Обґрунтування параметрів гідроабразивного перфоратора обсадної колони нафтової свердловини

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»

Грабовська Ольга Анатоліївна

УДК 622.276.5

Обґрунтування параметрів гідроабразивного перфоратора обсадної колони нафтової свердловини

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

магістр

Київ 2018 р.



Дисертацією є рукопис

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

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Сліденко Віктор Михайлович, доцент кафедри електромеханічного обладнання енергоємних виробництв НТУУ «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Рецензент: Рудь Олексій Сергійович начальник відділу проектного ТОВ «Спецелектромонтаж 2007»

Захист відбудеться 22 травня 2018 р. о 1400 годині на засіданні Державної екзаменаційної комісії кафедри електромеханічні обладнання енергоємних виробництв Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» за адресою: м Київ, вул. Борщагівська 115, Інститут енергозбереження та енергоменеджменту, ауд. 206-22.

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

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Технології видобутку нафти постійно вдосконалюються в процесі розробки нафтових родовищ, що призводить до можливостей розкриття раніше недоступних ресурсів та використання більш економічних методів.

Основними методами, що використовуються при вторинному розкриті продуктивних горизонтів є прострілочно-вибухові роботи кумулятивними перфораторами різних модифікацій. Технологія проведення прострілочно-вибухових робіт при розкриті продуктивних горизонтів має ряд недоліків: недостатня глибина створеного каналу в породі пласта; осклування стінок каналу високотемпературним струменем продуктів вибуху; порушення цілісності заколонного цементного кільця. В результаті зменшується продуктивність свердловини, з'являються заколонні циркуляції пластів флюїдів, відбувається деформація експлуатаційної колони, можливість її руйнування.

Для уникнення даних негативних недоліків, актуально при розкриті продуктивного пласта використовувати метод гідро-абразивної перфорації. Економічність полягає в тому, що зменшується час експлуатації апарату на руйнування обсадної колони, цементного кільця та шару породи. Згідно техніки безпеки, виключається вибухонебезпечність при проведенні робіт, ймовірність руйнування обсадної колони через велику потужність вибуху, і виходу свердловини із числа діючих, значно послаблюється ущільнення породи в місцях розкриття.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є обґрунтування раціональних параметрів процесу функціонування пристрою гідроабразивної перфорації обсадної колони для підвищення продуктивності нафтової свердловини. Сформульована мета роботи досягається через реалізацію таких задач:

Обґрунтувати структуру та параметри функціонування гідроабразивного перфоратора.

Аналітично дослідити характер переміщення адаптивного дифузора під час роботи генератора імпульсних коливань.

Аналітично дослідити коефіцієнт інжекції при змінні діаметру робочого сопла та в залежності від густини інжектованого потоку.

Шляхом аналізу статистичного матеріалу дослідити залежність перепаду тиску при дроселюванні від коефіцієнту витрат.

Оцінити ефективність руйнування стінки обсадної колони елементом абразивної суміші.

Дослідити на міцність корпус бункеру для абразиву та умови раціональної роботи в оболонці SolidWorks.

Об'єкт дослідження. Процес перфорації обсадної колони нафтової свердловини.

Предмет дослідження. Особливості ерозійної перфорації обсадної колони нафтової свердловини.

Методи дослідження Огляд, аналіз та узагальнення результатів дослідження. Математичне моделювання - для складання математичних моделей функціонування пристрою в комплексі з елементами механізації. Використання методів прикладної математики, що реалізовані за допомогою комп'ютерних програм. Застосування законів теоретичної та будівельної механіки, планування експериментів та статистичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів:

Вперше розроблена залежність коефіцієнту інжекції від густини абразивної суміші;

Вперше розроблено спосіб інжекції абразиву із бункеру до зони перфорації.

Практичне значення одержаних результатів.

Результати дослідження можуть бути використанні на об'єктах нафтогазової промисловості під час повторної перфорації каналів вторинного горизонту для покращення продуктивності нафтової свердловини.

Апробація результатів дослідження.

Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на Міжнародній науковій конференції «Актуальні наукові дослідження в сучасному світі» (26-27 травня 2017 р.), Modern Technologies: Improving the Present and Impacting the Future (23 листопада 2017 р.) та «Енергетичний менеджмент: стан та перспективи розвитку - PEMS'17» (25-27 квітня 2017).

Публікації.

