7.1.2. Разработка новых гидродинамических генераторов колебаний на основе вихревых центробежных форсунок1

Наиболее полно набору основных требований удовлетво­ряют гидродинамические генераторы колебаний, построенные на основе вихревых элементов, работающих в автоколебатель­ных режимах. Важнейшее преимущество использования вихря как усилительного элемента состоит в том, что он имеет мак­симальный, по сравнению со всеми другими струйными эле­ментами, коэффициент усиления по мощности (500 и более) [56]. Так же, как и в отдельных вышерассмотренных конст­рукциях, например гидравлических активаторах потока (типа СГГК конструкции Института машиноведения РАН), в вихре­вом элементе генератора происходит образование жидкостно­го вихря, однако его роль в функционировании автоколеба­тельной системы существенно иная. В рассмотренных в начале гл. 7 устройствах генерация колебаний основана на возбужде­нии собственных частот закрученного слоя жидкости (в кило-герцовом диапазоне частот), и существенную энергоотдачу при генерации можно получить лишь при достижении резо­нанса, который весьма неустойчив, сильно зависит от внешних факторов и минимальных изменений геометрической конфи­гурации системы, вызываемой кавитационным износом. К то­му же сама энергоотдача ограничена режимными условиями достижения резонанса, связанными с гидравлическим сопро­тивлением системы (предельным расходом и перепадом дав­ления).

В рассматриваемых ниже вихревых элементах закрученный поток жидкости является усилителем низкочастотных колеба­ний параметров потока жидкости (давления и скорости), что позволяет достигать при генерации колебаний любых требуе­мых амплитудно-частотных характеристик, а энергоотдача ог­раничивается в принципе лишь мощностью напорной линии питания (насосных агрегатов).

Одним из подобных элементов является двухступенчатая жидкостная центробежная форсунка.

В двухступенчатой форсунке (рис. 7.1.4) имеется первая (высоконапорная) ступень подачи жидкости малого расхода, по которой жидкость через тангенциальные каналы поступает в камеру закручивания для образования вихря. В эту же каме-

¹ Раздел составлен совместно с д-ром техн. Наук Е.Ю. Марчуковым и канд. техн. наук В.И. Ждановым.

205

ру через каналы второй ступени поступает регулируемая часть жидкости большого расхода. В общей камере закручивания происходит смешение высоконапорного и малорасходного циркулирующего потока с низконапорным потоком нулевой или противоположной циркуляции и с регулируемым большим расходом. На магистрали большерасходной ступени располо­жен гидравлический элемент повышенной упругости 4, на­пример заполненная газом емкость объема V_T, отделенная от жидкости гибкой мембраной.

Жидкость в малорасходную ступень форсунки поступает с расходом Q\, при этом кран 1 поддерживает в малорасходной магистрали постоянное давление р\. Изменение расхода через сопло 3 форсунки, а также и режимных параметров происхо­дит за счет открытия крана 2, подсоединенного к напорной магистрали.

При смешении струй жидкости первой и второй ступени в камере смешения форсунки происходит образование жид­костного вихря, в центре которого давление падает и при ис­течении из сопла в воздушную среду происходит образование воздушного вихря с радиусами г_тк - внутри камеры смешения и г_тс - на выходе из сопла, так что истечение жидкости из форсунки происходит только в кольцевой области между стенками сопла и воздушным вихрем. При истечении из фор­сунки в жидкостную среду в центре вихря образуется зона разрежения, определяемая аналогичными геометрическими

Рис. 7.1.4. Схема истечения жид­кости из двухступенчатой форсунки

206

параметрами г_тк, г_тс, в которой осевая скорость течения жид­кости равна нулю или противоположна осевой скорости исте­чения циркулирующей жидкости из форсунки и которая также весьма существенно определяет площадь истечения жидкости из сопла форсунки и коэффициент расхода сопла.

Основы теории и расчета геометрических и режимных ха­рактеристик двухступенчатых форсунок изложены в работе [30] применительно к двухступенчатой форсунке для воздуш­но-реактивного двигателя, работающей совместно с распреде­лительным клапаном, открывающимся под действием увели­чения давления в системе подачи.

На рис. 7.1.5 приведены расчетные и экспериментальные расходные характеристики двухступенчатой форсунки, пока­зывающие изменение относительного давления во второй сту­пени форсунки в зависимости от изменения расхода QJQmm через форсунку, где Q_z - общий расход через форсунку; Q_rcim -расход жидкости через первую ступень форсунки при полно­стью закрытом кране-регуляторе второй ступени. Особенность течения жидкости через форсунку - наличие участка на рас­ходной характеристике с отрицательным гидравлическим со­противлением, что обусловливает развитие неустойчивого ре­жима течения и возможность возникновения автоколебаний.

