Обґрунтування параметрів струминного апарата для очищення привибійної зони нафтової свердловини

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня магістра

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ СТРУМИННОГО АПАРАТА ДЛЯ ОЧИЩЕННЯ ПРИВИБІЙНОЇ ЗОНИ НАФТОВОЇ СВЕРДЛОВИНИ

СТОРОЖУК МИХАЙЛО МИКОЛАЙОВИЧ

2015

Робота виконана на кафедрі "Електромеханічні системи геотехнічних виробництв" Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут".

Науковий керівник:

Сліденко Віктор Михайлович, кандидат технічних робіт, доцент.

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 - Очищення привибійної зони свердловин звичайними струминними апаратами передбачають виконання спуско - підіймальних робіт, що призводить до збільшення електроенергії, зменшення безпеки роботи, витрата часу. Тому проблема багатофункціональності стає дуже актуальним завданням.

Економічний та соціальний розвиток нашої країни передбачає подальше збільшення видобутку нафти, газового конденсату і газу за рахунок уведення в експлуатацію нових місць, інтенсифікації розробки старих нафтових площадок, а також впровадження прогресивних способів експлуатації свердловин та вдосконалення технологій видобутку нафти. Тому, на ряду із Західним Сибіром, яка залишається основним районом видобутку нафти і газу, нафтогазовидобувна промисловість розвивається у Казахстані, Північному Кавказі, Україні та в інших країнах.

Сучасні нафто- і газовидобувні підприємства - це складні комплекси технологічних об'єктів, зосереджених на великих площах, розміри яких досягають десятки і сотні квадратних кілометрів. Технологічні об'єкти - свердловина, групові вимірювальні та сепараційні установки комплексної підготовки нафти і газу, резервуарні парки - зв'язані між собою через продуктивний пласт і потік продукції, що циркулює технологічним комунікаціями. Тому значна увага у довіднику приділена технологічним об'єктам.

Видобуток нафти і газу проводиться цілодобово, за будь-якої погоди. Для нормального функціонування нафтогазовидобувного підприємства необхідно забезпечити надійну роботу автоматизованого обладнання, дистанційний контроль за роботою технологічних об'єктів та їхні станом. Найбільш висока ефективність роботи цих об'єктів досягається за рахунок автоматичного керування технологічними процесами в оптимальному режимі.

Підвищення рівня автоматизації блочного обладнання сприяло збільшенню за останні роки видобутку нафти більш, ніж в 4 рази, а газу - в 10 разів.

Неминуче збільшуються глибини нафтових і газових свердловин, що приводить до збільшення температури і тиску на вибоях, підвищення вимог до технічного обладнання, до системи управління виробництва. Ускладняється їх експлуатація в зв'язку зі збільшенням вмісту в газі сірководню та інших компонентів.

Сучасний етап науково-технічної революції характеризується значним ускладненням задач управління в нафтогазовидобувній промисловості, що привело до вдосконалення методів управління і використання системного підходу до різноманітних об'єктів. Для нього характерне наскрізний розгляд системи в часі. Слідом за створенням системи оперативного управління проходкою свердловини слідує управління розкриттям пласта та іншими роботами по завершенню свердловини, передача її в експлуатацію з належною якістю, а також питання роботи свердловин у процесі експлуатації. Цей список складає єдиний ланцюг взаємопов'язаних подій, що утворюють повну систему в часі.

Методи управління, що спираються на ідеї системного підходу більш повно реалізується за допомогою автоматизованих систем правління, котрі при застосуванні на складний об'єкт дають найбільший ефект. Основна ідея системного підходу полягає в тому, щоб, розділяючи систему, вирішувати її задачі частинами.

Глобальною метою нафтовидобувної промисловості являється видобуток нафти у необхідний термін і в потрібній кількості. Оскільки одна і таж мета може бути досягнута різними шляхами, то доцільне використання оптимального управління на основі обраного критерію оптимальності. З використанням у нафтовидобувній гілці критеріями оптимальності, наряду з іншими, слугують максимум відношення видобутку нафти з експлуатаційних свердловин до вартості їх будівництва або максимум прибутку, що являє собою різницю між засобами, отриманими з нафти, добуту з пробурених родовищ, і фактичними затратами на будівництво родовищ.

Досягнення максимумів цих функцій мети нерозривно зв'язане не тільки з вдосконаленням технологій та використовуваного обладнання, але і з широким впровадженням у нафтогазовидобувну промисловість автоматизованих систем управління технологічними процесами на базі розрахункової, мікропроцесорної та телемеханічної техніки. Це впровадження в нафтову промисловість пов'язане з високою техніко-економічною ефективністю, так як в умовах розосередженості нафтопромислових об'єктів вони разом з локальними пристроями і системами автоматики відіграють важливу роль у підвищенні продуктивності праці, поліпшенні техніко-економічних показників, вдосконалення форм і методів управління об'єктами добування нафти і газу.

