CC BY
33
сибирск: Наука, 2011. 394 с.
17. Елисеев С.В., Упырь Р.Ю. Рычажные связи и рычажные механизмы в механических колебательных системах // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2009. № 4 (24). С. 97-101.
18. Зиновьев В.А., Бессонов А.П. Основы динамики машинных агрегатов. М.: Машиностроение, 1964. 240 с.
19. Иванов Б.Г. Разработка методов расчета динамики и прочности агрегатов транспортной техники с рычажно-шарнирными связями: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 01.02.06. Самара, 2007. 48 с.
20. Конструирование машин: справ.-метод. пособ. В 2 т. / под ред. К.В. Фролова. М.: Машиностроение, 2004.
21. Пат. 224647 RUS, F16F15/10. Способ управления характеристиками линейных колебаний и устройство для его осуществления / А.П. Хоменко, С.В. Елисеев, А.И. Милованов, С.М. Битюкова, Ю.В. Ермошенко, В.Е. Гозбенко. № 2002130673/11. За-явл. 15.11.2002; опубл. 20.02.2005. Бюл. № 5. 6 с.
22. Пат. 29504 RUS, B60L9/00. Устройство для гашения линейных и крутильных колебаний в подвеске тягового электродвигателя с опорно-осевой подвеской / А.П. Хоменко, А.И. Милованов, В.Е. Гозбенко, Ю.В. Ермошенко. № 2002131859/20. Заявл. 02.12.2002; опубл. 20.05.2003.
23. Пат. 64722 RUS, F16F15/00. Гаситель крутильных колебаний / А.П. Хоменко, С.В. Елисеев, А.В. Димов, А.М. Драч, Н.В. Банина, Ю.В. Ермошенко. № 2006101309/22. Заявл. 17.01.2006; опубл. 10.07.2007. Бюл. № 19.
24. Хоменко А.П., Елисеев С.В. Квазиэлементы в механических колебательных системах. Особенности систем при исключении переменных динамического состояния // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2013. № 2 (38). С. 8-17.
25. Хоменко А.П., Елисеев С.В., Ермошенко Ю.В. Системный анализ и математическое моделирование в мехатронике виброзащитных систем. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2012. 288 с.
26. Хоменко А.П., Елисеев С.В., Мулюкин О.П. Возможности учета рычажных связей в структурных интерпретациях механических колебательных систем: мат-лы V Междунар. науч.-практ. конф. (Самара, 29-31 окт. 2012 г.). Самара, 2012. С. 251-253.
27. Щепетильников В.А. Уравновешивание механизмов. М.: Машиностроение, 1982. 256 с.
28. Harris C.M., Allan G. Shock and Vibration Handbook. New-York, 2002. 877 р.
УДК 622.2
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СКВАЖИННОГО ГЕНЕРАТОРА
© П.В. Легаев1, П.М. Кондрашов2, В.Ф. Черныш3, И.В. Зеньков4, Д.Е. Махно5
1,2Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79. 3ООО НПП «Сиброн»,
660079, Россия, г. Красноярск, ул. 60 лет Октября, 105. 4Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» СО РАН, 660049, Россия, г. Красноярск, пр. Мира, 53. 5Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Создана многоцелевая лабораторная установка, позволяющая исследовать рабочие параметры новых устройств, а также проводить сравнительные испытания существующего скважинного оборудования на современном уровне с цифровой записью результатов на персональный компьютер. Предложена методика определения параметров гидродинамических импульсов гидродинамических скважинных генераторов, показаны результаты исследования по выявлению режимных областей расходов скважинного оборудования. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр. 4 назв.