За результатами досліджень, що викладені у дисертації, опубліковано 3 наукові роботи у матеріалах міжнародних наукових конференцій, подано заявку на корисну модель.

Структура і обсяг дисертації.

Дисертація складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, який містить найменувань, додатків. Основна частина дисертаційної роботи викладена на сторінках комп'ютерного набору і містить 38 рисунків, 33 таблиці. Повний обсяг дисертації складає 99 сторінок.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі, об'єкт і предмет дослідження.

У першому розділі дисертації проведено огляд інформації на основі наукових публікації та монографій щодо методів вторинного розкриття продуктивного горизонту.

В даний час найбільш вживаними способами розкриття пластів є перфорація кульовими, торпедними і кумулятивними перфораторами. Однак, всі вони володіють наступними недоліками: відносно невеликою розкритою поверхнею (менше 1% від поверхні труб) в межах пласта; ущільненням порід в місцях розтину; можливістю руйнування через велику потужності вибуху обсадної колони і вихід свердловини з числа діючих.

Цих недоліків позбавлений гідропіскоструминний спосіб заснований на місцевому ерозійному руйнуванні обсадної колони, цементного кільця і ??продуктивних порід струменем рідини з піском що з великою швидкістю виходить з насадок, спрямованих в бік свердловини. За короткий час струмінь рідини з піском утворює отвір або щілеподібний проріз в обсадної колоні, цементному кільці і руйнує продуктивні породи за стінкою на відносно великій відстані з виносом зруйнованих частинок з утвореної порожнини. Інших небезпечних порушень обсадних труб і цементного каменю при цьому не відбувається. Однак висока абразивна здатність піску призводить до зносу насосного обладнання та труб по котрим ця суміш прокачується. Цього недоліку позбавлений запропонований у даній роботі пристрій для розкриття продуктивних пластів з використанням гідроперфоратора з інжектуванням абразивного матеріалу при якій насоси подають лише робочу рідину.

На основі наведеної інформації сформовані завдання досліджень, що необхідні для досягнення поставленої мети.

У другому розділі обґрунтовано методику аналітичних та експериментальних досліджень. Аналітичні дослідження проводяться відповідно до методу Д'аламбера - метод побудови рівняння руху одномасової моделі, та метод Лагранжа II роду для дисипативних систем. 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. Визначено адекватність математичної моделі по критерію Фішера. Висновок: модель адекватна.

Створено модель стенду для проведення експериментальних досліджень. Сформульовані задачі експериментальних досліджень:

Вивчити характер зміни сили дії змішаного потоку на пласт.

Вивчити характер зміни подачі інжектованого потоку при змінні подачі.

Провести порівняльний аналіз експериментальних даних з розрахунковими.

Розроблена методика досліджень, підібрано комплекс вимірювально-реєструючої апаратури, стендів і датчиків для вимірювання сили дії вихідного потоку. Планування експериментів і обробка результатів виконувалась методами математичної статистики і теорії моделювання.

У третьому розділі представлено опис пристрою та його принцип роботи. Проведено розрахунок процесу дроселювання через одне сопло струминного апарату:

(1)



де Q = 0...250 л/хв - витрата рідини на одне сопло; с=1000 кг/м3- густина робочої рідини; - коефіцієнт витрати, в.о.; - площа отвору, через який відбувається дроселювання робочої рідини, при d =7 мм, .

Графік залежності перепаду тиску від подачі представлено на рис.1.

гідроабразивний перфоратор інжекція потік

Рисунок 1 - Графік залежності перепаду тиску від подачі

Перепад тиску при проходженні робочої рідини через одну насадку струминного апарату при подачі 250 л/хв складає 12.84 МПа.

Подачу струминних апаратів характеризують коефіцієнтом інжекції, відношенням інжектованого потоку до робочого, . При кожному заданому коефіцієнті інжекції ступінь підвищення тиску струминного насосу збільшується зі зменшенням площі перерізу камери змішування відносно площі вихідного перерізу сопла робочої рідини. При зменшенні коефіцієнту інжекції відбувається підвищення тиску, що розвивається струминним насосом.

Загальний вираз для обчислення коефіцієнта інжекції:



, (2)

де -коефіцієнт інжекції; К - конструктивного співвідношення діаметрів робочого сопла () та камери змішування () струминного апарата, що забезпечують створення заданої або глибокої депресії на пласт,; - відповідно густина робочої та інжектованої рідини.

