CC BY
54
г и д р о э н е р г е т и к а
УДК 628.112
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН ДАВЛЕНИЯ ПРИ ГАЗОИМПУЛЬСНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ФИЛЬТРОВ СКВАЖИН
Канд. техн. наук, доц. ИВАШЕЧКИН В. В., канд. физ.-мат. наук, доц. ВЕРЕМЕНЮК В. В., инж. КОНДРАТОВИЧ А. Н.
Белорусский национальный технический университет
При газоимпульсной регенерации фильтров скважин во взрывной камере, находящейся в полости очищаемого фильтра, создают подводный газовый взрыв, который является источником импульса давления, распространяющегося в радиальном направлении от центра взрыва [1]. Импульс давления должен обеспечить разрушение отложений на фильтре и в при-фильтровой зоне на глубину распространения кольматации. Это требует знания закономерностей затухания волны давления по всему пути ее распространения.
Цель настоящей работы - экспериментальное исследование особенностей распространения волн давления при подводном газовом взрыве и сопоставление полученных результатов с теоретическими расчетами, методика которых изложена в [2].
Экспериментальные исследования распространения волн давления от подводного газового взрыва производились на примере взрыва водородно-кис-лородной газовой смеси (ВКГС) на экспериментальной установке (рис. 1), состоящей из радиального фильтрационного лотка диаметром 1,22 м и высотой 0,5 м, внутри которого устанавливалась модель фильтра совершенной по степени вскрытия пласта водозаборной скважины.
Фильтр скважины (ТУ 51-644-74) представлял собой трубчатый стальной каркас внутренним диаметром 125 мм (5 дюймов) и наружным диаметром 133 мм. Диаметр отверстий в каркасе составлял 12 мм. Отверстия располагались в шахматном порядке. Снаружи каркаса приваривались продольные стержни диаметром 6 мм, по которым снаружи наматывалась проволочная обмотка из оцинкованной проволоки диаметром 2 мм с зазором 1,5 мм. Таким образом, средняя толщина стенки фильтра с обмоткой 5ф =10 мм, внутренний радиус фильтра Дф = 6,3 см, а наружный До = Лф +5ф = 7,3 см.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - напорный бак; 2 - фильтр скважины; 3 - водовмещающий грунт; 4 - глиняный замок; 5 - кольцевой бьеф; 6 - взрывная камера; 7 - свеча поджига; 8 - зубчатая рейка с подъемным механизмом; 9 - электролизер; 10 - источник тока; 11 - датчик давления; 12 - запоминающий осциллограф
Фильтрационный лоток загружался однородным кварцевым песком (ТУ РБ 100016844.241-2001), который был искусственно закольматирован природными железистыми отложениями. Коэффициент фильтрации за-кольматированного песка, измеренный на приборе Дарси, составил: к = = 311 м/сут. = 3,6 • 10-3 м/с, коэффициент пористости п = 0,3. Во избежание защемления воздуха песок закладывался в воду с послойным трамбованием. Постоянная степень уплотнения песка в ходе экспериментов обеспечивалась глиняным замком толщиной 0,1м, уложенным по всей площади поверхности песка. Таким образом, модель напорного пласта имела мощность т = 0,4 м. Уровень воды во время опытов находился на отметке верха глиняного замка и поддерживался постоянным.
Коэффициент пьезопроводности а модели пласта определяли по формуле (6) [2]. Значения модулей деформации воды и пласта принимали соответственно равными Ев = 2 • 109 Па, Епл = 33 МПа по [3, табл. III. 2] для песков средней крупности и гравелистых средней плотности сложения. При начальной пористости пласта: п0 = п = 0,3; к = 3,6 • 10-3 м/с, величина коэффициента пьезопроводности а = 12 м2/с.
