Исследование влияния эксцентрического и углового смещения рабочей насадки струйного насоса на его работу при бурении скважин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Оригинальна статья / Original article

УДК: 622.24+621.694.2

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-50-57

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭКСЦЕНТРИЧЕСКОГО И УГЛОВОГО СМЕЩЕНИЯ РАБОЧЕЙ НАСАДКИ СТРУЙНОГО НАСОСА НА ЕГО РАБОТУ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

© А.П. Мельников1, Н.А. Буглов2

1Геологоразведочный техникум ИРНИТУ, 640074, Россия, Иркутск, ул. Лермонтова, 104.

2Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Резюме. Цель. Целью авторской разработки являлось повышение эффективности использования скважинных струйных насосов в процессе бурения нефтяных и газовых скважин. Методы. Использовалось математическое моделирование процесса с применением законов сохранения, непрерывности массы и количества движения жидкости потоков. Применялась теория распределения потоков в разветвленной и замкнутой гидравлической системе. Результаты. Впервые разработаны математические модели скважинного струйного насоса для условий углового и радиального смещения элементов его проточной части. Заключение. Ценность заключается в разработке общих принципов создания математических моделей работы эжекторной системы на отдельных этапах сооружения нефтегазовых скважин.

Ключевые слова: бурение, струйный насос, эжектор, относительный напор, коэффициент эжекции, первичное вскрытие, депрессия пласта.

Формат цитирования: Мельников А.П., Буглов Н.А. Исследование влияния эксцентрического и углового смещения рабочей насадки струйного насоса на его работу при бурении скважин // Вестник ИрГТУ. 2016. № 6. С. 50-57. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-49-56

STUDYING THE INFLUENCE OF WORKING NOZZLE ECCENTRIC AND ANGULAR MISALIGNMENT IN THE JET PUMP ON ITS OPERATION AT DRILLING WELLS A.P. Melnikov, N.A. Buglov

Geology-Prospecting College of Irkutsk National Research Technical University, 104 Lermontov St., Irkutsk, 640074, Russia. Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Abstract. The purpose of the author's development is more efficient use of downhole jet pumps under drilling of oil and gas wells. Methods. The mathematical modeling of the process with the use of conservation laws, mass continuity and the amount motion of flow fluid have been used. The theory of flow distribution in a branched and closed hydraulic system has also been applied. Results. Mathematical models of a downhole jet pump have been developed for the first time for the conditions of radial and angular displacement of its flow part. Conclusion. The importance of the work is in the development of general principles for the creation of mathematical models of ejector system operation at the different stages of oil and gas well construction.

Keywords: drilling, jet pump, ejector, relative head, ejection coefficient, initial opening, reservoir drawdown

For citation: Melnikov A.P., Buglov N.A. Studying the influence of working nozzle eccentric and angular misalignment in the jet pump on its operation at drilling wells. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 6, pp. 50-57. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-50-57

Введение

Гидравлические схемы с использованием струйных насосов в бурении нефтегазовых скважин позволяют создавать депрессию на пласт, а именно снижать дифференциальное давление в скважине и, как следствие, увеличивать механическую скорость бурения. Данное обстоятельство делает использование струйных насосов достаточно эффективным при буре-

1

Мельников Александр Павлович, преподаватель Геологоразведочного техникума ИРНИТУ, e-mail: melnlkov200910@yandex.ru

Melnikov Aleksandr, Lecturer of the INRTU Geology-Prospecting College, е-mail: melnikov200910@yandex.ru

2Буглов Николай Александрович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой нефтегазового дела. Buglov Nikolai, Candidate of Engineering, Associate Professor, Head of the Department of Oil and Gas Business.

нии в зонах поглощения бурового раствора. Возможность струйного насоса интенсифицировать промывки скважин наряду с предупреждением поглощения бурового раствора привела к использованию струйных насосов в процессе первичного вскрытия пласта.

Струйные насосы применялись для создания переменных депрессий-репрессий при освоении скважин в Западной Сибири (Приобская, Федоровская и Южно-Сургутская площади). Данная методика разработана в Ивано-Франковском университете нефти и газа (Украина) и описана в работе Р.С. Яремийчука [1]. Возможность струйного насоса создавать обратное местное промывание в забое скважины нашло отображение в конструкциях компоновки низа бурильной колонны, предназначенных для отбора керна.

В расчетах струйных насосов используются методы, основанные на следующих теориях: теория смешивания двух потоков, теория распространения струй в массе статической или движущейся жидкости, механике тел переменной массы. Современные методы расчета сква-жинных струйных насосов не обеспечивают необходимую точность определения режима их работы. Исследование в этом направлении является актуальной задачей, имеющей практическое значение не только при бурении скважин, но и при использовании струйных насосов в других отраслях.

