Гидравлика

Термин «циркуляционные процессы» при бурении нефтяных и газовых скважин используется как обобщающий применительно к движению жидкостей как в поверхностных условиях (например, в системе очистки и приготовления бурового раствора), так и в условиях внутрипластового и скважинного пространства (например, при фильтрации пластового флюида к скважине, при течении промывочной жидкости в бурильном инструменте и затрубном пространстве).

Циркуляционные процессы при бурении нефтяных и газовых скважин исследуются и описываются при помощи методов технической механики жидкости, называемой, для краткости, гидравликой, и методов подземной гидромеханики.

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).