CC BY
12
УДК 622.235
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СКВАЖИННОГО ДЕБАЛАНСНОГО ИСТОЧНИКА С ЗАПОЛНЕНОЙ ЖИДКОСТЬЮ РАБОЧЕЙ КАМЕРОЙ
Андрей Владимирович Савченко
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, зав. НИЦ, e-mail: sav@eml.ru
Михаил Николаевич Цупов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, ведущий инженер НИЦ, тел. (383)217-05-25, e-mail: lion_ltd@ngs.ru
Сформулированы требования, предъявляемые к дебалансному источнику, работающему при высоком давлении в жидкости, содержащей механические примеси. Приведены технологические особенности работы источника в скважине при добыче нефти. Дана оценка изменения величины силы лобового сопротивления источника с заполненной жидкостью внутренней камерой при размещении его в приповерхностном слое и на забое скважины.
Ключевые слова: скважинный дебалансный источник, вибровоздействие, нефть, сила лобового сопротивления.
SUBSTANTIATION OF THE PARAMETERS OF THE DOWNHOLE UNBALANCED SOURCE FULL OF GUNS FLUID WORKING CHAMBER
Andrey V. Savchenko
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Head of Mining Machinery andGeotechniques Research Center, e-mail: sav@eml.ru
Michael N. Tsupov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Leading Engineer of Mining Machinery and Geotechniques Research Center, tel. (383)217-05-25, e-mail: lion_ltd@ngs.ru
The authors set forth requirements for a downhole debalance vibrosource with a working chamber filled with a liquid under bottom-hole pressure and containing mechanical admixtures. Variations in drag force of debalance component rotation versus a depth of immersion into a liquid are compared and reported.
Key words: downhole debalance source, vibroeffect, oil, drag force.
На протяжении эксплуатации нефтяных и газовых месторождений во всем мире дебит полезного ископаемого уменьшается из-за истощения месторождений, падения пластового давления, уменьшения проницаемости пласта, в частности призабойной зоны. Для решения этих проблем применяются различные способы интенсификации полезного ископаемого и очистки призабойной зоны: химический, акустический, гидравлический и прочие[1]. В РФ на промыслах успешно применяются гидроударные системы совместно с насосами ШГН, разработанные в ИГД СО РАН [2]. Однако применение данных систем в скважинах, эксплуатируемых винтовыми и электроцентро-
бежными насосами невозможно, при том, что их паркв России составляет 30%[3], а на месторождениях крайнего севера, где глубина скважин превышает 3 км, может доходить до 100%. Эти месторождения не могут быть охвачены технологией гидроударных генераторов, и поэтому необходимо создание скважинных виброисточников, работающих совместно с данными типами насосов.
При разработке генератора волнового воздействия были учтены условия, в которых будет работать источник (глубина свыше 1 км, заполнение скважины жидкостью с содержащимися в ней механическими примесями), а также проведен сравнительный анализ известных способов создания гармонических колебаний в скважине. Исследование этого вопроса показало, что наиболее оптимальным для работы в таких условиях является источник дебалансного типа (рис. 1), который обладает наибольшим КПД и может эксплуатироваться на больших глубинах.
Рис. 1. Внешний вид виброисточника
При проектировании источника были решены ряд технических и технологических вопросов:
• возможность встроить генератор в существующую технологию добычи;
• возможность не выводить скважину из эксплуатации и работать совместно с насосом;
• увеличение межремонтного периода до 6 месяцев, что соответствует минимально допустимому межремонтному периоду добывающих насосов;
• обеспечить работоспособность генератора в скважине, заполненной жидкостью с содержанием механических примесей и давлением до 300 атмосфер;
• эксплуатация без постоянного присутствия обслуживающего персонала.
Жидкость, заполняющая внутреннюю камеру источника, создает силу лобового
сопротивления, препятствующую вращению дебаланса и увеличивает нагрузку на привод. Возникает задача оценить изменение величины силы лобового сопротивления источника с заполненной рабочей камерой при размещении его на поверхности и на забое скважины.
На рис. 2 схематично показано размещение дебалансного источника в приповерхностном слое воды и на глубине L. Источник вращается с одинаковой частотой и, как следствие, с одинаковой угловой скоростью - стационарный режим работы.
Рис. 2. Схема размещения дебаланса в скважине на разных глубинах.
Вектор силы лобового сопротивления Я направлен в противоположную сторону к вектору скорости вращения у, а ее величина определяется по формуле:
Я = £. s■ ^, (*)
2
где С=С(Яе,Бг) = к• Яе"и• Бг"и,и,и > 0 - безразмерный коэффициент лобового сопротивления;
S - площадь проекции тела дебаланса на плоскость, перпендикулярную к направлению движения («миделево сечение»);
(У
Тт0рМ = ^--энергия торможения единицы объема потока относительно трубки
тока;
У - плотность жидкости;
V _
линейная скорость движения дебаланса в жидкости на площадке dS;
__ _ ^ ______________гл 4S
Яе = ——L - число Рейнольдса (^ - динамическая вязкость воды, =--гид-
-ц Р
равлический диаметр, Р - смоченный периметр поперечного сечения потока);
Бг =- - число Фруда (g - ускорение свободного падения, Ь - характерный
размер).
