CC BY
19
© В.А. Дзснзсрский, Ю.А. Жулай,
Н.М. Хачапуридзс, А.С. Ворошилов, 2013
УДК 622.245:532.538
В.А. Дзснзсрский, Ю.А. Жулай, Н.М. Хачапуридзс, А.С. Ворошилов
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВИБРОНАГРУЖЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА РАСШИРЕНИЯ ДИАМЕТРА ОБСАДНЫХ ТРУБ
Приведены результаты экспериментальной оценки эффективности применения кавитационного гидродинамического вибратора в технологии расширения обсадных труб, используемых в нефтяной и газовой промышленности, путем наложения вибронагрузки на инструмент для расширения.
Ключевые слова: периодически-срывная кавитация, гидродинамический вибратор, расширяющий кон, вибронагрузка, частота,расширение труб, кон, давления стра-гивания.
Ш Ш рактическое использование
Л Л гидродинамической кавитации позволяет снизить удельное энергопотребление до 50 % [1] в различных отраслях промышленности, в том числе и горнодобывающей.
Решение этих задач связано с получением дискретно-импульсной энергии большой мощности в потоке жидкости при помощи кавитационного генератора, создающего высокоамплитудные колебания в диапазоне звуковых частот. Это достигается только за счет соответствующей геометрии генератора — специального гидравлического канала типа трубки Вентури [2], без каких-либо движущихся частей и использования дополнительных источников энергии.
Нагнетание жидкости через генератор колебаний давления при рас-кольматации скважин увеличивает степень проницаемости пласта. Это происходит за счет формирования сети пор и каналов и выноса из продуктивной зоны твердой фазы и фильтрата и приводит к повышению дебита скважины [3]. Применение в технологической схеме погружного
кавитационного генератора колебаний давления [4] позволяет достичь качественно нового уровня эффективности гидрорыхления угольного пласта путем его обработки дискретно-импульсным нагнетанием жидкости. Наложение вибронагрузки на породоразрушающий инструмент при бурении скважин в твердых горных породах приводит к повышению технико-экономических показателей бурения: роста механической скорости, стойкости бурового инструмента и снижению удельных энергозатрат [5].
При разработке нефтяных и газовых месторождений используются ступенчатое бурение скважин их обсадка с последующим расширением диаметра обсадных труб. Так фирма «ШеаШегк^» традиционно использует гидравлический способ расширения, путем подачи высоконапорного потока жидкости под расширительный конус. Из практики известно, что при таком способе расширения труб и 50% энергии жидкости расходуется на преодоление сопротивления трения, а и 50% — на саму операцию расширения. При этом оптимизация техноло-
гического процесса расширения осуществляется путем уменьшения трения с применением дорогостоящей специальной смазки МБЭБ с молибденовыми присадками, что приводит к значительным экономическим затратам.
Результаты экспериментального исследования характеристик кавитаци-онного гидродинамического вибратора (ГДВ) [6] обосновывают целесообразность и перспективность его использования в технологических процессах по расширению обсадных труб путем создания вибронагрузки на инструмент для расширения до 4000д с частотой $ = 3—12 кГц.
ГДВ преобразует стационарное течение жидкости в дискретно-импульсное и создает высокочастотные виброускорения в продольном и поперечном направлениях на инструменте для расширения (кон) обсадных труб.
Настоящая работа ставила своей целью оценить эффективность применения ГДВ в технологии расширения обсадных труб, используемых в нефтяной и газовой промышленности.
В процессе работы решались следующие задачи:
1. Определение давлений, при котором происходит начало движения кона (страгивание) и расширение трубы с различными условиями эксперимента (использование ГДВ, смазки МБЭБ и без них).
2. Определение влияния режимных параметров генератора и вибронагрузок на корпусе кона на процесс расширение труб.
3. Сравнительный анализ эффективности процесса расширения труб путем создания гидродинамической вибронагрузки на инструменте и статическим нагнетанием жидкости.
Испытания проводились на образцах труб длиной один метр. В качестве критерия геометрического подобия труб принято постоянство отношения толщины стенки трубы к ее диаметру.
