Пристрій для створення багатократної імплозії з модернізацією системи керування

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

ПРИСТРІЙ ДЛЯ СТВОРЕННЯ БАГАТОКРАТНОЇ ІМПЛОЗІЇ З МОДЕРНІЗАЦІЄЮ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня магістра

ГНЕСЬ ОЛЕКСІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ

2015

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

Науковий керівник: кандидат технічних робіт, доцент Лістовщик Леонід Костянтинович

Захист відбудеться 23 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. 206.

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

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

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.

Результати досліджень можуть бути використані на об'єктах нафтогазовидобувної промисловості.

До основних чинників, які ускладнюють розробку покладів і знижують нафтовіддачу, відносять наступні:

* неоднорідність фільтраційно-ємнісних властивостей покладу;

* літологію, гранулометричний склад порід;

* співвідношення фільтраційних в пласті фаз;

* гравітаційне розділення фаз.

Неоднорідні пласти в багатьох випадках можуть істотно відрізнятися за продуктивністю, обводненням і щільністю нафтоносності. У неоднорідних по вертикалі пластах, що мають окремі низькопроникні пропластки, важко забезпечити охоплення впливом внаслідок того, що в активну розробку будуть включатися тільки високопроникні шари. Неоднорідність пласта по проникності, в разі витіснення нафти водою, призводить до утворення так званих ділянок обводненості

За даних умов доцільним є використання пристроїв, які, залежно від конструкції, здатні забезпечити ударний депресивний або репресивний вплив в оброблюваному інтервалі привибійної зони свердловини . Особливу увагу виділено імплозійним пристроям, в яких за рахунок ефекту імплозії виникає ударна хвиля з тиском, що 1,4 - 1,6 рази більше тиску в привибійній зоні свердловини.

Сутність методу імплозії полягає в тому, що покращення фільтраційної характеристики привибійної зони пласта і, відповідно, підвищення дебіту добувних і приймальних можливостей нагнітальних свердловин досягається за рахунок використання енергії гідравлічного удару падаючого стовпа свердловинної рідини. При цьому перший удар хвилі буде самим сильним. Всі наступні у зв'язку з втратами енергії на тертя рідини в стволі свердловини і в пласті будуть слабші за попередні і через деякий час настане повне їх затухання.

У момент, коли рідина стрімко прямує всередину пустотілого корпусу здійснюється розрідження на забої. За рахунок цієї депресії пластова рідина з великою швидкістю починає поступати в свердловину. Інтенсивний рух рідини з пласта в свердловину сприяє очистці частини пласта від забруднень ( відкладень смол, парафіну і т.д. ), а іноді приводить до руйнування породи привибійної зони пласта і створення там розгалуженої сітки тріщин. Притік нафти в свердловині після імплозії, як свідчить практика, виростає в декілька разів. Іноді свердловини, що експлуатуються механізованим способом переходять в ряд фонтануючих.

Мета дисертації - розробка та обґрунтування параметрів пристрою багатократної дії для очистки привибійної зони, а також підвищення продуктивності свердловини, методом імплозії та системи керування ним.

Задачі :

1. Дослідити особливості впливу методу імплозії на привибійну зону пласта.

2. Розробити конструкцію пристрою для імплозійного впливу на привибійну зону пласта та систему керування ним.

3. Розробити методику аналітичних та експериментальних досліджень.

4. Обґрунтувати і аналітично описати розрахункову модель ударного впливу на пласт.

5. Провести комп'ютерне моделювання процесу імплозійного впливу на пласт.

Об'єкт дослідження - ефект імплозії в процесі відновлення фільтраційних властивостей привибійної зони свердловини.

Предмет дослідження - властивості та параметри пристрою для створення ефекту багатократної імплозії.

Методи дослідження - математичне, комп'ютерне моделювання процесу імплозії, а саме руху рідини і впливу гідравлічного удару, статистичний аналіз даних, експериментальні дослідження на ЕОМ; комп'ютерне моделювання за допомогою програм AutoCAD, Borland C++, MathCAD, SolidWorks.

