СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ДАВЛЕНИЯ В ПОТОКЕ ЖИДКОСТИ
METHOD AND DEVICE TO GENERATE PRESSURE OSCILLATIONS IN FLUID FLOW

Изобретение относится к  нефтедобывающей промышленности, а также может быть использовано в  химической промышленности при получении эмульсий.
Известен способ генерации колебаний давления в потоке жидкости, ближайший по технической сущности и принятый в качестве прототипа, реализованный в устройстве (см. заявку №4224723/03 от 26.01.1987, опубл. 04.12.2003г., патент №1450448), заключающийся в том, что плоскую струю жидкости подают из щелевого сопла на острый клин,  отклоняют струю жидкости в один из двух расходящихся каналов и понижают таким образом статическое давление в заполненном жидкостью канале; создают перепад давления между заполненным и незаполненным каналами; обеспечивают периодическое переключение направления струи жидкости между расходящимися каналами; выталкивают жидкость попеременно из расходящихся каналов в общий перфорированный выходной коллектор.
Этот способ генерации колебаний давления в потоке жидкости в выходном коллекторе за генератором основан на попеременном отклонении струи жидкости в один из двух расходящихся рабочих каналов. При этом статическое давление в заполненном канале уменьшается на величину скоростного напора, а в незаполненном канале статическое давление приближается по величине к полному давлению, поскольку оба  рабочих канала выходят в общий коллектор.
Плоскую струю жидкости подают из щелевого сопла на плоский острый клин, установленный на некотором расстоянии от сопла. Вследствие внутренней неустойчивости струя в первый момент при натекании на острие клина самопроизвольно отклоняется в один из расходящихся рабочих каналов. При натекании струи на острую выходную кромку резонаторной камеры часть потока отклоняется внутрь камеры и давление в ней повышается, вследствие чего струя выталкивается избыточным давлением в противоположную сторону и попадает в другой рабочий канал. В этот момент в выходном коллекторе наблюдается скачок давления.
Интегральные параметры потока жидкости в перфорированном выходном коллекторе определяются параметрами потока, поочередно выходящего из рабочих каналов. Но параметры потока в рабочих каналах практически одинаковые, и давление в коллекторе равно давлению торможения или полному давлению в любом из потоков. Колебания давления в коллекторе возникают лишь вследствие образования импульсов расхода, возникающих из-за некоторого запаздывания непрерывного потока в процессе проталкивании покоящегося столба жидкости из незаполненного рабочего канала в момент переключения каналов.
Недостатком способа генерации колебаний давления, взятого за прототип, является малая амплитуда колебаний давления в выходном коллекторе вследствие недостаточной эффективности использования перепада давления между рабочими каналами.
Известен гидродинамический генератор колебаний в потоке жидкости (см. патент США №5165438), состоящий из щелевого сопла; клина и двух плоских расходящихся каналов, выходящих в общий коллектор и сообщающихся между собой при помощи транспортного канала, выполненного на некотором расстоянии от кромки клина.
Щелевое входное сопло расположено перед передней кромкой клина, боковые стенки которого образуют внутренние стенки двух расходящихся рабочих каналов. На некотором расстоянии от входа рабочие каналы соединены  между собой транспортным каналом. При уменьшении статического давления в заполненном канале жидкость из незаполненного канала эжектируется через транспортный канал. При этом уменьшение давления в незаполненном канале заставляет струю жидкости отклониться в свою сторону. Переключение струи между рабочими каналами повторяется периодически.
Недостатком устройства является соединение рабочих каналов  транспортным каналом и вследствие этого небольшой перепад давления между рабочими каналами.
Известен гидродинамический генератор колебаний в потоке жидкости, ближайший по технической сущности и взятый за прототип (см. заявку №4224723/03 от 26.01.1987, опубл. 04.12.2003г., патент №1450448),  состоящий из щелевого сопла; острого клина; двух плоских расходящихся каналов, выходящих в общий перфорированный выходной коллектор, и двух камер-резонаторов с острой выходной кромкой, расположенных с двух сторон между соплом и расходящимися каналами.
На определенном расстоянии от плоского входного сопла в плоскости симметрии установлен плоский острый клин, направленный навстречу струе, и наклон граней клина к оси устройства в проекции на секущую плоскость одинаков.
