Обґрунтування параметрів струминного вихрового насосу для підвищення продуктивності нафтової свердловини

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

ЄРОШОВА ПОЛІНА СЕРГІЇВНА

Обґрунтування параметрів струминного вихрового насосу для підвищення продуктивності нафтової свердловини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня магістра

2015

Робота виконана на кафедрі «Електромеханічні системи геотехнічних виробництв» Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут»

Науковий керівник: кандидат технічних робіт, доцент Сліденко Віктор Михайлович

Захист відбудеться 16 червня 2015 р. о 14:00 на кафедрі Електромеханічні системи геотехнічних виробництв Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: м Київ, вул. Борщагівська 115, ауд. 504.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національний технічний університету України «Київський політехнічний інститут».

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження - Поступове погіршення структури розвіданих запасів, вироблення і виснаження приводять до неухильного зменшення видобутку нафти. Тому проблема інтенсифікації видобутку нафти стає дуже актуальним завданням.

Для сучасного періоду розвитку нафтової промисловості характерна несприятлива геолого-технологічна структура запасів нафти, в якій частка традиційних (технологічно освоєних) запасів складає лише 35 %. У той же час на частку важко видобувних запасів нафти (низько проникні пласти, залишкові запаси, високов'язкі нафти) припадає близько 65 % [1]. Тому все більше зростає значимість технологій, здатних ефективно вести видобуток нафти в ускладнених умовах. Ускладнення при експлуатації нафтових родовищ пов'язані зі складною фізико-геологічною будовою покладів родовищ, наприклад з низькою проникністю і неоднорідністю колекторів, низьким пластовим тиском, великою глибиною залягання продуктивних пластів, накопиченням забруднювачів на основних фільтраційних полях і погіршенням фільтраційних характеристик привибійних зон свердловин у процесі експлуатації.

Актуальність роботи. Збільшення об'ємів нафти і газу є головною задачею, яка стоїть перед представниками теплоенергетичної галузі як України, так і всього світу. В умовах відсутності нових родовищ нафти і газу, задовольняючих цим потребам, перед робітниками нафтогазодобувної промисловості в якості потенційних джерел нафти і газу на перший план встановлюють проблеми, пов'язані з підвищенням ефективності розробки існуючих. І тут головною задачею, яка потребує свого суттєвого рішення, стає проблема підвищення продуктивності свердловин.

Відомо, що в кожному конкретному випадку процеси, які приводять до зниження продуктивності добуваючих свердловин, проходять по-своєму, тому і методи і засоби, необхідні для її поновлення і збільшення, досить індивідуальні. I все це потребує проводити прикладні дослідження з використанням моделей, максимально наближених до реальних. Якщо врахувати те, що потреби в енергоресурсах, в тому числі нафті і газі, зростають, а нових потужних джерел відкривається все менше і менше, то актуальність і своєчасність проблеми, що розглядається в роботі є очевидною.

В таких умовах використання нових технологій для інтенсифікації видобутку вуглеводневої сировини може стати одним із шляхів зміцнення енергетичної незалежності держави.

Мета дослідження - обґрунтування параметрів струминного вихрового насосу з інжектованим потоком та гармонізатором коливань для впливу на привибійну зону пласта з підвищенням продуктивності свердловини.

Задачі дослідження:

1 Розробити структурну та функціональну моделі процесу вихрової інжекції

2 Розробити методику зведення структури струминного вихрового насосу до струминного насосу поступальної інжекції.

3 Встановити характеристики та закономірності функціонування стуминного вихрового насосу

4 Дослідити та проаналізувати за допомогою інструменту Flow Simulation Solidworks дроселювання потоку стуминного вихрового насосу

Об'єкт дослідження - процеси інтенсифікації продуктивності нафтової свердловини.

Предмет дослідження - процес формування інжектованого потоку рідини з створенням депресії в привибійній зоні пласта.

Методи досліджень. Для розв'язання поставлених задач були використані такі методи досліджень: аналіз, узагальнення й систематизація теоретичної інформації в області інтенсифікації продуктивності нафтової свердловини; методи математичного моделювання та статистичний аналіз для дослідження процесу дроселювання; аналітичний метод для аналізу процесу завихрення в камері інжекції.