Наукова ідея - аналітичне обґрунтування використання ефекту імплозії при відновленні нафтових свердловин з реалізацією автоматичної системи керування процесами.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уточнено математичну модель функціонування пристрою створення багатократного ефекту імплозії;

2. Визначено закономірності зміни величини гідравлючного удару від конструктивних параметрів імплозійного пристрою;

3. Сформовано систему критеріїв ефективності конструкції пристрою створення багатократної імплозії;

4. Розроблено модель дослідження міцносних властивостей імплозійної камери пристрою.

Практична цінність - підвищення ефективності впливу ефекту імплозії на привибійну зону свердловини, покращена керованість пристрою.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети та завдань, представленні методики аналітичних досліджень, комп'ютерному моделюванні процесу в оболонці Solidworks, статистичного аналізу, 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 «Проблеми вдосконалення машин та обладнання геотехнічних виробництв. Наукові дослідження студентів». Доповідь на тему «Пристрій для створення багатократного ефекту імплозії», заявка на корисну модель пристрою створення багатократної імплозії № u201501495

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ АНАЛІЗ НАУКОВО-ТЕХНІЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ

На основі аналізу наукових публікації та монографій, в розділі 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. імплозія генератор поршневий пара

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

Найбільш близьким за технічною суттю пристроєм для реалізації методу є апарат дії (Патент РФ №2320866 C1, E21B37/00, опубл. 05.06.2008), який задовольняє вимоги для реалізації методу.

На основі наведеної інформації сформовано задачі для дослідження: розробка структури дослідження та встановлення оптимальних параметрів функціонування імплозійного пристрою.

МЕТОДИКА НАУКОВИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

Проведено аналіз методів математичного моделювання, вибрано модель, яку будемо систематично використовувати на першому етапі планування експерименту. Це є алгебраїчним поліном першої степені - лінійна модель. Математична модель необхідна для передбачення напрямку градієнта, тобто напрямку, в якому величина параметру оптимізації покращується швидше, ніж в будь якому іншому напрямку. Така модель дозволяє уникнути повного перебору станів об'єкта і тим самим зменшити кількість дослідів, необхідних для пошуку оптимуму.

МОДЕЛЮВАННЯ ФУНКЦІОНУВАННЯ ПРИСТРОЮ

Приведений опис запропонованого технічного рішення, а саме пристрою (рис.1) і системи керування (рис.2).

Рисунок 1 - Імплозійний пристрій багатократної дії

Рисунок 2 - Схема керування пристрою багатократної імплозій

Схема імплозійного генератора приведена на кресленні. Імплозійний генератор (рис. 1) приєднується до насосно-комресорних труб за допомогою муфти 1, і опускається в свердловину, що представлена на рисунку колоною обсадних труб 14, до рівня продуктивного пласта. Даний пристрій містить дві камери: імплозійну 9 і приводну 2. Поршень 4 в приводній камері рухається поступально, при цьому приводиться в рух рідиною що подається з поверхні почергово - в НКТ і через отвір 7 для руху поршня вверх, в позатрубний простір для руху вниз. Поршні 4 і 11 з'єднанні штангою 6, чим забезпечується їх синхронний рух. В першому випадку в імплозійній камері створюється розрідження до моменту поки отвір 12 не опиниться відкритим. В цей момент часу рідина з підпакерної зони 10 завдяки створеному розрідженню в імплозійній камері на великій швидкості заповнює вищезгадану камеру. Із-за набутої кінетичної енергії потік відтискає зворотній клапан 14 і потрапляє знову в затрубний простір підпакерної зони через вихідні отвори 15. В результаті описаних дій виникає гідравлічний удар, який в подальшому діє на привибійну зону пласта. Дія гідравлічного удару направлена насамперед на розширення мікротріщин в породі-колекторі, що підвищує дебіт пласта. Після проведення робочого ходу поршень в імплозійній камрі опускається вниз до упору і процес повторюється. Завдяки цьому забезпечується явище багатократної імплозії. Камери 2 і 11 з'єднані між собою трубою 3 в порожнині якої розташований штанга 6. Для запобігання протікання рідини з приводної камери до імплозійної в місцях з'єднання труби 3 з камерами встановлюються ущільнення. Для розділення робочої зони 10 і зони приводу 8 встановлюється пакер 9. На поршнях для забезпечення герметизації встановлені компресійні кільця 5. Потік рідини що рухає спарені поршні регулюється на поверхні за допомогою гідравлічного розподілювача розподілювача (рис. 2). Сигнал керування формується згідно показань датчиків тиску ДТ1 та ДТ2, що встановлені на НКТ та зливному трубопроводі

