Обґрунтування параметрів кавітаційно-струминного генератора для очищення обсадної колони нафтової свердловини від асфальтено-смолистих і парафінових відкладень

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»

ЛИСЮК АНАСТАСІЯ ВАСИЛІВНА

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ КАВІТАЦІЙНО-СТРУМИННОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ ОЧИЩЕННЯ ОБСАДНОЇ КОЛОНИ НАФТОВОЇ СВЕРДЛОВИНИ ВІД АСПВ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня магістра

Київ 2018

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».

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. На родовищах видобуток нафти ускладняється утворенням асфальтено-смолистих і парафінових відкладень (АСПВ) на поверхні нафтопромислового обладнання та в привибійній зоні свердловин, які знижують їх продуктивність і призводять до збільшення витрат на підземний ремонт свердловин. Боротьба з асфальтено-смоло-парафіновими відкладеннями в свердловинах на нафтогазових родовищах є однією з актуальних і важливих проблем і вимагає значних матеріальних і трудових витрат. Скорочення цих витрат можливо на основі створення та впровадження ефективних технологій і технічних засобів.

Існує ряд відомих і активно застосовуваних в нафтовидобувній промисловості методів боротьби з АСПВ, але різноманіття умов розробки родовищ і відмінність характеристик продукції, що видобувається, часто вимагає індивідуального підходу. Вибір методу боротьби з АСПВ, за умови збереження якості продукції та виконання нормативних показників супутніх робіт, забезпечуючи необхідні техніко-економічні показники в сучасних умовах, є важливим завданням.

Актуальність роботи. Збільшення об'ємів нафти і газу є головною задачею, яка стоїть перед представниками теплоенергетичної галузі як України, так і всього світу. В таких умовах використання нових технологій для боротьби із АСПВ при видобутку вуглеводневої сировини є актуальною задачею.

В останні роки спостерігається підвищений інтерес до дослідження явища кавітації, її параметрів, кавітаційних режимів течії рідини, ефектів, які супроводжують різні види кавітації, можливості застосування корисної кавітації для вирішення технологічних проблем в нафтопромисловому комплексі. Таким чином одним з перспективних і вигідних способів боротьби з АСПВ є метод, який очищає тверді відкладення за допомогою кавітації так як він має високу ефективність, а сама технологія проведення робіт нескладна. У роботі розглянуто метод кавітаційного впливу наукова ідея якого полягає в тому, що очищення асфальтеносмолопарафінових відкладень здійснюється плоско-струминною кавітацією. На виході із генератора створюється високонапірний плоский кавітаційний струмінь, який містить численні пухирці різних розмірів, заповнених газом або повітрям, при їх лусканні виникають ударні імпульси, високого тиску різної амплітуди і широкого спектру гармонік коливань тиску, здатні діяти на найскладніші сполуки асфальтенів, смол та парафінів, тому такий процес є руйнівним при боротьбі з відкладенням у свердловині.

Мета дослідження - дослідити та обґрунтувати параметри струминно-кавітаційного генератора для обробки обсадної колони нафтової свердловини від АСПВ та підібрати раціональний режим роботи пристрою.

Задачі дослідження:

1. Провести інформаційний аналіз існуючих методів та технологій для попередження утворення та видалення асфальтеносмолопарафінових відкладень на нафтогазопромисловому обладнанні.

2. Дослідити та розрахувати параметри динамічного і кавітаційного впливу високонапірних плоско-кавітаційних гідравлічних струменів та встановити ефективність дії пристрою.

3. Дослідити віртуальну модель струминно-кавітаційного генератора за допомогою модуля Simulation програмного середовища SolidWorks, змоделювати течію рідини та дослідити основні характеристики потоку, а також розрахувати на міцність головні елементи конструкції.

4. Провести розрахунок процесу дроселювання та числа кавітації, а також здійснити статистичну обробку результатів для визначення функції розподілу випадкових величин.