Відповідно то виразу (2), проведено розрахунки визначення коефіцієнту інжекції при сталому значенні діаметру камери змішування (12 мм) та змінні значення діаметра сопла (6-9 мм), густина робочої рідини , Графічне відображення представлено на рис.2. Проведено дослідження коефіцієнту інжекції при змінні густини змішаного потоку (1100-1300 кг/м3). Графічне відображення представлено на рис.3.

Рисунок 2 - Графік зміни коефіцієнту інжекції, при зміні діаметру робочого сопла



Рисунок 3 - Графік зміни коефіцієнту інжекції в залежності від густини змішаного потоку

Згідно проведених розрахунків встановлені раціональні значення параметрів струминного апарату: діаметр сопла 7.5 мм, діаметр камери змішування 12 мм. За таких параметрів, коефіцієнт інжекції складає 0.3.

Подачу інжектованої рідини визначаємо відповідно до залежності:

м3/с, тоді знайдемо змішаний потік:

м3/с.

Проведено дослідження переміщення адаптивного дифузору в залежності від спрацювання зворотного клапану у вакуумному клапані. Приймаємо гіпотезу, що інжекція всмоктує рідину миттєво.

Розрахунок амплітудно-частотної характеристики переміщення адаптивного дифузору базується на основі векторного рівняння статики:

(3)

де, і , , 

Права частина відповідає переміщенню дифузору у струминному апараті, ліва частина диференційного рівняння - відповідність спрацювання генератора імпульсних коливань, що забезпечують перепуск із затрубного простору абразиву під дією атмосферного тиску до вакуумній камери та інжектування суміші до камери змішування струминного апарату.

При початкових умовах: - кругова частота зовнішніх навантажень, ;

,

Nр - максимальна амплітуда зовнішнього навантаження, ; - частота власних коливань для 5 гармоніки, k - коефіцієнт дисипації, k=55.

Для розрахунку для 3 гармоніки, рівняння переміщення адитивного дифузору матиме вигляд:

(4)

Графічна інтерпретація розв'язку (4) показана на рис. 4.



x1(t) - затухаючі коливання, x2(t) - гармонічні незатухаючі коливаня,

x(t) - результуюча коливань

Рисунок 4 - Амплітудно-частотна характеристика переміщення адаптивного дифузору у струминному апараті при 5 гармоніці

Проведена оцінка ефективності елемента абразивної суміші при руйнуванні стінки обсадної колони.

Кінетична енергія однієї піщинки:

,

де, - маса однієї піщинки, ;- швидкість змішаного потоку, .

Кількість піщинок що наносять один ряд удару:

,



де, - площа дії потоку, що прирівнюється до площі насадка дифузору,

Кінетична енергія дії одного ряду піщинок:

Згідно закону Гука, механічне напруження:

,

де х - переміщення піщинок, ; E - модуль пружності кварцового піску, Е=72 ГПа.

Отже, можна зробити висновок, що сили дії даного струменя буде достатньо для руйнування частини стінки обсадної колони, рівної фракталу, що проводить це руйнування.

У четвертому розділі наведено статистичне моделювання процесу функціонування пристрою гідро-абразивної перфорації. В результаті виконання цього розділу було описано випадкові величини коефіцієнт витрат і перепад тиску у зворотному клапані, 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.

Перепад тиску змінюється у межах (10-30) МПа, коефіцієнт витрат (0.596 - 0.64).

Знайдена ймовірність попадання перепад тиску в межу (22.7-24.5) МПа - 0.83, ймовірність попадання коефіцієнту витрат в межу (0.596 - 0.6064) складає 0.86.

У п'ятому розділі проведено дослідження корпусу вакуумної камери на міцність та визначення раціональних умов роботи зворотних клапанів в оболонці SolidWorks. Критерій раціональності за умови максимального тиску в камері (зовнішнього і внутрішнього).

Визначено подачу робочої рідини, що рівна 450 л/хв при котрій забезпечується перепад тиску у вакуумному апараті та забезпечується наступний перепуск робочої суміші із затрубного простору через зворотні клапани при статичному тиску 30 МПа. При цьому тиск інжектованого потоку - 27.3 МПа. Розраховано на міцність вакуумний корпус, в котрому знаходиться абразив, запас міцності складає , деформація буде відбуватися зі сторони дії зовнішнього тиску.

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

Визначена економічна доцільність використання пристрою та основні підприємств, що могли б зацікавитись даним пристроєм.



ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

У дисертації, поставлено і вирішено актуальне науково-прикладне завдання, яке полягає в обґрунтуванні можливості та ефективності використання пристрою гідро-абразивного перфоратора для вторинного розкриття продуктивного горизонту. При цьому за результатами виконаної роботи та відповідно до поставлених завдань можна зробити такі висновки:

Аналітично визначено коефіцієнт інжекції струминного апарату - 0.3, при цьому відносний перепад тиску змішаного та робочого потоку - 0.4.

Аналітично визначено перепад тиску при дроселюванні через одне сопло струминного апарату, при максимальній подачі насосного агрегату 500 л/хв, перепад тиску при цьому - 12.8 МПа. При дією тиску дроселювання та статичного тиску, що через керуючий канал діє на дифузор, деформується тарілчаста пружина, як наслідок, збільшується відстань між приймальною та камерою змішування на 40 %, що дає можливість інжектуванню більшої кількості піску.

Визначено характер переміщення адаптивного дифузору в гідроабразивному перфораторі при спрацюванні генератора імпульсних коливань відповідно до методу Д'Аламбера.

Проведена оцінка ефективності руйнування обсадної колони елементом абразивної суміші. Згідно отриманим результатам, сили дії даного струменя буде достатньо для руйнування частини стінки обсадної колони, рівної фракталу, що проводить це руйнування. При цьому, кінетична енергія дії одного ряду піщинок складає 0.1 Дж, механічне напруження - 1306.6 МПа.

Описано випадкову величину коефіцієнт витрат при дроселюванні. Встановлено, що дана величина підкоряється нормальному розподілу на відрізку 0.598-0.6 і має гіперболічну залежність. Ймовірність попадання коефіцієнту витрат в межу (0.6 - 0.64) складає 0.86.

Досліджено корпус вакуумної камери на міцність, запас міцності складає 3.2, що є більше допустимого 2.5, визначено, що деформація буде відбуватися зі сторони дії зовнішнього тиску. Визначено подачу робочої рідини, що рівна 450 л/хв при котрій забезпечується перепад тиску у вакуумній камері та забезпечується наступний перепуск абразиву із затрубного простору через зворотні клапани при тиску свердловини 30 МПа.



СПИСОК ДРУКОВАННИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ ТА ДОПОВІДІ НА КОНФЕРЕНЦІЇ

1. Problems of increasing oil production, «Modern Technologies: Improving the Present and Impacting the Future» / Dnipro, 2017- p.148.

2. Економічна доцільність використання гідро-піскоструминної перфорації з визначенням оптимального значення коефіцієнту інжекції, «Актуальные научные исследования в современном мире ISCIENCE.IN.UA» / Переяслав-Хмельницький, - с.24.

3. Енергоефективність гідро-піскоструминної перфорації, «Енергетичний менеджмент: стан та перспективи розвитку - pems'17» / Київ, 2017 - с. 75.



АНОТАЦІЯ

Грабовська О.А. Обґрунтування параметрів гідроабразивного перфоратора обсадної колони нафтової свердловини.

Дисертація присвячена дослідженню раціональних параметрів пристрою гідроабразивної перфорації, при функціонуванні якого відбувається інжектування абразиву із бункеру, при чому не відбувається знос НКТ як в аналогічних пристроях, при функціонуванні котрих, абразив подається потоком із поверхні.

Аналітично досліджено зміну коефіцієнту інжекції в залежності від густини інжектуючого потоку.

Досліджено характер переміщення адаптивного дифузору при роботі генератора імпульсних коливань.

Досліджено на міцність корпус вакуумної камери при максимальному зовнішньому і внутрішньому тиску та раціональні умови роботи зворотних клапанів в оболонці SolidWorks.



ABSTRACT

Hrabovska O. Substantiation parameters of a hydroabrasive perforator of a casing of an oil well.

The dissertation is devoted to the research of rational parameters of a device for hydroabrasive perforation, in which the injection of an abrasive from a bunker is carried out, in which there is no deterioration of the tubes in similar devices, the functioning of which, the abrasive is fed by a flow from the surface.

The change in the injection coefficient of the dependence on the density of the injection flow is analyzed analytically.

The character of moving an adaptive diffuser during operation of the pulse oscillator generator is explored.

The strength of the vacuum chamber body with maximum external and internal pressure and the rational conditions of the operation of return valves in the SolidWorks shell have been investigated.

Размещено на Allbest.ru