Запишем уравнения возмущенного движения для течения жидкости в трубопроводе второй ступени для участка 1-2 на схеме подачи с двухступенчатой форсункой (см. рис. 7.1.4).

0,8		J
0,6		__2 -^
0,4	V
	1	i i i	i i

0 12 3 4 5 6 Q₁/Q_min

Рис. 7.1.5. Расходная характеристика двухступенчатой форсунки:

1 —расчетная кривая; 2 — экспериментальная кривая изменения давления во второй ступени в зависимости от расхода через форсунку

207

Считаем, что изменения расхода в малорасходной первой ступени равны нулю (8(5^ = 0) и пренебрегаем сжи­маемостью жидкости и упругостью стенок трубопровода, что допустимо для области рассматриваемых низких частот. Всю упругость, которая в значительной степени определяется сжи­маемостью газовой полости, можно сосредоточить в сечении входа в трубопровод:

8р₂₁ =

-'г 2'

где 8q₂₁, 8q₂₂, Ър₂₁, Ър₂₂ - возмущения объемного расхода и

давления соответственно в начале и в конце участка 1-2; г -некоторая размерная постоянная.

После перехода к безразмерным отклонениям получаем

| = 5Q₂₁-5Q₂₂, _(7Л2)

где т_е = VJQ₂- емкостная постоянная времени; Ър₂₂, bQi\, bQn - соответственно безразмерные возмущения давления и объем­ного расхода на участке 1-2 второй магистрали; V_T, Q₂ - соот­ветственно объем газа в газовой полости и масштабный (сред­ний) расход жидкости по второй магистрали форсунки.

Считая, что кран-регулятор поддерживает постоянный рас­ход жидкости, поступающей во вторую ступень из напорной магистрали bQ₂\ = 0, можно записать:

^ = -50₂₂. (7.1.3)

Уравнение движения жидкости между сечениями 2-3 имеет следующий вид:

^₂(8р₂₂-8р₂₃) = рь₂^^ (7.1.4)

at

где F₂, L₂ - соответственно площадь сечения и длина трубо-

208

провода второй ступени на участке 2-3; 5р₂₂, 5р₂₃, bQ₂₂ - ва­риации давления и расхода жидкости соответственно в начале и конце участка 2-3.

После перехода к безразмерным вариациям можно записать

Эр₂₂ — 8р₂₃, (7.1.5)

т ~* -CZZ J^Z6'

dt

pL₂Q₂ где х_т = ¹—^^ - инерционная постоянная времени.

-t 2 2

Дифференцируя по времени последнее уравнение и под­ставляя в него уравнение (7.1.3), получаем:

В рассматриваемой низкочастотной области считаем, что при колебаниях сохраняется квазистационарный режим тече­ния со средним расходом Q₂, а расходную зависимость Q₂ = Др₂) на участке с отрицательным дифференциальным сопро­тивлением (см. рис. 7.1.5) можно аппроксимировать относи­тельно условно нулевой точки с координатами Q₂, p₂ следую­щей зависимостью:

А для уравнения в вариациях:

Ър₂ = -abQ₂

Дифференцируя это уравнение по времени и переходя к безразмерным переменным, имеем

3 t

где а = ^

Pz Pz

Подставляя последнее уравнение в уравнение (7.1.6), по­лучаем

209

А«_0!,- 0.(7.1.7)

Последнее уравнение представляет собой нелинейное урав­нение Ван-дер-Поля. Его решение имеет на фазовой плоскости устойчивый предельный цикл, соответствующий режиму ста­ционарных автоколебаний с амплитудой колеба­ний расхода |о J = 2.1—, а частота колебаний равна собствен-¹ ' V3b

ным частотам колебаний жидкости во второй ступени, опреде­ляемым по параметрам х_т, х_е.

Таким образом, амплитуда колебаний жидкости в двухсту­пенчатой форсунке не зависит от частоты колебаний, а опре­деляется только формой кривой участка характеристики с от­рицательным гидравлическим сопротивлением.

