СПОСОБ КАВИТАЦИИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F15D1/02 

Изобретение относится к области гидромеханики, преимущественно связанной с нефтегазовой отраслью промышленности, а также может быть использовано в других целях, например для уничтожения микробиологических объектов, для очистки поверхностей от наслоений, для эрозионного разрушения металлов, для ускорения химических реакций, для диспергирования твердых частиц в жидкости и высокомолекулярных соединений, для эмульгирования нерастворимых веществ и в других процессах для эффективного внутреннего массообмена.

Известен способ кавитации (вибрационный), заключающийся в том, что колеблющееся тело (например, магнитострикционный вибратор) создает волны давления и разрежения в окружающей жидкости. При определенных ускорениях (частотах колебаний) давление в фазе разрежения снижается до атмосферного, т.е. происходит разрыв сплошности жидкости и образуется кавитационная каверна, которая в противофазе схлопывается. (Пирсол И. Кавитация. - М.: Мир, 1975, с. 9-16.)
Основные недостатки аналога состоят в том, что зона кавитации (разрыва жидкости) ограничена областью возмущения и примыкает к колеблющемуся телу, хотя колебания давления распространяются далеко в жидкость; зона кавитации находится в стационарном состоянии; с ростом гидростатического (внешнего) давления разрывы жидкости становятся невозможными.

Наиболее близким техническим решением по исполнению к заявляемому изобретению является способ кавитации потока жидкости, известный как гидродинамический, включающий прокачку жидкости в канале нагнетательного трубопровода и размещение в нем кавитирующего устройства (например, плохообтекаемое тело), в тыловой части которого возникает зона пониженного давления. При некоторой критической скорости потока давление в тыловой зоне снижается до атмосферного, в результате чего здесь образуются пузырьки, заполненные газом или паром, а затем каверна. При отрыве пузырьков или каверн от кавитатора они попадают в область повышенного давления потока и схлопываются, совершая при этом определенную работу, которую можно использовать как полезную, например для очистки внутренней поверхности канала от слоя коррозии или карбонатного осадка. (Кнэпп P., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. - М.: Мир, 1974, с. 13-35.)
Недостатками прототипа являются следующие: зона кавитации возникает при определенных значениях скорости потока и окружающего гидростатического давления; зона кавитации (каверна) локализована и формируется около тела обтекания (кавитатора) и находится в стационарном состоянии; невозможно получить разрывы жидкости (каверны) при больших гидростатических давлениях, например в глубоких скважинах.

Известно устройство для кавитации потока жидкости, которое выполнено в виде преграды, жестко закрепленной на пути движения потока. (US 4262757.)
Основным недостатком этого устройства является то, что для разрыва потока, согласно числу кавитации, необходимы слишком высокие скорости прокачки жидкости, которые не всегда можно получить, особенно в глубоких скважинах или протяженных трубопроводах; при больших значениях внешнего гидростатического давления, например в глубоких скважинах, получить кавитацию с помощью подобных устройств вообще не представляется возможным.

Наиболее близким техническим решением по исполнению к заявляемому является устройство для кавитации потока жидкости в нагнетательном трубопроводе, содержащее кавитатор в виде шара, жестко закрепленного на стержне в тыловой части набегающего потока. (Дейли Дж., Харлеман Д. Механика жидкости. - М.: Энергия, 1971, с. 418-424.)
Основные недостатки прототипа состоят в том, что шар занимает менее 0,8 площади поперечного сечения канала и находится в неподвижном состоянии, следовательно, для получения кавитации и образования кавитационной каверны требуются либо очень высокие скорости прокачки жидкости, либо искусственное снижение давления в трубопроводе (как это делается в гидродинамических установках для моделирования кавитации); в случае получения кавитации и образования кавитационной полости последняя не будет отрываться от кавитатора, так как находится в стационарном состоянии, вследствие чего нельзя получить эффективного воздействия кавитации на посторонние тела в фазе коллапса пузырьков и каверн; избыточное внешнее или внутреннее давление приводит к вырождению кавитации - кипению жидкости за кавитатором, где будет иметь место лишь зона пониженного давления.

