Обґрунтування параметрів струминного насосу з мембранним гармонізатором коливань

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ імені Ігоря Сікорського»

МАГЕРОВСЬКИЙ ІВАН ТАРАСОВИЧ

Обґрунтування параметрів струминного насосу з мембранним гармонізатором коливань

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня магістра

2017р.



Робота виконана на кафедрі «Електромеханічне обладнання енергоємних виробництв» Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Шевчук Степан Прокопович

Захист відбудеться 20 червня 2017 р. о 14:00 на кафедрі Електромеханічні обладнання енергоємних виробництв Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» за адресою: м Київ, вул. Борщагівська 115, ауд. 206.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національний технічний університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського».

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Економічний та соціальний розвиток нашої країни передбачає подальше збільшення видобутку нафти, газового конденсату і газу за рахунок уведення в експлуатацію нових місць, інтенсифікації розробки старих нафтових площадок, а також впровадження прогресивних способів експлуатації свердловин та вдосконалення технологій видобутку нафти. Тому, на ряду із Західним Сибіром, яка залишається основним районом видобутку нафти і газу, нафтогазовидобувна промисловість розвивається у Казахстані, Північному Кавказі, Україні та в інших країнах.

Сучасні нафто - і газовидобувні підприємства - це складні комплекси технологічних об'єктів, зосереджених на великих площах, розміри яких досягають десятки і сотні квадратних кілометрів. Технологічні об'єкти - свердловина, групові вимірювальні та сепараційні установки комплексної підготовки нафти і газу, резервуарні парки - зв'язані між собою через продуктивний пласт і потік продукції, що циркулює технологічним комунікаціями. Тому значна увага у довіднику приділена технологічним об'єктам.

Видобуток нафти і газу проводиться цілодобово, за будь-якої погоди. Для нормального функціонування нафтогазовидобувного підприємства необхідно забезпечити надійну роботу автоматизованого обладнання, дистанційний контроль за роботою технологічних об'єктів та їхні станом. Найбільш висока ефективність роботи цих об'єктів досягається за рахунок автоматичного керування технологічними процесами в оптимальному режимі.

Підвищення рівня автоматизації блочного обладнання сприяло збільшенню за останні роки видобутку нафти більш, ніж в 4 рази, а газу - в 10 разів.

Неминуче збільшуються глибини нафтових і газових свердловин, що приводить до збільшення температури і тиску на вибоях, підвищення вимог до технічного обладнання, до системи управління виробництва. Ускладнюється їх експлуатація в зв'язку зі збільшенням вмісту в газі сірководню та інших компонентів.

Сучасний етап науково-технічної революції характеризується значним ускладненням задач управління в нафтогазовидобувній промисловості, що привело до вдосконалення методів управління і використання системного підходу до різноманітних об'єктів. Для нього характерне наскрізний розгляд системи в часі. Слідом за створенням системи оперативного управління проходкою свердловини слідує управління розкриттям пласта та іншими роботами по завершенню свердловини, передача її в експлуатацію з належною якістю, а також питання роботи свердловин у процесі експлуатації. Цей список складає єдиний ланцюг взаємопов'язаних подій, що утворюють повну систему в часі.

Методи управління, що спираються на ідеї системного підходу більш повно реалізується за допомогою автоматизованих систем правління, котрі при застосуванні на складний об'єкт дають найбільший ефект. Основна ідея системного підходу полягає в тому, щоб, розділяючи систему, вирішувати її задачі частинами.

Глобальною метою нафтовидобувної промисловості являється видобуток нафти у необхідний термін і в потрібній кількості. Оскільки одна і таж мета може бути досягнута різними шляхами, то доцільне використання оптимального управління на основі обраного критерію оптимальності. З використанням у нафтовидобувній гілці критеріями оптимальності, наряду з іншими, слугують максимум відношення видобутку нафти з експлуатаційних свердловин до вартості їх будівництва або максимум прибутку, що являє собою різницю між засобами, отриманими з нафти, добуту з пробурених родовищ, і фактичними затратами на будівництво родовищ.

Досягнення максимумів цих функцій мети нерозривно зв'язане не тільки з вдосконаленням технологій та використовуваного обладнання, але і з широким впровадженням у нафтогазовидобувну промисловість автоматизованих систем управління технологічними процесами на базі розрахункової, мікропроцесорної та телемеханічної техніки. Це впровадження в нафтову промисловість пов'язане з високою техніко-економічною ефективністю, так як в умовах розосередженості нафтопромислових об'єктів вони разом з локальними пристроями і системами автоматики відіграють важливу роль у підвищенні продуктивності праці, поліпшенні техніко-економічних показників, вдосконалення форм і методів управління об'єктами добування нафти і газу.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є обгрунтування раціональних параметрів процесу функціонування струминного насосу з мембранним гармонізатором коливань для підвищення продуктивності нафтової свердловини. Сформульована мета роботи досягається через реалізацію таких задач:

Обґрунтувати структуру та параметри функціонування струминного насосу;

Провести моделювання функціонування мембранного клапана з забезпеченням процесу імпульсно-хвильової дії;

Статистичне моделювання процесу інжекції;

Розробка рекомендацій по практичному застосуванню струминного насосу.

