Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня магістра

обґрунтування параметрів системи струминного змішування рідких компонентів для кислотної обробки нафтової свердловини

Савченко Андрій Володимирович

2018р.



Робота виконана на кафедрі «Електромеханічного обладнання енергоємних виробництв » Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»

Науковий керівник: кандидат технічних робіт, доцент

Лістовщик Леонід Костянтинович

Захист відбудеться 22 травня 2018 р. о 14:00 на кафедрі Електромеханічного обладнання енергоємних виробництв Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім.Ігоря Сікорського» за адресою: м Київ, вул. Борщагівська 115, ауд. 206.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім.Ігоря Сікорського».



АНОТАЦІЯ

Савченко А.В.

Тема: Обґрунтування параметрів системи струминного змішування рідких компонентів для кислотної обробки нафтової свердловини

Звіт про магістерську роботу __ с. __ рис., __ табл., __ джерел.

Науковий керівник: к.т.н., доц. Лістовщик Л.К.

Дисертація на здобуття наукового ступеня магістра за спеціальністю 8.05070205 - Електромеханічні системи геотехнічних виробництв - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”. - Київ, 2018р.

Дисертацію виконано для підвищення ефективності кислотної обробки свердловини, шляхом створення системи струминного змішування рідких компонентів за допомогою явища інжекції.

Розроблено конструкцію струминного змішувача з необхідними параметрами, які дозволять змішувати рідкі середовища в необхідних пропорціях. Розроблено систему автоматизації процесів струминного змішування, що дозволяє регулювати коефіцієнт інжекції.

Досліджено міцнісні характеристики струминного змішувача. Встановлено залежність коефіцієнта інжекції від таких параметрів, як: діаметр робочого сопла струминного змішувача, діаметр камери змішування, відстань від вихідного перерізу сопла до вхідного перерізу камери змішування, положення засувки на всмоктувальному патрубку, густин рідин, що змішуються.

Ключові слова: СТРУМИННИЙ ЗМІШУВАЧ, ІНЖЕКЦІЯ, КОЕФІЦІЄНТ ІНЖЕКЦІЇ, НАСОС, КИСЛОТНА ОБРОБКА, НАФТОВА СВЕРДЛОВИНА



АННОТАЦИЯ

свердловина інжекція автоматизація змішування

Савченко А.В.

Тема: Обоснование параметров системы струйного смешивания жидких компонентов для кислотной обработки нефтяной скважины

Отчет по магистерской работе __ с. __ рис., __ табл., __ ист.

Научный руководитель: к.т.н., доц. Листовщик Л.К.

Диссертация на соискание ученой степени магистра по специальности 8.05070205 - электромеханические системы геотехнических производств. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского» - Киев, 2018.

Диссертация выполнена для повышения эффективности кислотной обработки скважины, путем создания системы струйного смешивания жидких компонентов с помощью явления инжекции.

Разработана конструкция струйного смесителя с необходимыми параметрами, которые позволят смешивать жидкие среды в необходимых пропорциях. Разработана система автоматизации процессов струйного смешивания, что позволяет регулировать коэффициент инжекции.

Исследованы прочностные характеристики струйного смесителя. Установлена зависимость коэффициента инжекции от таких параметров, как: диаметр рабочего сопла струйного смесителя, диаметр камеры смешения, расстояние от выходного сечения сопла до входного сечения камеры смешения, положение задвижки на всасывающем патрубке, плотности жидкостей, которые смешиваются.

Ключевые слова: СТРУЙНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ, ИНЖЕКЦИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ ИНЖЕКЦИИ, НАСОС, КИСЛОТНАЯ ОБРАБОТКА, НЕФТЯНАЯ СКВАЖИНА



ABSTARCT

Savchenko A.V.

Theme: Substantiation of Jet Mixer Parameters for Liquid Components for Acid Treatment of a Well

Report on the master's work __ p. __ fig., __ table, __ sources.