1 Легаев Павел Владимирович, ассистент кафедры машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов, тел.: 79135889498, e-mail: [email protected]
Legaev Pavel, Assistant Professor of the Department of Oil and Gas Field Machinery, tel.: 89135889498, e-mail: [email protected]
2Кондрашов Петр Михайлович, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов, тел.: 79135071730, e-mail: [email protected]
Kondrashov Petr, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Oil and Gas Field Machinery, tel.: 89135071730, e-mail: [email protected]
3Черныш Василий Федорович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, генеральный директор НПП «Сиброн», тел.: (391) 2361792, e-mail: [email protected]
Chernysh Vasiliy, Candidate of technical sciences, Senior Researcher, CEO of Scientific and Production Enterprise "Sibron", tel.: (391) 2361792, e-mail: [email protected]
Зеньков Игорь Владимирович, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник специального конструктор-ско-технологического бюро «Наука», тел.: 79135590626, e-mail: [email protected]
Zenkov Igor, Doctor of technical sciences, Professor, Leading Researcher of the Special Designing and Technological Bureau "N au-ka" KSC SB RAS, tel.: 89135590626, e-mail: [email protected]
5Махно Дмитрий Евсеевич, доктор технических наук, профессор кафедры горных машин, тел.: (3952) 663185, e-mail: [email protected]
Makhno Dmitriy, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mining Machinery, tel.: (3952) 663185.
Ключевые слова: гидродинамический скважинный генератор; параметры гидродинамических импульсов; моделирование работы гидродинамического скважинного генератора.
DEVELOPMENT OF DESIGN LABORATORY BENCH AND SIMULATION RESULTS OF HYDRODYNAMIC WELL GENERATOR OPERATION WORK
P.V. Legaev, P.M. Kondrashov, V.F. Chernysh, I.V. Zenkov, D.E. Makhno
Siberian Federal University,
79 Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.
Scientific and Production Enterprise "Sibron" LLC,
105, 60 let Oktyabrya St., Krasnoyarsk, 660079, Russia.
Special Designing and Technological Bureau "Nauka" KSC SB RAS,
53 Mir pr., Krasnoyarsk, 660049, Russia.
Irkutsk State Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The authors have developed a multi-purpose laboratory unit that enables to study the operating parameters of new devices and carry on comparative tests of existing borehole equipment at up-to-date level with digital recording of results on PC. The article proposes the methods for determining the parameters of hydrodynamic pulses of hydrodynamic borehole generators and shows study results on identification of modes of borehole equipment flows. 6 figures. 4 sources.
Key words: hydrodynamic borehole generator; hydrodynamic pulse parameters; modeling hydrodynamic borehole generator operation.
Волновые методы воздействия на прискважинные и удаленные зоны пластов находят все большее распространение в практике бурения и эксплуатации тысяч скважин как в России, так и за рубежом, поскольку волновыми воздействиями обеспечивается большая эффективность при меньших энергозатратах [1] и они легко сочетаются с влияниями иного рода. Кроме того, их спектр весьма широк - от ультразвуковых и высокочастотных колебаний до низкочастотной вибрации, гидроимпульсов и гидроударов [2].
Исследования показывают, что наиболее эффективное и положительное воздействие на прискважин-ную зону пласта (ПЗП) оказывают упругие колебания низкочастотного диапазона от 20 до 300 Гц [3]. Именно такие колебания в обозначенном диапазоне частот оптимально обеспечивает виброволновой метод как по проявлению эффектов, так и глубине охвата ПЗП. Данный метод находит применение при освоении, повышении продуктивности эксплуатационных и увеличении приемистости нагнетательных скважин, вскрывших неоднородные, низкопроницаемые пласты, представленные карбонатами, песчаниками, глинистыми песчаниками и алевролитами [4].
Для осуществления виброволнового воздействия применяются различные устройства гидродинамических скважинных генераторов (ГСГ), использующих для работы гидравлическую мощность закачиваемой в скважины технологической жидкости. Одним из лучших мы признали генератор пружинно-клапанного типа, отличающийся простотой конструкции. Для получения максимального результата необходимо, чтобы ГСГ осуществлял заданные технологические параметры: требуемые частоту и амплитуду колебаний давления. А для того, чтобы работа генератора была как можно более эффективной, следует знать его режимную область расходов, при которой с наименьшими затратами энергии обеспечиваются заданные технологические параметры обработки. Режимная область расходов зависит от различных конструкцион-
ных параметров ГСГ и для каждой модели генератора устанавливается экспериментально.