Мета дослідження - Обґрунтування параметрів струминного апарата багаторазової дії.

Задачі дослідження:

1) розробити модель перемикання струминного насоса багаторазової дії з режиму пропускання рідини" у режим "струминний насос";

2) розробити методику планування повного факторного експерименту типу 2^k для тиску дроселювання;

3) визначити залежності коефіцієнта інжекції від співвідношення діаметрів робочого сопла та камери змішування;

4) визначити залежність дроселювання від густини робочої рідини, подачі та діаметра робочого сопла;

5) розробити модель гідродинамічних процесів у струминному насосі та дослідити на міцність конструкції пристрою в оболонці Solidworks;

6) провести статистичне моделювання з визначенням імовірнісних параметрів процесу інжекції та дроселювання.

Об'єкт дослідження - процес масового обміну в струминному насосі. Предмет дослідження - характеристики та параметри керованого процесу інжекції.

Методи досліджень. Математичне моделювання для встановлення залежності коефіцієнта інжекції від діаметра робочого сопла та камери змішування, залежності дроселювання від густини та подачі робочої рідини, а також від діаметра робочого сопла, комп'ютерне моделювання для отримання показників швидкості робочої рідини в установці.

Наукова новизна одержаних результатів - вперше розроблено модель струминного апарата з системою перемикання режиму "пропуск рідини" на режим "струминний насос" та схему дистанційного керування струминним апаратом для процесу очищення свердловини, збільшення його енергоефективності та надійності. Розроблена математична модель струминного апарата багаторазової дії, яка на відміну від існуючих дозволяє показати залежність коефіцієнта інжекції від діаметра робочого сопла та камери змішування при сталій витраті робочої рідини. Розроблено математичну модель процесу інжекції, яка відрізняється від відомих застосуванням оболонки Solidworks для уточнення швидкості рідини в критичних перерізах струминного апарату. Встановлено раціональні конструктивні та режимні параметри інжекційного модулю, раціональні значення діаметрів сопла 4 мм, камери змішування 6 мм.

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 апарата багаторазової дії для очищення при вибійної зони нафтової свердловини" 10.06.2015; Подано заявку № u2015055 на корисну модель "Струминний насос багаторазової дії" від 05.06.2015.

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

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, переліку умовних позначень, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел із 19 найменування на 2 сторінках, 2 додатка на 13 сторінках. Загальний обсяг дисертації становить 131 сторінку, у тому числі 109 - основний текст, містить 58 рисунків, 26 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, 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 струминного апарата багаторазової дії.

Найбільш близьким за технічною суттю пристроєм є спосіб реагентно-імпульсного впливу на свердловину і продуктивний пласт і установка для його здійснення. Патент Російської Федерації №2275495, Е 21В 37/06, Е 21В 28/00 Кононенко П.І., Богуслаєв В.А., Квитчук К.К., Скачедуб А.А., Сліденко В.М., Лістовщик Л.К., Чорнобай С. В., Козлов О.В., Квитчук П.К. - № 2005112941/03. Опубл. 27.04.2006, Бюл № 12.

На основі наведеної інформації сформовано задачі для дослідження: розробка структури дослідження та встановлення оптимальних параметрів функціонування струминного апарата багаторазової дії.

У другому розділі розроблена методика розрахунку і математична модель процесу дроселювання. Розроблено планування повного факторного експерименту типу 2^k. 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 опису призначення та структура об'єкту, опису технологічної схеми застосування об'єкту та створення циклограми раціонального функціонування струминного апарата багаторазової дії.

Розроблений струминний насос багаторазової дії зображений на рисунку 1.

Опишемо принцип роботи. Даний струминний насос працює у двох режимах: у режимі "пропускання рідини" і у режимі "струминний насос".

У режимі "пропускання рідини" насос опускається у свердловину на певну глибину на колоні НКТ. Потім під ним установлюють пакер з метою ущільнення для того, щоб можна було спричинити великий тиск у підпакерній зоні. Після цього подають робочу рідину з певною подачею. В цьому випадку рідина проходить через блок керування 1, крізь трубчасту втулку 5 і таким чином відбувається процес нагнітання.

