Расчет струйной насосной установки для добычи нефти в условиях изменения коэффициента продуктивности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Условные обозначения

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Принцип действия и конструкции струйных насосов

1.2 Струйные насосные установки с поверхностным приводом

1.3 Струйные насосные установки с погружным приводом

1.4 Эксплуатация скважин с боковыми стволами малого диаметра с помощью струйного насоса

1.5 Кавитация в струйном насосе

2. Обзор научно-технической и патентной литературы

3. Расчетная часть

3.1 Методика расчетов струйных насосов

3.2 Расчет струйной насосной установки для добычи нефти в условиях изменения коэффициента продуктивности скважины

Заключение

Список литературы

струйный насос привод скважина



Условные обозначения

а - безразмерный геометрический параметр струйного насоса;

d0 - диаметр выходного отверстия сопла;

d3 - диаметр камеры смешения;

DL0 - внутренний диаметр насосно-компрессорных труб первого ряда;

DL4 - внутренний диаметр насосно-компрессорных труб второго ряда;

Н - динамический уровень скважины;

L0 - длина колонны насосно-компрессорных труб первого ряда;

L4 - длина колонны насосно-компрессорных труб второго ряда;

L3 - длина камеры смешения;

NN - мощность силового насоса;

P0 - давление рабочей жидкости на входе в сопло;

P1 - давление перекачиваемой среды на входе в струйный аппарат;

P4 - давление на выходе из диффузора;

P4U - давление на устье скважины;

Pк - давление насыщения паров жидкости;

PP - пластовое давление;

PN - давление силового насоса;

Kпрод - коэффициент продуктивности скважины;

Kк - коэффициент запаса по кавитации;

Q0 - расход жидкости через сопло струйного аппарата;

Q1 - расход перекачиваемой среды (по условиям на входе струйного аппарата);

Q1n - расход газа на входе струйного аппарата, приведенный к нормальным условиям;

R2 - радиус входного участка струйного аппарата;

Т1- температура газа на входе в струйный аппарат по шкале Цельсия;

Т0 - температура рабочей жидкости по шкале Цельсия;

q - относительный расход;

qк - критическое значение относительного расхода при кавитации;

qопт - оптимальное значение относительного расхода;

h - относительный напор;

h0 - максимальный относительный напор;

hопт - оптимальное значение относительного напора;

- коэффициент полезного действия;

- плотность жидкости;

0 - коэффициент сопротивления сопла;

2 - коэффициент сопротивления входного участка;

23 - приведенный коэффициент сопротивления трения камеры смешения;

3 - коэффициент сопротивления диффузора;

3 - коэффициент, учитывающий неравномерность поля скоростей на входе в диффузор;

0 - угол конусности сопла;

4 - угол конусности диффузора;

- коэффициент сжатия струи.



Введение

Работы по созданию струйных насосных установок для эксплуатации скважин относятся к 70-м годам XX столетия. В настоящее время струйная техника широко применяется для добычи нефти на месторождениях Западной Сибири в России, в Белоруссии, Украине, США.

Фирмы США применяют струйные насосы для опробования пластов и освоения скважин (Trico Industries), при добыче нефти с высоким газовым фактором и механическими примесями (Trico Industries, Dresser Industries, National Supplay и др.), при эксплуатации горизонтальных скважин с применением непрерывной колонны труб (Jet Production Systems), для подъема тяжелых нефтей на морских месторождениях, для эксплуатации отдаленных скважин и с большим содержанием в продукции сероводорода, для очистки скважин от песчаных пробок (Nowsco) и т.д.

В Российской Федерации разработкой струйных насосов для эксплуатации скважин занимаются РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, Гипротюменнефтегаз, фирма «Инжектор» (Западная Сибирь) и другие научные и производственные организации. В настоящее время разработаны струйные насосные установки с наземным и погружным силовым приводом; при этом струйный насос может быть стационарным или вставным (сбрасываемым). Струйные насосные установки с наземным приводом могут быть двухтрубными и однотрубными, но с использованием пакера. Струйные насосные установки с погружным силовым приводом, как правило, однотрубные без пакера. Каждая система имеет преимущества, недостатки и свою область рационального применения. Наземное оборудование струйных насосных установок выпускается как для одной скважины (индивидуальный привод), так и для группы (куста) скважин (групповой привод) и содержит, как правило, блок силовых насосов, емкость для рабочей жидкости и гидроциклонный аппарат для ее очистки от механических примесей. Сепарация газа от добываемой жидкости происходит либо в специальной емкости, либо в емкости, совмещающей функции газосепаратора и хранилища рабочей жидкости. В последнем случае в компоновку наземного оборудования входит подпорный насос, который производит рециркуляцию очищенной рабочей жидкости через гидроциклон.