В опытах по измерению импульсов давлений в качестве приемного устройства использовали гидрофоны с чувствительным элементом из пьезоке-рамики ЦТС-19 высотой 19 мм, наружным диаметром 1,4 мм и толщиной стенки 0,35 мм с наименьшей собственной частотой до 0,3 МГц. Гидрофоны градуировались методом «скачка давления» [1, 4]. Чувствительность гидрофонов составила 0,8-0,9 В/бар. В качестве регистратора использовался запоминающий осциллограф С8-13. Регистрируемый на его экране импульс напряжения фотографировался цифровым фотоаппаратом и расшифровывался. Для повышения надежности запуска развертки осциллографа применялся запускающий гидрофон.
В опытах использовали три типа взрывных камер (ВК): сферическую с эластичной оболочкой, открытую снизу цилиндрическую с плоским отражателем, цилиндрическую с эластичной оболочкой. Давление в волне от каждой взрывной камеры фиксировалось на стенке фильтра и в различных точках прифильтровой зоны.
В общем случае параметры волны давления в заданной точке при-фильтровой зоны зависят от геометрии взрывной камеры, соотношения размеров камеры и фильтра, интенсивности затухания волны в кольцевом
9 10
зазоре между стенками камеры и фильтра, а также от степени снижения давления фильтром и интенсивности затухания волны в грунте.
На первом этапе исследований определялась степень снижения давления фильтром скважины, характеризуемая коэффициентом в:
р=АЧ (1)
АР1
где Ар1н, Ар1 - амплитуды первого пика давления на наружной и на внутренней поверхностях фильтра, определяемые экспериментально с помощью гидрофонов.
Опытное значение коэффициента в для фильтра с проволочной обмоткой на трубчатом перфорированном каркасе: в = 0,23.
Учитывая, что при распространении волны давления в кольцевом зазоре между взрывной камерой и внутренней поверхностью фильтра амплитуда давления падает быстрее, чем по акустическому закону, для каждой взрывной камеры отдельно определяли параметры, характеризующие интенсивность падения волны в кольцевом зазоре.
На последнем этапе экспериментально определяли интенсивность затухания давления в прифильтровой зоне скважины с сопоставлением полученных результатов с теоретическими расчетами по методике [2].
Сферическая взрывная камера с эластичной оболочкой. В опытах использовалась камера сферической формы в виде баллона из пластизола (ТУ 33.1-24681750-003-2001) с наружным радиусом Я1 = 3 см и толщиной оболочки 5 = 2,2 мм. Запускающий датчик находился под камерой.
Сигнал давления, зафиксированный гидрофоном на внутренней поверхности фильтра и в прифильтровой зоне напротив центра сферической взрывной камеры, представлен на рис. 2.
а б
* 11Ш1ШШ
¡1: •■'У 1 ИЛ
п ■ V
53 в у
Рис. 2. Осциллограммы давления, зафиксированные на внутренней поверхности фильтра (0,5 В/дел.; 0,5 мс/дел.) и в грунте прифильтровой зоны Я = 15,3 см (0,1 В/дел.; 0,5 мс/дел.) при взрыве ВКГС в сферической взрывной камере с эластичной оболочкой Я1 = 3 см,
5 = 2,2 мм
Импульс давления на стенке фильтра (рис. 2а) состоит из первого пика давления с амплитудой Ар1 и фазой сжатия длительностью 0,5 мс, фазы разряжения длительностью 1,5 мс и второго пика давления, вызванного схлопыванием продуктов взрыва, примерно в три раза меньшего по величине первого пика. Характер изменения давления от времени в полости фильтра соответствует теоретическим исследованиям пульсаций продук-
тов взрыва в сферических оболочках [5]. Сравнение двух осциллограмм (рис. 2) показывает, что наряду с затуханием амплитудных характеристик, в грунте происходят некоторое сглаживание пиков давления и увеличение длительности фазы сжатия волны. Это согласуется с теоретическими исследованиями процесса распространения волн давления в пористой среде [2].
Для определения показателя степени 5, учитывающего интенсивность падения давления в кольцевом зазоре между взрывной камерой и стенкой фильтра, использовалось выражение для расчета амплитуды Ар1н для сферической взрывной камеры с эластичной оболочкой [2]
АРн =Р
( Л-8^ Я
(т'Ро - Ро), (2)
где т - степень роста давления при взрыве; р0 - окружающее давление на глубине Н в модели фильтра, р0 = ратм + pgH; ратм - атмосферное давление.
