CC BY
20
УДК 621.622.276.53
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-88-93
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ «УЭЦН-СТРУЙНЫЙ НАСОС»
Т.Г. Макарова, К.Р. Уразаков, Е.Б. Думлер
Предотвращение асфальтосмолопарафиновых отложений при эксплуатации добывающих скважин является актуальной задачей. В статье предложен способ непрерывной подачи реагента в скважину с применением струйного насоса. Разработана методика расчета, позволяющая подобрать конструктивные параметры струйного аппарата, исходя из технологического режима УЭЦН и заданной дозы реагента, предотвращающего образование АСПО, основанная на математической модели системы «УЭЦН- струйный насос».
Ключевые слова: УЭЦН, струйный насос, насос-дозатор, электроцентробежный насос, динамический уровень, НКТ, АСПО.
Явление образования асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) в верхней части насосно-компрессорных труб (НКТ) является достаточно распространенным типом осложнений при эксплуатации механизированного фонда, в частности при эксплуатации скважин, оборудованных УЭЦН. Это приводит к снижению дебита при эксплуатации вследствие уменьшения проходного сечения насосных труб и повышению гидравлических потерь [1,2].
Наиболее эффективным способом борьбы с АСПО являются методы, предупреждающие их отложение. К таким методам следует отнести ингибирование - закачку специальных химических реагентов в скважину, предупреждающих образования АСПО [3].
Применение ингибиторов приводит к уменьшению адсорбции АСПО на стенках оборудования, формированию модифицированных (несвязанных) структур парафина, смол и асфаль-тенов, увеличению моющих свойств водонефтяного потока по отношению к АСПО и тем самым предотвращению отложений парафина в нефтепромысловом оборудовании. При использовании ингибиторов предотвращается отложение асфальтосмолопарафиновых веществ (АСПВ) не только в скважинном оборудовании, но и в выкидных линиях и сборных коллекторах [4].
Известные методы подачи ингибиторов предполагают использование специальных дозировочных насосов, которые позволяют обеспечить требуемый расход реагента. Однако, в виду их конструкции и принципа действия таких насосов, фактическая подача не является непрерывной. Также существующие методы требуют установки дополнительного оборудования - различных агрегатов для закачки или подвода электроэнергии, что требует дополнительных экономических затрат в процессе эксплуатации скважины с УЭЦН. Недостатки известных методов по предотвращению и устранению АСПО привело к разработке более эффективного метода [5-9].
В качестве такого метода для предотвращения АСПО и повышения эффективности доставки реагента разработано новое техническое решение, которое представляет собой комбинацию из двух технических устройств - емкостью с реагентом, оборудованную патрубком для его подачи и струйный насос [10]. Далее при рассмотрении всей установки в целом, часть конструкции, в которую включена устьевая емкость, а также вертикальный и горизонтальный участок трубопровода для транспорта реагента в камеру смешения струйного насоса условно принимается «насосом-дозатором».
Отличительная особенность разработанной конструкции и технологии заключается в том, что дозировка реагента непрерывна за счет принципа действия струйного насоса и насоса-дозатора в комбинации с УЭЦН, что позволяет обеспечить необходимый перепад давления для обеспечения расхода реагента, а также не требуется дополнительных экономических затрат.
Представленное техническое решение на рис. 1, подразумевает высокую эффективность работы при условии корректного подбора конструктивных параметров всей установки. На текущий момент отсутствует адекватная методика расчета, позволяющая связать работу УЭЦН - подачу, давление на выходе и другие параметры электроцентробежного насоса, а также конструктивные параметры струйного насоса и насоса-дозатора. Методика должна учитывать характеристики устройства, функциональные особенности - работу струйного насоса и насоса-дозатора, насоса УЭЦН, что позволит обеспечить требуемый непрерывный расход реагента и повысить эффективность разработанной технологии.
Конструкция и принцип действия разработанной системы УЭЦН-струйный насос следующая. Скважинная дозирующая установка для предотвращения отложений включает центробежный насос 2, электродвигатель 1, колонну насосно-компрессорных труб 3, устройство для дозирования химического реагента, нагнетательную линию химического реагента 4, теплообменник 7, линию нагнетания добываемой жидкости 6, устьевую арматуру 5.