Устье скважины оборудуется 4-ходовым клапаном, позволяющим менять схему циркуляции рабочей жидкости в скважине при спуске и подъеме струйного насоса.

Во многих случаях источником рабочей жидкости служит вода из системы ППД.



1. Теоретическая часть

1.1 Принцип действия и конструкции струйных насосов

Струйным насосом называется динамический насос трения, в котором перекачиваемая (пассивная) среда (жидкость, газ или смесь жидкости с газом или твердыми частицами) перемещается внешним потоком (струей) рабочей (активной) жидкости. Энергия от одного потока жидкости к другому передается силами, действующими на поверхности рабочей струи.

Схемы струйных насосов весьма разнообразны. На рис. 1.1 приведены схемы наиболее известных и распространенных конструкций нерегулируемых струйных насосов, а на рис. 1.2 -- струйных насосов с регулируемыми геометрическими параметрами, причем регулирование производится за счет изменения площади выходного сечения рабочего (активного) сопла или площади поперечного сечения камеры смешения (горловины). Несмотря на разнообразие конструкций в большинстве струйных насосов можно выделить следующие элементы: активное (рабочее) сопло, камеру смешения (горловину), диффузор, входной участок горловины для пропуска пассивного потока, выполняемый, как правило, в виде конфузора. Рабочее коническое сопло (насадок) в основном устанавливают соосно (по центру) с камерой смешения (рис. 1.1, а; 1.2), а также в виде кольца, размещенного по периферии камеры смешения (рис. 1.1, б), или комбинированно (рис. 1.1, в). В некоторых случаях применяют многосопловые струйные аппараты (рис. 1.1, г). Плоскость среза активного сопла (сопл) должна или находиться во входном сечении камеры смешения, или быть выдвинута из него против течения на некоторое расстояние (обычно не более чем на один--три калибра сопла).

Процесс смешения активной и пассивной сред в гидроструйных насосах с центральной струей можно условно разделить на два участка. Течение жидкости на начальном участке происходит подобно распространению затопленной турбулентной струи. На границах затопленной струи образуется обширная расширяющаяся зона смешения -- турбулентный пограничный слой. Вследствие вовлечения частиц жидкости в пограничный слой растекание струи в камере смешения будет происходить не в толще неподвижной жидкости, а в спутном подсасываемом потоке. При этом угол

Рис. 1.1. Схемы нерегулируемых гидроструйных насосов: а -- с центральным соплом; б -- с кольцевым соплом; в -- с центральным и кольцевым соплами; г -- многосопловой; 1 -- сопло; 2 -- камера смешения; 3 -- диффузор; 4 -- конфузор

расширения струи будет тем меньше, чем больше скорость подсасываемого (спутного) потока. Кроме турбулентного пограничного слоя имеется уменьшающееся по мере удаления от сопла ядро скоростей жидкости, истекающей из сопла. Благодаря тому что



Рис. 1.2. Схемы насосов с регулируемыми геометрическими параметрами: а -- с регулируемой площадью выходного сечении сопла; б -- с регулируемой площадью поперечного сечения камеры смешения [а. с. 390304 (СССР)]; 1-- сопло; 2-- камера смешения; 3-- диффузор; 4-- конфузор; 5-- «нгла> для регулирования площади выходного сечення сопла; 6-- дополнительная полость для изменения площади поперечного сечення камеры смешения; 7-- трубопровод для подачи жидкости в камеру 6

в пограничный слой непрерывно вовлекаются частицы из перекачиваемой среды, общий расход жидкости в струе по мере удаления от среза сопла возрастает. В определенном сечении рост пограничного слоя прекращается за счет ограничения стенками камеры смешения. Начиная от этого сечения прекращается вовлечение новых масс перемещаемой среды в струю активной жидкости. Но в этом сечении скорость по радиусу распределена еще не равномерно.

Поэтому требуется дополнительный участок стабилизации в камере смешения длиной до 6--10 ее диаметров, на котором происходит дальнейшее выравнивание параметров потока.

После выравнивания полей давлений и скоростей смешанный поток, обладающий еще большой скоростью, подается в диффузор, где происходит преобразование кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления.

Подсос пассивного потока в струе рабочей жидкости происходит, по современным воззрениям, в результате взаимодействия сил турбулентного трения, вызывающего появление вихрей рабочей (активной) и подсасываемой (пассивной) сред во входном

Рис. 1.3. Схемы асимметричных струйных насосов: а -- по а. с. 193930 (СССР); б -- по пат. 3650637 (США); /--/-- VI-- VI-- поперечные сечения

сечении камеры смешения, где устанавливается давление р, которое ниже давления пассивной среды. Сложение вихревого и поступательного движения жидкостей создает, согласно теореме Кутта--Жуковского, подъемную силу, поперечную по отношению к направлению поступательного движения. При этом происходит перемешивание активного и пассивного потоков.