Грани клина представляют собой внутренние стенки плоских расходящихся рабочих каналов, а между внешними стенками каналов и входным соплом расположены резонирующие камеры. У резонирующих камер в области сопряжения с внешними стенками рабочих каналов выполнены острые кромки, направленные навстречу потоку. За рабочими каналами установлен выходной перфорированный коллектор.
Недостатком генератора, взятого за прототип, является конструкция с сообщающимися рабочими каналами через выходной коллектор и  невозможность использовать перепад давления, создаваемый между заполненным и незаполненным рабочими каналами.
Технический результат достигается за счет того, что в способе генерации колебаний давления в потоке жидкости, заключающемся в том, что плоскую струю жидкости подают из щелевого сопла на острый клин,  отклоняют струю жидкости в один из двух расходящихся каналов и понижают таким образом статическое давление в заполненном жидкостью канале; создают перепад давления между заполненным и незаполненным каналами; обеспечивают периодическое переключение направления струи жидкости между расходящимися каналами; выталкивают жидкость попеременно из расходящихся каналов в общий перфорированный выходной коллектор в выходном коллекторе, заполненном жидкостью, создают волны сжатия и разрежения за счет возвратно-поступательного движения поршня, приводимого в движение перепадом давления между расходящимися каналами, причем при наличии потока жидкости в одном из каналов поршень перемещается в одну сторону, а переключение потока в другой канал приводит к перемещению поршня в обратном направлении.
В генераторе колебаний давления, состоящем из щелевого сопла; острого клина; двух плоских расходящихся каналов, выходящих в общий перфорированный выходной коллектор, и двух камер-резонаторов с острой выходной кромкой, расположенных с двух сторон между соплом и расходящимися каналами, перед выходным коллектором установлен гидроцилиндр с днищем и двумя поршнями, соединенными штангой, проходящей через днище гидроцилиндра, причем в гидроцилиндре выполнены два разнесенных окна, соединенных каждый со своим расходящимся каналом, а поршни установлены так: один - в гидроцилиндре между окнами, а второй - в выходном коллекторе.
Второй поршень может быть установлен в выходном коллекторе в открытом перфорированном стакане, примыкающем к днищу гидроцилиндра.
Предложенный способ генерирования колебаний давления состоит в следующем.
Гидродинамический генератор колебаний давления представляет собой плоское симметричное устройство, плоскость симметрии которого проходит через входное питающее сопло, и содержит плоское входное сопло, острый клин, установленный на некотором расстоянии от сопла таким образом, что острый носик клина расположен  в плоскости симметрии навстречу движению жидкости, а наклон граней клина к плоскости симметрии устройства одинаковый. По обе стороны от клина расположены два расходящихся рабочих канала, причем грани клина образуют внутренние стенки рабочих каналов. Между внешними стенками рабочих каналов и срезом входного сопла расположены две резонирующие камеры, по одной камере на каждый рабочий канал. Резонирующие камеры имеют острую выходную кромку, направленную навстречу потоку жидкости, в том месте, где резонирующая камера сопрягается с внешней стенкой рабочего канала. Рабочие каналы завершаются перфорированным выходным коллектором, установленным в толще нефтеносного пласта.
2
Входное сопло выполняется  щелевым по той причине, что плоская струя обладает большей внутренней неустойчивостью при меньшем числе Рейнольдса. При подаче жидкости на острую кромку клина с достаточной скоростью струя самопроизвольно отклоняется в один из рабочих каналов. При натекании струи на клин с невысокой скоростью она может разделиться на два потока.  При превышении некоторой величины скорости струя самопроизвольно отклоняется в один из каналов вследствие внутренней неустойчивости течения. Статическое давление в том канале, куда устремилась струя, уменьшается на величину скоростного напора (ρW/2). Струя движется вдоль резонирующей камеры и давление в камере также уменьшается на величину скоростного напора. Область пониженного давления притягивает струю ближе к камере резонатора и таким образом направляет струю в прилегающий рабочий выходной канал. Такой режим является самоподдерживающимся. Без наличия внешних воздействий струя не может самопроизвольно выйти из заполненного канала.
0
Но при установке острой кромки резонирующей камеры таким образом, что струя задевает своим краем эту кромку и часть струи натекает в резонирующую камеру, давление в камере в таком случае повышается до давления заторможенного потока Р, т.е. до величины полного давления в потоке. Создавшееся избыточное давление в резонаторной камере выталкивает струю из загруженного канала в незагруженный, и там все повторяется снова.