Наукова новизна одержаних результатів - Вперше встановлені, на основі рівняння Бернуллі, критерії заміни моделі насосу вихрової дії на струминний насос поступальної дії та обґрунтовано раціональні геометричні параметри. Вперше розроблено структурну модель струминного вихрового насосу, яка відрізняється від відомих використанням гармонізатора коливань, який створює імпульсний синусоїдальний потік інжектованої рідини, що сприяє посиленню інжектованого потоку і дозволяє підвищити коефіцієнт інжекції. Спрогнозовано коефіцієнт інжекції струминного вихрового насосу. Встановлено робочі частоти гармонізатора коливань, також встановлені параметри процесу дроселювання.

Практичне значення одержаних результатів. Матеріал досліджень дозволив встановити особливості процесу інжекції. В ході дослідження, за допомогою оболонки SolidWorks 2012, розроблено віртуальній пристрій для підбору оптимальних параметрів роботи установки.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети та завдань, представленні методики аналітичних досліджень, комп'ютерному моделюванні процесу засобами Solidworks 2012, методики планування експерименту, статистичного аналізу, апробації отриманих результатів, підготовці до друку зібраного матеріалу, аналізу літературних джерел, а також написанні та оформленні згідно з ДСТУ 3008-95, ГОСТ 7.1:2006 дисертації. Аналіз, узагальнення зібраних матеріалів та їх наукова інтерпретації здійснено особисто автором.

Апробація результатів дисертації - Участь у кафедральній конференції. Доповідь на тему: «Обґрунтування параметрів струминного вихрового насосу для збільшення продуктивності нафтової свердловини» 10.06.2015; Подано заявку № u201505544 на корисну модель «Струминний вихровий насос» від 05.05.2015, отримано патент на корисну модель «Імпульсний мультиплікатор тиску», опубл. 10.06.2015.

Публікації. Положення і матеріали дисертації опубліковані: заявка з позитивним рішенням та виступ на конференції.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел із 21 найменування на 2 сторінках, 1 додаток на 1 сторінці. Загальний обсяг дисертації становить 107 сторінок, у тому числі 106 - основний текст, містить 37 рисунків, 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі, об'єкт і предмет досліджень, наукова ідея.

У першому розділі, на основі аналізу наукових публікації та монографій, проведено аналіз інформації періодичних видань монографій та опублікованої в Інтернеті, що дає змогу систематизувати існуючі теоретичні методи збільшення нафтовіддачі пласта, та зробити крок для пошуку нових ідей підвищення продуктивності свердловини.

Проаналізувавши наведену в розділі інформацію обрано ефективний спосіб дії на пласт, яка створюється за допомогою вихрової дії.

Найбільш близьким за технічною суттю пристроєм є генератор коливань резонансної дії на нафтові свердловину, (Пат. RU № 63072, «Генератор коливань резонансної дії на нафтову свердловину», опубл. 2011.09.26, Бюл. № 18.), який задовольняє вимоги для реалізації методу.

На основі наведеної інформації сформовано задачі для дослідження: розробка структури дослідження та встановлення оптимальних параметрів функціонування струминного вихрового насосу.

У другому розділі розроблена методика розрахунку і математична модель процесу дроселювання. Розроблено планування повного факторного експерименту типу 2k. В якості параметра оптимізації вибрано тиск дроселювання. Після проведення дослідів виконано статичну обробку результатів (визначено помилки повторних (паралельних) дослідів, використовуючи критерій Стьюдента). Зроблена перевірка однорідності дисперсії по критеріях Фішера і Кохрена.

Виведено рівняння математичної моделі

Визначено адекватність математичної моделі по критерію Фішера. Висновок: модель адекватна.

Третій розділ присвячено дослідженню процесу дроселювання робочої рідини при спрацюванні пристрою.

Тиск дроселювання, при змінному переміщенні елемента за умови забезпечення міцності, розраховується за формулою (1):

(1),

де Q = 0...0,0067 м3/с - зміна витрати робочої рідини, що надходить до пристрою коливань, м3/с; - густина робочої рідини, кг/м3; - коефіцієнт витрати, в.о.;

площа протікання робочої рідини, яка визначається як поверхня кола з діаметром тангенціального отвору d = 2 мм = 0,002 м; кількість отворів n=8.