Известны работы, посвященные струйным насосам таких авторов, как Яремийчук Р.С. [1], Сазонов Ю.А.3, Каменев П.Н. [2], Кирилловский Ю.Л. [3], Соколов Е.Я. [4] и других.

Целью работы является повышение эффективности использования скважинных струйных насосов в процессе бурения нефтяных и газовых скважин.

Основные задачи исследования:

- определить геометрические параметры проточной части струйного насоса, которые влияют на эффективность его применения при бурении скважин;

- определить характеристику струйного насоса с учетом отклонений геометрических параметров его проточной части.

Необходимо выяснить максимальные отклонения геометрических параметров проточной части струйного насоса, которые не влияют на эффективность струйного насоса, используемого при бурении скважин.

Объект исследования: скважинный струйный насос для бурения скважин.

Предмет исследования: эксплуатация скважинных струйных насосов для первичного вскрытия продуктивного горизонта при бурении нефтегазовых скважин.

В ходе исследования использовалось математическое моделирование процесса с применением законов сохранения, непрерывности массы и количества движения жидкости потоков.

Анализ работы струйного насоса при бурении скважин

К основному недостатку струйных насосов относится низкий КПД, в самых совершенных конструкциях не превышающий 42%. Правда, данный недостаток в процессе работы на забое скважины малосущественный, но, несмотря на это, повышение КПД всегда будет актуальной технической задачей.

Приведем выражение для определения необходимого давления на выходе буровых насосов для создания заданного уровня депрессии на пласт (давления в приемной камере струйного насоса) для гидравлической схемы, изображенной на рис. 1 [5]:

Рбн =

Ркп ~ЛР КП ~ЛР Д

- Рбк +ЛРбк + ЛРр -

Pi (1 - h)

(1)

Сазонов Ю.А. Разработка устройства, снижающего дифференциальное давление на забое скважины и повышающего скорость бурения: дис. ... кандидата технических наук: 130602. Москва, 1989. 176 с. [Sazonov Yu.A. Development of the device reducing differential pressure at the bottom hole and increasing drilling speed: Candidate's disse r-tation ... of technical sciences: 130602. Moscow, 1989. 176 p.]

где - статическое давление столба жидкости в кольцевом пространстве между бурильной колонной и стенками скважины (обсадной колонной), Па; Лрш - гидравлические потери давления на транспортировку смеси бурового раствора и шлама из забоя на устье скважины, Па; Лрд - потери давления на гидромониторных насадках долота, Па; рж - статическое давление столба жидкости в канале бурильных труб над струйным насосом, Па; ЛрБК - значение гидравлических потерь на перекачивание бурового раствора по каналу бурильных труб, Па; Лрр - потери давления в рабочей насадке струйного насоса, Па; р - давление в приемной

камере струйного насоса, Па; и - относительный напор струйного насоса (аппарата); i - коэффициент инжекции струйного насоса.

Рис. 1. Эжекторная система для бурения скважин с одним струйным насосом: 1 - колона бурильных труб; 2 - линия всасывания жидкости; 3 - канал затрубного пространства; 4 - струйный насос; 5 - долото; qh - подача буровых насосов; q - количество инжектируемой

жидкости; q - расход жидкости на забое скважины Fig. 1. Ejector system for drilling wells with a single jet pump: 1 - a drill string; 2 - a fluid suction line; 3 - an annulus channel; 4 - a jet pump; 5 - a drilling bit; qh - mud pump rate; q - amount of the injected fluid; q - fluid flow rate at the borehole bottom

Существенным недостатком струйного насоса при работе в скважине является значительная потеря давления на местном сопротивлении. Известна формула для определения потерь давления [2]:

App =

pQ2

2ин 7p

(2)

о о

где р - плотность жидкости, кг/м3; 0 - расход жидкости, м3/с; ц - коэффициент расхода (для

о

конических насадок /лн = 0,95); / - площадь сечения на выходе из насадки, м2.

Следует заметить, что коэффициент расхода рабочей насадки струйного насоса изменяется вследствие изменения геометрических параметров проточной части струйного насоса. Как видно из формулы (1), изменение потерь давления на рабочей насадке струйного насоса влияет на необходимый режим работы буровых насосов. Необходимо установить характер изменения потерь давления на рабочей насадке струйного насоса вследствие вышеупомянутых отклонений.

Математическое моделирование работы струйного насоса

Достаточно ощутимым геометрическим отклонением проточной части струйного насоса может быть эксцентрическое смещение рабочей насадки. Данный дефект может возникать при регулировке расстояния между рабочей насадкой и камерой смешения струйного насоса. Алгоритм определения характеристики струйного насоса в зависимости от эксцентрического смещения рабочей насадки такой же, как и при угловом смещении рабочей насадки [4, 6]. Схема эксцентрического смещения рабочей насадки струйного насоса изображена на рис. 2.