Рисунок 3 - Циклограма роботи пристрою

Один цикл роботи описується такою послідовністю дій (рис. 3):

- постановка пакера;

- зведення поршневої пари до відкриття радіальних отворів впуску рідини (0-1);

- проходження гідравлічного удару, за попереднього розгону рідини, відкривання рідиною клапана (1'-3') і вплив на ПЗП (1-2);

- клапанна пара опускається (2-3);

- закривається клапан (4'-2');

- повторення процесу декілька раз;

- зняття пакера.

Основною залежністю, що описує проходження процесу гідравлічного удару врезультаті ефекту імплозії є формула швидкості рідини

а також формула Жуковського для визначення величини збільшення тиску

,

де - тиск гідравлічного удару, Па; - щільність рідини, кг/м3; w - швидкість руху рідини, м/с; с - швидкість поширення ударної хвилі в трубах.

Відповідно для різних умов свердловин з врахуванням їх діаметрів імплозійних залежність w = (lкам) , рг.у = (lкам) буде визначатись за графіками, що наведені на рис. 4.

Рисунок 4 - Залежність швидкості потоку рідини (а) і тиску (б) гідравлічного удару від довжини імплозійної камери при її діаметрі 84 мм для глибин пластів 3500, 3000, 2000, 1000 м

Відповідно до рис. 3 рух поршневої пари має 3 етапи:

- зведення поршневої пари;

- фіксація поршневої пари на час проходження хвиле-ударних процесів;

- опускання в початкове положення.

Розглянемо детальніше кожен з етапів.

Час зведення поршневої пари залежить від подачі рідини під поршень керуючої зони. Кількісно подача визначається продуктивністю насоса, в даному випадку Q = 0,026 м3/с.

Об'єм приводної камери

 м3,

де rк і rш - радіус камери і штока відповідно.

Необхідний час на заповнення камери

c.

Час затримки поршневої пари - необхідний для проходження кількох періодів проходження хвилі гідравлічного удару. Тривалість одного імпульсу

Третій відрізок характеризується опусканням поршневої пари, при цьому об'єм рідини, що виходить з імплозійної камери через зворотній клапан створює хвилю репресії, що також позитивно впливає на відновлення колекторських властивостей пласта.

Для заданих умов отримано результат, що досягається гідравлічний удар з тиском у 2 рази більше гірничого тиску. Таким чином, за допомогою цього способу може бути забезпечено створення гідравлічного удару, що достатньо для створення в привибійній зоні свердловини тріщин або для розширення вже існуючих там мікроскопічних тріщин. При цьому швидкість поширення ударної хвилі становить 1209 м/с. Наведені розрахунки приведені без врахування гідравлічних втрат на ущільнювачах поршнів.

Також, встановлені залежності сили гідравлічного удару від конструктивних параметрів (рис 5,6)

Рисунок 5 - Залежність тиску гідравлічного удару від діаметру імплозійної камери при H = 3600 м.

Рисунок 6 - Залежність тиску гідравлічного удару від глибини занурення пристрою, при умові dкам=const.

ПАРАМЕТРИЗОВАНА МОДЕЛЬ ПРИСТРОЮ В САПР

У даному розділі розглянуто експериментальні дослідження в оболонці SolidWorks імплозійної камери пристрою створення багатократної імплозії, а саме:

- величини тиску рідини;

- дослідження на міцність та деформації;

- сформулювати рекомендації щодо застосування та удосконалення установки. Імплозійна камера взята для дослідження, як частина пристрою, що піддається найбільшим навантаженням.