Scientific adviser: Ph.D., doc. L.K.

Thesis for a master's degree in the specialty 8.05070205 - electromechanical systems of geotechnical industries. - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", 2018.

The thesis is done to improve the efficiency of acid treatment of well by creating a system for jet mixing of liquid components through injection phenomenon.

The design of a jet mixer with the necessary parameters is developed, it will allow mixing liquids in the required proportions. The system of automation of jet mixing processes is developed, that allows regulating the injection ratio.

Jet mixer strength characteristics are investigated. It was investigated that injection coefficient depends on parameters such as: diameter of the working nozzle of the jet mixer, diameter of the mixing chamber, distance from the outlet section of the nozzle to the inlet section of the mixing chamber, the position of the valve on the suction pipe, the density of the liquids that are mixed.

Keywords: JET MIXER, INJECTION, INJECTION COEFFICIENT, PUMP, ACID PROCESSING, OIL WELL



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Нафта на сучасному етапі розвитку суспільства -- найважливіший і найпрогресивніший мінеральний ресурс. Її калорійність значно вища, ніж таких видів палива, як вугілля, торф, сланці. Вона є високоекономічною вуглеводневою сировиною для виробництв, які базуються на хімії органічного синтезу.

Процес видобування нафти супроводжується рядом проблем, які вирішуються різноманітними способами. Одна з таких проблем - зниження проникності пласту, внаслідок чого погіршується продуктивність свердловини.

Одним з ефективних способів інтенсифікації проникності пласта є кислотна обробка свердловини. Цей метод полягає у закачуванні певної кислоти в свердловину, де вона розчиняє тверді частинки природного і техногенного походження, що забивають флюїдопроводячі канали. По закінченні процесу реагування кислотного розчину з породами водоносного або нафтоносного пласта свердловина прокачується ерліфтом або глибинним насосом з утилізацією рідини на поверхні.

Важливим етапом даного виду ремонту свердловини є підготовка розчину кислоти певної концентрації. Якщо розчин кислоти буде мати малу концентрацію, то її може не вистачити для достатньо якісного реагування з парафінами і асфальтантами в нафтовій свердловині, тобто ефективність кислотної обробки буде невисока. В той же час, при збільшенні концентрації кислоти в певний момент перестане зростати ефективність обробки свердловини, так як для розчинення всіх заважаючих речовин необхідна певна кількість кислоти, і збільшення об'єму кислоти понад необхідне значення призведе тільки до зайвих витрат. Таким чином, потрібно підібрати таку концентрацію розчину кислоти, щоб її було достатньо для повноцінного реагування з парафінами та асфальтантами, але при цьому потрібно забезпечити найменший рівень витрат.

Одним з ефективних способів отримання необхідного розчину є струминне змішування концентрованої кислоти з водою. В даній роботі розглянуто процес струминного змішування рідких компонентів, що полягає у використанні явища інжекції, що створюється завдяки попередньо розробленій конструкції струминного змішувача.

Перевагою струминного змішувача є те, що немає потреби в попередньому змішуванні кислоти з водою задля отримання певної концентрації кислоти. Виготовивши пристрій з певними геометричними параметрами, вода перемішуватиметься з кислотою в пристрої в потрібних пропорціях. Також даний змішувач не має рухомих частин, що робить його більш надійним; пристрій може працювати з агресивними середовищами, що важливо в даному випадку.

Мета дослідження

Дослідити та обґрунтувати параметри системи струминного змішування рідких компонентів для кислотної обробки нафтової свердловини.

Задачі дослідження:

1. На основі вихідних даних необхідно розробити конструкцію струминного змішувача для створення розчинів певних концентрацій, які будуть використовуватись при кислотній обробці свердловин.

Задаючись значеннями коефіцієнта інжекції, витрати і перепаду тисків визначити раціональні параметри змішувача, а саме: діаметр вихідного сопла, діаметр камери змішування, відстань від вихідного перерізу сопла до вхідного перерізу камери змішування, довжина камери змішування; за отриманими даними розробити конструкцію пристрою.