Экспериментальное исследование колебаний в гидравличе­ской системе с двухступенчатой форсункой проводилось на лабораторном стенде с вытеснительной подачей жидкости, схема которого представлена на рис. 7.1.6. Стенд включает в себя заполненную водой емкость 1, в которой создается опре­деленное избыточное давление, входной трубопровод, дроссе­ли 2, 3 и трубопроводы, соответственно первой и второй сту­пеней, двухступенчатую форсунку 4, барокамеру 5. В трубо­проводе второй ступени устанавливается прозрачная емкость б, заполненная воздухом и позволяющая регистрировать про­изводимые в ходе экспериментов изменения его объема. Коле­бания давления измеряли датчиками 7 типа ДДИ-20 и регист­рировали с помощью осциллографа типа Н-115. В ходе испы­таний в баке 1 с помощью подключенного к нему баллона вы­сокого давления создавали определенное давление вытеснения жидкости, дросселями 2 и 3 устанавливали заданный перепад давления на первой и второй ступенях форсунки и осуществля­ли течение ("проливку") жидкости через двухступенчатую фор­сунку при различных напорно-расходных режимах.

210

Рис. 7.1.6. Схема экспериментального стенда для исследования колебатель­ных режимов двухступенчатых жидкостных форсунок

В ходе испытаний регистрировали автоколебательные ре­жимы течения жидкости через двухступенчатую форсунку. На рис. 7.1.7 представлена типичная осциллограмма колебаний давления в большерасходной и малорасходной ступенях фор­сунки.

Генератор колебаний с одной напорной вихревой ступе­нью

На основе проведенных исследований автоколебательных режимов двухступенчатой центробежной форсунки авторами разработан новый способ генерирования низкочастотных ко­лебаний и гидродинамический генератор колебаний [129], схема которого показана на рис. 7.1.8.

Р ис. 7.1.7. Осциллограмма колебаний давления во второй и первой ступенях форсунки. Частота колебаний 5 Гц; амплитуда 6 %рг

211

Рис. 7.1.8. Гидродинамический генератор колебаний:

1 — направляющий клапан; 2 — труба НКТ; 3 - напорная магистраль; 4 - мембрана; 5 — жиклеры дополнительного потока; 6 — канал дополнительного потока; 7 — кольцевой зазор; 8 — тангенциальные каналы форсунки; 9

форсунка; 10- резонатор

Рис. 7.1.9. Осциллограммы генерируемых колебаний:

а, б — снятые соответственно с тензо- и пьезодатчиков, размещенных в колонне скважины на выходе генератора (б — ам­плитуда р = 4,0 МПа; /= 25 Гц); в - сня­тые с пьезодатчиков в напорной магистрали (НКТ) на

б

входе в генератор; Q = 310 м³/сут

В предложенных способе и генераторе колебаний с помо­щью вихревой двухступенчатой форсунки реализуется новый,

215

неизвестный ранее механизм возникновения автоколебаний жидкостного потока.

При генерации жидкость, поступающая по напорной маги­страли (см. рис. 7.1.8), разделяется на основной поток, посту­пающий в тангенциальные каналы форсунки и образующий жидкостный вихрь, и дополнительный поток, поступающий через узкие каналы-жиклеры в дополнительный канал устрой­ства.

В первой фазе процесса происходит запирание дополни­тельного потока жидкости основным закручивающим пото­ком, что приводит к росту давления в нем (при этом вихревое движение жидкости развивается от форсунки в глубь дополни­тельного канала) и усилению энергообмена между основным и дополнительным потоками вследствие разницы окружных со­ставляющих скоростей. Во второй фазе при возрастании дав­ления в дополнительном потоке до значения, соизмеримого со значением центробежного давления, на периферии жидкостно­го вихря, в кольцевом зазоре форсунки происходит разруше­ние вихря, сопровождающееся выбросом жидкости из допол­нительного канала и резким увеличением расхода. После вы­броса жидкости давление в дополнительном потоке опять па­дает, образуется жидкостный вихрь основного потока, кото­рый запирает дополнительный поток, и процесс автоколебаний повторяется. Таким образом, благодаря усилительным свойст­вам вихря, небольшие колебания давления в дополнительном канале (второй ступени), составляющие 1-5 % от перепада давления на закрученном слое жидкости, вызывают сильные колебания скорости течения через генератор, достигающие 50 % от средней скорости. При разрывах сплошности потока ко­эффициент усиления существенно возрастает. Изменяя упру­гость жидкости дополнительного канала введением в него га­за, отделенного гибкой мембраной, можно также изменять время возрастания давления в первой фазе и регулировать час­тоту генерируемых колебаний. Резонатор служит для преобра­зования колебаний расхода в колебания давления.