Рисунок 7 - Креслення імплозійної камери в AutoCAD

Рисунок 8- Результати проведення дослідження за запасом міцності

В результаті проведеного моделювання в модулі FlowWorks отримали результати у вигляді зображення кольорово розділеного за зонами розподілу тиску і швидкості на виході з імплозійної камери (рис.9) і на вхідних отворах.

Рисунок 9 - Швидкість рідини на виході імплозійної камери

Рисунок 4.23- Швидкість рідини на вході імплозійної камери

ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. Застосування імплозійного пристрою багатократної дії разом з розділенням робочої та керуючої зони, а також модернізованої системи керування дає можливість підвищити ефективність обробки привибійної зони свердловини;

2. Уточнені аналітичні розрахунки проходження процесу імплозії;

3. За розрахунковими закономірностями обґрунтовано величину параметрів, а саме тиск гідравлічного удару 60,5 МПа, час циклу зведення опускання поршневої пари 1,26с, витік рідини через зазори в плунжерній парі становлять м3/с, жорсткість пружини зворотного клапана 6 Н/м.

4. Описані випадкові величини маси бойка та радіуса маховика. Визначено, що густина робочої рідини має нормальний характер розподілу, а об'ємний модуль пружності - розподіл Ерланга. Знайдена імовірність попадання значення густини робочої рідини від 1041 кг/м3 до 1060 кг/м3:Р{ 1041 < Х < 1060}=0,376.

5. Проведено розрахунок на міцність імплозійної камери в оболонці Solid Works. Максимальна деформація статора становить 0,582 мм, а мінімальний коефіцієнт запасу міцності - 1,32.

АНОТАЦІЯ

до автореферату магістерської дисертації

Автор: Гнесь Олексій Анатолійович

Тема: Пристрій для створення ефекту багакратної імплозії з модернізацією системи керування

Науковий керівник: к.т.н., доцент Лістовщик Леонід Костянтинович

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

Збільшення видобутку 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.

Уточнено математичну модель імплозійного пристрою, розроблено конструкцію пристрою та систему керування ним, розроблено методику аналітичних та експериментальних досліджень, обґрунтовано і аналітично описано розрахункову модель ударного впливу на пласт, проведено комп'ютерне моделювання процесу гідравлічного удару, як основного параметру ефекту імплозії і впливу його на пласт.

Ключові слова: імплозія, гідравлічний удар, система керування, розділення зони впливу пакером.

Тема: Устройство для создания эффекта багакратной имплозии с модернизацией системы управления

Научный руководитель: к.т.н., доцент Листовщик Леонид Константинович

Диссертация на соискание ученой степени магистра по специальности 8.05070205 - Электромеханические системы геотехнических производств. Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт". - Киев, 2015

Увеличение добычи объемов нефти и газа является главной задачей, которая стоит перед представителями теплоэнергетической отрасли как Украины, так и всего мира. В условиях отсутствия новых месторождений нефти и газа, удовлетворяющих этим требованиям, перед рабочими нефтегазодобывающей промышленности в качестве потенциальных источников нефти и газа на первый план устанавливают проблемы, связанные с повышением эффективности разработки существующих. И здесь главной задачей, которая требует своего существенного решения, становится проблема повышения производительности скважин.

Уточнение математической модели имплозийного устройства, разработана конструкция устройства и систему управления им, разработана методика аналитических и экспериментальных исследований, обоснованно и аналитически описано расчетную модель ударного воздействия на пласт, проведено компьютерное моделирование процесса гидравлического удара, как основного параметра эффекта имплозии и влияния его на пласт.

Ключевые слова: имплозия, гидравлический удар, система управления, разделение зоны влияния пакером

Device for Making Repeated Implosion with Control System Modernization Scientific adviser: Associate Listovschyk Leonid 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

The increase in production 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.

Specified mathematical model Implosion device developed modifications and manage system, the method of analytical and experimental studies proved and described analytically calculated model shock stimulation, conducted computer modeling process water hammer as the main parameter implosion effect and its impact on layer.

Tags: implosion, hydraulic shock, the control system, the separation zone of influence by packer.

Размещено на Allbest.ru