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

Об'єкт дослідження - явище плоско-струминної кавітації в умовах ремонту підземної частини нафтової свердловини.

Предмет дослідження - створення потужного плоско-струминного кавітаційного гідродинамічного струменя за допомогою струминно-кавітаційного генератора.

Методи досліджень. Для розв'язання поставлених задач були використані такі методи досліджень: аналіз, узагальнення й систематизація теоретичної інформації в області підвищення продуктивності нафтової свердловини; методи математичного моделювання та статистичний аналіз для дослідження процесу дроселювання та визначення числа кавітації; аналітично-графічний метод для аналізу основних параметрів кавітаційного впливу та визначення ефективності дії пристрою. Отримані данні опрацьовували статистичними методами за допомогою прикладних програм (Mathcad, Microsoft Office), дослідження віртуальної моделі пристрою проводили в модулі Simulation програмного середовища SolidWorks, дослідження динамічно-гідравлічної моделі генератора проводили в оболонці Simulink прикладної програми MatLab.

Наукова новизна одержаних результатів - вперше обґрунтовано енергетичні аспекти генерування кавітаційних бульбашок при плоско-струминній кавітації та встановлено раціональне значення коефіцієнта корисної дії процесу від геометричних параметрів пристрою.

Практичне значення одержаних результатів. Матеріал досліджень дозволив встановити особливості протікання процесу плоско-струминної кавітації. Встановлена залежність зміни тиску дроселювання при зміни площі дроселювання. Вперше розроблено віртуальну модель генератора та досліджено зміну тиску та швидкості по площі плоского струменя в середовищі SolidWorks Flow Simulation. Наведені практичні рекомендації щодо дослідження роботи струминно-кавітаційного генератора в експериментально-лабораторних умовах. Встановлено раціональні параметри роботи струминно-кавітаційного генератора для обробки обсадної колони нафтової свердловини при очищенні від асфальтено-смоло-парафінових відкладень. Результати досліджень можуть бути використані на об'єктах нафтогазової промисловості під час проведення підземного ремонту нафтових свердловин при очищенні обсадної колони від асфальтеносмолопарафінових відкладень.

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, 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 кавітаційно-струминного генератора для очищення обсадної колони нафтової свердловини від АСПВ», Киїів, 2018 р.; участь у міжнародній науково-технічнічній конференції «Енергетика.Екологія. Людина», доповідь на тему : «Дослідження процесу стиснення пакету тарілчастих пружин при роботі струмино-кавітаційного генератора в середовищі SolidWorks Simulation», Київ 2018р.

Публікації - за результатами досліджень, що викладені в дисертації опубліковано статтю в збірнику тез міжнародної науково-технічної конференції «ЕНЕРГЕТИКА. ЕКОЛОГІЯ. ЛЮДИНА», (Київ,2018р.)

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел із 63 найменування на 6 сторінках, 3 додатки на 19 сторінках. Загальний обсяг дисертації становить 144 сторінок, у тому числі 125 - основний текст, містить 63 рисунки, 20 таблиць, 108 формул.

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 та технічних засобів боротьби з асфальтено-смоло-парафіновими відкладеннями при видобутку нафти, розглянуто механічні методи очищення нафтових свердловин від АСПВ, проаналізовано характеристику кавітаційно-хвильових процесів, які створюються пульсуючими пристроями з використанням корисного явища кавітації. На основі наведеної в розділі інформації обрано ефективний спосіб очищення стінок обсадної колони від АСПВ за допомогою потужного плоского гідродинамічного кавітаційного струмення, що створюється струминно-кавітаційним генератором.

На основі наведеної інформації сформовано задачі для дослідження, що необхідні для досягнення поставленої мети розробка структури дослідження та встановлення оптимальних параметрів функціонування струминно-кавітаційного генератора.