2. Розробити систему автоматизації, що контролюватиме процеси змішування рідин і подання вихідних розчинів до свердловини.

3. Дослідити процеси струминного змішування в програмному середовищі Solidworks та модулях Simulation і Flow Simulation: дослідити на міцність елементи конструкції струминного змішувача; розглянути та проаналізувати проблему налипання твердих частинок всередині приладу; дослідити зміну коефіцієнту інжекції від зміни положення засувки на всмоктувальному патрубку.

4. Розробити автоматизовану систему керування положенням засувки на всмоктувальному патрубку, використовуючи програмне середовище MatLAB.

5. Розробити модель експериментального стенду для дослідження роботи пристрою в лабораторних умовах та підібрати вимірювальну апаратуру, виконати практичні рекомендації щодо планування та проведення експериментів.

6. Виконати статистичну оцінку процесу інжекції при випадковому значенні густини.

Об'єкт дослідження

Процес струминного змішування рідких компонентів

Предмет дослідження

Струминний змішувач, що використовується для отримання розчину кислоти в умовах кислотної обробки свердловини

Методи досліджень

Для розв'язання поставлених задач використано такі методи досліджень: аналіз, узагальнення й систематизація теоретичної інформації в області підвищення продуктивності нафтової свердловини; методи математичного моделювання та статистичний аналіз для дослідження процесу струминного змішування та визначення коефіцієнту інжекції. Отримані данні опрацьовувано статистичними методами за допомогою прикладних програм (Mathcad, Microsoft Office), дослідження віртуальної моделі пристрою проведено в модулях Simulation та Flow Simulation програмного середовища SolidWorks, дослідження динамічно-гідравлічної моделі струминного змішувача проведено в оболонці Simulink прикладної програми MatLab.

Наукова новизна

- Вперше обґрунтовано раціональні параметри струминного змішувача, які дозволяють досягти необхідного коефіцієнта інжекції та встановлено залежність коефіцієнта інжекції від площі дроселювання інжектуованого потоку.

Практичне значення одержаних результатів

Матеріал досліджень дозволив встановити особливості протікання процесу струминного змішування рідких компонентів. Встановлено залежність коефіцієнту інжекції від таких геометричних параметрів пристрою, як діаметр робочого сопла, діаметр камери змішування, відстань від вихідного перерізу робочого сопла до вхідного перерізу камери змішування. Встановлено залежність коефіцієнту інжекції від площі дроселювання інжектуємого потоку рідини. Вперше розроблено віртуальну модель струминного змішувача, досліджено зміну коефіцієнту інжекції від положення засувки на всмоктувальному патрубку змішувача, досліджено рух твердих частинок всередині пристрою. Наведені практичні рекомендації щодо дослідження роботи струминного змішувача в експериментально-лабораторних умовах. Результати досліджень можуть бути використані на об'єктах нафтогазової промисловості під час проведення підземного ремонту нафтових свердловин при інтенсифікації проникності пласта.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети та завдань, представленні методики аналітичних досліджень, комп'ютерному моделюванні процесу засобами Solidworks 2016 та в оболонці Simulink прикладної програми MATLAB, розробці 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 міжнародній науковій конференції студентів «Modern Technologies: Improving the Present and Impacting the Future», доповідь на тему: «ACID THERMAL TREATMENT OF OIL WELLS», Дніпро, 2017.

- Участь в XVII всеукраїнській студентській науково-практичній конференції «INNOVATIONS IN SCIENCE AND TECHNOLOGY», доповідь на тему: «WELL ACIDIZING», Київ, 2016.

Публікації

За результатами досліджень, що викладено в дисертації, опубліковано патент на корисну модель:

Пат. 113922 Україна, МПК⁵¹ Е21В 37/06. Струминний змішувач [Текст]/ Лістовщик Л.К., Сліденко В.М., Савченко А.В.; заявник та патентовласник: Національний Технічний Університет України «Київський Політехнічний Інститут».