Для испытаний использовалась сертифицированная стальная бесшовная горячедеформированная труба обычной точности изготовления, выполненная с нормированием химического состава и механических свойств соответствующая действующему стандарту ГОСТ 8731-74, с наружным диаметром 133 мм и толщиной стенки 6 мм, которая изготовлена из стали марки 20. Труба имеет следующие механические свойства: временное сопротивление разрыву ов = =451 МПа; предел текучести от = 245 МПа; относительное удлинение 55 =32%; твердость по Бринеллю НВ не более 156. Линейная плотность трубы составляет 18,79 кг/м. Предельные отклонения по наружному диаметру ±1,0%, толщине стенки трубы от +12,5 % до -15,0 %.
Химический состав стали, из которой изготовлены трубы, по массовой доле элементов содержит: углерод — 0,17—0,24%; кремний — 0,17—0,37%; марганец — 0,35— 0,65%; хром — не более 0,25%.
Перед проведением испытаний образцы труб с одной стороны были предварительно развальцованы технологической оправкой на расстояние I =176 мм (от начала расширенной части до среза трубы).
Технологическое расширение образцов труб проводилось на испытательной машине ПММ-125, которая может создавать усилия до 125 тон, путем вдавливания технологического кона в трубу.
Рис. 1. Зависимость усилий на кои от хода для движения в расширяемой трубе
При технологическом расширении трубных заготовок были определены усилия, которые необходимо создать для расширения трубы. Полученные при этом зависимости усилий, для продвижения кона на определенную длину в расширяемой трубе, представлены на рис. 1.
При движении кона на 146 мм без использования смазки потребовалось приложить усилия, которые возросли с 43 до 62 т. Испытания были остановлены для выяснения причин такого роста усилия. После извлечения кона из трубы обнаружено, что на нем появились задиры и наклепы. Это по нашему мнению привело к увеличению усилий на расширение. Дальнейшие работы по подготовке труб проводились с применением смазки.
Из представленных зависимостей видно, что применение смазок ЦИА-ТИМ-201 позволило понизить необходимые усилия в 1,3 раза, а МБЭБ в 1,9 раза по сравнению с расширением без смазки.
После предварительного расширения к концу трубы приваривались технологический фланец и 8 косынок для усиления сварного шва, а при испытаниях устанавливалась заглушка. На рис. 2. приведена схема заготовки для испытаний.
1000
Рис. 2. Общий вид образна трубы для испытаний
Рис. 3. Гидравлическая схема испытаний по расширению труб с ГДВ:
1 — кон; 2 — кавитационный генератор; 3 — расширяемый трубопровод; 4 — насос; РР1 и РР2 дроссели; <0>2 — расходомер; ЛР1 и ЛР2 — датчики пульсаций; а1 и а2 — датчики виброускорений; Р0 Р1 и Р2 — манометры
Перед проведением испытаний по расширению труб, ГДВ стыковался с напорной магистралью насосной установки, которая предварительно пропускалась через исследуемый образец трубы. Для серии испытаний без ГДВ вместо него устанавливается проставка имитатор с диаметром проходного сечения 6 мм. В уплотнения кона (между тарельчатыми ребрами) наносилась смазка ЦИАТИМ-201. Кон устанавливался в расширенную часть трубы на глубину расширения с последующей герметизацией полости заглушкой. Гидравлическая схема стенда по расширению труб приведена на рис. 3.
Кон — 2, инструмент расширения трубы [7] представляет собой монолитную конструкцию с конической (10°) поверхностью, которая переходит в цилиндрическую. На конце цилиндрической поверхности выполнены тарельчатые проточки для уплотнения полости за коном. Кон снабжен центральным каналом, в который с входной стороны вкручивается кави-тационный генератор. На наружной поверхности имеются посадочные
места для установки датчиков виброускорений.
Для сборки установки с ГДВ последовательность операций была следующая: при закрытом вентиле РР2 и открытом вентиле РР1 (см. рис. 3) запускалась насосная установка. Вентилем РР1 кратковременно поднималось давление Р2 до величины 12,0 МПа и останавливался насос. Этого давления достаточно для герметизации кона в трубопроводе и опрессов-ки системы.
Далее при открытом вентиле РР2 и РР1 повторно запускался насос. Вентилем РР1 устанавливалось заданное на испытание давление Р1. После чего вентилем РР2 поднималось давление Р2 до значения, при котором начиналось движение кона в трубе и в дальнейшем положение вентиля РР2 не менялось. После расширения трубы по всей длине и выходе кона из трубы насос останавливался.