Об'єкт дослідження. Cтруминний насос з мембранним гармонізатором коливань, а також процеси інжекції та коливань тиску у нафтовій свердловині.

Предмет дослідження. Процеси та параметри функціонування струминного насосу з мембранним гармонізатором коливань.

Методи дослідження включають в себе:

аналіз умов та досвіду експлуатації інжекційних технологій в нафтогазовій галузі;

використання методів прикладної математики, що реалізовані за допомогою комп'ютерних програм;

застосування законів теоретичної та будівельної механіки, планування експериментів та статистичного моделювання.;

Наукова новизна полягає у розробці та вдосконаленні теоретичних та експериментальних досліджень. При цьому:

Вперше визначені раціональні характеристики процесу функціонування струминного насосу з максимальним коефіцієнтом інжекції 0,41;

Вперше визначені амплітудно-частотні характеристики мембрани;

Розроблено математичну модель процесу функціонування модуля інжекції та репресивного модуля який відрізняється від відомих, комплексним поєднанням двох процесів з керуванням потужності насосного агрегату;

Розроблено математичну модель функціонування струминного насосу який відрізняється від відомих врахуванням режиму коливань тиску та двох режимів роботи.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, який містить 154 найменувань, додатків. Основна частина дисертаційної роботи викладена на 130 сторінках комп'ютерного набору і містить 94 рисунки і 68 таблиць. Повний обсяг дисертації складає 140 сторінок.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі, об'єкт і предмет досліджень, наукова ідея.

У першому розділі, на основі аналізу наукових публікації та монографій, проведено аналіз інформації періодичних видань монографій, що дає змогу систематизувати існуючі теоретичні методи збільшення нафтовіддачі пласта, та зробити крок для пошуку нових ідей підвищення продуктивності свердловини.

Проаналізувавши наведену в розділі інформацію обрано ефективний спосіб дії на пласт, яка створюється за допомогою струминного насосу з мембранним гармонізатором коливань.

Найбільш близьким за технічною суттю пристроєм є генератор коливань резонансної дії на нафтові свердловину, (Пат. RU № 63072, «Генератор коливань резонансної дії на нафтову свердловину», опубл. 2011.09.26, Бюл. № 18.), який задовольняє вимоги для реалізації методу.

На основі наведеної інформації сформовано задачі для дослідження: розробка структури дослідження та встановлення оптимальних параметрів функціонування струминного насосу з мембранним гармонізатором коливань.

У другому розділі розроблена методика розрахунку і математична модель процесу дроселювання. Розроблено планування повного факторного експерименту типу 2k. В якості параметра оптимізації вибрано тиск дроселювання. Після проведення дослідів виконано статичну обробку результатів (визначено помилки повторних (паралельних) дослідів, використовуючи критерій Стьюдента). Зроблена перевірка однорідності дисперсії по критеріях Фішера і Кохрена.

Виведено рівняння математичної моделі



Визначено адекватність математичної моделі по критерію Фішера. Висновок: модель адекватна.

Третій розділ присвячено дослідженню розрахунків коефіцієнта інжекції та процесу дроселювання робочої рідини при спрацюванні пристрою.

У струминних насосах відбувається змішування й обмін енергії двох потоків різних тисків, при яких утворюється змішаний потік зі змішаним тиском у результаті у результаті захоплення струменем робочого потоку, що входить у приймальну камеру насоса з великою швидкістю середовища, яке має більш низький тиск. Захоплений потік називається інжекційним. У струминних апаратах відбувається перетворення потенційної енергії потоку в кінетичну, котра частково передається інжекційному потоку [3]. Під час протікання по струминному апарату швидкості потоків, що змішуються, вирівнюються, і кінетична енергія змішаного потоку перетворюється в потенційну. На зображено принципову схему струминного насосу. Тут і - площі робочого та інжектованого потоків у вхідному перерізі циліндричної камери змішування; ,, - швидкості робочого і інжектованого потоків у вхідному перерізі і змішаному потоці у вихідному перерізі камери змішування; ,, - статичні тиски робочого та інжектованого потоків у вхідному перерізі й змішаного потоку у вихідному перерізі циліндричної камери змішування.