Структура і об'єм дисертації.

Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів, списку використаних джерел, 5 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 152 сторінок, у тому числі 127 - основний текст, містить 73 рисунки, 18 таблиць, 101 формула.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі, проведено інформаційні дослідження, а саме аналіз технологій процесу кислотної обробки свердловини, розглянуто особливості струминних апаратів, їх параметри та режими роботи, проаналізовано методи розрахунку коефіцієнту інжекції. На основі наведеної в розділі інформації обрано ефективний спосіб змішування рідких компонентів за допомогою струминного змішувача, що забезпечує необхідний коефіцієнт інжекції.

На основі наведеної інформації сформовано задачі для дослідження, що необхідні для досягнення поставленої мети, розроблено структуру дослідження.

У другому розділі описано реалізацію процесу струминного змішування рідких компонентів за допомогою струминного змішувача, а також описано будову та принцип дії самого пристрою.

Задаючись наступними вихідними параметрами: подача робочої рідини 10,5 кг/с, тиск робочої рідини 1,54 МПа, коефіцієнт інжекції 0.5, розраховано раціональні геометричні параметри змішувача, а саме:

- діаметр камери змішування dk=26,06 мм,

- довжина камери змішування lk=234,53 мм,

- відстань від вихідного перерізу робочого сопла до вхідного перерізу камери змішування lc=26,93 мм,

- діаметр робочого сопла dp=16,81 мм.

Розроблено систему автоматизації процесу змішування рідких компонентів (рис. 1).

СН - струминний змішувач, У1..У5 - датчик рівня рідини в баку, Б1..Б6 - бак, Р1, Р2 - золотниковий розподілювач, З - клинова засувка з електроприводом, КЗ1..КЗ3 - клапан запобіжний, К - програмований логічний контролер (ПЛК), Н1 - відцентровий насос, Н2 - плунжерний насос, НС - нафтова свердловина.

Рисунок 1 - Принципова схема автоматизованої системи змішування рідких компонентів

Розроблена система автоматизації дозволяє частково виключити людський фактор, який, зазвичай, наявний при змішуванні рідин для кислотної обробки свердловини. Це дозволяє збільшити точність процесу, тобто точність концентрацій вихідних розчинів; зменшити кількість людських ресурсів, що необхідні для даної роботи. Також така система дозволить зменшити час, що затрачується на дані процеси.

Регулювання положення засувкою дозволить змінювати концентрації вихідних розчинів, встановлювати саме ті значення, які необхідні для максимально ефективної кислотної обробки.

Можливість зміни коефіцієнта інжекції (концентрації вихідного розчину) забезпечує варіативність застосування даної системи, тобто можливість отримання розчинів кислот різних концентрацій.

У третьому розділі за допомогою програмного середовища SolidWorks створено та досліджено віртуальну модель струминного змішувача (рис. 2).

Рисунок 2 - Геометрична модель струминного змішувача в розрізі

Досліджено рух твердих частинок в складі інжектуємої рідини. В результаті отримано, що досить велика частка їх (~63%) налипає на стінки, змінюючи геометрію прохідних отворів пристрою, тим самим змінюючи характеристики змішувача. Отже, необхідно враховувати цей фактор при користуванні даним струминним апаратом, а саме: слідкувати за забрудненістю рідких компонентів, що змішуються, та завчасно проводити чистку пристрою.

Дослідивши пристрій на виникаючі напруження в деталях стало видно, що даний матеріал забезпечує досить великий запас міцності (найменший в нагнітальний частині ~50, найменший в всмоктувальній частині ~200, найменший у вихідній частині~48). Це означає, що змінивши конструкцію (зменшивши товщину стінок окремих деталей, наприклад), можна зменшити витрату матеріалів на виготовлення пристрою.