У другому розділі описана реалізація струминно-кавітаційної технології для обробки обсадної колони нафтової свердловини плоско-кавітаційним струменем, а також будова та принцип дії самого пристрою, проведено аналітичні дослідження параметрів кавітаційного режиму при роботі струминно-кавітаційного генератора, визначено радіус кавітаційної бульбашки та встановлена залежність радіуса кавітаційної бульбашки від зміни перепаду тиску промивальної рідини. На рисунку 1 зображено залежність зміни радіуса кавітаційної бульбашки від перепаду тиску для трьох різних режимів роботи пристрою. Встановлено, що ця зміна має експоненціальний характер.

Рисунок 1 - Залежність радіуса кавітаційної бульбашки від перепаду тиску

асфальтеносмолопарафіновий відкладення генератор

Ефективність дії кавітатора за різних режимів роботи струминно-кавітаційного генератора оцінено за значенням енергетичного (теплового) коефіцієнта корисної дії (ККД) та інтенсивністю генерування кавітаційних бульбашок. Встановлено, що збільшення як тиску на вході у генератор (P0), так і величина зазору забезпечують зростання ККД. Так, у разі коли вихідний зазор дорівнює 1 мм максимальний енергетичний ККД становив 88,5 %. Визначено, що найраціональніший режим роботи буде тоді, коли величина вихідного зазору знаходиться в межах 1-1,5 мм. Проведено розрахунок пакету тарілчастих пружин та визначено напруження, які виникають на кромках тарілчастої пружини, сила пружини при робочій деформації складає 4,87 кН.

Третій розділ присвячено дослідженню процесу дроселювання робочої рідини при спрацюванні пристрою та визначені числа кавітації.

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

(1),

де Q - зміна витрати робочої рідини, що надходить до пристрою коливань, м3/с; - густина робочої рідини, кг/м3; - коефіцієнт витрати, в.о.; - площа отвору, через який відбувається дроселювання робочої рідини, визначається як площа бічної поверхні циліндра.

Наведено результати розрахунку тиску дроселювання при зміні подачі робочої рідини та зміні площі дроселювання. Із рисунку 2, встановлено, що характер зміни тиску від площі дроселювання змінюється за гіперболічним законом.

Рисунок 2 - Залежність тиску дроселювання від зміни площі дроселювання

Максимальне значення рівне 2,32 МПа, при величині зазору 1 мм і при подачі робочої рідини в 0,003 м3/с. На основі отриманих даних проведено статистична обробка результатів та визначено функцію щільності випадкової величини Н за нормальним законом розподілу Гауса, яка має вигляд відповідно до формули (2) та побудовано криву щільності розподілу.

(2)

Розраховано величину числа кавітації, яке складає 2,5 та визначено, що закон розподілу випадкової величини густини робочої рідини змінюється за біноміальним законом розподілу, відповідно до рисунку 3.

Рисунок 3 - Функція ймовірностей випадкової величини густини за біноміальним законом

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

У четвертому розділі за допомогою оболонки SolidWorks побудована віртуальна модель струминно-кавітаційного генератора, яка зображена на рисунку 4.

Рисунок 4 - Модель, побудована на основі креслення в SolidWorks 2016

За допомогою модуля SolidWorks Flow Simulation -- змоделювано характер течії рідини через модель генератора та досліджено зміну тисків та швидкості потоку для трьох однотипних конфігурацій моделі. Встановлено, що зміна тиску залежить від подачі робочої рідини та конфігурації генератора чим більша подача та менший зазор тим більший тиск. Швидкість завихреного потоку при розрахунку за допомогою Flow Simulation складає 86,8 м/с.

Використовуючи модуль SolidWorks Simulation досліджено процес стиснення пакету тарілчастих пружин при роботі струмино-кавітаційного генератора. Визначено, що в умовах роботи струмино-кавітаційного генератора найдоцільнішим буде використання паралельно-послідовної збірки, набраної із 24 тарілчастих пружин однакової форми та діаметру, при цьому виникають напруження, які досягають 700 МПа, а максимальне переміщення при цьому 1,1 мм. У модулі SolidWorks Simulation досліджено корпус генератора на міцність при максимальному тиску, який складає 3,5 МПа при робочому зазорі 1 мм, отримані дані показали, що корпус може витримати дане навантаження і має запас міцності 2, 248.