Визначення площі перерізу робочого сопла:

[м2] (3.1)

2.Визначення площі перерізу камери змішування:



[м2] (3.2)

3.Визначення співвідношення між площею перерізу камери змішування і площею робочого сопла:

(3.3)

Вихідні дані наведені в табл. 3.1

Таблиця 3.1 - Вихідні дані

Діаметр робочого сопла	= 4 мм = 4.10-3 м;
Діаметр камери змішування	= 6 мм = 6.10-3 м;
Глибина встановлення струминного апарата	Н = 3300 м;
Подача робочої рідини	Qp = 6 л/с = 6.10-3 м3/с
Зовнішній діаметр НКТ	= 73 мм;
Внутрішній діаметр НКТ	= 59 мм;
Діаметр обсадної колони	= 150 мм;
Густина робочої рідини	= 1000 кг/м3;
Густина нафти	= 832 кг/м3

Це значить, що даний струминний апарат відноситься до високо напірних. Якраз такі апарати використовуються для освоєння свердловин.

4.Визначення тиску робочої рідини на вході:

[МПа],(3.4)



де [Па] - тиск стовпа робочої рідини на даній глибині;

- тиск насосного агрегату на гирло;

- втрати тиску при русі робочої рідини від насосного агрегату до струминного апарата.

[МПа],(3.5)

H - глибина свердловини

5.Визначення коефіцієнта гідравлічного опору за формулою Блазіуса:

(3.6)

6.Знаходження тиску стовпа рідини:

[Па] (3.7)

- густина змішаної рідини []

7.Визначення середньої швидкість руху робочої рідини:

(3.8)

8.Визначення числа Рейнольдса:

(3.9)

де [Пас] - динамічна в'язкість

9.Визначення втрати тиску від струминного апарата до гирла свердловини (рух змішаної рідини відбувається у кільцевому просторі між внутрішньою стінкою ОК і зовнішньою поверхнею труб НКТ):

[МПа], (3.10)

- діаметр обсадної колони;

- змішана подача

10.Визначення швидкості руху змішаної рідини:

[м/c], (3.11)

11.Визначення числа Рейнольдса:

, (3.12)

- швидкість змішаного потоку

12.Визначення коефіцієнта гідравлічного опору за формулою Кольбрука:

(3.13)

13.Визначення значення конструктивного співвідношення діаметрів робочого сопла та камери змішування струминного апарата, що забезпечують створення заданої або глибокої депресії на пласт:

(3.14)



З іншого боку:

, (3.15)

де u - коефіцієнт інжекції.

14.Визначення загального виразу для обчислення коефіцієнта інжекції:

(3.16)

15.Тепер, знаючи коефіцієнт інжекції, визначаємо значення з рівняння

[м3/с], (3.17)

- подача інжектованої рідини

- подача робочої рідини

16.Визначення змішаного потоку:

[м3/с] (3.18)

17.Визначення тиску насосного агрегату на гирло:

[МПа] (3.19)



18.Визначення відносного перепаду тиску за рівнянням:

(3.20)

19.Швидкість потоку в соплі при витраті

[м/с] (3.21)

Струминний апарат - пристрій, в якому здійснюється процес інжекції, який полягає у передачі кінетичної енергії одного потоку іншому потоку шляхом безпосереднього контакту (змішування). Змішувані потоки можуть перебувати в одній або різних фазах. Потік, який вступає у процес з меншою швидкістю називається робочим. Струминний апарат в спеціальній літературі називають по-різному: інжектори, ежектори, компресори, елеватори, насоси тощо.

Струминні насоси широко застосовуються в нафтогазовій галузі, а саме: при бурінні свердловин; цементуванні обсадних колон; освоєнні, дослідженні, експлуатації та підземному ремонті свердловин; інтенсифікації методів нафтогазоконденсатовилучення, в системах збору, підготовки нафти та газоконденсату. Незважаючи на простоту конструкції струминного насоса та відсутність рухомих частин робочі процеси, що супроводжують змішування в ньому рідин, вивчені недостатньо.

Попри значну кількість розроблених конструкцій, ефективність використання свердловинних струминних насосів не завжди відповідає необхідним вимогам, що значною мірою стримує їх застосування. Це пов'язано з незадовільним вивченням теоретичних питань розробки та використання ежекційних пристроїв. При проектуванні конструкцій струминних насосів не враховуються специфічні умови їх експлуатації в свердловинах, внаслідок чого приймаються наближені значення конструктивних та експлуатаційних параметрів на основі практичного досвіду їх використання.

Недостатнє вивчення питань, пов'язаних з проектуванням та застосуванням струминних апаратів, знижує ефективність та поширеність їх використання при реалізації окремих процесів у нафтогазовій галузі. Це свідчить про актуальність робіт, спрямованих на теоретичне та експериментальне дослідження свердловинних ежекційних систем.

