛОННЫ ШТАНГ
Для расчета сил гидродинамического трения используют известные зависимости, приведенные в работах [3, 9, 13]. Как известно, A.M. Пирвердян получил формулу для расчета сил гидродинамического трения в случае гладкой, т.е. безмуфтовой штанги и при отсутствии движения жидкости в трубах, а А.Р. Каплан дополнительно учел движение жидкости в трубах со скоростью, соответствующей среднему расходу. М.Д. Валеев экспериментально определил коэффициенты, учитывающие дополнительное сопротивление, создаваемое штанговыми муфтами.
В ННС штанги в НКТ располагаются эксцентрично. Ламинарное течение вязкой жидкости между двумя неподвижными эксцентрично расположенными цилиндрами рассмотрено в работе Я.В. Шевелева.
Рассмотрим расчет ламинарного течения в эксцентричном зазоре между штангами и насосными трубами [9]. , Градиент гидростатического давления вдоль скважины равен , где ρж - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения. Градиент давления за счет вязкого сопротивления имеет порядок , где μ - коэффициент динамической вязкости; v - скорость жидкости; h - зазор между штангами и трубами. Учитывать вязкое сопротивление нужно, когда оно составляет заметную долю от градиента гидростатического давления, предположим . Если исключить из рассмотрения скважины, близкие к горизонтальным, то находим ограничение для значения вязкости .
Принимая ρж~ 103/м3; g ~ 10 м/с; h ~ 10 –2 м, v ~ 1 м/с, получаем μ > l0-1 Пa*c.
Для указанных величин находим число Рейнольдса: Re < 100. С другой стороны, известно, что при подъеме жидкости из скважин поток имеет турбулентный характер, когда Re > 103. Поэтому расчет течения жидкости между штангами и трубами проведем для ламинарного режима.
Опуская динамический и нелинейные члены в уравнении Навье-Стокса, имеем
где F - сила тяжести на единицу объема поднимаемой жидкости; v - скорость жидкости; (▼p)S - (▼p)μ слагаемые градиента давления, обусловленные силой тяжести и вязкостью.
Введем цилиндрические координаты r, φ, S, связанные с осью скважины. Для проекции первой составляющей градиента давления на ось скважины
(48)
где γсм = ρжg - удельный вес жидкости (смеси).
В выражении для лапласиана пренебрегаем слагаемыми . Эти слагаемые тем меньше, чем меньше зазор
между штангами и трубами и чем меньше изменение эксцентриситета вдоль колонны. Тогда проекцию слагаемого, обусловленного вязкостью, можно представить в виде
(49)
Распределение скорости в кольцевом зазоре между штангами и насосными трубами с учетом граничных условий υS (r0) = υ0, υS (r0+h) = 0 представим в виде
(50)
где υ0 - скорость движения штанг: х = r –r0,;r0 = Dш/2, h = h0(1 – ε*cosφ) - ширина зазора между штангами и трубами; ε = h/h0 - относительный эксцентриситет.
Если штанги касаются труб, то η = h0 и ε = 1. Постоянную A определяем из условия сохранения объема жидкости
где Q - расход жидкости через НКТ.
В результате для градиента давления, обусловленного вязким сопротивлением, находим
(51)
где - средняя скорость жидкости в кольцевом зазоре между штангами и НКТ.
Изменение давления за счет вязкого сопротивления зависит от эксцентриситета. При максимальном эксцентриситете ε = 1, когда штанги касаются труб, изменение давления в 2,5 раза меньше, чем в концентричном случае. Такой же результат получается при точном решении задачи о течении вязкой жидкости в кольцевом эксцентричном канале по Я.В. Шевелеву.
Дата добавления: 2020-10-25; просмотров: 459;