Перед запуском установки технологическая емкость 10 заполняется химическим реагентом. Центробежный насос 2, приводимый в действие электродвигателем 1, подает перекачиваемую жидкость в колонну насосно-компрессорных труб 3, и далее в струйный аппарат 12 устройства для дозирования химического реагента. Из скважины добываемая жидкость через устьевую арматуру 5 по линию нагнетания добываемой жидкости 6 поступает в циркуляционные каналы 9 теплообменника 7, где передает теплоту химическому реагенту, находящемуся в технологической емкости 10. Нагретый реагент подается в скважину по нагнетательной линии химического реагента 4, которая проходит вдоль поверхности колонны насосных труб до входного отверстия 13, далее реагент через конфузор 15 струйного аппарата 12 устройства для дозирования химического реагента смешивается с добываемой жидкостью. Перемещаясь в полости насосно-компрессорных труб химические реагенты вступают в реакцию с перекачиваемой пластовой жидкостью, предотвращая возможность отложения асфальтосмолопарофиновых соединений, солей, образования коррозии. Подбор величины диаметров проходных сечений камеры смешения 14 и конфузора 15 струйного аппарата 12 обеспечивает дозированную подачу реагента во внутреннюю полость колонны насосно-компрессорный труб.
Рис. 1. Скважинная дозирующая насосная установка для предотвращения отложений: 1 - электродвигатель, 2 - центробежный насос; 3 - колонна насосно-компрессорных труб;
4 - нагнетательная линия химического реагента; 5 - устьевая арматура; 6 - линию нагнетания добываемой жидкости; 7- теплообменник; 8 -уплотнительная муфта;
9 - циркуляционные каналы; 10 - технологическая емкость; 11 - заправочная горловина; 12 - струйный аппарат; 13 - входное отверстие; 14 - камера смешения; 15 - конфузор
Известно множество методик расчета УЭЦН, связывающие развиваемый насосом напор и подачу жидкости [11,12], однако, как отмечалось раннее, методика, позволяющая связать параметры УЭЦН и конструктивные параметры струйного насоса отсутствует, в связи с чем требуются дальнейшие исследования. Для реализации поставленной задачи необходима разработка расчетного алгоритма.
Для обеспечения эффективного функционирования струйного насоса и насоса-дозатора необходимо связать входные данные ЭЦН и параметры струйного насоса: давление на выходе, подачу УЭЦН, расстояние между УЭЦН и струйным насосом, а также расход реагента
и диаметры на входе и выходе конфузора, камеры смешения и диаметр отверстия насоса-дозатора. При этом разработанная методика сводится к принятию некоторых произвольных параметров струйного насоса или насоса-дозатора (диаметр камеры смешения, диаметр насоса-дозатора, длина конфузора, длина камеры смешения). Такой подход позволит повысить экономическую эффективность при массовом внедрении разработанной установки (например, возможно снизить длину струйного насоса, при этом обеспечивая требуемый расход реагента, путем варьирования остальных параметров - диаметра камеры смешения, диаметра отверстия насоса-дозатора и тд.).
Цель расчета - определение геометрических параметров струйного насоса, включая глубину установки, исходя из заданного объёма требуемого расхода реагента для предотвращения АСПО.
Общий алгоритм разработанной методики представлен в виде блок-схемы на рис. 2.
При моделировании работы УЭЦН и струйного насоса задаются параметры насосов и скважины. Расчет ведется в точке выхода камеры смешения (на рис. 3 условно показана выноска в суженной части струйного насоса, с заданным расходом реагента и расходом, давлением на выходе камеры смешения), так как при этом аналитически заданы все геометрические параметры струйного насоса. В разработанной методике предложены 4 варианта обеспечения требуемого расхода реагента путем варьирования следующих параметров струйного насоса и насоса-дозатора: диаметра камеры смешения: йсм, м; диаметра отверстия насоса-дозатора: ^нд, м; длины камеры смешения: Ькс, м; длины конфузора: Ькон ф, м.