Для определения режимных областей расходов гидродинамических скважинных генераторов, а также степени влияния различных конструкционных параметров ГСГ на их режимную область расходов разработаны: конструкция лабораторной установки (рис. 1) и методика проведения исследований на ней.
Созданная в Сибирском федеральном университете совместно с ООО НПП «Сиброн» лабораторная установка (далее - установка) предназначена для испытания и исследования скважинного оборудования: фильтров, пакеров, муфт, свабов, эжекторов, гидродинамических скважинных генераторов (ГСГ). Основные технические характеристики (выборочно) представлены в таблице.
Установка представляет собой комплект оборудования, состав которого зависит от цели изысканий. Установка, собранная по схеме (рис. 2) для исследования работы ГСГ (рис. 3), состоит из бака (1) рабочей жидкости, бурового насоса (2), имитатора ствола скважины (3), в котором установлен ГСГ (4). Все оборудование связано гибкими и жесткими трубопроводами и оснащено аппаратурой для измерения параметров рабочей жидкости.
Всасывающий патрубок насоса (2) соединен с баком (1) посредством гибкого трубопровода (5), перекрывающегося шаровым краном (6), установленным на баке. Насос оснащен предохранительным клапаном (7), срабатывающим при давлении более 4,5 МПа. При срабатывании клапана рабочая жидкость переливается в бак (1) через гибкий трубопровод (8), связанный предохранительным клапаном.
Напорный патрубок насоса (2) соединен с верхней частью имитатора (3) посредством гибкого трубопровода (9) через заглушку (10), фиксируемую в стволе имитатора с помощью рукояток (11). Нижняя часть имитатора (3) соединена с баком (1) посредством гибких трубопроводов (12) и (13), а также соединяющего
I
Рис. 1. Лабораторная установка для исследования работы ГСГ
Основные технические характеристики установки
Характеристики Ед. изм. Уровень
Внутренний диаметр и длина ствола имитатора скважины Максимально допускаемое рабочее давление жидкости Максимальное давление жидкости, создаваемое насосом Диапазон расходов жидкости Емкость бака рабочей жидкости Тип основы рабочей жидкости Плотность рабочей жидкости мм МПа МПа м3/ч м3 кг/м3 127,1x2500 10 4,5 1,2+9,7 1 вода 1000-1800
их жесткого трубопровода (14), перекрывающихся шаровым краном (15), установленным на баке рабочей жидкости.
Имитатор ствола скважины (3) может находиться как в вертикальном, так и в горизонтальном положении. Его устойчивость в вертикальном положении обеспечивается опорами (16), а в горизонтальном -опорами (17). Имитатор ствола скважины оснащен контейнером (18), один конец которого сообщается с внутренней полостью ствола имитатора через кран (19), а другой - через кран (20). Контейнер предназначен для размещения автономного скважинного манометра. Для возможности подключения дополнительных гибких трубопроводов при сборке иной схемы установки предусмотрены байонетные соединения с вставными штуцерами (21), фиксирующимися в имитаторе рукоятками (22). В данной схеме штуцеры заглушены пробками (23).
В стволе имитатора расположен ГСГ (4), соединенный с заглушкой (10) трубой (24) и муфтой (25) (НКТ-73 ГОСТ 633-80). В верхней части трубы (24) имеются продольные отверстия (26), позволяющие измерять давление рабочей жидкости перед ГСГ. Между генератором (4) и стволом имитатора есть резиновое уплотнение (27), перекрывающее движение
рабочей жидкости в затрубном пространстве (между трубой (24) и стволом имитатора) и способствующее движению жидкости только через ГСГ.