Рис. 2. Схема расчета характеристики струйного насоса при условии эксцентрического смещения рабочей насадки Fig. 2. Calculation scheme of the jet pump characteristic under condition of the eccentric displacement of the working nozzle

Известно уравнение характеристики струйного насоса без учета эксцентрического смещения рабочей насадки [4]:

h0 =

1,76 + 0,7

kCH 1

-1,07

(1 + ' )2

(3)

где ксн - основное геометрическое соотношение струйного насоса.

Выражение (3) получено с помощью уравнения импульсов. Необходимо установить, как изменится данное выражение с учетом эксцентрического смещение рабочей насадки струйного насоса.

Схема концентрически и эксцентрически расположенных потоков жидкости изображена на рис. 3.

Если поток жидкости с радиусом г размещен с некоторым эксцентриситетом е (см. рис. 3, б), то расстояние а будет переменной величиной:

a

= R + e ■ cos ф — r = a0 (1 + s cos ф),

(4)

где s = — и a0 =■

2

= R — r .

Если рассматривать элемент зазора шириной тйф как плоскую щель, получим выражение для определения элементарного расхода инжектированного потока:

1

a

0

dQ = Ртр^а- rc \2ju-1

pTP • a0 12^ l

(1 + ecosф)' rc

(5)

где ¡и - коэффициент динамической вязкости потока жидкости, Па с; I - длина элементарного участка потока жидкости, м; р - потери давления на элементарном участке потока жидкости,

Рис. 3. Схемы концентрического (а) и эксцентрического (б) расположения потоков жидкости Fig. 3. Schematic diagrams of concentric (a) and eccentric (б) arrangement of fluid flows

Проинтегрировав (3) по кругу, найдем полный расход инжектированного потока:

3 2л

Q = • а° |(1 + £^ф) гСф = Q [l + 2 г2

12^-l

(6)

где д0 = р ТР'2жг а0 3 - расход инжектированного потока при концентрическом расположении

12и-1

потоков рабочей и инжектированной жидкости. Отсюда

Q («) = Q11+2 г2|;

(7)

G («) = GI1+2 г21.

(8)

Дальше, подставив зависимости (7) и (8) в уравнение импульсов [6], получим характеристику струйного насоса при условии эксцентрического смещения рабочей насадки:

h =-

е [1+2s21 (1+i (1+2s:

1,76 + 0,7 —^-3—^—1,07 ^---—

kCH -1

(9)

Для сравнения полученных моделей используем коэффициент относительного напора вследствие изменения эксцентрического смещения рабочей насадки струйного насоса. Сравнение выполняется при одном значении коэффициента инжекции * = 001X51 для обеспечения подобности моделированных физических процессов:

1

Kh' = i0.100% h

(10)

В качестве примера на рис. 4 дается графическая зависимость относительных потерь напора (давления) в зависимости от относительного эксцентрического смещения рабочей насадки струйного насоса.

70

60

¿50 о

В

X

Я 40 а.

30

20

10

/

/

/

-50

70

60

40

30

20

10

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Относительное эксцентрическое смещение рабочей насадки

Рис. 4. Зависимость относительных потерь напора от относительного эксцентреского смещения рабочей насадки струйного насоса при ксн = 4 и i = 1,16 Fig. 4. Relative head loss dependence on the relative eccentric displacement of the jet pump working nozzle at ксн = 4 and i=1.16

В случае, изображенном на рис. 4, при диаметре рабочей насадки 20 мм, относительное смещение рабочей насадки 0,2 эквивалентно эксцентрическому смещению рабочей насадки струйного насоса на 1 мм. То есть при эксцентрическом смещении рабочей насадки струйного насоса, которое превышает 1 мм, потери давления на рабочей насадке струйного насоса превышают 3%.

Расчетная схема углового смещения рабочей насадки струйного насоса изображена на

рис. 5.

Рис. 5. Расчетная схема струйного насоса при угловом смещении рабочей насадки Fig. 5. Calculation scheme of the jet pump at the angular displacement of the working nozzle

При выводе уравнения характеристики струйного насоса как функции углового смещения рабочей насадки необходимо учесть уменьшение гР1 осевой составляющей скорости рабочей жидкости (11) и изменение основного геометрического соотношения струйного насоса в зависимости от изменения углового смещения а рабочей насадки струйного насоса (12):

Vi=v ■cos а;

koH=f (а).

(11) (12)

При выводе характеристики струйного насоса в условиях углового смещения рабочей насадки не учитывается эксцентричное смещение элементов проточной части струйного насоса, несмотря на то, что при угловом смещении рабочей насадки эти явления взаимосвязаны. На первом этапе вывода уравнения характеристики струйного насоса с учетом углового смещения рабочей насадки для удобства принимаем кся = const.