Досліджено залежність коефіцієнту інжекції від положення клинової засувки на всмоктувальному патрубку. Встановлено, що в основному коефіцієнт інжекції змінюється в межах від 0 до 10 мм (відстань між віссю диска засувки та віссю всмоктувального патрубку), тобто при наближенні до повного закриття прохідного отвору. Задавшись ціллю більш плавного регулювання коефіцієнту інжекції струминного змішувача, порівняно зі зміною положення клинової засувки, було досліджено залежність коефіцієнта інжекції від положення голчастого дроселя, установленого на всмоктувальному патрубку. Як і очікувалось, зміна коефіцієнта інжекції проходить більш плавно, порівняно з клиновою засувкою (рис. 3). Причому, при збільшенні довжини та куту конусної частини голки збільшується плавність регулювання.



1 - залежність коефіцієнту інжекції від положення клинової засувки на всмоктувальному патрубку; 2 - залежність коефіцієнту інжекції від положення голччастого дроселя на всмоктувальному патрубку.

Рисунок 3 - Порівняння графіків залежності коефіцієнта інжекції від положення клинової засувки та голчастого дроселя на всмоктувальному патрубку

В четвертому розділі розроблено систему автоматизації управління засувкою на всмоктувальному патрубку в оболонці Simulink програмного середовища MatLAB. Створено раціональний алгоритм регулювання коефіцієнту інжекції, що полягає в регулюванні засувкою, в залежності від даних, що знімаються з витратомірів на нагнітальному та всмоктувальному патрубках. Отримавши ці дані, система обраховує коефіцієнт інжекції та порівнює його з необхідним значенням, яке було задано перед початком роботи. Після цього на електропривод засувки посилається сигнал на часткове її відкриття або закриття, після чого процедура повторюється.

На рис. 4 наведено графік зміни коефіцієнта інжекції в часі внаслідок регулювання положення засувки на всмоктувальному патрубку.



Рисунок 4 - Графік зміни концентрації вихідного розчину кислоти при автоматичному регулюванні положення засувки

Як видно з графіку, при вихідному (начальному) положенні засувки забезпечується концентрація кислоти, що дорівнює 0,28, але система управління за короткий проміжок часу закриває засувку на певну відстань, доводячи значення концентрації до шуканого 0,17 (яке задається на початку), після чого відбувається регулювання в зоні даного значення.

У п'ятому розділі розроблено модель експериментального стенду для дослідження струминного змішування рідких компонентів за допомогою струминного змішувача. Схема стенду зображена на рис. 5.



Б1, Б2, Б3 - бак для рідини, Н1 - відцентровий насос, М1 - електродвигун відцентрового насосу, В1, В2, В3 - електромагнітний витратомір, Т1, Т2, Т3 - датчик температури, З1 - засувка на всмоктувальному патрубку, М2 - електропривод засувки, Д1, Д2, Д3 - манометр, ЗС1 - струминний змішувач.

Рисунок 5 - Схема моделі експериментального стенду

Розроблено методику досліджень, підібрано комплекс вимірювально-реєструючої апаратури для вимірювання характеристик фізичних величин, виконано практичні рекомендації щодо планування та проведення дослідження. Реалізація лабораторного стенду дозволить визначити залежність коефіцієнту інжекції від таких параметрів, як діаметр робочого сопла, діаметр камери змішування, відстань від вихідного перерізу робочого сопла до вхідного перерізу камери змішування, положення засувки на всмоктувальному патрубку, густин рідин що змішуються; провести порівняльний аналіз експериментальних даних з розрахунковими.

В шостому розділі проводиться статистична оцінка процесу інжекції при змінному значенні густини.

Враховуючи, що коефіцієнт інжекції розраховується за формулою:

де с_р - густина інжектуючої рідини (кг/м³);

с_з - густина інжектуємої рідини (кг/м³);

К - значення конструктивного співвідношення діаметрів робочого сопла та камери змішування струминного апарата і дорівнює:

Таким чином, з виразу обчислення коефіцієнта інжекції видно, що його значення залежить від діаметрів робочого сопла та камери змішування, а також від густин рідин, що змішуються.