Значение 5 выражали из этой формулы и для условий опытов при т' = 10, в = 0,23 оно составило: 5 = 1,5.
Расчет распространения волны давления в грунте производился по методике работы [2] с использованием ЭВМ.
Полузамкнутая открытая снизу цилиндрическая взрывная камера. Полузамкнутая взрывная камера представляла собой открытый снизу цилиндр длиной 11 = 8,5 см, боковая поверхность которого представляла собой резиновый рукав с наружным радиусом Л1 = 2,9 см, толщиной стенки 5 = 3,6 мм. На расстоянии Г = 8,5 см от среза камеры был закреплен плоский отражатель.
Гидрофон находился в грунте напротив середины расстояния между нижним срезом взрывной камеры и отражателем, запуск развертки осуществлялся от внутренней синхронизации. Типичные импульсы давления в грунте прифильтровой зоны представлены на рис. 3.
а б
1 -
1
11 Н)
"7ч:
уп • •
к
Рис. 3. Типичные осциллограммы давления, зафиксированные в грунте прифильтровой зоны при взрыве ВКГС в открытой снизу взрывной камере при 0,1 В/дел.; 2 мс/дел.:
а - Я = 12,3 см; б - 27,3 см
Импульс давления (рис. 3) характеризуется наличием двух основных пиков положительной полярности и фазой разрежения между ними, что
соответствует характеру пульсации продуктов взрыва в полузамкнутых камерах [6].
Значение 5 выражали из формулы для расчета амплитуды Др1н [2]
ДРн =в
' Я-8^
Я
ф
у 1 (тро - Ро X
(3)
где Л - толщина слоя газовоИ смеси в камере.
При т' = 10; в = 0,23 для условий опытов 5 = 1,3.
Расчет распространения волны давления в прифильтровой зоне производился по методике [2] с использованием ЭВМ.
Цилиндрическая замкнутая взрывная камера с эластичной оболочкой. Цилиндрическая взрывная камеры представляла собой цилиндрический стержневой каркас длиной I = 17 см, обтянутый снаружи резиновым рукавом (ТУ 2521-028-05768964-97) толщиной 5 = 1,8 мм и радиусом Я1 = 2,7 см. Гидрофон находился в грунте напротив центра взрывной камеры, запуск развертки осуществлялся от внутренней синхронизации. Типичные импульсы давления в грунте прифильтровой зоны, зафиксированные на расстоянии 7 см (Я = 14,3 см) и 12 см (Я = 19,3 см) за стенкой фильтра, представлены на рис. 4.
Рис. 4. Типичные осциллограммы давления, зафиксированные в грунте прифильтровой зоны при взрыве ВКГС в цилиндрической взрывной камере с эластичной оболочкой при 0,2 В/дел.; 1 мс/дел.: а - Я = 14,3 см; б - 19,3 см
б
а
Импульс давления (рис. 4) характеризуется наличием второго пика давления значительно меньшего, чем первый, что объясняется наличием опорных стержней в опытной камере, которые препятствуют втягиванию оболочки внутрь камеры при схлопывании [7].
Значение 5 выражали из формулы для расчета амплитуды Др1н [2]
ДРн =Р
2 Я, 1п
Я1 -8
(тРо - Ро).
(4)
При т' = 10; в = 0,23 для условий опытов 5 = 1,5.
Теоретические расчеты затухания волны давления в прифильтровой зоне также производились по методике работы [2] с использованием ЭВМ.
На рис. 5 представлено сопоставление теоретических и экспериментальных исследований распространения волны давления в прифильтровой зоне для испытуемых взрывных камер, где на расчетные графики затухания относительной амплитуды Api/po первого пика давления от расстояния R, т. е. Api/p0 = fR), нанесены опытные данные.