Рисунок 1 - Розроблений струминний насос: 1 - модуль керування, 2 - блок інжекції, 3, 4 - корпус, 5 - обойма, 6 - кришка, 7 - пробка, 8 - дифузор, 9 - пружина, 10 - відбійник, 13 - направляючі, 16 - кільце, 11, 12, 14, 15, 17 - стандартні кільця

Для того, щоб переключити насос у режим "струминний насос" для цього необхідно подавати робочу рідину у затрубний простір (між стінками свердловини і корпусом струминного насоса). Відбувається поступове збільшення тиску у затрубному просторі і він давить на корпус струминного насоса багаторазової дії. В певному місці (там, де позначено розріз А - А) тиск починає давити на більшу площу втулки і остання переміщується вправо. Потім також починає переміщуватися плунжер, що знаходиться всередині втулки. Втулка і плунжер з'єднанні телескопічно. Кулька підхвачується потоком, який проходить через три радіальні канали, і за рахунок тертя попадає у трубчасту обойму 5. Потім вона зустрічається з упором і починає тиснути на обойму. За рахунок пружини 9 обойма переміщається вправо на хід 30 мм і упирається в упорну трубу. При цьому канали співпадають. Тоді робоча рідина проходить через блок керування, втулку і через канали. Таким чином робоча рідина проходить через блок інжекції 2 з підвищеною швидкістю. При цьому в цьому місці створюється знижений тиск, набагато менший ніж тиск інжектованої рідини. За рахунок перепаду тисків і великого тертя відбувається інжекція. Потім у дифузорі 8 швидкості робочого і інжектованого потоків вирівнюються. Змішаний потік починає рухатись по затрубному просторі, вдаряється об відбійник 10 і попадає до устя свердловини. Відбійник призначений для зміни напрямку потоку і механічного захисту дифузора при опусканні струминного апарата у свердловину.

Циклограма - це точний розпис руху деталей струминного насоса у нашому випадку. Циклограма роботи струминного насоса представлена на рисунку 2.

Рисунок 2 - Циклограма раціонального функціонування струминного насоса багаторазової дії

Опишемо дану циклограму. На рисунку 3.3 а зображено циклограму руху кульки від телескопічного з'єднання до втулки. Ділянка 1-2 відповідає графікові швидкості руху телескопічно з'єднаної втулки та плунжера в початковий момент. Як відомо з попереднього розділу, що при дії тиску на площу втулки, останній починає рухатися вправо. На другому графікові цього ж рисунка показано рух кульки. Ділянка 1" - 2" відповідає за графік руху кульки в початковий момент; 2" - 3" - за рух кулька в тому випадку, коли вона підхвачується робочим потоком. В цей момент відбувається прискорення кульки. Ділянка 3" - 4" характеризує рух кульки в той момент часу, коли вона зайшла у трубчасту втулку. Кулька продовжує рухатися у втулці до того моменту, коли не впреться у затвор. Після цього кулька рухається вже разом із втулкою поки остання не упреться в упор. Цьому рухові відповідає ділянка 4" - 5".

Тепер опишемо яким чином кулька повертається назад до телескопічного з'єднання (у початкове положення). Необхідно описати рисунок 2 б. Почнемо знизу наш опис. Спочатку починає рухатися трубчаста втулка під дією стисненої пружини 8 (рис. 2). За цей рух відповідає ділянка 1" " - 2" ". Дійсно, спочатку втулка була в нерухомому положенні, потім під дією стисненої пружини почала рухатися і перемістилася у своє початкове положення. Одночасно із втулкою почала рухатися кулька, але втулка уперлася у корпус і припинила свій рух в той час як кулька продовжувала рухатися до телескопа. Цьому опису відповідає ділянка 1" - 2" і 2" - 3". Потім в процесі руху кулька зустрічається з телескопічно з'єжнаної втулки та плунжера. Рухаючись дальше, вона повертає його у початкове положення і сама стає на місце (ділянка 3" - 4" і 3-4).

У четвертому розділі встановлено залежності коефіцієнта інжекції від діаметрів робочого сопла та камери змішування. Також встановлено залежності дроселювання від густини, подачі робочої рідини та від діаметра робочого сопла.

Рисунок 3 - Графік залежності від при сталому значені діаметра камери змішування

Рисунок 4 - Графік залежності від при сталому значені діаметра робочого сопла

Рисунок 5 - Залежність тиску дроселювання від густини робочої рідини

Рисунок 6 - Залежність тиску дроселювання від подачі робочої рідини

Рисунок 7 - Залежність тиску дроселювання від діаметра робочого сопла

Побудовано тривимірну модель струминного апарата багаторазової дії в оболонці Solidworks.

Рисунок 8 - Струминний насос у режимі "пропускання рідини"

Визначено швидкість руху робочої рідини у струминному насосі в оболонці Solidworks. Швидкість руху досягає максимального значення у робочому соплі і складає 311 м/с. Відносна похибка розрахунку складає 6.1 %.

Проведено розрахунок одномасової моделі кульки та втулки на пружині.