Лабораторная установка оснащена следующими средствами измерения: микропроцессорным датчиком давления (28) «Метран-100»; пьезоэлектрическим датчиком давления (29); ультразвуковым расходомером-счетчиком «Днепр-7», состоящим из первичных преобразователей сигнала (30), процессорного блока (31), блока питания и индикации (32). Информация с датчика давления (28) выводится на индикаторное устройство, расположенное в самом датчике, а информация с пьезоэлектрического датчика давления (29) и ультразвукового расходомера-счетчика «Днепр-7» через усилитель заряда (33) передается на ноутбук (34), где отображается на мониторе в режиме реального времени, а также записывается в память устройства.
Установка работает следующим образом. Насосом (2) из бака (1) по напорной линии (9) рабочая жидкость подается в верхнюю часть имитатора ствола скважины (3). Рабочая жидкость заполняет внутреннюю полость трубы (24), а также пространство между трубой и стволом имитатора через отверстия (26). При этом датчиком (28) измеряется давление рабочей
Рис. 2. Схема лабораторной установки для исследования работы ГСГ: 1 - бак рабочей жидкости; 2 - буровой насос НБ-160/6,3; 3 - имитатор ствола скважины; 4 - ГСГ; 5 - всасывающая линия; 6,15 - шаровые краны; 7 -предохранительный клапан насоса; 8 - сбросная линия; 9 - напорная линия (РВД); 10 - заглушка; 11 - рукоятки заглушки; 12,13 - сливная линия (РВД); 14 - сливная линия (труба НКТ-60); 16 - вертикальные опоры имитатора; 17 - горизонтальные опоры имитатора; 18 - контейнер; 19, 20 - пробковые краны; 21 - штуцеры; 22 - рукоятки; 23 - пробки; 24 - труба НКТ-73; 25 - муфта НКТ-73; 26 - продольные отверстия; 27 - резиновое уплотнение; 28 -микропроцессорный датчик давления «Метран-100»; 29 - пьезоэлектрический датчик давления; 30 - ультразвуковые первичные преобразователи расходомера; 31 - процессорный блок расходомера; 32 - блок питания и индикации расходомера; 33 - усилитель заряда; 34 - ноутбук
Рис. 3. Гидродинамический скважинный генератор пружинно-клапанного типа
жидкости перед ГСГ. Резиновое уплотнение (27) препятствует протеканию рабочей жидкости через межтрубное пространство, и, таким образом, весь поток жидкости от насоса устремляется на генератор (4). При достижении расчетного давления пружина с поршнем в ГСГ смещается вниз, и происходит сброс давления. При этом в полости имитатора, находящейся выше уплотнения (27), происходит резкое падение давления, а в полости, находящейся ниже уплотнения (27), - резкое его возрастание. В результате в жидкости, проходящей через ГСГ с определенной амплитудой и частотой, возникают пульсации давления, которые регистрируются чувствительным пьезоэлектрическим датчиком давления (29), при этом давление жидкости перед генератором регистрируется менее чувствительным датчиком давления (28). После выхода из ГСГ жидкость направляется в нижнюю часть имитатора и далее через сливную линию, состоящую из рукавов высокого давления (12), (13) и насосно-компрессорной трубы (14), возвращается обратно в бак (1). При прохождении рабочей жидкости по трубе ультразвуковым доплеровским методом при помощи первичных преобразователей (30) измеряется ее объемный расход.
Такие характеристики потока жидкости, как перепады давления после ГСГ и расход, отображаются в реальном времени в специальной программе на экране ПК, с одновременной записью в память компьютера. Переключение коробки передач насоса (2) позволяет менять значения подачи рабочей жидкости, а дросселирование крана (15) - устанавливать в системе необходимое давление.