APi Po 1,2
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0
25 R, см
Рис. 5. Кривые изменения Др6/р0 = АЩ в грунте прифильтровой зоны при взрывном горении ВКГС: в цилиндрической ВК с эластичной оболочкой: (1 - теория, 2 - эксперимент); в открытой снизу цилиндрической ВК с плоским отражателем; (3 - теория; 4 - эксперимент); в сферической ВК с эластичной оболочкой (5 - теория; 6 - эксперимент) при Щф = 0,063 м; Я0 = 0,073 м; 1ф = = 0,4 м; а = 12 м2/с; в = 0,23
Анализ расчетных и экспериментальных значений Др6/р0 для испытуемых взрывных камер на заданных расстояниях Я от оси фильтра показывает, что относительная погрешность этих величин не превышает 6 %.
Сравнительный анализ кривых Др6/р0 = АЯ) для всех взрывных камер показал, что волна давления, излучаемая цилиндрической взрывной камерой с эластичной оболочкой имеет наибольшие амплитудные и временные характеристики, а следовательно - и наибольший импульс давления, определяемый как площадь под кривой Др6/р0 = А/). Кроме того, эта волна, в силу своей цилиндрической геометрии, имеет наименьшую интенсивность затухания. Волна давления, излучаемая сферической ВК с эластичной оболочкой, по амплитудным и временным характеристикам более чем в два раза уступает волне, излучаемой цилиндрической ВК с эластичной оболочкой и обладает более высокой интенсивностью затухания. Практически такими же параметрами обладает волна, излучаемая открытой снизу цилиндрической ВК с плоским отражателем.
R
В Ы В О Д Ы
1. Экспериментально определены значения: степени снижения давления в для фильтра с проволочной обмоткой на трубчатом перфорированном каркасе, в = 0,23; показателя степени 5, учитывающего интенсивность падения давления в кольцевом зазоре между взрывной камерой и стенкой фильтра, для испытуемых взрывных камер 5 = 1,3-1,5.
2. Проведенные экспериментальные исследования характера распространения волн давления в грунте прифильтровой зоны, генерируемых различными источниками, показали хорошее совпадение с результатами теоретических расчетов на базе математической модели [2], основанной на решении уравнения Карслоу [8].
3. Сравнительными экспериментами установлено, что создаваемая цилиндрической взрывной камерой с эластичной оболочкой волна давления имеет более высокую амплитуду, длительность и величину импульса давления и меньшую интенсивность затухания в грунте прифильтровой зоны.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. И в а ш е ч к и н, В. В. Газоимпульсная технология восстановления пропускной способности фильтров водозаборных скважин / В. В. Ивашечкин; под ред. А. Д. Гуриновича. -Минск: БНТУ, 2005. - 270 с.
2. И в а ш е ч к и н, В. В. Методика расчета распространения импульсов давления при газоимпульсной регенерации фильтров водозаборных скважин / В. В. Ивашечкин, В. В. Ве-ременюк // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2010. -№ 2. - С. 69-76.
3. П р о е к т и р о в а н и е водозаборов подземных вод /А. И. Арцев [и др.]; под ред. Ф. М. Бочевера. - М.: Стройиздат, 1976. - 291 с.
4. Э л е к т р о г и д р о и м п у л ь с н о е формообразование с использованием замкнутых камер / В. Н. Чачин [и др.]. - Минск: Наука и техника, 1985. - 199 с.
5. И в а ш е ч к и н, В. В. Расчет пульсаций продуктов сферического подводно го газового взрыва в скважине / В. В. Ивашечкин, В. В. Веременюк // Энергетика. (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2008. - № 4. - С. 77-82.
6. И в а ш е ч к и н, В. В. Гидродинамика подводного газового взрыва в полузамкнутой камере, находящейся в скважине / В. В. Ивашечкин, В. В. Веременюк // Энергетика. (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2009. - № 1. - С. 74-81.
7. И в а ш е ч к и н, В. В. Расчет пульсаций продуктов цилиндрического подводного газового взрыва в скважине / В. В. Ивашечкин, В. В. Веременюк // Энергетика. (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2008. - № 2. - С. 79-90.
8. К а р с л о у, Г. Теплопроводность твердых тел / Г. Карслоу, Д. Егер. - М.: Наука, 1974. - 487 с.
Представлена кафедрой гидравлики Поступила 02.12.2009