Задачей изобретения является возможность создания кавитации при больших гидростатических давлениях, например в глубоких скважинах.

Поставленная задача решается тем, что в способе кавитации потока жидкости, включающем прокачку жидкости в канале нагнетательного трубопровода и размещение в нем кавитирующего устройства в сечении канала, где установлен кавитатор, поток жидкости разгоняют до скорости, при которой Re > Re_кр., а затем в том же сечении трубопровода осуществляют прерывание потока с периодом меньше полуфазы гидроудара с помощью рабочего тела, размещенного в канале трубопровода с возможностью его радиального перемещения и ограничением осевого перемещения, где Re - число Рейнольдса; Re_кр. - критическое число Рейнольдса.

За счет этого прерывания, полного или частичного, получают разрывы потока. Выбор периода прерывания меньше полуфазы гидроудара исключает гидравлический удар, опасный для разрыва нагнетательной части трубопровода.

Поставленная задача может также решаться тем, что в способе кавитации потока жидкости в прокачиваемую жидкость вводят зародыши кавитации в виде пузырьков газа, или дисперсии твердых частиц, или эмульсии нерастворимой жидкости.

Техническим результатом этого способа является облегчение разрыва потока при высоких гидростатических давлениях.

Поставленная задача решается еще и тем, что в устройстве для кавитации потока жидкости в канале нагнетательного трубопровода, содержащем кавитатор, последний выполнен в виде рабочего тела, размещенного в канале нагнетательного трубопровода с возможностью его радиального перемещения в направлении трубопровода и с возможностью ограничения его перемещения в осевом направлении трубопровода, при этом площадь максимального поперечного сечения рабочего тела в плоскости, перпендикулярной оси трубопровода, составляет более 0,8 проходного сечения канала, но не равна ему.

На фиг. 1-4 показано устройство для реализации способа, в котором рабочее тело выполнено в форме шара.

На фиг. 5-8 - рабочее тело выполнено в форме конуса.

На фиг. 9-12 - рабочее тело выполнено в форме цилиндра.

На фиг. 13 показана осцилограмма пульсаций давления.

Устройство для кавитации потока жидкости в канале 1 нагнетательного трубопровода содержит кавитатор, выполненный в виде рабочего тела 2, опоры 3 и гибкой связи 4, которая может быть выполнена в виде пружины, ограничивающей перемещение в осевом направлении.

На фиг. 1, 5, 9 рабочее тело 2 расположено на опоре 3, на фиг. 2, 6, 10 рабочее тело 2 связано с опорой 3 гибкой связью 4, на фиг. 3, 7, 11 рабочее тело 2 связано с опорой 3 гибкой связью 4, выполненной в виде пружины, и расположено под опорой, на фиг. 4, 8, 12 рабочее тело 2 связано с опорой 3 гибкой связью 4, выполненной в виде пружины, и расположено над опорой.

Способ кавитации потока жидкости осуществляют следующим образом. Прокачивают жидкость в канале 1 нагнетательного трубопровода, в котором размещен кавитатор, выполненный в виде рабочего тела 2. В сечении канала 1, где установлен кавитатор, поток жидкости разгоняют до скорости, при которой Re > Re_кр., а затем в том же сечении канала 1 трубопровода осуществляют прерывание потока с периодом меньше полуфазы гидроудара с помощью рабочего тела 2, размещенного в канале 1 трубопровода с возможностью его радиального перемещения и ограничением осевого перемещения с помощью опоры 3 или опоры 3 и гибкой связи 4.

При этом для облегчения разрыва потока при высоких гидростатических давлениях в прокачиваемую жидкость вводят зародыши кавитации в виде пузырьков газа, или дисперсии твердых частиц, или эмульсии нерастворимой жидкости.

