Скорость потока для выноса твердых частиц Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

4. Педан Г.С. Оценка роли атмосферных осадков в процессе оползнеобразования (на примере Одесской и Николаевской областей). // Вестник ОНУ, т. 11, Вып. 3, 2006, с. 229-237.

5. Пустовитенко Б.Г., Кульчицкий В.Е., Пустовитенко А.А. Новые карты общего сейсмического районирования территории Украины. Особенности модели долговременной сейсмической опасности.

// Геофизический журн., № 3, т. 28, Киев, 2006, с. 54-77.

6. Шулейкин В.В. Физика моря. - М: Наука, 1968. -1084 с.

7. Shestopalov V.M., Ivanov V.A., Bohuslavsky A.S., Kazakov S.I. Engineering-geological hazards and management in the Mountain Crimea coastal zone. - J. of Coastal Conservation (2008), v.12, pp.169-179. -Springer, Netherlands.

СКОРОСТЬ ПОТОКА ДЛЯ ВЫНОСА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ

Булчаев Нурди Джамалайлович

Кандидат тех. наук, доцент, зав.кафедрой РЭНГМИНГ СФУ, г. Красноярск

Высокое содержание твердых взвешенных частиц (ТВЧ) в продукции нефтяных и водозаборных скважин вызывает износ и засорение рабочих органов погружных насосов. Для успешной защиты установок электроцентробежного насоса (УЭЦН) от вредного воздействия механических примесей проводится целый комплекс технологических и технических мероприятий. К технологическим можно отнести регулирование депрессии на пласт (отборов), ограничение водопритоков, крепление призабойной зоны пласта специальными крепящими составами на полимерной основе и др. К техническим относятся работы по разработке и размещению в скважинах различных фильтрующих устройств, уменьшающих концентрацию ТВЧ, попадающих в полость насосного оборудования. Для правильного подбора таких устройств и размера их пор или зазора рабочей поверхности необходимо знать фракционный состав механических частиц.

Гранулометрический анализ взвешенных частиц, выносимых из пласта и накапливаемых в рабочих колесах УЭЦН, производился по Ванкорскому нефтяному месторождению, а именно по Долганской и Насоновской свитам.

Гранулометрический анализ предусматривает определение количественного содержания в породе частиц различных размеров [1]. Для Долганской свиты результаты определения гранулометрического состава пород были получены по 8-ми скважинам, а для Насо-новской свиты - по 1 -й.

По разведочным скважинам фракционный состав определялся ситовым методом (ГОСТ 12536-79). Высушенный образец дезинтегрировался и обрабатывался 10%-ным раствором соляной кислоты для удаления карбонатов. После этого бескарбонатная порода очищалась от глинистой фракции, затем высушивалась и рассеивалась на ситах.

Кроме этого по эксплуатационным скважинам определение процентного содержания частиц различной крупности, входящих в состав горной породы, проводилось методом светового сканирования с помощью лазерного анализатора размера частиц. Данный метод позволяет регистрировать частицы от 1,408 до 0,000289 мм. Используется эффект рассеивания света от пучков лазера, проходящих через поток частиц. Величина и направление рассеивания света частицами измеряется массивом оптических детекторов и затем анализируется в программном комплексе.Путем обработки 82 проб керна из 8 скважин Долганской свиты и 14 проб керна из 1 -й скважины Насо-новской свиты были получены распределения частиц по весу.

Данные распределения позволяют определить диапазон размеров частиц керна, а также визуально оценить, какой диаметр щели (сетки) фильтра необходим для задержания основной массы частиц. Получилась существенная дисперсия распределения частиц по размерам. Измерения показали отсутствие корреляции гранулометрического состава с глубиной.