Характеристика зміни надлишкового тиску при дроселюванні представлена на рисунку 1.

Рисунок 1 - Графік зміни надлишкового тиску від зміни швидкості робочої рідини при дроселюванні

При падінні тиску у камері інжекції, швидкість потоку рідини збільшується. Швидкість в камері інжекції досягає значення 67 м/с.

Рисунок 2 - Коливальний процес гармонізатора коливань

Було визначено силу, яка призведе до спрацювання гармонізатор коливань. На основі цього обрана тарільчата пружина згідно ГОСТ 357-90. Було описано коливальний процес за допомогою математичної моделі Гука. Результат розрахунку одномасової моделі

, надано на рис. 2.

Було розроблено методику зведення структур струминного насосу вихрової дії до струминного насосу поступальної інжекції. Методика основана на принципі зведення на основі рівності площ протікання рідини, взявши за наукове твердження - рівняння Бернулі. Порівнявши еквівалентні площі, спрогнозували значення коефіцієнта інжекції, звідси можна робити висновок про геометричні параметри досліджуваного апарату. Дослідження коефіцієнту інжекції полягало знайти його залежність від діаметра сопла, еквівалентного діаметру тангенціального отвору, та від діаметра камери змішування, еквівалентного інжекційній камері. Отримано результати, наведені на рис 3 та 4.

У четвертому розділі наведено статистичне моделювання процесу функціонування струминного вихрового насосу. В результаті виконання цього розділу було описано випадкові величини d і с, наведено повні математичні аналоги відповідних випадкових величин.

Визначено характер розподілу випадкових величин та знайдені їх числові характеристики.

Побудовані характеристики розподілів, суміщені з гістограмами, побудованими на основі статистичного ряду.

Знайдена ймовірність попадання витрати рідини в задані межі

У п'ятому розділі за допомогою оболонки SolidWorks 2014 була побудована модель струминного вихрового насосу, що включає в себе дифузор, інжекційну камеру, тангенціальні отвори та корпус за наявними кресленнями зборки та деталювання.

Побудова тривимірної моделі в Solid Works 2014 складається з двох етапів:

побудова тривимірних деталей, складових частин апарату;

зборка цих деталей в тривимірну модель (рисунок 5)

Рисунок 5 - Модель, побудована на основі креслення в SolidWorks 2012

Далі було проведено дослідження гідродинаміки струминного вихрового насосу в оболонці Solid Works 2012 за допомогою модуля FlowSimulation.

Враховуючи вище приведені дослідження, були отримані наступні результати та висновки:

наявність падіння тиску дозволяє говорити про ефект завихрення та процес витягування з привибійної зони рідини.

швидкість завихреного потоку при розрахунку за допомогою Flow Simulation складає 71 м/с. В розділі 3 наводиться аналітичний розрахунок швидкості завихреного потоку за допомогою рівняння Бернуллі, що дозволяє співставити отримані результати; похибка в порівнянні з аналітичними дослідження склала ? 5,6%, що з певною точністю дозволяє стверджувати про адекватність побудованої тривимірної моделі та отриманих результатів.

ВИСНОВКИ

Аналізом літературних і патентних джерел встановлено, що імпульсний спосіб обробки ПЗП, як один з найперспективніших новітніх засобів. Метод полягає у формуванні інжектованого потоку за рахунок завихрення рідини в вихровій камері та періодичним імпульсним витягуванням з привибійної зони рідини, внаслідок чого покращуються фільтраційні властивості пласта, а в результаті підвищується дебіт свердловин.

Вперше встановленні, на основі рівняння Бернуллі, критерії зведення моделі насосу вихрової дії на еквівалентну модель струминного насосу поступальної дії та обґрунтувано раціональні геометричні параметрів насосу.

3. Розроблено модель струминного вихрового насосу, яка відрізняється від відомих застосуванням гармонізатора, який створює імпульсний синусоїдальний потік інжектованої рідини, що сприяє посиленню інжектованого потоку і дозволяє підвищити коефіцієнт інжекції. Визначено значення коефіцієнта інжекції 0,42.