Не зважаючи на просту конструкцію струминного апарата та відсутність рухомих частин, робочі процеси, що супроводжують змішування рідин, вивчені недостатньо. В цих умовах зростає роль експериментальних методів досліджень струминних насосів, які дозволяють підвищити ефективність застосування ежекційних технологій. Більшість відомих експериментальних досліджень стосується визначення характеристик низьконапірних струминних насосів, які не знайшли застосування в нафтогазовій промисловості.

Тиск дроселювання, при змінному переміщенні елемента за умови забезпечення міцності, розраховується за формулою (1):

(1),

де Q = 0...0,0067 м3/с - зміна витрати робочої рідини, що надходить до пристрою коливань, м3/с; - густина робочої рідини, кг/м3; - коефіцієнт витрати, в.о.; - площа протікання робочої рідини, яка визначається як поверхня кола з діаметром тангенціального отвору d = 2 мм = 0,002 м; кількість отворів n=8.

Характеристика зміни надлишкового тиску при дроселюванні представлена на рисунку 1.

Рисунок 1 - Графік зміни надлишкового тиску від зміни швидкості робочої рідини при дроселюванні

При падінні тиску у камері інжекції, швидкість потоку рідини збільшується. Швидкість в камері інжекції досягає значення 67 м/с.

Рисунок 2 - Коливальний процес гармонізатора коливань



Було визначено силу, яка призведе до спрацювання гармонізатор коливань. На основі цього обрана тарільчата пружина згідно ГОСТ 357-90. Було описано коливальний процес за допомогою математичної моделі Гука. Результат розрахунку одномасової моделі надано на рис. 2.

,

Було розроблено методику зведення структур струминного насосу вихрової дії до струминного насосу поступальної інжекції. Методика основана на принципі зведення на основі рівності площ протікання рідини, взявши за наукове твердження - рівняння Бернулі. Порівнявши еквівалентні площі, спрогнозували значення коефіцієнта інжекції, звідси можна робити висновок про геометричні параметри досліджуваного апарату. Дослідження коефіцієнту інжекції полягало знайти його залежність від діаметра сопла, еквівалентного діаметру тангенціального отвору, та від діаметра камери змішування, еквівалентного інжекційній камері. Отримано результати, наведені на рис 3 та 4.

Рисунок 3 - Графічна залежність значення коефіцієнта інжекції від діаметра сопла (діаметр камери змішування сталий)	Рисунок 4 - Графічна залежність значення коефіцієнта інжекції від діаметра камери змішування (діаметр сопла сталий)



У четвертому розділі встановлено залежності коефіцієнта інжекції від діаметрів робочого сопла та камери змішування та дослідження мембранного генератора коливань. Також встановлено залежності дроселювання від густини, подачі робочої рідини та від діаметра робочого сопла.

Рисунок 3 - Графік залежності від при сталому значені діаметра камери змішування

Рисунок 4 - Графік залежності від при сталому значені діаметра робочого сопла



Рисунок 5 - Залежність тиску дроселювання від густини робочої рідини

Рисунок 6 - Залежність тиску дроселювання від подачі робочої рідини



Рисунок 7 - Залежність тиску дроселювання від діаметра робочого сопла.

Кругла мембрана може бути представлена як плоска пластинка радіусом R, товщиною h, закріплена по контуру та навантажена тиском (рис.3.4.1).

Рисунок 4.1 - Внутрішні зусилля в пластинці.

- радіус мембрани.

- товщина мембрани.

- тиск.

Матеріал - сплав 36НХТЮ.

- модуль пружності.

- межа пружності.

Обмежуючи задачу областю малих переміщень, будем вважати, що пластинка працює тільки на згин, а розтяг середньої площини відсутній.

На основі рівнянь рівноваги та сумісності деформацій, а також закона Гука для двухосного напруженого стану може бути отримано диференціальне рівняння круглої пластинки в області малих переміщень.

,

де - кут повороту нормалі до серединної поверхні;

- поточний радіус;

- циліндрична жорсткість, яка визначається виразом

,

Поперечна сила Q знаходиться з умови рівноваги центральної частини пластини, тобто

, звідки .

Інтегруючи рівняння, отримаємо

Сталі інтегрування та знаходяться з граничних умов. В центрі пластинки () та в місці закріплення ( ) кут повороту , звідси та



.

Підставляючи та в рівняння, отримаємо

Як в теорії згину стержнів, прогин пластинки зв'язаний з кутом повороту нормалі відношенням

,

звідки прогин

Підставляючи сюди кут та інтегруючи, отримаємо

.

Стала визначається з тої умови, що біля закріплення ( ) згин . Звідси . Тоді рівняння пружної поверхні плоскої мембрани при малих переміщеннях прийме вид

.

Прогин центру мембрани ( )



.

Підставляючи циліндричну жорсткість , отримаємо з виразу при

.