Анализ минерального состава твердых осадков, извлеченных из рабочих колес УЭЦН, также показал, что в проточной части полости насосов количество механических примесей в виде кварцевого песка колеблется в пределах от 10 до 89%. Следует сказать, что состав твердых осадков носит комплексный характер и включает элементы, входящие в различные соли неорганического происхождения. Гранулометрический состав как для каждой из свит, так и для проб одной свиты, отобранных с разной глубины, представлены неоднородным составом. Графически распределения частиц по каждой из свит представляют пучки однообразных кривых. Поэтому приведены усредненные данные характеристик для каждой свиты (рис.1)

100 95 90 85 80

75 0 70

65 % 60 " 55 1

50 х 45 ® 40 с 35 § 30 я 25 20 15 10 5 0

150

Размер частиц, мкм

-Долган

- Насон

Рис. 1 -Осредненные кривые распределения частиц для каждой из свит

300

250

200

100

50

Наибольший интерес при решения проблем, связанных с высоким пескопроявлением в продукции скважин, представляет комбинированный фильтр, в котором совмещены функции сетчатого (проволочного) и гравитационного фильтров одновременно [2]. Изучение процессов движения жидкости и входящих в нее твердых частиц в гравитационной части фильтра позволяет находить его оптимальные параметры: длину и диаметр патрубка, вместимость ловильной камеры (контейнера).

Теоретически, допустив, что все твердые частицы представляют собой шаровидные тела, можно получить для них соответствующие скорости их витания в восходящем потоке жидкости, подобрать геометрические размеры частей гравитационного сепаратора. Например, опираясь на формулу Стокса для определения скорости витания частицы, можно определить диаметр патрубка гравитационного фильтра (сепаратора).

Рис.2 - Схема движения жидкости в гравитационной части комбинированного фильтра.

Рис. 3 - Схема лабораторной установки для определения скорости уноса частиц песка для Насоновской свиты: 1-емкость с насосом; 2-трубопровод; 3-расходо-мер; 4-механические примеси (насыпь); 5-стекляная труба; 6-мерная стеклянная трубка; 7-запорная арматура.

Математическое описание движения песчинки, когда скорость её осаждения равна скорости восходящего потока общеизвестно. Такая скорость именуется «скоростью витания частицы» [3]:

ив 3 • 8 •

л • (л-в -рж )

св •рж

(1)

где g - ускорение свободного падения, можно принять g = 9,81 м/с2;

рТВ и рж - плотности песчинки и жидкости соответственно;

СБ - коэффициент сопротивления пластовой жидкости перемещению песчинки.

Очевидно, что скорость выноса частицы вверх должна быть больше скорости (1).

Для скорости потока в кольцевом пространстве между стенками контейнера и наружной стенкой патрубка (рис.2) при постоянном расходе G имеем выражение:

ипот. = ■

4G

4

^(Ртв-Рж:>

4G

I3 у СБРж

Из неравенства (11) получим:

d2 < D

2

N

G2722Цж2

(2)

(3)

(4)

Р

ТВ

-Ржг

Полученная формула позволяет подобрать диаметр патрубка для создания такой скорости потока в кольцевом пространстве, чтобы частицы, размеры которых

больше, чем d, оседали на дно ловильной камеры (контейнера), а более мелкие частицы двигались с потоком жидкости дальше и через продольные каналы попадали в следующую ступень, где тоже имеется ловильная камера. В следующей секции (ступени) диаметр патрубка подбирается по аналогичной методике, т.е. по формуле (4).

Зная гранулометрический (фракционный) состав механических примесей, можно для частиц каждого класса крупности подобрать параметры секции фильтра для осаждения твердой фракции в соответствующей ло-вильной камере (контейнере).

В реальных условиях из-за неправильной формы частиц, разной обтекаемости, их взаимного влияния друг на друга скорость выноса будет отличаться от теоретической.

Для того, чтобы определить при какой реальной скорости движения жидкости вверх твердые частицы определенного диаметра и массы будут выноситься, а какие оседать, были проведены лабораторные исследования.

Схема лабораторной установки для определения скорости уноса частиц песка для Насоновской свиты представлена на рис. 3.

Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. Низ стеклянной трубки был заполнен ТВЧ, через которые подавалась насосом вода с различным расходом, обеспечивающим различные скорости восходящего потока. После каждой промывки трубы водой в течение 1 минуты подача воды прекращалась, и визуально измерялось количество оставшейся насыпи песка в нижний части стеклянной трубы. Постепенное увеличение скорости прокачки воды приводило к уменьшению высоты насыпи вплоть до полного её исчезновения. При скорости воды в трубе 0,56 м/с происходил полный вынос твердых взвешенных частиц (ТВЧ) из трубы. Условный

3

диаметр частиц песка определялся по фракционному составу песка Насоновской свиты месторождения. Весь объём песка состоял из частиц размером от 0 до 350 мкм и составлял 100% (рис.4). После первой промывки песка водой с минимальной скоростью унеслось, допустим 15% объема песка. По оси ординат находилась отметка, состав-

Рис.4 - Распределение веса ТВЧ по диаметру для Насоновской свиты

ляющая 85% и проводилась горизонталь из середины интервала 0.. .15% до пересечения с кривой на графике. Абсцисса точки пересечения позволяет получить условный диаметр частиц. В расчет принималось среднеарифметическое значение диаметра частиц в полученном диапазоне и т.д.

0,028

0 1,5-10 3,0-10

Условный диаметр ТВЧ, м Рис.5 - Зависимость скорости уноса ТВЧ от условного диаметра частиц

В результате эксперимента была установлена зависимость скорости выноса ТВЧ от их крупности на забойных участках водозаборных скважин, показавшая её параболический характер (рис.4):

W = К • м / с.

( 5 )

где - К=6,2 105, (мс)-1; dn-условный диаметр ТВЧ, м.

Расположение точек по заданным значениям размеров частиц показало, что значения скорости возрастают. Апроксимирование координат показало, что это есть квадратичная зависимость между W и d.

Эксперименты позволили получить также зависимость коэффициента сопротивления ТВЧ при осаждении в жидкости.

51 С

( 6 )

Св =

Re

Ке =

, где

р и ц - плотность и динамическая вязкость жидкости.

В (3) числитель 31,5 превышает величину 24, характерную для сферической формы частицы, что связано с неправильной формой реальных ТВЧ.

Формула (3) позволяет рассчитать условный диаметр ТВЧ ^п) на входе в фильтр в зависимости от средней скорости потока воды в скважины и подбирать ячейки

фильтрующего элемента. В соответствие с известным соотношением, поперечный размер ячейки должен составить около 3dn.

С учетом всех особенностей эксплуатируемых пластов и добываемой продукции расчет комбинированного фильтра дает возможность рассчитать и планировать его параметры: диаметры и длины ловильных камер и соответствующих патрубков, размеры и геометрию пор или щелей наружной сетки и промежуточного каркаса. Расчет времени заполнения ловильных камер или контейнеров позволит совместить работу по демонтажу и очистке фильтров с проведением различных геолого-технических мероприятий, предусмотренных в технологических регламентах нефтяных компаний.

Список литературы

1. Шашкин М.А. Применяемые в ТПП «Лангепаснеф-тегаз» методы защиты для снижения негативного влияния механических примесей на работу ГНО. Инженерная практика, №2, 2010. С. 26-30.

2. Булчаев Н.Д., Минеев А.В. Стендовые испытания комбинированного фильтра для очистки пескосо-держащей нефти/ Газовая промышленность. - 2011. - №6 - С.78-80.

3. Альтшуль А. Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости). Издательство литературы по строительству. М.1965, С 274.

ПОДБОР РАСТВОРИТЕЛЯ ДЛЯ ПРОМЫВКИ СКВАЖИННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Булчаев Нурди Джамалайлович

Канд. тех. наук, доцент, заведующий кафедрой Разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений

Института нефти и газа Сибирского федерального университета, г. Красноярск

Безбородов Юрий Николаевич

Доктор тех. наук, профессор, заведующий кафедрой Топливообеспечения и горюче-смазочных материалов Института нефти и газа Сибирского федерального университета, г. Красноярск

Орловская Нина Федоровна

Доктор тех. наук, профессор кафедры Топливообеспечения и горюче-смазочных материалов Института нефти

и газа Сибирского федерального университета, г. Красноярск