Рабочие каналы завершаются перфорированным выходным коллектором, движение жидкости в котором замедляется и давление в потоке восстанавливается до величины полного давления. Геометрические размеры рабочих каналов и резонирующих камер одинаковые и вследствие этого режимные параметры в коллекторе можно считать квазистационарными в промежутке времени между переключением каналов. Не имеет значения, через какой из рабочих каналов жидкость подается в коллектор, режимные параметры в коллекторе не будут различаться в обоих случаях. Колебания давления в коллекторе происходят лишь вследствие некоторого временного запаздывания в непрерывном движении при проталкивании покоящегося столба жидкости, заполняющей отключенный рабочий канал. Давление в коллекторе всегда близко к полному давлению в потоке, из какого бы рабочего канала ни поступала жидкость.
Для более полного преобразования перепада давления между рабочими каналами в колебания давления в выходном коллекторе было предложено следующее преобразующее устройство. Перед выходным коллектором предлагается установить цилиндрический или плоский гидроцилиндр с передним и задним днищами. В боковых стенках гидроцилиндра с противоположных сторон выполнить два окна. Окна максимально удалить друг от друга в разные стороны и соединить каждое со своим рабочим каналом. В гидроцилиндре между окнами установить поршень со штангой, проходящей сквозь заднее днище. На другом конце штанги установить второй поршень, перемещающийся внутри перфорированного коллектора.
При втекании струи жидкости в один из рабочих каналов статическое давление в нем понижается, в то время как в другом канале давление практически равно полному давлению в потоке. Давление внутри гидроцилиндра с одной стороны поршня уменьшается и заставляет поршень перемещаться в ту сторону, где давление ниже. При переключении рабочих каналов уменьшается давление с другой стороны поршня, и он перемещается в противоположную сторону. Такие перемещения поршня в гидроцилиндре приведут к аналогичному перемещению поршня, установленного в коллекторе, что вызовет колебание давления в нем.
Предложенный способ генерирования колебаний давления в потоке жидкости позволяет более полно преобразовать перепад между давлением в рабочих каналах в колебания давления в выходном коллекторе.
На фиг.1 представлена схема гидродинамического генератора колебаний давления в потоке жидкости, где плоский клин изображен совмещенным с гидроцилиндром.
На фиг.2 представлена схема гидроцилиндра, совмещенного со стаканом.
Гидродинамический генератор колебаний давления в потоке жидкости состоит из следующих элементов: входного щелевого сопла 1 (см. фиг.1), двух камер-резонаторов 2 с острыми выходными кромками, острого клина 3, двух рабочих каналов 4, гидроцилиндра 5 и двух поршней 7 и 8, соединенных штангой.
Работает устройство следующим образом. Жидкость подается через входное щелевое сопло 1 и плоской струей натекает на острый плоский клин 4, с которого сваливается в один из двух расходящихся рабочих каналов 3. Струя жидкости задевает краем острую выходную кромку камеры резонатора и частично втекает в рабочий канал. При этом повышается давление в камере-резонаторе и струя отклоняется повышенным давлением в противоположный канал.
При устойчивом заполнении струей одного из рабочих каналов давление по разные стороны поршня 7 в гидроцилиндре 5 различное: с той стороны поршня, которая примыкает к окну со стороны заполненного канала, давление меньше, а с той стороны поршня, которая примыкает к другому окну со стороны незаполненного рабочего канала, давление больше. Поршень перемещается в гидроцилиндре в сторону окна, соединенного с заполненным рабочим каналом, и тащит за собой поршень 8 в выходном коллекторе. Резкое перемещение поршня в трубе выходного коллектора создает область пониженного давления с одной стороны поршня и область повышенного давления с другой стороны. Эти возмущения давления приводят к образованию волн давления в жидкости в выходном коллекторе, которые при распространении через стенки воздействуют на продуктивный нефтесодержащий пласт.
Установкой второго поршня в стакан 9 (см. фиг.2) можно обеспечить более плотное прилегание соприкасающихся поверхностей трущейся пары поршень-стакан. Такая установка позволит лучшим образом преобразовывать перепад давления между рабочими каналами в импульсы давления в выходном коллекторе.