О разрыве потока жидкости и образовании каверн свидетельствует представленная на фиг. 13 осцилограмма пульсаций давления, полученная в стендовых условиях, где безинерционные датчики давления - верхний и нижний, были установлены над рабочим телом 2, выполненным в форме шара, в экспериментах был использован стальной шар диаметром 76 мм, свободно посаженный на жесткой опоре 3 с перекрытием канала 1, равным 0,85 площади его поперечного сечения. Прокачка жидкости в канале 1 нагнетательного трубопровода осуществлялась насосной установкой с расходом жидкости, равным 13,6 л/с, давление на удалении более 3 м от рабочего тела 2 вверх по потоку равно 40 кгс/см². Разрыв потока - образование кавитационных каверн - отражается на кривой записи нижнего датчика давления, переходящей на линию нулевого давления.

Для кавитатора, подвешенного или посаженного на опоре 3 через гибкую связь 4 в виде пружины, появляется возможность более полного отрыва кавитационных каверн от рабочего тела 2 вследствие продольных колебаний последнего.

Важным преимуществом данного способа является то, что кавитация потока с помощью предложенного устройства, установленного, например, на нижнем конце нагнетательной колонны, производит выброс каверн в скважину, где происходит их схлопывание, в то время как положительная часть импульса остается в канале. Схлопывание каверн обеспечивает удаление из пласта кольмантов, создающих закупорку флюидоподводящих каналов.

Способ и устройство могут быть использованы для воздействия на нефтяные пласты с целью повышения притоков или приемистости продуктивных объектов в скважине, для воздействия на забой скважины при бурении с целью интенсификации процесса разрушения проходимых горных пород, для уничтожения микробиологических объектов, для очистки поверхностей от наслоений, для эрозионного разрушения металлов, для ускорения химических реакций, для диспергирования твердых частиц в жидкости и высокомолекулярных соединений, для эмульгирования нерастворимых веществ и в других процессах для эффективного внутреннего массообмена. Способ кавитации является гидродинамическим. Поток в данном сечении канала нагнетательного трубопровода разгоняют до скорости, при которой Re > Re_кp, где Re - число Рейнольдса, Rе_кр - критическое число Рейнольдса, а затем осуществляют прерывание потока с периодом меньше полуфазы гидроудара. За счет этого получают разрывы потока. Устройство для кавитации потока жидкости в канале нагнетательного трубопровода содержит кавитатор, который выполнен в виде рабочего тела. Рабочее тело размещено в корпусе с возможностью перемещения его в радиальном направлении трубопровода и ограничением перемещения в осевом направлении трубопровода. Площадь максимального поперечного сечения рабочего тела в плоскости, перпендикулярной оси трубопровода, составляет более 0,8 проходного сечения трубопровода, но не равна ему. Для облегчения разрыва потока при высоких гидростатических давлениях в прокачиваемую жидкость вводят зародыши кавитации в виде пузырьков газа, или дисперсии твердых частиц, или эмульсии нерастворимой жидкости. Технический результат - получение кавитации при высоких гидростатических давлениях. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ кавитации потока жидкости, включающий прокачку жидкости в канале нагнетательного трубопровода и размещение в нем кавитатора, отличающийся тем, что в сечении канала, где установлен кавитатор, поток жидкости разгоняют до скорости, при которой Re > Re_кр., а затем в том же сечении канала осуществляют прерывание потока с периодом меньшей полуфазы гидроудара с помощью рабочего тела, размещенного в канале, где Re - число Рейнольдса, Re_кр. - критическое число Рейнольдса. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в прокачиваемую жидкость вводят зародыши кавитации в виде пузырьков газа, или дисперсии твердых частиц, или эмульсии нерастворимой жидкости. 3. Устройство для кавитации потока жидкости в канале нагнетательного трубопровода, содержащее кавитатор, отличающееся тем, что кавитатор выполнен в виде рабочего тела, размещенного в канале нагнетательного трубопровода с возможностью его радиального перемещения и возможностью ограничения его осевого перемещения, при этом площадь максимального поперечного сечения рабочего тела в плоскости, перпендикулярной оси трубопровода, составляет более 0,8 проходного сечения канала, но не равна ему.