作者：李娟,张志宝
出版社：石油工业出版社
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井站运行与管理试读：
前言
本教材是按照教育部高职高专示范建设的要求，在加强油气开采技术专业课程改革的前提下，依据井站运行与管理新的课程标准编写的。
本教材在编写之初，做了大量的企业调研，并聘请行业、企业专家进行座谈，分析、提炼出现场职业岗位的典型工作任务。通过分析典型工作任务，明确了职业能力目标。最后以项目为载体划分出了四个学习情境，确定学习工作任务，并按逻辑关系和学生的认知规律，进行了整合、序化。
本教材目前是国内高职高专院校第一本专门介绍井站运行与管理的“工学结合”教材，也是一本真正体现了校内教师和企业专家共同合作的教材。教材中的很多图片、资料来自于石油企业生产第一线，经过了实践的检验。教材将理论与技能相结合，难易适度，非常适合现代高职学生职业能力的培养。教材编写符合先进性、科学性和适用性的设计理念。
本教材由大庆职业学院李娟、辽河石油职业技术学院张志宝任主编，渤海石油职业学院张长花、天津石油职业技术学院吕凤滨任副主编，大庆职业学院姜继水教授、大庆第三采油厂职业技能鉴定站魏连凯担任主审工作。在编写过程中，其他石油高职高专院校给予了大力支持，提供了大量的来自兄弟油田的第一手资料并参与了教材编写工作：吕凤滨编写学习情境一，松源职业技术学院王守峰编写学习情境二，张长花编写学习情境三，克拉玛依职业技术学院祝守丽、马志荣和李娟编写学习情境四中的项目一，大庆职业学院李娟、张阁林编写学习情境四中的项目二，李娟、张志宝编写学习情境四中的项目三。大庆第三采油厂职业技能鉴定站魏连凯、大庆油田第四采油厂规划设计所郑福森、大庆油田第三采油厂地质大队王艳、大庆油田第一采油厂第四油矿孟凡帅，对本教材的编写也给予了大力支持，提供了大量的石油现场实用资料，并提出了许多宝贵的意见和建议，在此一并表示感谢。
由于编者的经验不足、水平有限，书中如有错误和不妥之处，敬请批评指正。编 者2011.12学习情境一井站流体的认识学习情境描述本学习情境主要是通过学习流体的知识，认识流体平衡和运动的规律，以及流体与固体的相互作用力，完成流体平衡与运动参数的测定与计算，用以解决工程的实际问题。项目一井站流体的水静压强计算知识目标（1）掌握流体静压力及其特征；（2）掌握水静力学基本方程；（3）掌握作用在平面上、曲面上的流体总压力。能力目标（1）会计算平面上、曲面上的流体总压力；（2）会观察压强传递现象。工作过程知识一、流体静压力及其特征（一）流体静压力
在自然界中，物质以固体、液体和气体三种形式存在，而其中的液体和气体都具有很大流动性，不能保持一定的形状的特点，我们将其称为流体。
静止是一个相对的概念，如果流体对于地球没有相对运动，我们称它们处于静止状态。流体处于静止状态时，流体质点之间以及质点与壁面之间的作用是通过压强形式来表示的。
总压力：静止流体与容器壁之间以及静止流体内部相邻两部分流体之间的作用力称为总压力，常用大写字母“P”表示，单位为“N”。
静压力：静止流体作用在单位面积上的总压力称为静压强，习惯2称静压力，用小写字母“p”表示，单位为N/m，又称Pa，即1Pa＝21N/m。工程上，因Pa的单位很小，常用kPa、MPa表示，1MPa＝610Pa。
如图1-1所示的容器内的液体中，任选取一点M，围绕M点并以M点为中心，任取微小面积ΔA上所受的静压力为图1-1 微小面积ΔA受力分析式中ΔP为作用在ΔA上的总压力，p为平均静压力。
在一般情况下，作用面上各点的静压力是不相等的。为了更精确地反映作用面上各点压力的变化规律，仅有平均静压力的概念是不够的，还必须建立某一点的静压力的概念。
如果包含M点的微小面积ΔA越小，则越接近于M点的实际静压力值；当ΔA无限小而趋近于作用面上的M点时，则的极限值就称为M点的静压力，可写成：
平均静压力仅仅反映了作用面（也称受压面）上各点静压力的平均值，而点静压力则精确地反映了受压面上某一点的静压力值。（二）静压力的两个重要特性（1）静压力的方向垂直并指向作用面。
