Предмет гидравлики

Гидравлика (техническая механика жидкости) – это наука о законах равновесия и движения жидкостей и тел в жидкостях.

Гидравлика включает в себя не только собственно механику жидкости, но и необходимые разделы химии, термодинамики и др. наук.

Жидкость – это физическое тело (жидкое агрегатное состояние тела), обладающее свойством текучести, т.е. способное течь (флюид).

Жидкости, как и газы, легко изменяют форму, но, в отличие от газов, малосжимаемы.

Гидравлика состоит из следующих разделов:

1. Гидростатика – изучает равновесие жидкостей и тел в жидкостях.

2. Кинематика – изучает геометрию движения жидкостей (без учета сил).

3. Гидродинамика – изучает движение жидкостей и тел в жидкостях с учетом действующих сил.

Основные параметры состояния и свойства жидкости

Параметрами состояния называют физические величины, характеризующие состояние жидкости в данный момент времени.

Основными параметрами являются:

1. Абсолютное давление Р [Па] = [Н/м²],

,

(1)

где F - сила, Н; f - площадь, м².

Давление вызвано силами отталкивания молекул при приложении сжимающих усилий к жидкости.

Р_о - атмосферное давление: Р = Р_о ≈ 1 ат = 1кгс/см² ≈ 10⁵ Па ≈ 10 мвс.

Давление всегда нормально поверхности, на которую оно действует.

2. Абсолютная температура Т [К]

,

(2)

где t - температура в °С.

3. Плотность ρ [кг/м³]

ρ = m / V = M/Q,

(3)

где m - масса, кг; V - объём, м³; М – массовый расход, кг/с; Q – объёмный расход, м³/с

Плотность жидкости в бурении измеряют ареометром. Для воды при t₀ = 4 °С плотность равна 1000 кг/м³, обычно для глинистых растворов ρ = 1000 ÷ 1300 кг/м³, для газожидкостных смесей (ГЖС - аэрированных жидкостей, пен, аэрозолей) ρ < 1000 кг/м³, для воздуха (при атмосферном давлении) ρ = 1,3 кг/м³, для цементных растворов ρ = 1500 ÷ 3000 кг/м³, для нефти ρ = 800 ÷ 980 кг/м³.

Если при данной температуре t_нп (температура насыщенного пара) давление жидкости снизится до величины Р_нп (давление насыщенного пара) или при данном Р_нп температура увеличится до t_нп, жидкость начнет переходить в пар. Если пузырьки пара всплывают на поверхность, то процесс называют кипением жидкости. Если пузырьки пара попадают в условия (высокое давление, низкая температура), где пар переходит в жидкость, то процесс называют кавитацией жидкости (табл. 1).

Параметры насыщенного пара воды

Таблица 1

Температура tнп, °С	0	4	100	374
Абсолютное давление Рнп, Па	0,0061·105	0,0081·105	1,013·105	220,8·105

Давление, возникающее в процессе кавитации при почти мгновенном переходе пара в жидкость, составляет десятки мегапаскалей и может приводить к кавитационной эрозии поверхностей. По этой причине ограничивают максимальную высоту всасывания насосов, применяют кавитационностойкие покрытия и материалы. Искусственно создаваемая кавитационная эрозия может способствовать разрушению горных пород при бурении и декольматажу фильтров и прифильтровых зон буровых скважин.

Вязкость - способность жидкостей оказывать сопротивление сдвигу.

Вязкость проявляется в виде сил внутреннего трения при сравнительно малых скоростях сдвига.

Поведение многих буровых жидкостей подчиняется двум базовым законам трения - Ньютона и Бингама.

Жидкости, подчиняющиеся первому закону называются ньютоновскими жидкостями (НЖ - вода, нефть, эмульсии, масла гидросистем, а также воздух, газы и их смеси. аэрозоли и пр.). НЖ приходят в движение при касательных напряжениях τ > 0, начальное напряжение сдвига τ_о, определяющее начало движения, отсутствует: τ_о = 0.

Жидкости, подчиняющиеся второму закону трения называются бингамовскими жидкостями (БЖ - глинистые растворы, пены, аэрированные жидкости, цементные растворы, некоторые пасты и пр.). БЖ начинают течь только при превышении значения τ_о, т.е. для БЖ τ_о > 0.

µ0 = ν0·ρ,

(4)

где µ₀ - абсолютная (динамическая) вязкость, Па^.с; ν₀ - кинематическая вязкость, м²/c.

Абсолютная вязкость глинистых растворов, называемая пластической (структурной), может колебаться в широком диапазоне:

µ₀ = 0,004 ÷ 0,02 Па·с.

Кинематическая вязкость нефти также сильно варьирует:

ν₀= 1,2 ÷ 55·10^-6 м²/с.

Вязкость существенно зависит от температуры t₀(°С) и не зависит от давления. Для воды справедлива формула Пуазейля (5):

, Па  с.

(5)

Добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ) в промывочную жидкость существенно снижают вязкость.

Часто применяемое на практике понятие "условная вязкость" (время истечения из воронки фиксированного объёма жидкости), строго говоря, вязкостью вообще не является, а представляет собой обобщенный показатель реологических свойств. Точный пересчёт условной вязкости в абсолютную невозможен.

Абсорбцией называется поглощение объёмом жидкости газа, контактирующего с её поверхностью. Абсорбируемое (растворённое) количество газа приблизительно пропорционально его давлению (закон Генри).

При повышении температуры и при понижении давления растворённые газы выделяются из жидкости. Выделившиеся газы (воздух) ухудшают рабочие свойства масел гидроприводов буровых установок. Выделившийся в пласте из нефти или воды газ снижает проницаемость коллектора. Давление насыщения пластовой нефти Р_нас (не путать с Р_нп) - избыточное давление, при котором из нефти при данной температуре начинают выделяться первые пузырьки растворённого в ней газа. Если над пластовой нефтью имеется газовая шапка, то Р_нас = Р_пл (пластовое давление). Если Р_пл > Р_нас, то нефть недосыщена газом, свободный газ в пласте отсутствует.