Рівняння в безрозмірній формі виражає пружну характеристику плоскої мембрани, навантаженої тиском p, в області малих прогинів. Ця характеристика лінійна.

Згинальні моменти в радіальному та окружному напрямках зв'язані з кутом повороту виразами

; .

По величині моментів можуть бути пораховані згинальні напруження

; ,

де знаки плюс чи мінус відповідають точкам верхньої чи нижньої поверхні мембрани (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 - Центральна частина пластинки



На (рис. 3.4.3) представлені епюри напружень в верхніх шарах пластинки (), а також напружений стан точок L та M (рис. 4.3).

Рисунок 4.3 - Напруження в круглій пластинці при малих переміщеннях

Еквівалентне напруженння в цих точках можна визначити, використовуючи будь-який закон міцності. Наприклад, по теорії енергії зміни форми для плоского напруженого стану

,

де - головні напруження.

Найбільше напруження виникає в точці M в місці закріплення мембрани, де

; .

Для цієї точки , та при .

Величину допустимого тиску можна визначити з умови



,

де - допустиме напруження. Звідси допустимий тиск

.

В області малих переміщень напруження в пластинці зв'язані з прогином лінійно. Величину допустимого прогину можна знайти, виходячи з виразів та тиск p, тобто

.

При розрахунках деяких манометричних приладів потрібно знати зміну об'єму внутрішньої порожнини пружного елемента. Визначимо його для плоскої мембрани в області малих переміщень. Об'єм елементарного кільця

.

Об'єм - між початковою площиною мембрани та її пружною поверхнею

.

Використовуючи вираз для прогину , після інтегрування отримаємо



У п'ятому розділі наведено статистичне моделювання процесу функціонування струминного насосу з мембранним гармонізатором коливань. В результаті виконання цього розділу було описано випадкові величини dр і с, наведено повні математичні аналоги відповідних випадкових величин.

Визначено характер розподілу випадкових величин та знайдені їх числові характеристики.

Побудовані характеристики розподілів, суміщені з гістограмами, побудованими на основі статистичного ряду.

Знайдена ймовірність попадання густини робочої рідини в задані межі

У шостому розділі було представлено аналіз структури та принципи стартапу для даного пристрою.

Створено проект у школі Sikorsky Challenge за темою даної десертації в якому прораховується і дається оцінка економічної ефективності струминного насосу.

Також були проведені дослідження та розрахунки які показали, що методика вибору раціональних параметрів струминного насоса дозволяє в середньому в 1,34 рази підвищити його ККД.

Прораховано коефіцієнт потребності для споживача.

Було проведено ряд аналітичної роботи та прорахунків за для заохочення інвесторів у даний проект.

Також було прораховано і вибрано струминний насос для свердловини 753-Д НГВУ «Долинанафтогаз» та рекомендовано встановити його на глибині 870 м, щоб забезпечити якісну та економічну очистку родовища, відібрати та вивести на поверхню шляхом інжекції залишки хімічної реакції, що надходить у привибійну зону, і зменшить тиск на виході насоса на величину Dp = 1,96МПа.

Зроблені обчислення, при використанні рівняння високонапірного нафтогазового інжектора з діаметрами сопла і камери змішування dс= =6,6 мм, dкз =12,5 мм при врахуванні того, що робочий потік в інжекторі вода, а інжектований - повітря, які дали результати достатньо близькі до експериментальних при зміні тиску ре в діапазоні від 0 до 0,165 МПа і різниці тисків ре - рр1 Ј0,04 МПа.

Як основний показник ефективності струминного насоса застосовується коефіцієнт перетворення (coefficient of performance), що дорівнює відношеннюпродуктивності струминного насоса допотужності.

Під час конструювання струминного насоса важливо не тільки точно розрахувати його характеристики але і вірно призначити основні геометричні форми і розміри. Для того щоб розрахункові характеристики співпали з дійсними геометричні форми і розміри окремих частин насоса повинні задовольняти окремим вимогам. Внаслідок використання розрахункових рівнянь чи нормальних і окремих кавітаційних( характеристик визначається тільки основний геометричний параметр струминних насосів відношення площ чи діаметрів камери змішування і сопла. Для реалізації необхідних вимог до струминних насосів за витратами і тиском необхідно розрахувати конструктивні розміри робочого сопла вхідної ділянки камери змішування і дифузора. Інколи за умовами розташування приходиться зменшувати розрахункову довжину струминного насоса що може наприклад досягатися заміною одного великого насоса на декілька насосів меншого розміру: заміною одного сопла декількома: застосування спеціальних видів дифузорів які дозволяють скоротити їх довжину: застосуванням замість струминного насоса з центральним соплом струминного насоса з кільцевим соплом тощо.