Алгоритм расчета следующий:
1) задаются параметры насоса (давление на выходе, подача, глубина установки);
2) задается требуемый расход реагента для предотвращения АСПО;
3) строятся расчетные зависимости расхода реагента от значения параметров струйного насоса и насоса-дозатора (при этом производится исследование влияния каждого отдельного параметра (изложенных в 4 вариантах) на подачу реагента, при постоянном значении других параметров струйного насоса или насоса-дозатора);
4) определяется точка пересечения графика расчетной зависимости @реаг.расч и требуемого значения расхода реагента @реагл-р (рис. 2).
Рис. 2. Блок-схема методики расчета параметров струйного-насоса
90
Описание математической модели системы «УЭЦН-струйный насос». Для определения параметров струйного насоса и насоса-дозатора необходимо поэтапно описать движение жидкости по телу НКТ и струйного насоса. Подача на входе и выходе конфузора с учетом параметров УЭЦН может быть выражена на основе уравнений Бернулли:
'вых.эцн ^вх.конф
^вх.конф Рж
(1 + ^нкт)
Рж
2 2 Т^ _ ^вых.конф Рж . ТТ ч ^вх.конф Рж
* вх.конф Рвых.конф 2 ' ^конф^
(1) (2)
2 V 2
где Рвых.эцн, -Рвх.конф, Рвых.конф - давление на выходе ЭЦН, давление на входе в конфузор, давление на выходе из конфузора, Па; ^вх.конф, ^вых.конф, ^вых.эцн - скорость на входе в конфузор, скорость на выходе из конфузора, скорость на выходе ЭЦН, м/с; ^нкт = - коэффициент со-
^нкт
противления при движении потока от УЭЦН к струйному насосу; ^конф - коэффициент сопротивления конфузора, определяемый по методике в работе [13]; 1нкт - длина участка НКТ между струйным насосом и ЭЦН, м; Онкт - диаметр НКТ, м.
Затем необходимо определить давление и подачу ЭЦН - рабочей жидкости в камере смешения. При движении жидкости в камере смешения струйного насоса будет происходить турбулизация потока, что требует учета сил трения жидкости о стенки, запишем уравнение движения жидкости без учета сил тяжести, а также пренебрегая силами нормальной реакции участка насоса, по которому движется жидкость:
(Р вх.кс Рвых.кс Рреаг^реаг^реаг ж Рсм^смС?см ^^тр (3)
где ^р = 1 ' /
Рсм^см
- сила трения жидкости, Н; I - периметр камеры смешивания, м2; / =
0,316
- коэффициент сопротивления; /Кс - площадь поперечного сечения камеры смешения, м ; Ке = ■ - число Рейнольдса; рсм = шрж + (1—w)pреаг - плотность смеси, кг/м3; Рреаг - плот-
Рсм^см^с] ^см
ность реагента, кг/м3; рж - плотность жидкости, кг/м3; Иреаг - скорость реагента, м/с; исм -скорость смеси, м/с; иж - скорость жидкости, м/с; - расход жидкости, м3/с; (?реаг - расход реагента, м3/с; @см = @ж + @реаг - расход смеси, м3/с; ^см - диаметр камеры смешивания, м; Мсм =wJuж + (1—^Мреаг - вязкость смеси, мПас; - вязкость жидкости, мПас; ^реаг - вяз-
■ - объемная доля реагента в жидкости.
кость реагента, мПас; ш =-—
Фж+Фреаг
На рис. 3 схематично представлена общая гидравлическая схема системы «ЭЦН-струйный насос».
2 ИцышАРииж
ы
Рис. 3. Гидравлическая схема системы ЭЦН-струйный насос»: 1 - ЭЦН; 2 - участок НКТ между ЭЦН и струйным насосом; 3 - струйный насос
Разработанная математическая модель основана на законе сохранения масс и энергии, а также уравнении Бернулли, учитывает протекание гидродинамических процессов с учетом сопротивлений в сужающихся (конфузор) частях струйного насоса, сопротивлений в камере смешения потока.