Проведенные стендовые и промысловые испытания нового генератора колебаний показали его устойчивую работу и на­дежность. На рис. 7.1.9 приведены снятые с датчиков осцилло­граммы генерируемых колебаний.

В отличие от ранее известных конструкций разработанный генератор типа ГЖ позволяет создавать (см. табл. 7.1.1) высо­коамплитудные колебания давления 3-5 МПа в широком диа-

216

пазоне низких частот 20-300 Гц. Ввиду отсутствия движущих­ся механических узлов и увеличения КПД генератор не требует привлечения значительных мощностей устьевых насосных аг­регатов для создания большого расхода, обладает повышенной надежностью и моторесурсом, что позволяет снижать затраты на проведение обработок.

Генератор колебаний с двумя напорными вихревыми ступенями противоположной закрутки

Эксплуатация гидродинамических скважинных генераторов колебаний выявляет определенный набор требований к ре­жимным параметрам и расходным диапазонам двухступенча­тых форсунок, которые должны обеспечить наиболее эффек­тивное применение для различных промысловых условий и категорий скважин. Сюда входят и конструктивные требова­ния по адаптации конструкций к набору промысловых типо­размеров колонн скважин и НКТ, в том числе и к колоннам с уменьшенными диаметрами для вторых стволов скважин, и требования обеспечения эффективной генерации колебаний в достаточно широком изменении расходно-напорных характе­ристик нагнетания рабочей жидкости. Конструкция вихревой форсунки должна обеспечить функционирование ряда гидро­динамических генераторов, отличающихся геометрическими размерами и рабочими расходно-напорными характеристика­ми, предназначенными для эффективного осуществления ши­рокого набора технологических операций, таких как сов­местная работа со скважинным струйным насосом, вибропен­ное воздействие, виброволновое воздействие в сочетании с закачкой реагента в пласт, длительная работа в скважине при пониженных расходах нагнетания и др.

С целью увеличения расхода через центробежную форсунку при сохранении ее радиальных размеров можно использовать форсунку с двумя соплами и общей камерой закручивания, схема которой показана на рис. 7.1.10. Такая конструкция по-

Рис. 7.1.10. Схема двухсопло-вой двухступенчатой цен­тробежной форсунки гидро­динамического генерато­ра колебаний

217

зволяет в два раза увеличить расход жидкости при сохранении прежних типоразмеров и одновременно уменьшить вязкостные потери на трение.

В ходе проведения стендовых исследований двухсопловых форсунок получены экспериментальные расходные характери­стики, представленные на рис. 7.1.11. Там же для сравнения показана расходная характеристика обычной двухступенчатой форсунки. Как следует из представленных кривых, у двухсо-пловой форсунки участок характеристики с отрицательным гидравлическим сопротивлением по диапазону изменения рас­хода имеет большую ширину, а кривая перепада давления на этом участке спадает с большей крутизной, что обеспечивает более устойчивый и высокоамплитудный режим генерации

Рис. 7.1.11. Расходная ха­рактеристика двухсопловой (кривая 2) и обычной (кри­вая 2) двухступенчатой центробежной фор­сунки

Рис. 7.1.12. Схема истече­ния жидкости из двухсту­пенчатой форсунки с двумя поясами тангенциальных каналов первой ступени

218

колебаний.

Дальнейшее повышение эффективности работы вихря как рабочего элемента гидродинамического генератора достигает­ся использованием в первой ступени центробежной форсунки двух поясов тангенциальных каналов с взаимно противопо­ложным завихрением жидкостных потоков. Схема работы та­кого элемента генератора показана на рис. 7.1.12.

Поступающая в первую высоконапорную ступень из нагне­тательной магистрали жидкость разделяется на две части -расход Qu поступает на первый пояс тангенциальных каналов, а расход Qn - на второй пояс подобных каналов. Расположе­ние поясов каналов обеспечивает противоположную закрутку образующихся в камере закручивания жидкостных вихрей.