Зауважимо, що розрахунки виконані за наведеними формулами і графіками дозволяють отримати тільки осередненні характеристики струминних насосів які можуть суттєво уточнюватися в процесі доводочних випробувань на модельних чи натурних зразках. Наприклад, вважається, що максимальне значення ККД струминних насосів з центральним соплом не перевищує 2%$, у той же час в літературі, є дані, що за рахунок правильного конструювання і точного виготовлення можна збільшити ККД до3/$і навіть вище. За останні роки з'явилися пропозиції по поліпшенню конструктивних елементів струминних насосів. Так пропонується випробуваний струминний насос з двохповерхневим робочим струменем рис.(який за свідченнями автора під час випробувань показав ККД більше 3%. У цьому насосі кільцеве сопло установлено так, що на виході з нього робочий струмінь має дві активні поверхні зовнішню і внутрішню (які відсмоктують пасивну рідину. У роботі пропонується нова конструкція робочого з мембраною. У роботі звертається увага на необхідність точної обробки зовнішнього контуру робочого сопла якого займає проточну частину тракту потоку, що відсмоктується. Завдяки цьому цей контур повинен забезпечити гідродинамічно плавний перехід потоку, що відсмоктується+ на вхідній ділянці камери змішування. Наводяться результати дослідження впливу не співвісності розташування центрального робочого сопла і камери змішування на гідродинамічні характеристики і ККД струминних насосів. Показано, що при відхиленні осі сопла від осі камери змішування на величину4---1діаметра камери змішування, що можливо в струминних насосах невеликих розмірів, ККД струминного насоса може зменшитися на1/---4. До аналогічних наслідків призводить, за даними, так названий “здув” потоку при боковому розташуванні всмоктувального патрубка струминного насоса. Струминні апарати, як відомо, мають більш низький ККД, чим відцентрові насоси. Широкого застосування на практиці вони заслужили перед усім надійністю роботи і простоті будови. Щоб повністю реалізувати ці переваги, доцільно забезпечити роботу апаратів в оптимальних режимах і правильно підбирати їх розміри тип. (Але якщо лопатеві насоси вибирають маючи їх робочі характеристики то кожний струминний насос за незначним виключенням) конструктор вимушений розраховувати індивідуально. Тому, що аналогічні методи розрахунку дуже складні, а графікихарактеристики (для розрахунку струминних насосів тільки починають з'являтися) то на практиці апарати часто не підбираються застосовують апарат, який є у наявності чи підбирають наближено. Це часто призводить до грубих помилок-Тому створюється думка про малу ефективність струминних насосів. Наведені нами матеріали дозволяють створити надійну основу для розрахунку і підбору струминних насосів і установок з такими насосами.



ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

У дисертації, поставлено і вирішено актуальне науково-прикладне завдання, яке полягає в обґрунтуванні можливості та ефективності використання струминного насосу з мембранним гармонізатором коливань, встановлених вище динамічного рівня в нафтових свердловинах. При цьому за результатами виконаної роботи та відповідно до поставлених завдань можна зробити такі висновки:

1. Аналіз сучасного рівня використання струминних апаратів при видобуванні нафти показав їх високу ефективність як при самостійному відкачування нафти, так і при роботі гармонізатора коливань. Насос забезпечує стабілізацію роботи гармонізатора, корисне використання енергії від сепарованого газу і у певній мірі збільшення відбору продукції свердловини. Крім того, установки знайшли застосування у низці випадків (низький пластовий і високий устєвий тиски, негерметичність експлуатаційної колони), за яких експлуатація нафтових свердловин іншими способами неможлива.

2. Визначено параметри робочого потоку ежектора (параметри свердловини: тиск, температуру, швидкість руху і витратний газовміст її продукції, густини всього потоку та його вільного нафтового газу) вздовж стовбура свердловини. Отримано рівняння нафтогазових ежекторів (високонапірного і низьконапірного), які пов'язують між собою їх геометрію з параметрами свердловини на вході в ежектори та виході із них із забезпеченням їх використання для практичних обчислень. При визначенні розподілу тиску в свердловині за відомими методами Поеттмана-Карпентера і Баксендела диференціальні рівняння розв'язувалися числовим методом Адамса-Крилова, що забезпечило у порівнянні з традиційним способом отримання більш точних значень як тиску, так і температури (для однієї із свердловин отримано уточнення по тиску Др=1,72 МПа у точці підвісу насоса, а по температурі - ДТ=12,5 К).