При испытаниях без ГДВ с установленным имитатором после опрес-совки системы, как было указано выше, закрывался байпас РР1, а вентилем РР2 поднималось давление в по-
40 35 30 25 20 15 10 5 0
1000 0
-1000 -2000 -3000
20 40 60 80 100 120 Т,С
Рис. 4. Осниллотрамма вибронагрузки на коне при его контакте с трубой
лости за коном, при котором начиналось движение кона в трубе и в дальнейшем положение вентиля РР2 не менялось.
В процессе испытаний использовалась система измерений (СИ) со стандартными средствами, которые прошли Госпроверку и обеспечивали необходимый диапазон измерений. Перечень измеряемых параметров приведен в таблице 1 работы [6].На этих испытаниях проводилась непрерывная запись сигналов с датчиков давления Р1 и Р2 и осевой вибрации на коне с дискретизацией 500 Гц и видеосъемка процесса расширения трубы.
На рис. 4 приведен фрагмент осциллограммы средних значений давления Р1 и Р2 (левая ось) и осевой вибрации на коне а (правая ось), реализуемых на установленном в трубе коне при повышении давления Р2 [7].
Из представленных данных видно, что максимальные значения вибронагрузок на коне для данной конст-
рукции кавитационного генератора реализуются в диапазоне изменения параметра кавитации т = 0,15 0,65. Параметр кавитации т [8] является критерием динамического подобия кавитационного течения жидкости и определяется как отношение давлений на выходе из генератора к давлению на входе, т.е.: т = Р2 / Р1. Он характеризует режим кавитационно-го течения в проточной части генератора.
Испытания по расширению труб гидравлическим способом выдавливания расширительного конуса избыточным давлением жидкости проводились при следующих условиях:
Опыт 1 — без использования смазки МБЭБ и без ГДВ;
Опыт 2 — с применением смазки МБЭБ без ГДВ;
Опыт 3 — с применением смазки и ГДВ, который работает на режимах по параметру кавитации т , при которых реализуются пульсации
Р,
МПа
30 25 20 15 10 5 0
Заклинивание кона
Р1 Ыф/к Ж? *№
/ фТГ V
N ЧР2 Нача ло движ сения ко на
ч
230 250 270 290 310 330 350 370 390 410 Т, с Рис. 5. Осциллограмма изменения давлений при расшнре
Р, МПа
16
12
25
45
65
85
105
125
/ / Начало с трагивания кон а ЧГ ^
^й4
г \ 4 Р2
Исп. №2 V
Т, с
Рис. 6 Осциллограмма изменения давлений при расширении трубы со смазкой МБЭБ без ГДВ
давления жидкости на выходе гене-
Опыт 4 — без использования ратора и виброускорения на коне, смазки с применением ГДВ, который близкие к максимальным и мини- работает при различных режимах по
мальным значениям;
параметру кавитации т .
8
4
0
Рис. 7. Осниллотрамма давлений на испытании по расширению труб с применением ГДВ и смазки МБРБ на резжме т = 0,6
Результаты испытаний по расширению образцов труб
На рис. 5 приведен фрагмент осциллограммы средних значений давления Р1 и Р2 реализуемых в процессе расширения образца трубы без использования смазки и без ГДВ. Давление, при котором происходит начало движения кона, и расширение трубы составляет 26,9 МПа, что соответствует усилию в 40,3 т, и удовлетворительно согласуется с результатами расширения образцов труб на испытательной машине ПММ-125, приведенными на рис. 1.
При достижении давления Р2 « 28 МПа на 400 секунде произошло заклинивание инструмента для расширения труб — кона и работы были остановлены.
На испытаниях по расширению образцов труб с использованием смазки и без ГДВ давление страгива-гия кона, как это видно из рис. 6 составляет 17,5 МПа, что в 1,54 раза меньше значения давления, при кото-
ром происходит начало движения кона, без использования смазки.
Результаты испытаний по расширению образцов труб с применением смазки МБЭБ и ГДВ, генератор которого работает на режимах со значениями параметра кавитации т равными 0,6 и 0,36, приведены на рис. 7 и 8.
При анализе результатов этих испытаний установлено, что смещение параметра кавитации т в сторону меньших значений (от 0,6 до 0,36) приводит к уменьшению значения давления (от 18,0 МПа до 14,4 МПа) при котором происходит начало движения кона и расширение трубы. Это связано с тем, что на режиме т = 0,36 реализуются более высокие величины пульсаций давления жидкости на выходе генератора и виброускорений на коне (ДР2 = 10,2 МПа, а = 3000д), по сравнению с режимом т = 0,6 (ДР2 = 1,6 МПа, а = 1420д).