如图1-2所示的水箱，若在侧壁上开一小孔，我们会看到水从小孔流出时，水流方向垂直于水箱的壁面。这个特性也可从理论上用反证法得到证明。如图1-3所示，在静止流体中任意取出一部分流体，其表面上有一点B，取围绕B点的微小面积为ΔA。图1-2 水流方向垂直于容器壁面图1-3 静压力特征一分析τn
假定在B点相切的静压力为p和垂直的静压力为p。我们知道，τ流体在切向力p的作用下ΔA将发生运动，显然，这与流体处于静止状τn态的前提相矛盾，所以只能是p＝0，这样就只有垂直的静压力p，静止流体也不能承受拉力，从而证明B点的静压力的方向是永远垂直并指向作用面的。
根据静压力这一特性，可以分析各种容器壁面和浮体表面任何位置上所受到的静压力的作用方向，如图1-4所示。图1-4 静压力的作用方向（2）在静止流体内任一空间位置上受到各个方向上的静压力大小相等。
在静止流体中，任取边长分别为dx、dy、dz的微小四面体ABCO，xyz相应的坐标如图1-5所示，每个微小面积上的压力分别用p、p、p和n△ABCp表示，△ABC的面积用S表示则图1-5静压力特性二分析xxP＝pdydz／2yyP＝pdxdz／2zzP＝pdxdz／2nn△ABCP＝p·Sx
流体所受质量力的合力F＝ma，在三个坐标方向上的分量为m、yzm、m，X、Y、Z分别是单位质量流体所受的质量力在x、y、z坐标轴上的分力。而流体的质量为m＝ρdxdydz／6，由于流体处于平衡状态，流体所受的合外力平衡，∑F＝0，则xxnx∑F＝0 P－P·cos（n，x）＋m＝0yyny∑F＝0 P－P·cos（n，y）＋m＝0zznz∑F＝0 P－P·cos（n，z）＋m＝0其中，x方向的平衡可进一步写成xn△ABCpdydz／2－pScos（n，x）＋Xρdxdydz／6＝0而△ABCScos（n，x）＝dxdy／2即xnP－P＋Xρdx／3＝0
由于液体中取出的微小四面体各边长均为微分量，dx→0，dy→0，dz→0，因此Xρdx／3→0则xnp－p＝0xnp＝p同理xyznp＝p＝p＝p
由上面过程可以看出，在微小四面体的各边长趋于零的极限情况下，四面体趋于成为一个点。现x、y、z及n方向作用在四面体的四个xyznn面上的静压力中p、p、p、p是任取的，p的方向也是任意的，所xyzn以p＝p＝p＝p。这就从理论上证明了静止流体中，任一点的静压力不论来自何方均相等。根据这一特性，可将静压力这个矢量简化为标量。
在连续流体中，某一点的静压力p是点坐标的函数，即p＝f（x，y，z）。在研究静止流体的平衡规律时，静压力的这两个特性是很重要的，如图1-6所示的平面壁转折处B点，对不同方位的作用面而言，其静压力的方向不同，但静压力的大小都是相等的。（三）绝对压力和相对压力
压力以不同的基准量度，则有不同的数值。以物理真空为基准量绝绝度的压力称为绝对压力，用p表示，p永远大于零。以当地大气压a相相p为基准量度的压力称为相对压力，用“p”表示，p可正可负。相对压力为正时，表示超过大气压的那部分压力值，常用压力表来测表定，称为表压力，用p表示；相对压力为负时，表示低于大气压的真那部分压力值，常用真空表来测定，称为真空度，用p表示。
绝对压力、表压力、真空度之间的关系如图1-7所示，相应的数学关系式如下：绝a表绝a
当p>p时（如A点） p＝p－p绝a真a绝表
当p 由图1-7可知，同一点A的压力，量度基准不同，其数值大小不同；单位不同，其数值大小也不同。A表B真【例1-1】 已知A、B两点的水静压力p＝39.2kPa，p＝A绝B绝39.2kPa，试确定A、B两点的绝对压力p、p各是多少？ 解：由表压力和真空度的定义，得A绝aA表p＝p＋p＝101＋39.2＝140.2（kPa）＝0.14（MPa）B绝aB真p＝p－p＝101-39.2＝61.8（kPa）＝0.06（MPa）A绝B绝 答：A、B两点的绝对压力p、p各是0.14MPa和0.06MPa。