3. На відміну від традиційних досліджень, експерименти з водоповітряними та водогазовими ежекторами на лабораторній установці виконувались при збільшенні надлишкового тиску ер інжектованого газу перед ежектором (повітря, вуглекислого газу) від 0 до 0,1 і навіть у низці дослідів до 0,2 МПа і за наявності різниці тисків між тиском е р інжектованого газу та тиском р1 р у приймальній камері ежектора. Такі дослідження вкрай важливі, оскільки ежектори у нафтових свердловинах працюватимуть з «підпором» нафтового газу. За результатами експериментальних досліджень підтверджена працездатність ежекторів за величини «підпору» е р1 р р до 0,05 МПа і класифікація струминних апаратів на високонапірні та низьконапірні. Встановлено, що меншому діаметру сопла dс і більшому тиску е р відповідає більший коефіцієнт інжекції u, більш високий тиск р р робочого потоку на вході в ежектор як при зростанні тиску е р , так і при зростанні тиску с р на виході ежектора. Обчислення, виконані при використанні рівняння високонапірного нафтогазового ежектора з діаметрами сопла і камери змішування dс =6,6 мм, dкз =12,5 мм при врахуванні того, що робочий потік в ежекторі вода, а інжектований - повітря дали результати достатньо близькі до експериментальних при зміні тиску е р в діапазоні від 0 до 0,165 МПа і різниці тисків ре рр1 0,04 МПа. Виконані експериментальні дослідження вказують на можливість використання ежекторів у нафтових свердловинах при їх роботі з «підпором» інжектованого нафтового газу, а також на достатньо високу достовірність результатів, які можна отримати при використанні рівнянь нафтогазових ежекторів.

4. Встановлено, що для свердловини 753-Д НГВУ «Долинанафтогаз» рекомендовано встановити високонапірний ежектор з 3 p1 f f =3 на глибині 870 м, який забезпечить відбір всього нафтового газу, що надходить у затрубний простір, і зменшить тиск на виході штангового насоса на величину p = 1,96 МПа.

5. Використання струминних апаратів дозволяє в одному циклі робіт при освоєнні або штучному впливі на при вибійну зону реалізувати наступні види робіт:

досліджувати свердловини за даними кривих відновлення тиску; впливати на при вибійну зону пласта миттєвими депресіями та репресіями;

забезпечувати подачу в зону пласта різних хімічних реагентів зі швидким видалення продуктів реакції;

досліджувати свердловини на приплив при різних депресіях для побудови індикаторних діаграм або запису кривих відновлення тиску.

В дисертації було розраховано коефіцієнт інжекції, тиск дроселювання, тарілчасті пружини, також було встановлено залежності дроселювання від густини робочої рідини, подачі та від діаметра робочого сопла, із звичайної струминної установки зроблено струминний апарат з мембранним гармонізатором коливань. Для цього було вибрано мембрану. Внаслідок великої різниці тисків відбувається коливання мембрани. Спочатку при русі в правий бік зжимається тарільчата пружина до тих пір поки не впреться у втулку після чого відбувається рух штока і починає зжимається друга талілчата пружина до тих пір поки не почне працювати мембрана, після того як тиск збільшився в дію включається мембрана. Після чого можна спостерігати коливання самої мембрани, а також зжимання та розжимання другої тарілчатої пружини. Цей спосіб дає можливість набагато більший видобуток нафти.

Було розраховано відносний перепад тиску коефіцієнт інжекції ; прогин мембрани .

6. Було визначено силу, яка призведе до спрацювання гармонізатор коливань. На основі цього обрана тарільчата пружина згідно ГОСТ 357-90. Було описано коливальний процес за допомогою математичної моделі Гука. Результат розрахунку одномасової моделі

.

Похибки між аналітичними розрахунками і даними, які отримані в результаті моделювання в модулі FlowSimulation складають: 5,6%.

7. Визначено характер розподілу випадкових величин (нормальний розподіл для випадкової величини с та геометричний розподіл для dp та знайдені їх числові характеристики.

Знайдена ймовірність попадання густини робочої рідини в задані межі



СПИСОК ДРУКОВАННИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пат. UA № 99548, Е21В 43/25, автори: Сліденко В.М., Лістовщик Л.К., Шевчук С.П., Магеровський І.Т., «Струминний насос з мембранним гармонізатором коливань», дата подання: 17.04.2017р.

2. Заявка № u201406511, автори: Сліденко В.М., Лістовщик Л.К., Шевчук С.П., Магеровський І.Т., «Струминний насос з мембранним гармонізатором коливань», дата подання: 10.06.2017р



АНОТАЦІЯ

насос мембранний клапан інжекція

Дисертація на здобуття наукового ступеня магістра за спеціальністю 8.05070205 - Електромеханічні системи геотехнічних виробництв - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”. - Київ, 2017р.

Об'єкт дослідження - струминний насос з мембранним гармонізатором коливань, а також процеси інжекції та коливань тиску у нафтовій свердловині.

Предмет дослідження - процеси та параметри функціонування струминного насосу з мембранним гармонізатором коливань.