Проведено порівняння значень тиску дроселювання, яке було аналітично розраховано в розділі 3, із отриманими значеннями в процесі моделювання, похибка становить ?28 %, дана похибка допустима оскільки сітка розрахункової області досить велика, що і впливає на точність дослідження.

У п'ятому розділі виконано дослідження спрощеної моделі генератора в оболонці SIMULINK програмного середовища MATLAB. Створено оптимальний алгоритм керування системою кавітаційної обробки свердловини, яка складається з насоса з фіксованим зміщенням, який приводить в дію двигун через гнучку трансмісію, клапан скидання тиску та змінний отвір, який імітує споживання рідини в системі. На рис.5 наведено результати дослідження, в процесі виконання роботи виведено критерій ефективності роботи пристрою на свердловині.

Рисунок 5 - Результати дослідження моделі в MatLab

Встановлено, що отвір почне відкриватися через 0,5 с і повністю відкриється через 3 с. Вихідний тиск накопичується, поки він не досягне 7,5 МПа, і підтримується на цьому рівні запобіжним клапаном. Через 3 с клапан починає відкриватися, таким чином повертаючи систему до початкового стану.

У шостому розділі створено модель експериментально інформаційно-вимірювальної установки для дослідження струмино-кавітаційного генератора, схема стенду зображена на рис. 6.

1 - струминно-кавітаційний генератор; 2 -лабораторна установка; 3 - гідростанція; 4,8 - манометри; 5 - витратомір; 6 - нагнітальна лінія; 7 - зливна лінія; 9 - індукційний датчик перeміщення; 10 - кавітометр; 11 - аналогово-цифровий перетворювач; 12 - персональний комп'ютер

Рисунок 6 - 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 тиску дроселювання від подачі робочої рідини: при зміні вхідної подачі робочої рідини, залежність сили стиску тарілчастих пружин від зміни тиску дроселювання та провести порівняльний аналіз експериментальних даних з розрахунковими.

ВИСНОВКИ

Аналізом літературних і патентних джерел встановлено, що метод очищення від АСПВ плоским кавітаційним струменем є одним із найбільш ефективних способів для обробки обсадної колони нафтової свердловини, суть якого полягає у використанні явища корисної кавітації. Даний метод є простим, продуктивним, енергоефективним, малогабаритним та економічним.

Вперше застосовано явище плоско-струминної кавітації для дослідження процесу очищення обсадної колони нафтової свердловини.

При вхідних умовах таких як: подача - 0,003 м3/с, густина робочої рідини 1000 кг/м3 та ширина плоского струменю 1 мм, аналітично досліджено, що велика кількість кавітаційних бульбашок - 17,61013 їх висока дисперсність, початковий радіус - 6,5 мкм, та енергія струменя 7,89109 Дж створює сприятливі умови для кавітаційного очищення твердих відкладень плоским струменем. Змінюючи ширину плоского струменю можна регулювати дисперсність бульбашок газу, щоб забезпечити найефективнішу флотацію речовин-забруднювачів; встановлено, що ефективність дії процесу очищення плоским струменем складає 88,6% і залежить як від тиску на вході в генератор, так і від ширини струменя.

При статистичній обробці результатів встановлено що зміна густини робочої рідини с для визначення числа кавітації змінюється за біноміальним закон розподілу на відрізку 1000-1100 м3/с і має параболічну залежність; встановлено, що зміна тиску дроселювання від зміни площі дроселювання має гіперболічний характер, а випадкова величина ширина плоского струменю Н для підкоряється закону розподілу Гауса на відрізку 0,05 до 1 мм.