4. Розроблена модель струминного насосу засобами Solidworks (модуль Flow Simulation), яка відрізняється від відомих врахуванням взаємодії вихрового та поступального інжектованого потоків з утворенням коливального процесу .

5. Похибки між аналітичними розрахунками і даними, які отримані в результаті моделювання в модулі Flow Simulation складають: 5,6%.

6. Проведено двох рівневий трьохфакторний експеримент типу 2k для тиску дроселювання. Визначено, що найбільш прийнятне значення тиску (740 МПа ), досягнуто при значенні діаметра 2 мм .

7. Подано заявку № u201505544 та отримано позитивний результат на корисну модель «Струминний вихровий насос» від 05.06.15.

СПИСОК ДРУКОВАННИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пат. UA № 99498, Е21В 43/25, автори: Сліденко В.М., Лістовщик Л.К., Лесик В.С., Кононенко В.В., Лафа Є.О., Єрошова П.С., «Імпульсний мультиплікатор тиску», опубл. 10.06.2015, Бюл. № 11.

2. Заявка № u201505544, автори: Сліденко В.М., Лістовщик Л.К., Лесик В.С., Єрошова П.С., Лафа Є.О., «Струминний вихровий насос», дата подання: 05.06.2015.

АНОТАЦІЯ

Дисертація на здобуття наукового ступеня магістра за спеціальністю 8.05070205 - Електромеханічні системи геотехнічних виробництв. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут". - Київ, 2015

Збільшення об'ємів нафти і газу є головною задачею, яка стоїть перед представниками теплоенергетичної галузі як України, так і всього світу. В умовах відсутності нових родовищ нафти і газу, задовольняючих цим потребам, перед робітниками нафтогазодобувної промисловості в якості потенційних джерел нафти і газу на перший план встановлюють проблеми, пов'язані з підвищенням ефективності розробки існуючих. І тут головною задачею, яка потребує свого суттєвого рішення, стає проблема підвищення продуктивності свердловин.

В таких умовах використання нових технологій для інтенсифікації видобутку вуглеводневої сировини може стати одним із шляхів зміцнення енергетичної незалежності держави.

Запропонована структурна модель струминного вихрового насосу, яка відрізняється від відомих використанням гармонізатора коливань, який створює імпульсний синусоїдальний потік інжектованої рідини, що сприяє посиленню інжектованого потоку і дозволяє підвищити коефіцієнт інжекції. Встановлено, на основі рівняння Бернуллі, критерії заміни моделі насосу вихрової дії на струминний насос поступальної дії та обґрунтовано раціональні геометричні параметри. Спрогнозовано коефіцієнт інжекції струминного вихрового насосу. Встановлено робочі частоти гармонізатора коливань та параметри процесу дроселювання.

Ключові слова: струминний насос, інжекція, вихрова камера, гармонізатор коливань, дроселювання потоку рідини, коефіцієнт інжекції.

ABSTRACT

інжекція насос дроселювання

Thesis for a master's degree in the specialty 8.05070205 - Electromechanical systems geotechnical industries. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute". - Kyiv, 2015

Increasing volumes of oil and gas is the main task facing the heating sector representatives of both Ukraine and the world. In the absence of new oil and gas fields, satisfying those needs before the oil and gas industry workers as potential sources of oil and gas to the fore establish problems associated with increasing the efficiency of existing development. Here, the main task, which requires a significant decision is the problem of increasing the productivity of wells.

In such circumstances, the use of new technologies to intensify production of hydrocarbons may be one of the ways of strengthening energy independence.

A structural model of jet vortex pump, which is different from the known use harmonizer oscillation that creates sinusoidal pulse flow of injected fluid that enhances Injected flow and can increase the rate of injection. It was established on the basis of the Bernoulli equation, the criteria for replacement pump model vortex action to the jet pump progressive action and proved rational geometrical parameters. Predicted rate of injection jet vortex pump. Established working frequency vibrations harmonizer and process parameters throttling.

Key words: jet pump, injection, whirling chamber harmonizer fluctuations, throttling the flow of fluid injection rate.

Размещено на Allbest.ru