绝真maxa 从理论上讲，当p＝0时，其真空度最大，即p＝p＝0.101MPa，但是在流体静力学中，这是不可能的。因为一方面很难将容器抽成物理真空；另一方面，在容器内有液体的情况下，当液面压力降到液体在相应温度的汽化压力即饱和蒸汽压压时，液体将迅速汽化。所以，液面上最大真空度不超过大气压与液体汽化压力的差值。 计算压强时，如果采用的基准和量度单位不同，其数值是不同的。在运算中要特别注意以下几点：0（1）在确定液体内部任一点的静压力时，要弄清楚液面上压力p0的量度基准，求出任意点静压力p应与p的基准一致；（2）绝对压力比相对压力大0.101MPa，当液面上为大气压时，通常任意点的压力指的都是相对压力，因此，液体内部某一点的压力p＝ρgh。二、水静力学基本方程式（一）基本方程式 如图1-8所示，将一侧壁上开有三个小孔的容器灌满水，然后把三个小孔的塞子同时打开，这时可以看到水流分别从三个小孔喷射出来，并且越靠近容器底部的小孔，其水流喷射得越远。从这一现象中，我们可以得到这样一种感性认识，液体对容器侧壁的压力是随深度的增加而增大的。液体的压力和深度之间有什么定量关系呢？下面我们用理论分析的方法来研究。 如图1-9所示，在静止液体中任取一点M，该点在液面以下的深度为h，围绕M点取水平的微小面积dA为底，沿铅垂方向取出一个高为h的微小液柱来研究，这时，在z方向上作用在液体上的力有：图1-8 液体压力与深度的关系图1-9 微小液柱受力分析00 液柱上面的压力ΔP＝pdA，方向铅垂向下； 液柱底面上的压力ΔP＝pdA，方向铅垂向上； 液柱所受的重力ΔG＝pghdA，方向铅垂向下。z 在z方向上，∑F＝0，即0pdA＋ρghdA－pdA＝0两边同除以dA并整理得式中 p——静止液体中任一点M的静压力，Pa；0 p——液面上的压力，Pa；3 ρ——液体的密度，kg/m；2 g——重力加速度，m/s； h——M点到液面的铅垂深度，m。 式（1-3）定量地揭示了静止液体中静压力与深度之间的关系，反映了静压力的分布规律，称为水静力学基本方程式。该方程式在水静力学中占有重要位置，是最基本也是最重要的一个方程式。为了对其加深理解，现作如下讨论：0（1）液体内任一点的压力都是由液面上的压力p和液柱自重产生的压力ρgh两部分组成。液面上的压力是外力作用于液面上而引起的。例如：敞开的容器中，液面受大气压力的作用；同容器中互不相溶的液体，其分界面上受上层液体的作用；密闭容器中的液面受气体压力的作用；液压系流中的液体受固体（活塞）的作用等。0（2）当液面压力p一定时，在同一种均质的静止液体中，静压力p的大小与深度h之间是直线规律变化，简言之，p与h成正比。0（3）由于液体内任一点的压力都包含液面上的压力p，因此，液0面压力p的任何变化，都会引起液体内部所有液体质点上压力的相应变化。这种液面压力等值地在液体内部传递的规律，称为帕斯卡定律。水压机、油压千斤顶以及液压传动装置等，就是根据这一定律而设计出来的。（4）根据式（1-3），还可以得出液体内部深度不同的两点的压力差。如图1-10所示，在静止液体中任取两点1和2，它们相距液面的12深度分别为h、h，这时图1-10 静止液体的压力101p＝p＋ρgh202p＝p＋ρgh2121两式相减得 p－p＝ρg（h－h）＝ρgΔh 这告诉我们，液体内任意两点的压力差等于两点间的液柱高度产生的压力。由式（1-4）得 式（1-5）表明：距液面较深的2点的静压力等于1点的静压力加上ρgΔh值，ρgΔh值恰好等于两点的液柱高差Δh所产生的压力。若1点取在液面上，不难看出式（1-5）就变成了式（1-3）。（5）在同种均质的静止液体中，若各点距液面的深度相等，则各点的压力相等。由这些压力相等的点所组成的面，称为等压面。 综上所述，水静力学基本方程式的应用条件是：绝对静止、均质、连续液体。（二）基本方程式的物理意义 式（1-3）、式（1-4）都是水静力学基本方程式，尽管它们的表达形式不同，但本质是一样的。再看图1-10，若取横坐标所在的水平12面为基准面，1点与2点到该基准面的铅垂距离又可表示为z与z，显然2112Δh＝h－h＝z－z 这样，式（1-5）可以写成式（1-6）是水静力学基本方程式的另一种表达形式。