Прийнято, що густина робочої рідини (води з домішками) може різнитися в межах 800-1100 кг/м³.

Значення інжектуючої рідини прийнято 1189 кг/м³, що дорівнює густині соляної кислоти з концентрацією 38%.

Застосовано критерій “мінімуму-максимуму” для обчислення впливу густини інжектуючої рідини на коефіцієнт інжекції.



Відхилення становить:

Для визначення можливих значень тиску дроселювання використаємо закон розподілу Пуассона:

;

де - це математичне сподівання та дисперсія розподілу;

k - можливі цілі значення, які може приймати досліджуваний параметр.

Якщо прийняти за значення 1000 кг/м³, отримаємо такий графік щільності розподілу:



Рисунок 6.5 - Графік щільності ймовірності

В оболонці програми Borland Builder C++ реалізована програма статистичного розрахунку випадкових величин за законом розподілу Пуассона.



ВИСНОВКИ

1. Аналізом літературних і патентних джерел встановлено, що метод струминного змішування рідких компонентів є одним з найбільш ефективних способів для отримання розчину кислоти для подальшої обробки нафтової свердловини. Даний метод є простим, продуктивним.

2. При вхідних умовах робочого потоку Q=10,5 кг/с, P=1,54 МПа, спроектовано струминний змішувач та обґрунтовано його геометричні параметри такі, як: діаметр робочого сопла dp=16,81 мм, діаметр камери змішування dк=26,06 мм, відстань від вихідного перерізу робочого сопла до вхідного перерізу камери змішування lc=26,93 мм, довжина камери змішування lк=234,53 мм. Дана конструкція струминного змішувача забезпечує коефіцієнт інжекції, рівний 0,5.

3. Вперше встановлено залежність коефіцієнту інжекції від площі дроселювання інжектуємого потоку на всмоктувальному патрубку.

4. Досліджено залежність коефіцієнта інжекції від положення засувки на всмоктувальному патрубку. Можна сказати, що величина коефіцієнту інжекції регулюється зміною положення засувки на всмоктувальному патрубку від 0 до 10 мм, подальше її відкриття майже не впливає на значення коефіцієнту інжекції.

5. В результаті дослідження руху твердих частинок в складі інжектуємої рідини отримано, що досить велика частка їх (~63%) налипає на стінки, змінюючи геометрію прохідних отворів пристрою, тим самим змінюючи характеристики змішувача. Отже, необхідно враховувати цей фактор при користуванні даним пристроєм, а саме: слідкувати за забрудненістю рідких компонентів, що змішуються, та завчасно проводити чистку пристрою.

6. Створена система автоматизованого керування засувкою дозволяє забезпечувати необхідний коефіцієнт інжекції пристрою завдяки слідкуванню за об'ємами рідин, що надходять до струминного змішувача. Встановлено, що незалежно від того, в якому положенні перед початком робіт була засувка, приблизно за 10 с коефіцієнт інжекції прийме необхідне значення.

7. Розроблено експериментальний стенд та план проведення експерименту, який дозволить встановити залежність коефіцієнту інжекції від таких параметрів, як діаметри робочого сопла та камери змішування, положення засувки на всмоктувальному патрубку, густини рідин, що змішуються.

8. При статистичній обробці результатів досліджено випадкову величину - густину робочої рідини. Встановлено, що вона може змінюватись в межах 800-1100 кг/м³ за законом розподілу дискретних величин Пуассона. При чому це суттєво впливає на головний параметр процесу змішування - коефіцієнт інжекції. Відхилення в даних межах може становити 55%. Застосувавши закон розподілу Пуассона, отримано графік щільності ймовірності даної випадкової величини, який має параболічний характер, та обраховано ймовірність отримання очікуваного значення густини 1000 кг/ м³ - 0,041.

Размещено на Allbest.ru

...