Дальнейшее уменьшение параметра кавитации т до значения 0.3
р,
МПа 40
35
30
25
20
15
10
5
0
т/
Х ХР1
Начал! страгив ания кон а I \
\
^ Р2 Исп. ? 44
_^
12
17
22
27
32
37
42
47
52
57 Т, С
Рис. 8. Осциллограмма давлений на испытании по расширению труб с применением ГДВ и смазки МБРБ на режиме Т = 0,36
Р, МПа 40 35 30 25 20 15 10 5 0
30
ч^ ——
Начало страгивания кона
Р2 Исп. №5
\
35
40
45
50
Т, с
Рис. 9. Осциллограмма изменения давлений при расширении трубыш с ГДВ без смазки на режиме Т = 0,53
(Р2=12,0 МПа) приводит к остановке кона в связи с недостаточным усилием на нем для расширения трубы.
Результаты четвертого этапа испытаний по расширению образцов
труб с ГДВ (генератор работает на режимах соответствующих параметру кавитации т = 0,53 и 0,46) и без использования смазки представлены на рис. 9 и 10.
р, МПа
30
25
20
15
^АЛЛ^ПГ
Р1
/ и",.*'!.
1л /
/ Г На чало ст рагиван ия кона
у I1 р; Испг
/ у 1
31
41
51
61
71
81
01
101
111
121
131
141
Рис. 10. Осциллограмма изменения давлений при расширении трубы с ГДВ без смазки на режиме Т = 0,46
Обобшенныте данные по условиям расширения образцов труб
№ п/п Наличие смазки ЫБББ Наличие ГДВ Давление на входе Р1, МПа Частота пульсаций давления за ГДВ, Гц Размах пульсаций давления на выходе ГДВ, МПа Осевые вибронагрузки на коне, g Давление страгива-ния кона, МПа
1 Нет Нет 40,0 — — — 269
2 Да Нет 17,8 — — — 174,4
3 Да Да 30,0 11000 1,6 1420 18,0
4 Да Да 40,0 11200 10,2 3000 14,4
5 Нет Да 40,0 14209 4,7 2352 21,0
6 Нет Да 40,0 11547 6,9 2950 18,5
Режим работы ГДВ, Т
0,6
0,36
0,53
0,46
Как и в предыдущем эксперимен- не (ДР2 = 6,9 МПа, а = 2950д), по
те, смещение параметра кавитации т в сторону меньших значений (от 0,53 до 0,46) приводит к уменьшению значения давления (от 21,0 МПа до 18,5 МПа), при котором происходит начало движения кона и расширение трубы. На режиме т = 0,46 реализуются более высокие величины пульсаций давления жидкости на выходе генератора и виброускорений на ко-
сравнению с режимом Т = 0,53 (ДР2 = 4,4 МПа, а = 2352д).
Обобщенные данные по режимам работы генератора, частоты и величине пульсаций давления, осевой вибрации на коне и давления при котором начинается движение кона, и при различных условиях эксперимента по расширению образцов труб приведены в таблице.
Р2, МПа
25
20
15
10
0
0 10 20 30 40
Рис. 11. Совмещенные конин участков осциллограмм
На рис. 11 представлены совмещенные копии участков осциллограмм средних значений давления перед коном при различных условиях проведения эксперимента (см. таблицу).
Из приведенных результатов следует, что использование ГДВ со смазкой МБЭБ при расширении труб снижает значение давления страгива-ния кона с17,4 до 14,4 МПа. Этот факт указывает на существенное уменьшение сопротивления трения при операции расширения (на 93 % — ГДВ со смазкой и на 70 % со смазкой без ГДВ). Минимальное давление в 18,5 МПа страгивания кона без смазки трубы достигнуто на режиме работы ГДВ при значении параметра кавитации т = 0,46. На испытаниях без ГДВ давление страгивания кона составляет при применении смазки 17,4 МПа, а без смазки оно возрастает до 26,9 МПа.
Из выше сказанного следует, что использование кавитационного гид-
родинамического вибратора ГДВ снижает давление страгивания кона при расширении трубы и уменьшает сопротивления трения. Относительная величина снижения давления страгивания со смазкой составляет 46.5%, без смазки — 31,2%.
Для примера на рис. 12 приведены кадры из видеосъемки испытаний по расширению труб, на которых кон находится в начале трубы, на ее середине и в конце в момент выхода кона из трубы.
