GRADIENT CIŚNIENIA: CO TO JEST I JAK JEST OBLICZANY - FIZYCZNY - 2026

Gradient ciśnienia składa się z odmiany lub różnice ciśnienia, w określonym kierunku, co może wystąpić w środku lub na granicy ciecz. Z kolei ciśnienie to siła na jednostkę powierzchni wywierana przez płyn (ciecz lub gaz) na ściany lub granicę, które go zawierają.

Na przykład w basenie wypełnionym wodą występuje dodatni gradient ciśnienia w kierunku pionowym w dół, ponieważ ciśnienie rośnie wraz z głębokością. Każdy metr (lub centymetr, stopa, cal) głębokości ciśnienie rośnie liniowo.

Podczas ekstrakcji oleju bardzo ważną wielkością jest gradient ciśnienia. Źródło: pixabay.com

Jednak we wszystkich punktach znajdujących się na tym samym poziomie ciśnienie jest takie samo. Dlatego w basenie gradient ciśnienia jest zerowy (zero) w kierunku poziomym.

W przemyśle naftowym bardzo ważny jest gradient ciśnienia. Jeśli ciśnienie na dnie otworu jest wyższe niż na powierzchni, olej łatwo wypłynie. W przeciwnym razie różnica ciśnień musiałaby zostać wytworzona sztucznie, poprzez pompowanie lub wtryskiwanie pary.

Płyny i ich ciekawe właściwości

Płyn to każdy materiał, którego struktura molekularna umożliwia mu przepływ. Wiązania, które utrzymują razem cząsteczki płynu, nie są tak silne, jak w przypadku ciał stałych. To pozwala im przeciwstawić się mniejszemu oporowi przy trakcji, a tym samym przepływowi.

Ta okoliczność jest oceniana przez obserwację, że ciała stałe zachowują stały kształt, podczas gdy płyny, jak już wspomniano, przyjmują w większym lub mniejszym stopniu ten z pojemnika, który je zawiera.

Gazy i ciecze są uważane za płyny, ponieważ zachowują się w ten sposób. Gaz rozszerza się całkowicie, wypełniając objętość pojemnika.

Z drugiej strony płyny nie osiągają tak dużo, ponieważ mają określoną objętość. Różnica polega na tym, że ciecze można uznać za nieściśliwe, podczas gdy gazy nie.

Pod ciśnieniem gaz łatwo się kompresuje i dostosowuje, zajmując całą dostępną objętość. Gdy ciśnienie wzrasta, jego objętość maleje. W przypadku cieczy jej gęstość - wynikająca z ilorazu jej masy i objętości - pozostaje stała w szerokim zakresie ciśnień i temperatur.

To ostatnie ograniczenie jest ważne, ponieważ w rzeczywistości prawie każda substancja może zachowywać się jak płyn w określonych warunkach ekstremalnej temperatury i ciśnienia.

We wnętrzu ziemi, gdzie warunki można uznać za ekstremalne, skały, które byłyby stałe na powierzchni, topią się w magmę i mogą wypływać na powierzchnię w postaci lawy.

Obliczanie ciśnienia

Aby znaleźć ciśnienie wywierane przez kolumnę wody lub jakąkolwiek inną ciecz na dno pojemnika, należy uznać, że płyn ma następujące właściwości:

• Jego gęstość jest stała
• Jest nieściśliwy
• Jest w warunkach równowagi statycznej (odpoczynek)

Kolumna płynu w tych warunkach wywiera siłę na dno pojemnika, który go zawiera. Siła ta jest równoważna jej wadze W:

Gęstość jest zwykle mierzona w kg / metr sześcienny (kg / m ³ ) lub w funtach na galon (PPG)

Ciśnienie hydrostatyczne P definiuje się jako iloraz siły wywieranej prostopadle na powierzchnię do jej pola A:

Ciśnienie = siła / powierzchnia

Podstawiając objętość kolumny płynu V = obszar podstawy x wysokość kolumny = Az, równanie ciśnienia staje się:

Ciśnienie jest wielkością skalarną, której jednostkami w międzynarodowym systemie pomiarowym są niutony / metr ² lub paskale (Pa). Jednostki systemu brytyjskiego są szeroko stosowane, zwłaszcza w przemyśle naftowym: funty na cal kwadratowy (psi).

Z powyższego równania wynika, że ​​gęstsze ciecze będą wywierać większe ciśnienie. I że nacisk jest tym większy, im mniejsza jest powierzchnia, na którą jest wywierany.

Podstawiając objętość kolumny płynu V = powierzchnia podstawy x wysokość kolumny = Az, równanie ciśnienia zostaje uproszczone:

Z powyższego równania wynika, że ​​gęstsze ciecze będą wywierać większe ciśnienie. I że nacisk jest tym większy, im mniejsza jest powierzchnia, na którą jest wywierany.

Jak obliczyć gradient ciśnienia?

Równanie P = ρgz wskazuje, że ciśnienie P słupa płynu rośnie liniowo wraz z głębokością z. Dlatego zmiana ΔP ciśnienia będzie powiązana ze zmianą głębokości Δz w następujący sposób:

Współczynnik przeliczeniowy gęstości

Jednostki systemu angielskiego są szeroko stosowane w przemyśle naftowym. W tym systemie jednostkami gradientu ciśnienia są psi / ft lub psi / ft. Inne wygodne jednostki to bar / metr. Do wyznaczania gęstości powszechnie stosuje się funt na galon lub ppg.

Gęstość i ciężar właściwy dowolnego płynu określono eksperymentalnie dla różnych warunków temperatury i ciśnienia. Są dostępne w tabelach wartości

Aby znaleźć wartość liczbową gradientu ciśnień między różnymi układami jednostek, należy zastosować współczynniki przeliczeniowe, które prowadzą od gęstości bezpośrednio do gradientu.

W przemyśle naftowym stosuje się przelicznik 0,052, aby przejść od gęstości w ppg do gradientu ciśnienia w psi / ft. W ten sposób gradient ciśnienia jest obliczany w następujący sposób:

Bibliografia

1. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizyka dla nauki i inżynierii. Głośność 2. Meksyk. Cengage Learning Editors. 367-372.
2. Podręcznik szkolny Well Control. Rozdział 01 Zasady nacisku.