Мета роботи - обгрунтування раціональних параметрів процесу функціонування струминного насосу з мембранним гармонізатором коливань для підвищення продуктивності нафтової свердловини.

Наукова новизна:

Вперше визначені раціональні характеристики процесу функціонування струминного насосу з максимальним коефіцієнтом інжекції 0,41;

Вперше визначені амплітудно-частотні характеристики мембрани;

Розроблено математичну модель процесу функціонування модуля інжекції та репресивного модуля який відрізняється від відомих, комплексним поєднанням двох процесів з керуванням потужності насосного агрегату;

Розроблено математичну модель функціонування струминного насосу який відрізняється від відомих врахуванням режиму коливань тиску та двох режимів роботи.

Ідея роботи:

Комплексне поєднання інжекції струминного насосу з репресійними коливаннями за допомогою гармонізатора коливань.

Задачі:

Обґрунтувати структуру та параметри функціонування струминного насосу;

Провести моделювання функціонування мембранного клапана з забезпеченням процесу імпульсно-хвильової дії;

Статистичне моделювання процесу інжекції;

Розробка рекомендацій по практичному застосуванню струминного насосу.

Актуальність теми:

Економічний та соціальний розвиток України передбачає подальше збільшення видобутку нафти, газового конденсату і газу за рахунок уведення в експлуатацію нових місць, інтенсифікації розробки існуючих нафтових площадок, а також впровадження прогресивних способів експлуатації свердловин та вдосконалення технологій видобутку нафти. Тому, на ряду із Західним Сибіром, яка залишається основним районом видобутку нафти і газу, нафтогазовидобувна промисловість розвивається у Казахстані, Північному Кавказі, Україні та в інших країнах.

Сучасні нафто - і газовидобувні підприємства - це складні комплекси технологічних об'єктів, зосереджених на великих площах, розміри яких досягають десятки і сотні квадратних кілометрів. Технологічні об'єкти - свердловина, групові вимірювальні та сепараційні установки комплексної підготовки нафти і газу, резервуарні парки - зв'язані між собою через продуктивний пласт і потік продукції, що циркулює технологічним комунікаціями.

Методи дослідження - застосування законів теоретичної та будівельної механіки, планування експериментів та статистичного моделювання.

Збільшення об'ємів нафти і газу є головною задачею, яка стоїть перед представниками енергетичної галузі як України, так і всього світу. В умовах відсутності нових родовищ нафти і газу, задовольняючих цим вимогам, перед робітниками нафтогазодобувної промисловості в якості потенційних джерел нафти і газу на перший план встають проблеми, пов'язані з підвищенням ефективності розробки існуючих родовищ. І тут головною задачею, яка потребує свого суттєвого рішення, стає проблема підвищення продуктивності свердловин.

В таких умовах використання нових технологій для інтенсифікації видобутку вуглеводневої сировини може стати одним із шляхів зміцнення енергетичної незалежності держави.

Запропонована структурна модель струминного насосу з мембранним гармонізатором коливань, який відрізняється від відомих використанням гармонізатора коливань в двох режимах роботи (насос створює імпульсний синусоїдальний потік інжектованої рідини), що сприяє посиленню інжектованого потоку і дозволяє підвищити коефіцієнт інжекції. Виходячи, із рівняння Бернуллі, в роботі обґрунтовано раціональні геометричні параметри, спрогнозовано коефіцієнт інжекції струминного насосу з мембранним гармонізатором коливань. Встановлено робочі частоти гармонізатора коливань та параметри процесу дроселювання.

Ключові слова: струминний насос, інжекція, вихрова камера, гармонізатор коливань, дроселювання потоку рідини, коефіцієнт інжекції.



ABSTRACT

Thesis for a master's degree in the specialty 8.05070205 - Electromechanical systems geotechnical industries. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute". - Kyiv, 2015

Increasing volumes of oil and gas is the main task facing the heating sector representatives of both Ukraine and the world. In the absence of new oil and gas fields, satisfying those needs before the oil and gas industry workers as potential sources of oil and gas to the fore establish problems associated with increasing the efficiency of existing development. Here, the main task, which requires a significant decision is the problem of increasing the productivity of wells.

In such circumstances, the use of new technologies to intensify production of hydrocarbons may be one of the ways of strengthening energy independence.

The structural model of the jet pump diaphragm harmonizer fluctuations, which differs from the known use harmonizer oscillation that creates sinusoidal pulse stream download the fluid, which increases the amount of fuel injected and the injection rate can increase. It was established on the basis of the Bernoulli equation and rational geometric parameters. A working harmonayzer oscillation frequency and parameters of throttling.

Key words: jet pump, injection, whirling chamber harmonizer fluctuations, throttling the flow of fluid injection rate.

Размещено на Allbest.ru