Благодаря тому, что внутренний диаметр имитатора ствола скважины соответствует реальным диаметрам скважин, а создаваемые давления и расходы рабочей жидкости приближены к реальным условиям, это позволяет испытывать образцы новых генераторов в натуральную величину и уже существующие промышленные образцы.
Таким образом, создан многоцелевой лабораторный комплекс, позволяющий исследовать рабочие параметры новых устройств, а также проводить сравнительные испытания существующего скважинного оборудования на современном уровне с цифровой записью результатов на персональный компьютер, чем повышаются качество и скорость проводимых исследований.
На базе созданной установки разработана методика определения параметров гидродинамических импульсов, схематичное изображение которой приведено на рис. 4. Ее суть заключается в определении параметров гидродинамических импульсов рабочей жидкости, проходящей через ГСГ, а именно амплитуды и частоты колебаний способом, описанным ранее. В результате установлено, что меняются параметры генератора: масса поршня, жесткость пружины, давление и расход рабочей жидкости перед ГСГ и обнаруживается связь между изменяемыми параметрами и параметрами гидродинамических импульсов, создаваемых ГСГ.
В частности, проведены исследования по определению режимных областей расходов гидродинамического скважинного генератора (рис. 3). Определились энергетически наиболее рациональные характеристики потока рабочей жидкости - его давление и расход. Пример результата записи гидродинамических импульсов (колебаний давления) при расходе жидкости 0= 5 м3/ч и варьируемом давлении приведен на рис. 5.
В ходе эксперимента при заданных значениях подачи насоса изменяли давление рабочей жидкости перед ГСГ и с помощью высокочувствительного пьезоэлектрического датчика давления измеряли амплитуды колебаний давления, создаваемые генератором. Результаты исследований приведены на графике (рис. 6). Экспериментальные данные исследований аппроксимированы линейными функциями методом наименьших квадратов.
определение давления определение расхода определение мгновенного давления определение давления
1
определение параметров: А=^т); ту=й;пп); А=Цс); А=Г(Р); и=((Р); А=Т(0);
построение грас^ических зависимостей, регрессионный анализ
предложения по использованию
Рис. 4. Схема методики определения параметров гидродинамических импульсов
Рис. 5. Изменение амплитуды гидродинамических импульсов при неизменной подаче насоса ^ = 5 м /ч) и возрастающем давлении на входе ГСГ (Р = 0,1+1,3 МПа)
давление на сходе имитатота Р, МПа Рис. 6. Зависимость амплитуд колебаний давления, создаваемых ГСГ от давления
рабочей жидкости
Найдено, что амплитуды колебаний давления, создаваемых ГСГ, имеют тенденцию к увеличению по мере роста давления рабочей жидкости. Интенсивность такого увеличения определяется расходом рабочей жидкости, проходящей через ГСГ. В ходе стендовых испытаний сделан вывод о том, что рост амплитуды колебаний давления можно охарактеризовать функцией тангенса угла наклона аппроксимирующей
прямой. Таким образом установлено, что эффективность работы генератора можно вполне достоверно определять по углу наклона этой аппроксимирующей прямой. Для опытного образца ГСГ, созданного авторами, режимной областью расходов следует признать 0 = 5+8 м3/ч, так как при данных значениях расхода угол наклона прямой максимален.
Статья поступила 24.10.2014 г.
Библиографический список
1. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Нелинейная волновая механика и технологии. Волновые и колебательные явления в основе высоких технологий. 2-е изд., доп. М.: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2011. 780 с.
2. Куликов В.В. Моделирование импульсных воздействий
на прискважинную зону нефтяного пласта // Инженер-
нефтяник. 2008. № 4. С. 30-32.
3. Мордвинов А.А. Освоение эксплуатационных скважин: учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. Ухта: УГТУ, 2008. 139 с.
4. Дыбленко В.П. Волновые методы воздействия на нефтяные пласты с трудноизвлекаемыми запасами. Обзор и классификация. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2008. 80 с.