由于1、2两点是任选的，故可得 如图1-11所示，A点的质量为m，到基准面的高度为z，压力为p，则A点的位能为mgz，，这说明式（1-7）中z表示单位重量的液体所具有的位能，称为比位能。 若将图1-11中一端密闭的玻璃管抽成真空，把另一端接到压力为pp的A点时，容器内的液体在压力p的作用下，沿管内上升一定高度h，这说明液体本身受到压力的作用而储存一种能量：压能。 对质量为m的A点而言。其压能为：图1-11 比能pmgh＝mgp／ρgph＝p／ρg 这说明式（1-7）中的第二项p／ρg表示单位重力的液体所具有的压能，称为比压能。z＋p／ρg表示单位重量的液体所具有的总势能，也叫比势能。 式（1-7）表明静止液体中各点的比位能与比压能之和为常数，亦即总势能为常数，反映了液体在静止状态下单位重量液体所具有的势能守恒。（三）基本方程式的几何意义 在流体力学中常用“水头”代表高度。如图1-12所示，0-0为基准面，则式（1-7）中z表示该点到基准面的高度称为位置水头。在测点的容器壁上接一端与大气相通的管子，称为测压管。p／ρg表示测压管液面到该点的高度，称为压力水头；z＋p／ρg表示测压管液面到基准面的高度，称为测压管水头；z＋p／ρg＝c则说明同一种连续静止的液体中，即使各点的位置水头和压力水头均不相同，但各点的12测压管水头必然相等（H＝H）。根据水平面为等压面的规律，在同一种连续静止的液体中，所有各点的测压管液面必然在同一水平面0上。在图1-12中，若p表示气液界面上的压力（其相对压力值可大于、0小于或等于零），所有各点的测压管液面应在同一水平面上，且当p的表压力为零时，测压管液面与容器液面应在同一水平面上。图1-12 测压管液面（四）静压力分布图 由式（1-7）可知z，的单位均为m，因此在工程上，常用一定比例的线段长度表示压力的大小，用箭头标出静压力的方向。用几何作图的办法表示压力分布规律的图示称为静压力分布图。 静压力的分布图的作图依据有二：0（1）大小：p＝p＋ρgh，p与h是线性增加，同一深度各点压力大小相等；（2）压力的方向：由静压力特性一可知，静水压力的方向应垂直并指向作用面。 静压力分布图的作法如图1-13所示。对于一个竖直的平面壁AB，按相对压力画出的静压力分布图为一直角三角形，如图1-13（a）所示。当受压壁面为非竖直平面壁或曲面壁时，可以用一假想的竖直平面壁先画出一个只表示压力大小、沿深度变化规律的辅助面，再根据静压力的特性一和特性二就可以画出非竖直平面壁或曲面壁的静压力分布图，如图1-13（b）、（c）所示。对于密闭容器，应以测压管液面（相对压力为零）为起点画出压力分布图，如图1-13（d）、（e）所示。同一容器内气体各点压力相等，箭头由壁面指向液体，表示压力为真空度；箭头由液体指向壁面，表示压力为表压力。如图1-13（a）中，α是直角三角形斜边与直角边的夹角，tanα＝ρgh／h＝ρh，故流体的密度越大，α越大，直角三角形的斜面越平缓，如图1-13（f）所示。图1-13 静压力分布图（五）水静力学基本方程式的解题方法 水静力学基本方程式表达了静止液体内压力变化规律的数学关系，应用水静力学基本方程式可以在一定的已知条件下计算有关液体压力、液位高差、压力差等水力参数。但在应用时应注意以下两点：（1）方程式的使用条件为同一种连续静止液体。若遇到有两种或两种以上不相混合的液体同时存在，则应根据水静力学基本方程式分别计算每一种液体所产生的压力。0（2）方程式中各物理量的单位统一，p与p的基准要统一。【例1-2】储水罐如图1-14所示，水面通大气，水深h＝2m，计算相绝水罐底部的相对压力p和绝对压力p。图1-14 储水罐 解：（1）相对压力相水p＝ρgh＝1000×9.8×2＝19600（Pa）≈0.02（MPa）（2）绝对压力绝a相p＝p＋p＝0.1＋0.02＝0.12（MPa） 答：水罐底部的相对压力和绝对压力分别为0.02MPa，0.12MPa。