При подачі робочої рідини, що рівна 0.03, 0,002 і 0,0015 м3/с та ширині плоского струменя 1, 1.5 і 2 мм, встановлено, що зміна тиску залежить від подачі робочої рідини та конфігурації генератора чим більша подача та менший зазор тим більший тиск; в умовах роботи струмино-кавітаційного генератора найдоцільнішим буде використання паралельно-послідовної збірки, набраної із 24 тарілчастих пружин однакової форми та діаметру, так як це дозволяє отримати ефект повного прогину одних елементів і частково інших; при максимальному тиску в 3,5 МПа корпус витримує навантаження і має запас міцності 2, 248.

Під час дослідження моделі в оболонці Simulink програми Matlab встановлено, що вихідний зазор почне відкриватися через 0,5 с і повністю відкриється через 3 с таким чином повертаючи систему до початкового стану.

АНОТАЦІЯ

Автор: Лисюк Анастасія Василівна

Тема: «Обґрунтування параметрів кавітаційно-струминного генератора для очищення обсадної колони нафтової свердловини від АСПВ»

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

Дисертація на здобуття наукового ступеня магістра за спеціальністю 141. - «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» - Спеціалізація: «Електромеханічні та мехатронні системи енергоємних виробництв» - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут ім.Ігоря Сікорського". - Київ, 2018.

Дисертацію присвячено встановленню закономірностей протікання явища плоско-струминної кавітації в умовах ремонту підземної частини нафтової свердловини. Вперше запропоновано застосовувати явище плоско-струминної кавітації для дослідження процесу очищення обсадної колони нафтової свердловини від асфальтено-смоло-парафінових відкладень (АСПВ).

У роботі аналітично досліджено та обґрунтовано параметри кавітаційного режиму, характеристики кумулятивних мікроструменів та встановлено, що змінюючи ширину плоского струменю можна регулювати дисперсність бульбашок газу, щоб забезпечити найефективнішу флотацію речовин-забруднювачів. Визначено, що ефективність дії процесу очищення плоским струменем залежить як від тиску на вході в генератор, так і від ширини струменя.

Шляхом аналізу статистичного матеріалу встановлено, що зміна густини робочої рідини для визначення числа кавітації змінюється за біноміальним закон розподілу і має параболічну залежність.

Ключові слова: нафта, асфальтеносмолопарафінові відкладення, плоско-струминна кавітація, дроселювання потоку, тарілчаста пружина, solidworks.

ABSTRACT

Performer: Lysiuk Anastasiia

Purpose: Substantiation of parameters of a cavitation jet generator for cleaning oil well casing from asphalt, resin and paraffin materials

Аdvisor: ph.d., assocaite professor Listovshchyk Leonid

Thesis for a master's degree in the specialty "Electric power, electrical engineering and electromechanics" - Specialization: "Electromechanical and Mechatronic Systems of energy-intensive industries" - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute named after Igor Sikorsky ". - Kyiv, 2018

The dissertation is devoted to the establishment of the regularities of the occurrence of the phenomenon of flat-jet cavitation in conditions of repair of underground part of the oil well. For the first time, it is proposed to apply the phenomenon of flat-jet cavitation to study the process of cleaning the casing of an oil well from asphalteno. Resin and paraffin deposits (ARPD).

In the work the parameters of the cavitation regime are analyzed and substantiated analytically, characteristics of cumulative micro-jets and was established that changing the width of a flat jet can regulate the dispersion of gas bubbles to ensure the most effective flotation of pollutants. It is determined that the efficiency of the process of cleaning by a flat jet depends both on the pressure at the entrance to the generator and on the width of the jet.

By analyzing the statistical material, it has been found that the change in the density of the working fluid to determine the number of cavitation changes according to the binomial distribution law and has a parabolic dependence.

Key words: oil, asphaltene, resin and paraffin deposits (arpd), flat-jet cavitation, throttling the flow, plate spring, solidworks.

Размещено на Allbest.ru