Процесс расчета согласно представленной математической модели следующий. На основе уравнения (1) рассчитывается давление на входе в конфузор (уравнение Бернулли) с учетом сопротивлений, вызванных трением жидкости о стенки НКТ. Далее, согласно уравнению (2) рассчитывается давление на выходе из конфузора с учетом сужения потока, что учитывается коэффициентом сопротивления конфузора. Следующее уравнение (3) системы является ключевым,
91
так как аналитически связывает все конструктивные параметры струйного насоса и насоса-дозатора (диаметр камеры смешения, диаметр отверстия насоса-дозатора, длина камеры смешения, длина конфузора), а также расход реагента с учетом работы УЭЦН, что позволяет определить требуемые конструктивные параметры. Для этого вычисленные значения на основе уравнений (1), (2) и прочие параметры подставляются в уравнение (3). Прочие уравнения, включенные в формулы (1)-(3), определяют доли содержания реагента в поступившей в струйный насос жидкости, а также геометрические зависимости.
При этом коэффициенты сопротивления в конфузоре и камере смешения могут быть определены в зависимости от угла наклона согласно методике, представленной в работе [13].
В результате разработана методика расчета геометрических параметров струйного насоса и насоса, дозирующего реагент, а также характер движения потока, потери по длине НКТ исходя из заданной дозы реагента. Показано, что требуемый расход реагента достигается путем изменения одного из 4 параметров струйного насоса или насоса-дозатора: диаметра камеры смешения, диаметра отверстия насоса-дозатора, длины камеры смешения, длины конфузора.
Список литературы
1. Шигабиев Д.Г., Думлер Е.Б., Вахитова Р.И. Причины снижения работоспособности центробежных насосных установок на нефтяных промыслах // Роль математики в становлении специалиста. Материалы Международной научно-практической конференции. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет». 2021. С. 193-198.
2. Уразаков К.Р., Нургалиев Р.З., Белов А.Е., Бикбулатова Г.И., Давлетшин Ф.Ф.Иссле-дование осложнений в работе установок скважинных штанговых насосов при одновременно-раздельной эксплуатации // Нефтяное хозяйство. 2019. № 7. С. 114-117.
3. Бакраев М.М., Булюкова Ф.З., Думлер Е.Б. Способы борьбы с АСПО при эксплуатации скважин ЭЦН в условиях гойт-кортовского месторождения // Современные проблемы нефтегазового оборудования-2021. Материалы Международной научно-технической конференции. 2021.С. 113-118.
4. Макарова Т.Г., Уразаков К.Р., Киямов И.К., Сабитов Л.С. К вопросу о повышении эффективности эксплуатации установок электроцентробежных насосов в скважинах, осложненных асфальтосмолопарафиновыми отложениями // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2021. № 1 (121). С. 18-22.
5. Гильманова А.Р., Никулин В.Ю., Денисламов И.З., Лавренова А.С., Лысенков А.В. Способ ингибирования скважины от асфальтосмолопарафиновых отложений // Гильманова А.Р., Никулин В.Ю., Денисламов И.З., Лавренова А.С., Лысенков А.В.: пат. РФ на изобретение RU №2302513 опубл. 10.07.2007.
6. Уразаков К.Р., Вахитова Р.И., Сарачева Д.А., Абрамова Э.В. Струйный аппарат для перепуска затрубного газа / К.Р. Уразаков, Р.И. Вахитова, Д.А. Сарачева, Э.В. Абрамова: пат. РФ на изобретение № 2517287, МПК E21B 43/12, F04F 5/00 - № 2012149306 /03; заявлено 19.11.2012; опубл. 27.05.2014. Бюл. №15.
7. Уразаков К.Р., Молчанова В.А., Маркелов Д.В., Тяпов О.А., Дмитриев В.В., Иконников И.И. Автоматическое клапанное устройство для перепуска затрубного газа / К.Р. Уразаков, В.А. Молчанова, Д.В. Маркелов, О.А. Тяпов, В.В. Дмитриев, И.И. Иконников: пат. РФ на изобретение RU 2305171 26.01.2006.
8. Уразаков К.Р., Молчанова В.А., Маркелов Д.В., Горбунов В.В. Автоматическое устройство для перепуска затрубного газа: пат. РФ на изобретение RU 2318983 07.02.2007.
