Экспериментальное исследование амплитудно-частотных параметров кавитационных колебаний жидкости Текст научной статьи по специальности «Физика»

© НИ. Сердюк, 2005

УДК 622.243 Н.И. Сердюк

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНО- ЧАСТОТНЫХ ПАРАМЕТРОВ КАВИТАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ ЖИДКОСТИ

~Ж~Ґ роникновение фильтрата и шлама,

АЛ осаждение железа, марганца и др. элементов распространяется на десятки сантиметров от оси скважины [3]. Поэтому большое практическое значение имеет определение радиуса эффективного разрушающего действия амплитудно-частотных составляющих кавитационных колебаний жидкости, способных разрушить кольматант и восстановить эффективную пористость (пропускную способность) продуктивного пласта.

С учетом изложенного основная цель исследований заключалась в определении скорости затухания частоты и амплитуды кавитационных колебаний жидкости в среде водоносного горизонта. Основные задачи исследований предусматривали разработку методики и экспериментального стенда (рис. 1, 2), позволяющих измерять амплитудно-частотные характеристики гидродинамических кавитационных колебаний жидкости в условиях близких к условиям реальной буровой скважины.

Стенд позволяет создавать давление в кавитационной трубе от 0 до 1 МПа при расходе промывочной жидкости от 0 до 160 дм3/мин. При проведении экспериментов предусматривалась возможность изменения критического сечения кавитатора.

Для выведения экспериментальной установки на рабочий режим гидродинамический генератор кавитационных колебаний (кавитатор), представляющий собою трубку Вентури, оборудован специальными съемными втулками, изменяю-

щими критическое сечение кавитатора.

Диаметры втулок подобраны таким образом, чтобы в сочетании с дискретным количеством жидкости, подаваемым буровым насосом НБ-3-160/63, в критическом сечении кавитатора создавались скорости движения жидкости, обеспечивающие падение давления до величин, сопоставимых с давлением насыщенного пара при котором происходит зарождение кавитационных пузырьков. Диаметры критического сечения рассчитывались на компьютере.

-и -----------------Г

12

22

Рис. 1. Схема стенда, предназначенного для исследования радиуса эффективного действия амплитудно-частотных составляющих кавитационных колебаний жидкости: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 - датчики давления жидкости; 9 - герметичная кавитационная труба, заполненная водой и обводненным песком; 10 - зумпф; 11 и 11а - соответственно, всасывающая и нагнетательная магистрали; 12 и 12а - соответственно, буровой (плунжерный) и погружной (центробежный) насосы; 13 - вода; 14 - обводненный песок; 15 - водопроницаемая ткань; 16 - дроссель, регулирующий давление жидкости в линии слива герметичной кавитационной трубы; 17 - кавитатор; 18 - предохраняющая сетка; 19 - манометры; 20 - осциллограф; 21 - частотомер; 22 - персональный компьютер, 23-трехходовой кран; 24-фильтр

частота колебаний

В качестве материала имитирующего водо-

давления

а)

запись с 5-го датчика,

запись с 4-го датчика,

расположенного в обводненном песке расположенного в обводненном песке

(/=0,85м)

(/=0,68м)

запись с 3-го датчика,

запись со 2-го датчика,

расположенного в обводненном песке расположенного в воде

(/=0,51 м)

(/=0,34м)

относительная амплитуда

0.8 1 расстояние от кавитатора, и

частота

Рис. 2. Внешний вид кавитационного стенда

носный горизонт использовался песок фракции 0,3 - 0,5 мм.

Исходные условия эксперимента: Q = 160 дм3 /мин; Р1=1,5 МПа; Р2= (0,6-0,7) МПа; ёвх = 38 мм; ёкр = 6 мм; 1кр = 12 мм; ёвых = 60 мм; в = 20°.

Захлопывание пузырьков воздуха, образующихся в критическом сечении, предположительно должно было осуществляться в диффузоре кавитатора за счет увеличения давления. Для повышения вероятности эффекта захлопывания пузырьков производилось плавное изменение в кавитационной трубе от 0 до 1,0 МПа с помощью дросселя регулятора. Давление на входе в ка-витатор определялось расходом промывочной жидкости и диаметром втулок кавитатора, составляло 1,5 МПа и оставалось неизменным на протяжении всего эксперимента. Продолжительность эксперимента составляла двадцать минут.

Регистрация изменения амплитудно-частотных характеристик гидродинамических колебаний жидкости осуществлялось путем визуальных наблюдений за манометрами, подключенными к датчикам давления жидкости и записей характера колебаний осциллографом, частотомером и компьютером (рис. 1).

Заведомо безкавитационный режим течения жидкости получали посредством удаления ка-витатора из системы.

В результате экспериментов были установлены закономерности изменения амплитудно-

Рис. 3. Характер и зависимость изменения амплитуды и частоты кавитационных колебаний жидкости от расстояния и среды распространения

частотных характеристик гидродинамических кавитационных колебаний жидкости, изображенные на рис. 3.

Измерения и сравнения амплитуды и частоты на стенде (рис. 1) производились в двух средах: чистой воде и в водонасыщенном песке. Записи сигналов с угольных датчиков давления осуществлялись на различном удалении от кавитатора (рис. 3а). На данных рисунках верхние диаграммы соответствуют большей скорости «протяжки». «Протяжка» -термин применяемый условно, т.к. регистрация сигналов осуществлялась через АЦП с выводом результатов на монитор компьютера. Результаты обработки сигналов представлены на рис. 3б. Они свидетельствуют о заметном затухании амплитуды и частоты в водонасыщенном песке, что подтверждает вывод о перераспределении долей поглощаемой энергии

между водой и частицами горной породы. Полученные данные по амплитудам колебаний хорошо апроксимируются кривой вида у=а-ехр(-кх), где а = 2,55, а коэффициент затухания к=-0,85.

В водонасыщенной горной породе значительная часть энергии кавитационных импульсов перестает распространяться на значительное расстояние по воде. Она начинает поглощаться горной породой путем переук-ладки частиц. С учетом незначительных размеров зон кольматации (до 30 см) можно сделать заключение об избирательном воздействии кавитации именно на данную зону, т.к. половина энергии создаваемой кавитационными импульсами поглощаются именно в зоне кольматации.

1. Ганин И.П., Сердюк Н.И. Кавитация и возможности ее применения в горном деле и геологоразведке. Геология и разведка, № 3, 1996, - М., МГГА, 1996.

2. Пилипенко В.В. Кавитационные автоколебания. - Киев, Наукова думка, 1989.

3. Сердюк Н.И. Исследование причин снижения

производительности водозаборных скважин. -М.:

ВНИИОЭНГ, 2004,70 с.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Сердюк Н. И. Кавитационные способы де-кольматажа фильтровой области буровых скважин. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2004. - 176 с.

5. Сердюк Н.И. Исследование разрушающего действия кавитации с целью ее использования при освоении и эксплуатации водозаборных скважин. -М.: ВНИИОЭНГ, 2004, 76 с.

— Коротко об авторах

Сердюк Николай Иванович - кандидат технических наук, доцент кафедры разведочного бурения Московский геологоразведочный университет, член-корреспондент РАЕН.