На рис. 7.1.13 приведены расчетные и полученные в ходе стендовых исследований кривые расходных характеристик двухвихревой центробежной форсунки со значением геомет­рической характеристики для каналов первого пояса А\ = 7 и диаметром сопла 8 мм, с перепадом давления на первой ступени 0,3 МПа, степенью закрытия форсунки 1,7. Кри­вые построены для различных соотношений f = f₁Jf_zz пло­щадей сечений тангенциальных каналов первого и второго

Д/>₂,МПа

0,4

0,6 Q,m³Ic

Рис. 7.1.13. Расчетные (штриховые линии) и экспериментальные расходные харак­теристики двухступенчатой центробежной форсунки с двумя поясами тан­генциальных каналов в первой ступени. Значение F :

1, Г - 0,0; 2, 2' - 0,25; 3, У - 0,5; 4, 4' - 1,0

219

поясов.

Как следует из представленных результатов, двухвихревая центробежная форсунка обеспечивает высокоамплитудную генерацию упругих колебаний в достаточно широком расход­ном диапазоне рабочей характеристики.

На основе использования подобного гидравлического вих­ревого элемента авторами разработаны новый способ возбуж­дения колебаний и гидродинамический генератор колебаний типа ГД2В с повышенной эффективностью генерации в широ­ком диапазоне изменения напорно-расходных параметров на­гнетания рабочей жидкости [136].

Исследования генераторов типа ГД2В проводились на про­мысловом стенде, построенном на базе НГДУ "Елховнефть" АО "Татнефть". Описание стенда и его технических возмож­ностей приведено в разделе 7.1. Стендовые испытания показа­ли высокую работоспособность устройств, устойчивую работу в широком диапазоне изменения расхода и давления нагнета­ния рабочей жидкости, начиная со сравнительно малых на­чальных значений. Как и ожидалось, в генераторе после не­скольких часов испытаний не были обнаружены следы суще­ственного износа или разрушения, а также изменения его ра­бочих характеристик, что указывает на его высокую надеж­ность и долговечность. Впоследствии при скважинных про­мысловых исследованиях это также подтвердилось. Испыта­ния показали, что при соответствующей настройке генератор продуцирует колебания, амплитуда и частота которых изме­няются в зависимости от перепада давления, что позволяет осуществить авторегулирование виброволнового воздействия при проведении обработки ПЗП в зависимости от глубины ее загрязненности.

На рис. 7.1.14 показан внешний вид генератора ГД2В-3, наиболее часто используемого в технологии виброволнового и депрессионно-химического воздействий (ВДХВ). В отличие от всех других известных устройств генератор типа ГД2В при меньших расходах и перепадах давления продуцирует с ис­пользованием резонансных систем более высокие амплитуды

Рис. 7.1.14. Внешний вид скважинного генератора колебаний ГД2В-3 220

колебаний давления (см. табл. 7.1.1), т.е. обладает максималь­ным гидравлико-акустическим КПД. Это позволяет весьма эф­фективно использовать данную конструкцию для осуществле­ния широкого набора технологических операций виброволно­вого воздействия при совместной работе с другими потреб­ляющими гидравлическую энергию устройствами, например струйными насосами. При этом параметры оборудования мо­гут настраиваться с использованием компьютерной програм­мы на оптимальную работу под каждую скважино-пластовую систему.

Данная конструкция позволила создать нормальный ряд ге­нераторов различного технологического назначения и разных мощностей, позволяющий в зависимости от степени сложно­сти и категории объекта осуществлять рациональные техноло­гические режимы.

Технические характеристики генераторов типа ГД2В пред­ставлены в табл. 7.1.2.

Относительно малые рабочие расходы и перепад давления при продуцировании достаточно мощных колебаний позволяют эффективно использовать генераторы типа ГД2В-2 для реге­нерации фильтров водозаборных скважин и повышения их продуктивности с использованием простых насосов или на­сосных агрегатов.

Применение генераторов ГД2В-3 в технологии ВДХВ по­зволяет привлекать для обработки глубоких скважин одну еди­ницу насосной техники агрегатов 4АН-700 или СИН-31 вместо двух-трех (при использовании генераторов типа ГЖ), а сква­жины глубиной 1200-1500 м могут обрабатываться с привле­чением 2-3 единиц менее дефицитных и затратных агрегатов типа ЦА-320, применение которых для осуществления техно­логии ранее было невозможно. Тем самым обработка скважины существенно упрощается и удешевляется, снижаются трудоза­траты, повышается рентабельность внедрения технологии.

С использованием одновременно двух генераторов данного типа, а также генераторов ГД2В-2 проводят обработку пластов толщиной 40-50 м и более, протяженных участков горизон­тальных скважин одновременно в двух-трех точках, что со­кращает трудозатраты, сроки ремонта скважины и повышает рентабельность обработок.

221

Таблица 7.1.2