Дальше, подставив зависимости (11) в уравнение импульсов [6], получим характеристику струйного насоса при условии эксцентрического смещения рабочей насадки:

h =

cos а

1,76 + 0,7-

кся - cos а

--1,07

(1 + < )2

(13)

Характер изменений относительных потерь напора в зависимости от углового смещения рабочей насадки определен согласно зависимости (10) (рис. 5).

1.25

го о.

0 с га

1

§0.75

I-

о

ш л X л с; а> н s о о

X

I—

О

0.5

0.25

/

J- /

^— у

0.06

0.08

0.02 0.04

Угловое смещение рабочей насадки, рад

1.25

0.75

0.5

0.25

0.1

i-1-i-1-1-1-1-i-1-1-1

0° 1 °8'45" 2°17'31" 3°26'16" 4°35'1" 5°43'57"

Угловое смещение рабочей насадки, град

Рис. 6. Зависимость относительных потерь напора в зависимости от углового смещения рабочей насадки струйного насоса в относительной интерпретации при ксн = 4 Fig. 6. Relative head loss dependence on the angular displacement of the jet pump working nozzle

in the relative interpretation at ксн = 4

к

Заключение

Научная новизна работы заключается в следующем: впервые разработаны математические модели скважинного струйного насоса для условий углового и радиального смещения элементов его проточной части. В дальнейшем это позволит:

- усовершенствовать структуру уравнения напорной характеристикой струйного насоса;

- исследовать влияние геометрических и технологических отклонений на характеристики скважинного струйного насоса.

Ценность работы заключается в разработке общих принципов создания математических моделей работы эжекционной системы на отдельных этапах сооружения нефтегазовых скважин.

Таким образом, данный анализ позволил обосновать влияние эксцентрического смещения рабочей насадки струйного насоса на депрессию пласта при первичном вскрытии, а также в условиях поглощения бурового раствора при бурении с использованием струйных насосов. С помощью полученных зависимостей можно регламентировать четкие требования взаимного расположения рабочих поверхностей струйного насоса в процессе изготовления и обслуживания.

Библиографический список

1. Яремийчук Р.С. Создание депресий на пласт с помощью струйных аппаратов // Нефтяное хозяйство. 1981. № 11. С. 12-14.

2. Каменев П.Н. Гидроэлеваторы в строительстве. М.: Стройиздат, 1970. 416 с.

3. Кирилловский Ю.Л. Подвидз Л.Г. Рабочий процесс и основы расчета струйных насосов // Тр. ВИГМ. М., 1960. Вып. 26. С. 96-135.

4. Соколов Е.Я. Зингер Н.М. Струйные аппараты. М.: Энергия, 1970. 288 с.

5. Мельников А.П., Буглов Н.А. Эжекторное устройство для первичного вскрытия продуктивного горизонта // Вестник ИрГТУ. 2015. № 12 (107). С. 75-79.

6. Мельников А.П., Паневник А.В. Эксплуатация струйных насосов на буровых предприятиях нефтегазовой отрасли // Нефтяное хозяйство. 2014. № 4. С. 46-47.

References

1. Yaremiichuk R.S. Sozdanie depresii na plast s pomoshch'yu struinykh apparatov [Creation of reservoir drawdowns by means of jet devices]. Neftyanoe khozyaistvo - Oil Industry. 1981, no. 11, pp. 12-14.

2. Kamenev P.N. Gidroelevatory v stroitel'stve [Hydraulic elevators in Construction]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1970, 416 pp.

3. Kirillovskii Yu.L. Podvidz L.G. Rabochii protsess i osnovy rascheta struinykh nasosov [Workflow and jet pump calculation bases]. Tr. VIGM Works of All-Russian Research Institute of Hydraulic Machinery. Moscow, 1960, issue 26, pp. 96-135

4. Sokolov E.Ya. Zinger N.M. Struinye apparaty [Jet devices]. Moscow, Energiya Publ., 1970, 288 p.

5. Mel'nikov A.P., Buglov N.A. Ezhektornoe ustroistvo dlya pervichnogo vskrytiya produktivnogo gorizonta [Ejector device for production horizon primary opening]. Vestnik IrGTU - Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2015, no. 12 (107), pp. 75-79.

6. Mel'nikov A.P., Panevnik A.V. Ekspluatatsiya struinykh nasosov na burovykh predpriyatiyakh neftegazovoi otrasli [Jet pumps operation in gas industry drilling enterprises]. Neftyanoe khozyaistvo - Oil Industry, 2014, no. pp. 46-47.

Конфликт интересов Conflict of interest

Авторы заявляют об отсутствии конфликта The authors declare no conflict of interest. интересов.

Статья поступила 29.05.2016 г. The article was received 29 May 2016