Для нахождения полной силы лобового сопротивления при работе дебаланса на различных глубинах необходимо учитывать, что вектор скорости, направленный по нормали к элементарной площадке, различен и изменяется от 0 на оси вращения, до
^ах на расстоянии г - радиуса дебаланса, рис. 2. Поэтому разобьем поверхность дебаланса от оси вращения до г сеткой элементарных площадок, так как показано на рис. 2. Пусть площадь элементарной площадки равна dS = Si, произведем суммирование по всем элементарным площадкам Si с учетом скоростей, тогда получим полную силу лобового сопротивления:
м ы ггх2 Г-п м
я=Е Я = ТЫ-пт=ЧгЪ ^ V'2 • (**)
'=1 '=1 2 2 '=1
Положим безразмерный коэффициент Г = 1,28 и выполним расчеты силы лобового сопротивления Я в зависимости от глубины размещения источника в скважине по формуле (**) для дебаланса длиной 0,9 м и диаметром 0,095 м. Результаты расчетов сведены в табл. 1.
Таблица 1
Таблица результатов расчета силы сопротивления дебаланса Я, Н в зависимости от
частоты и глубины погружения
Глубина к,, м Плотность воды п, / м3 Я при частоте ./=№ Я при частоте У=2,Ш Я при частоте У=3,ш Я при частоте Я при частоте
0 1018,6 0,8538 3,4151 7,6839 13,6603 21,3443
500 1021,05 0,8558 3,4233 7,7024 13,6932 21,3956
1000 1023,51 0,8579 3,4315 7,7210 13,7262 21,4471
1500 1025,98 0,8600 3,4398 7,7396 13,7593 21,4989
2000 1028,47 0,8620 3,4482 7,7584 13,7926 21,5510
Расчеты показали, что с увеличением глубины сила лобового сопротивления при
фиксированной частоте вращения ^, увеличивается не более чем на 1% (табл. 2), ес-
Я
ли в качестве опорной взять пов в приповерхностном слое воды.
Таблица 2
Глубина к, м Плотность воды П, / м' Я / Я пов при частоте Я / Я пов при частоте У=2,Ш Я / Я пов при частоте У=3,ш Я / Я пов при частоте Я / Я пов при частоте
0 1018,6 - - - - -
500 1021,05 0,24% 0,24% 0,24% 0,24% 0,24%
1000 1023,51 0,48% 0,48% 0,48% 0,48% 0,48%
1500 1025,98 0,72% 0,72% 0,72% 0,72% 0,72%
2000 1028,47 0,96% 0,96% 0,96% 0,96% 0,96%
При использовании стандартного привода добывающего насоса двигатель и штанги будут испытывать повышенную нагрузку из-за возникающего лобового сопротивления дебаланса, что пагубно скажется на их ресурсе. На скважинах глубиной свыше 2 км возможно нарушение дебита насосов. Для решения этой проблемы разрабатывается строение источника с лобовым сопротивлением, имеющим порядок десятков ньютон.
Вторая дополнительная задача технологического применения источника на многопластовых нефтяных и газовых скважинах - необходимость прокачки жидкости через источник, так как он располагается выше насоса. Для этой проблемы предложен ряд решений, отрабатывающихся экспериментально.
В заключении отметим, что дебалансный скважинный источник для винтовых и электроцентробежных насосов является одним из самых эффективных в данных условиях эксплуатации, а приведенные расчеты показывают возможность экспериментального определения энергетических и прочностных характеристик на лабораторных установках. Оценка силы лобового сопротивления дебалансного генератора гармонических колебаний позволяет сделать вывод о возможности его применения совместно с винтовыми насосами без замены приводных установок на более мощные.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований проект № 15-05-08824а.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Клишин В.И., Зворыгин Л.В., Лебедев А.В., Савченко А.В.Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений. Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т горного дела. - Новосибирск: Издательский дом «Новосибирский писатель». 2011. - 524 с.
2. Пат. №2490422 РФ, МПК E21B28/00 E21B43/25 Установка для импульсного воздействия на продуктивный пласт / Опарин В. Н., Симонов Б. Ф., Савченко А. В. - Опубл. 20.08.2013. - Бюл. №2
3. Сайт НГФР http://www.ngfr.ru/ngd.html?neft14
4. Александров А.А., Григорьев Б.А. справочник «Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара». М.:-Издательство МЭИ.1999.-168с.
5. Фабрикант Н. Я., Аэродинамика, М. - 1964.
© А. В. Савченко, М. Н. Цупов, 2017