9. Применение насосно-эжекторных систем «Тандем» на нефтяных месторождениях Российской Федерации / А.Н. Дроздов, В.С. Вербицкий, А.В. Деньгаев, Д.Н. Ламбин, А.М. Ко-чергин, В.В. Курятников // Нефтепромысловое дело. 2004. № 3. С. 31-46.
10. Уразаков К.Р., Макарова Т.Г., Думлер Е.Б., Вахитова Р.И., Борисов А.О. Скважинная дозирующая насосная установка для предотвращения отложений: патент РФ № 2752569. Опубл. 29.07.2021.
11. Уразаков К.Р., Мухин И.А., Вахитова Р.И., Сарычева Д.А., Волков И.В. Исследование характеристик струйного насоса численным моделированием // Нефтегазовое дело. 2015. Т.13, №14. С. 149-154.
12. Уразаков К.Р., Вахитова Р.И., Сарачева Д.А. Методика расчета параметров струйного насоса при совместной эксплуатации с ЭЦН // Нефтегазовое дело: электрон. науч. журн. 2011. № 3. С. 134 -146
13. Макарова Т.Г., Уразаков К.Р., Думлер Е.Б., Вахитова Р.И. Методика определения параметров установки для внутрискважинного дозирования реагента // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 3. С. 64 - 71.
Макарова Татьяна Георгиевна, старший преподаватель, dtana@mail.ru, Россия, Республика Татарстан, Альметьевск, Альметьевский государственный нефтяной институт,
Уразаков Камил Рахматуллович, д-р техн. наук, профессор, info@rusoil.net, Россия, Республика Башкортостан, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Думлер Елена Борисовна, канд. техн. наук, доцент, dumler08@mail.ru, Россия, Республика Башкортостан, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет
MATHEMATICAL SIMULATION OF PARAMETERS OF "UETSN-JET PUMP" SYSTEM T.G. Makarova, K.R. Urazakov, E.B. Dumler
The prevention of asphalt-resin-paraffin deposits during the operation of production wells is an urgent task. The article proposes a method of continuous supply of a reagent to a well using a jet pump. A calculation technique has been developed that allows you to select the design parameters of the jet apparatus based on the UETsN technological mode and the given dose of the reagent that prevents the formation of AFS, based on the mathematical model of the UETsN-jet pump system.
Key words: ECP, jet pump, dosing pump, electric centrifugal pump, dynamic level, tubing,
AFS.
Makarova Tatyana Georgiyevna, senior teacher, dtana@mail.ru, Russia, Republic of Ta-tarstan, Almetyevsk, Almetyevsk state oil institute,
Urazakov Kamil Rakhmatullovich, doctor of technical sciences, professor, info@rusoil.net, Russia, Republic of Bashkortostan, Ufa, Ufa state oil technical university,
Dumler Elena Borisovna, candidate of technical sciences, docent, dumler08@mail.ru, Russia, Republic of Bashkortostan, Ufa, Ufa state oil technical university
УДК 621.313.15
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-93-97
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОМЕСТНОЙ РОТОРНОЙ ПАРКОВКИ С МАХОВИЧНЫМ
АККУМУЛЯТОРОМ ЭНЕРГИИ
Л.Р. Абдуллина, А.А. Калистратова
В современном мире остро встает вопрос наличия свободного парковочного пространства. В мегаполисах количество автомобилей часто превышает количество доступных парко-вочных мест. Выходом из сложившейся ситуации может быть использование многоуровневых парковок, которые не только сэкономят площадь, но и смогут защитить автомобили от воздействия внешней среды. В статье рассматривается конструкция многоэтажной роторной парковки, привод которой работает на принципах рекуперации энергии. Предлагаемая конструкция позволяет рациональным образом использовать небольшие свободные территории в городе и делать их эффективными по сравнению с существующими установками за счет снижения потребляемой электроэнергии.
Ключевые слова: Многоэтажные роторные парковки, рекуперация энергии, махович-ные аккумуляторы энергии, гибридные силовые установки, устройство рекуперации энергии.
По данным ГИБДД в 2018 году в Москве количество зарегистрированных машин составляет приблизительно 5,6 миллионов, количество же зарегистрированных парковок в черте города приближается к отметке в 89 тысяч мест. Аналогичную ситуацию можно наблюдать и во многих других городах и регионах России.