【例1-3】 某油井关井时，井口压力为980kPa，井深1500m，井中充满相对密度为0.9的原油，计算井底的静压力。 解：根据水静力学基本方程式0 p＝p＋ρgh0水 ＝p＋dρgh33 ＝980×10＋0.9×10×9.8×15006 ＝14.2×10（Pa） ＝14.2（MPa） 答：井底的静压力为14.2MPa。三、作用在平面上的流体总压力 在工程中，常遇到某些需要确定液体作用在平面上的总压力问题。譬如，设计储液罐时，必须知道液体对罐壁作用力的大小；为了能达到自动开启或关闭闸门的目的，需要确定液体作用在闸门上的总压力的大小、方向和作用点。由此可见，仅仅研究水静压力的分布规律是不够的，还必须在此基础上进一步研究作用在平面上的液体总压力问题。 最简单的情况是水平放置的平面，如图1-15所示。由于底平面上各点淹没在液体中的深度相同，所以各点的水静压力p＝ρgh也相同。又因为液面开敞于大气中，根据帕斯卡定律（压力等值传递），0作用在液面上的大气压力p也必然作用在底平面上。若底平面的面积0为A，则由大气压力产生的总压力为pA，方向向下；在一般情况0下，底平面的另一侧也同样受到大气压力的作用，总压力亦为pA，方向向上。这表明，底平面两侧所受的大气压力相互抵消。因此，作用在底平面上的液体总压力，也称为有效压力，即P＝ρghA 如果平面不是水平放置，而是任意倾斜放置，参见图1-16，平面的一侧有液体，设液面与该平面延续面的交角为α，取液面与平面延续面的交线ox（垂直于纸面）为横坐标轴，垂直于ox轴沿平面向下的方向oy为纵坐标轴，平面上任一点的位置可由该点坐标（x，y）确定。图1-15 水平面上的液体压力图1-16 倾斜平面上的液体压力 为了叙述方便起见，将xoy平面绕oy轴旋转90°与纸面重合，如图CC1-16所示。设平面的面积为A，其形心C的坐标为（x，y），形心在C液面下的深度为h。 现在分析平面的受力情况。由于平面倾斜放置，并且沿oy方向的各点距液面的深度h各不相同，故各点的水静压力也不相同。但是，从水静压力的特性可知，平面上各点水静压力的方向均垂直作用在平面上，构成平行力系，于是根据力学原理，就可以确定作用在平面上的液体总压力的大小、方向和作用点。 为了求平板上总压力的大小，先在平板上取一微元面积ΔA，距离液面的深度为h，水面以上为大气压，壁外也受大气压力。在该微元ΔA上，各点压强可以认为是相等的，则ΔA上的总压力dp＝pdA＝ρghdA，根据三角形关系得知，h＝ysinα，y是微元面积到ox轴的距离。于是可写出dp＝ρgysinα 对上式进行面积积分可得总压力的大小AAP＝∫dp＝ρgsinα∫ydAA式中∫ydA是代表面积A对ox轴的面积矩，它等于面积A与其形心坐标CCy的乘积。如以p代表形心点C处的水静压强，则 式（1-8）说明作用在任意形状平面壁上的总压力大小等于该平0面的面积与其形心处压强的乘积。并且这个结论对于液面上压强为p时也同样正确。工程上遇到的平面图形都是比较规则的几何图形，它C0C们的形心点容易确定，而形心点的压强为p＝p＋ρgh用起来很方便。 总压力P的作用方向：液体总压力的方向与水静压力的方向相同，永远垂直指向作用面。 式（1-8）应用条件：与壁面接触的液体是同一种连续静止的流体。 总压力的作用点：由于液体总压力是平面上各点的水静压力之和。因此，总压力的作用点可根据合力矩定理确定，即合力对某一轴的力矩等于各分力对同一轴力矩的代数和。设总压力P的作用点D在Doy轴上的坐标为y，则D 式中 y——平面上液体总压力的作用点D到ox轴的距离，即总压力的作用点沿着平面的延长面到液面的距离，m；Cx J——面积为A的平面对通过其形心C点并与ox轴平行之轴的惯4性矩，m；——总压力的作用点D与形心点C之间的距离，称为偏心距，表示总压力的作用点D相对于平面形心点C的位置，m。Cx 关于平面惯性矩J的大小取决于平面的几何形状。几种常见的
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