Проведено розрахунок на міцність з'єднувальної муфти струминного насоса багаторазової дії в оболонці Solidworks. Максимальне напруження за шкалою von Mises складає 438838912 Па, а границя текучості сягає 620422016 Па. Максимальна деформація муфти становить 0.055 мм. Мінімальний коефіцієнт запасу міцності складає 1.41.

У п'ятому розділі наведено статистичне моделювання процесу функціонування струминного апарата багаторазової дії. В результаті виконання цього розділу було описано випадкові величини d_р 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 густини робочої рідини в задані межі .

струминний насос гідродинамічний

ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. В результаті роботи був виконаний аналіз функціонування струминного насоса багаторазової дії для підвищення продуктивності свердловин.

2. Розроблена методика розрахунку і математична модель струминного насоса багаторазової дії, яка на відміну від існуючих дозволяє показати залежність коефіцієнта інжекції від діаметра робочого сопла та камери змішування при сталій витраті робочої рідини.

3. Розроблено розрахункову схему струминного насоса багаторазової дії для уточнення математичного моделювання гідродинамічних процесів з метою визначення коефіцієнта інжекції.

4. Розраховано перемикання струминного насоса багаторазової дії з режиму "пропускання рідини" у режим "струминний насос".

5. Визначено, що струминний насос багаторазової дії теоретично має працювати з коефіцієнтом інжекції 0,42 з діаметрами робочого сопла 4 мм, камери змішування 6 мм. Густина робочої рідини має бути 1000 кг/м³.

6. Визначено швидкість руху робочої рідини у струминному насосі в оболонці Solidworks. Швидкість руху досягає максимального значення у робочому соплі і складає 311 м/с. Відносна похибка розрахунку складає 6.1 %.

7. Проведено розрахунок на міцність корпусної деталі струминного насоса багаторазової дії в оболонці Solidworks. Максимальне напруження за шкалою von Mises складає 438838912 Па, а границя текучості сягає 620422016 Па. Максимальна деформація корпусної деталі становить 0.055 мм. Мінімальний коефіцієнт запасу міцності складає 1.41.

8. Описані випадкові величини діаметра робочого сопла у зв'язку з допусками і посадками (для 4 мм ± 18 мкм) і густини робочої рідини в детермінованому процесі. Визначено, що діаметр робочого сопла має геометричний характер розподілу, а густина робочої рідини - розподіл Гауса.

9. Подано заявку № u2015055 на корисну модель "Струминний насос багаторазової дії" від 05.06.2015.

СПИСОК ДРУКОВАННИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Заявка № u2015055, автори: Сліденко В.М., Лістовщик Л.К., Лесик В.С., Сторожук М.М., Галба Є.В., "Струминний насос багаторазової дії", дата подання: 05.06.2015.

АНОТАЦІЯ

Автор: Сторожук Михайло Миколайович

Тема: Обґрунтування параметрів струминного апарата для очищення при вибійної зони нафтової свердловини

Науковий керівник: к.т.н., доцент Сліденко Віктор Михайлович

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.

Вперше розроблено модель струминного апарата з системою перемикання режиму "пропускання рідини" на режим "струминний насос" та схему дистанційного керування струминним апаратом для процесу очищення свердловини, збільшення його енергоефективності та надійності.

Ключові слова: струминний насос багаторазової дії, інжекція, дроселювання потоку рідини, коефіцієнт інжекції.

АННОТАЦИЯ

Автор: Сторожук Михаил Николаевич

Тема: Обоснование параметров струйного аппарата для очистки при забойных зоны нефтяной скважины.

Научный руководитель: к.т.н., доцент Слиденко Виктор Михайлович

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

Увеличение 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.

В таких условиях использование новых технологий для интенсификации добычи углеводородного сырья может стать одним из путей укрепления энергетической независимости государства.

Впервые разработана модель струйного аппарата с системой переключения режима "пропускания жидкости" на режим "струйный насос" и схему дистанционного управления струйным аппаратом для процесса очистки скважины, увеличение его энергоэффективности и надийности.

Ключевые слова: струйный насос многократного действия, инжекция, дросселирование потока жидкости, коэффициент инжекции.

ABSTRACT

Author: Michael N. Storozhuk

Subject: Justification settings inkjet device for cleaning at vybiynoyi zone oil well

Scientific adviser: Ph.D., Associate Professor Victor M. Slidenko

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.

For the first time the model jet machine with the system switching mode "transmission fluid" to "jet pump" scheme and the remote control device for jet borehole cleaning process, increase its efficiency and nadiynosti.

Kеу words: multiple jet pump action, injection, throttling the flow of fluid, rate of injection.

Размещено на Allbest.ru