Наружный диаметр труб после расширения находится в диапазоне от 150.18 до 150.62 мм с толщиной стенки т = 5.7 мм, при этом эллипс-ность труб составляет 0,09—0.44 мм. Измерение конструктивных параметров кона после каждого испытания, за исключением первого опыта, показало их стабильность и отсутствие повреждений рабочей поверхности заклинивания в процессе расширения труб.
Представленные результаты позволяют сделать следующие выводы:
5
Рис. 12. Кадры видеосъемки расширения трубы
1. Использование гидроимпульсного способа нагнетания жидкости со смазкой МБЭБ при расширении труб снижает значение давления страгива-ния кона с 26,9 МПа до 14,4 МПа и существенно уменьшает (на 93%) сопротивление трения по сравнению с расширением статическим воздействием без смазки.
2. Сравнение эффективности применения гидроимпульсного и статического способа нагнетания жидкости при расширении труб со смазкой МБЭБ показало, что при гидроим-
пульсном воздействии снижаются давления страгивания кона с 17,4 МПа до 14,4 МПа и сопротивление трения на 17%.
3. Определенно минимальное давление страгивания кона в 18,5 МПа с использованием ГДВ без смазки МБЭБ при расширении труб, которое достигнуто на режиме работы ГДВ при значении параметра кавитации т = 0,46.
4. Установлено, что гидроимпульсный способ нагнетания жидко-
сти при расширении труб предотвращает появление задиров и наклепов, а также заклинивание инструмента для расширения труб — кона.
5. Анализ результатов экспериментального определения динамических характеристик ГДВ и эффективности
гидродинамического вибронагружения инструмента подтверждают перспективность его использования в технологических процессах по расширению труб путем наложения виброускорений до 4000д с частотой $ = 3—12 кГц на инструмент для расширения.
1. Жулай Ю.А. Гидродинамическая кавитация в энергосберегающих технологиях / Ю.А. Жулай, Ворошилов А.С. // «Вестник»: сб. науч. Трудов / ДНУЖТ им. академика Лазаряна. — Днепропетровск, 2007. — Вып. № 14. — С. 46—51.
2. А.с. 1232296 СССР, МКИ В 06 В 1/18. Генератор колебаний давления жидкости / В.В. Пилипенко, В.А. Задонцев, И.К. Манько, Ю.А. Жулай, Н.А. Дзоз (СССР). — № 3772504/24-28; заявл. 19.07.84; опубл. 23.05.86, Бюл. № 12.
3. Дзоз Н.А. О возможности использования гидродинамической кавитации в технологических процессах раскольматации скважин / Н.А. Дзоз, Ю.А. Жулай, Ю.А. Меламед Ю.А. // Геотехническая механжа: сб. науч. Трудов / ИГТМ НАН Украины. — Днепропетровск, 2005. — Вып. № 58, — С.125—132.
4. Дзоз Н.А. Оценка эффективности гидродинамического бурового снаряда в промышленных условиях при сооружении
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
скважин / Н.А. Дзоз, Ю.А. Жулай. // Труды междунар. научн.-практ. конф. «Маркшейдерия Казахстана: состоя-ние и перспективы» / КазНТУ им. К.И. Сапаева. — Алматы, 2006.— С .313—319.
5. Пат. 87038 Украина, МКИ E21F 5/02. Устройство для гидроимпульсного воздействия на угольний пласт / Л.М. Васильев, Ю.А. Жулай, В.В. Зберовський, П.Ю. Моисеенко, Н.Я. Трохимец; заявитель и патентообладатель ИГТМ НАН Украини. — № а 2007 10209/9822; заявл. 13.09.07; опубл.10.06.09, Бюл. № 11.
6. Жулай Ю.А. Экспериментальное определение вибронагрузки на инструменте для расширения труб/ Жулай Ю.А., Ворошилов А.С. // Геотехническая механика: Межведомственный сб. научн. Трудов / ИГТМ НАН Украины. — Днепропетровск, 2010. — Вып. 89. — С.34—40.
7. Пилипенко В.В. Кавитационные автоколебания: монография / В.В. Пилипенко. — К: Наук, думка, 1989. — 316 с. ГГТТг!
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Дзензерский В.А. — директор, доктор технических наук, профессор Жулай Ю.А. — ведущий научный сотрудник Хачапуридзе Н.М. — заместитель директора по научной работе Ворошилов А.С — младший научный сотрудник
Институт транспортных систем и технологий Национальной академии наук Украины, г. Днепропетровск, itst@westa-inter.com
