Режимы движения потока воды в фильтре

РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ПОТОКА ВОДЫ В ФИЛЬТРЕ

В работе рассмотрена гидравлика движения воды в фильтрах водозаборных скважин, приведен математический расчет обобщенной модели движения потока в фильтре в общем виде.

Основное назначение фильтров водозаборных скважин состоит в том, чтобы удерживать стенки скважин от обрушения и обеспечивать при этом свободный пропуск воды в ствол скважины.

Фильтры должны выполнять следующие требования:

обеспечивать поступление воды в скважину с минимальными гидравлическими сопротивлениями;

обладать необходимой механической прочностью (при установке и очистке фильтра);

обеспечивать поступление воды в скважину без механических примесей за исключением периода строительных откачек;

быть коррозионно устойчивыми;

гарантировать долговечность эксплуатации не менее 25 лет;

обеспечивать ремонтопригодность с применением устройств по их очистке химическими, механическими, импульсными и комбинированными способами, а также возможность извлечения из скважины [1].

При подборе фильтров для скважины необходимо изучить гранулометрический состав механических примесей, который определяет не только параметры фильтра (проходной размер ячеек, межвитковый зазор), но и саму его конструкцию. В нашей стране и за рубежом разработано большое количество различных по конструкции фильтров, что осложняет формирование единого подхода к гидравлике движения потока в каждом из них.

Расчет пропускной способности фильтра в зависимости от создаваемого на нем перепада давления в общем случае является сложной задачей, требующей знания геометрических характеристик фильтра, физикохимических свойств пластовой жидкости и гранулометрического состава твердой породы.

Простейшая зависимость дебита от перепада давления основана на использовании формулы истечения из затопленного отверстия:

где и - скорость истечения из отверстия; ц - коэффициент расхода; ^ - скважность фильтра; J5 - перепад давления на фильтре; р - плотность флюида.

Произведение коэффициента расхода на скважность фильтра является гидравлическим параметром фильтра, характеризующим его конструктивные особенности [2].

X = \Щ (2)

Данный параметр считается переменной величиной, изменяющейся по длине фильтра в зависимости от состава, свойств контактирующей породы и режимов притока.

Прогнозировать реальное значение гидравлического параметра фильтра X в скважинных условиях с достаточной достоверностью сложно. Гидравлические характеристики фильтра значительно меняются в контакте с породой. В. С. Алексеевым были получены данные разброса значений гидравлического параметра для фильтров одинаковой конструкции при контакте с породой различного гранулометрического состава (табл. Г).

Таблица 1. Значения гидравлического параметра для фильтров одинаковой конструкции при контакте с породой различного гранулометрического

состава

Из гидравлики известно, что коэффициенты сопротивления меняются с изменением режима движения потока, характеризующегося числом Рейнольдса. С увеличением скорости движения потока коэффициент сопротивления уменьшается. Следовательно, по длине фильтра коэффициент сопротивления или гидравлический параметр будет меняться даже при одинаковом эффекте наложения частиц.

Проанализируем обобщенную модель движения потока в фильтре в общем виде. Закон сопротивления при обтекании потоком любых тел описывается зависимостью [3]

Fc =cpnpdu cpTpdV ^

где Fc - сила гидродинамического сопротивления; срл, срх - коэффициент соответственно ламинарного и турбулентного сопротивления обтеканию; d - размер структурного элемента фильтра; ц, р - соответственно вязкость и плотность пластового флюида; и - скорость обтекания.

Перепад давления можно определить по формуле

т ФлМ-и 2 J5 =^— сртри

d (4)

Решая квадратное уравнение (4), получаем общий вид зависимости скорости от перепада давления на фильтре

При ламинарном потоке скорость истечения через фильтр определяется только линейным членом

d- J5

ФлР (6)

а при турбулентном истечении - квадратичным членом

о =

(7)

В разных сечениях фильтра обычно наблюдается и тот и другой режим истечения из отверстий, поэтому нельзя рассматривать только ламинарный или только турбулентный режим. Ламинарный режим характерен для сечений с низкими скоростями фильтрации (в нижних областях фильтра), а турбулентный - для сечений наиболее обильного притока.

Сопоставляя выражение (1) с равенствами (6) и (7), можно сделать вывод, что ^ — ^ в зависимости от режима фильтрации будет меняться от

значений ^ “ з/фт (турбулентный режим) до ^ (У(флр)-х/р37

ный режим) [3].

фильтрации фл, фт, каждый из которых в своей области достоверно описывают процесс движения потока в фильтре.

Список литературы

Акулыпин А.А., Филатова С.А., Акулыпин Ал.Ан. К вопросу о качестве сооружения и долговечности эксплуатации скважин на воду // Молодежь и XXI век - 2012 материалы IV Международной молодежной научной конференции. - Курск, 2012. С. 49- 52.

Бочевер Ф.М., Гармонов И.В., Лебедев А.В., Шестаков В.М. Основы гидрогеологических расчетов - М.: Недра, 1965. - 307 с.

Башкатов А.Д. Прогрессивные технологии сооружения скважин. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. - 554 с.

УДК 692.4:620.19

Количество показов: 1107