Различными авторами предложен ряд новых, отличных от предыдущих конструкций струйных аппаратов. Так, на рис. 1.3 приведены конструкции струйных насосов, выполненных в виде колена (поворота) на трубопроводе. При этом активная среда, как правило, подается по наружному колену, а пассивная подсасывается по внутреннему. На рис. 1.4 изображены три конструкции щелевых струйных аппаратов.

Рабочая жидкость (рис. 1.4) подается по трубе 1 и отражается от пластины 5, к которой в зоне максимального понижения гидростатического давления присоединен всасывающий патрубок 4 смесь сред изливается в щель между пластинами 5 и 7 и через кожух 3 и патрубок 2 отводится к потребителю. Пластины 5 и 7 удерживаются на заданном расстоянии с помощью крепежных болтов 6.

Струйный аппарат, представленный на рис. 1.4, б, является усовершенствованным аппаратом, изображенным на рис. 1.4, а. Рабочая струя поступает по трубке 1 в сопло 8 и, отражаясь от пластины 5, образует симметричную круговую зону отражения. Всасывающая полость в виде проточки 9 использует всю зону пониженного давления, образованную истекающей из сопла 8 струей. Пассивная среда подсасывается по патрубку 4, просверленному в корпусе 10.

Щелевой струйный аппарат, приведенный на рис. 1.4, в, аналогичен по конструкции аппарату, изображенному на рис. 1.4, б,

Рис. 1.4. Схемы щелевых струйных насосов по авторским свидетельствам СССР: а -- а. с. 210663; б -- а. с. 338687; в -- а. с. 901654

но является регулируемым, так как отражающая пластина 5 опирается на эластичную диафрагму 12, закрепленную во фланцах 14. Отражающая пластина 5 опирается также на шток 13 с пружиной. Полость над диафрагмой 12 сообщена трубкой 11 со всасывающим отверстием 4, просверленным в корпусе насоса 10. При изменении давления всасывания отражающая пластина 5 может перемещаться под действием пружины и диафрагмы 12.

Следует отметить, что струйные аппараты, изображенные на рис. 1.3 и 1.4, выполнены на стадии изобретательских решений и результаты исследований их характеристик нам пока неизвестны. Поэтому в книге, в основном, рассматриваются традиционные струйные насосы, конструкции которых изображены на рис. 1.1 и 1.2 (с центральным и кольцевым соплами).

Имеются и другие предложения по конструкциям струйных аппаратов. Так, на рис. 1.5 изображены специальные конструкции струйных насосов для эжектирования тонкого слоя плавающей жидкости с поверхности другой, более тяжелой жидкости, а также для придонного эжектирования топлива, например из баков летательного аппарата. В первом из этих аппаратов (рис. 1.5, а) активная среда 7 подается в ресивер 1 и, проходя через круговое щелевое сопло 2, эжектирует с поверхности слой плавающей жидкости 3, подавая смесь рабочей и пассивной сред в диффузор 8 и далее на сброс по трубе 9. Размер кольцевой щели для пассивного потока 3 можно регулировать поплавком 4, перемещаемым с помощью штока 3, имеющим в нижней части утолщение 5, а в верхней -- резьбу 10.

Струйный аппарат, изображенный на рис. 1.5, б, отличается от обычных струйных насосов лишь конструкцией всасывающей полости. На

Рис. 1.5. Схемы струйных насосов для эжектирования жидкости: а -- для эжектирования легкой жидкости с поверхности более тяжелой жидкости [а. с. 626252 (СССР)]; б -- для придонного эжектирования жидкости [а. с. 282065 (СССР)]; в -- распределение линий тока у всасывающего отверстия

основании предварительно проведенного анализа линий тока 13 жидкости у всасывающего отверстия струйного насоса (рис. 1.5,в) может быть построен специально спрофилированный экран 11 с отверстиями 12 (рис. 1.5, б), обеспечивающий максимальную откачку жидкости со дна бака.

На рис. 1.6 изображены сблокированные струйные насосы, позволяющие увеличить подачу откачиваемой среды. Насос, приведенный на рис. 1.6, а, собран из профилированных тарелей, образующих в поперечном сечении обычные струйные насосы, имеющие диффузор 1, камеру смешения 2, конфузор 3. Рабочие сопла 9 собраны из штампованных или литых деталей, закрепленных на трубе 4, подводящей активную жидкость. Для организации потоков рабочей (активной) и подсасываемой (пассивной) сред по трубам 4 и 8 часть рабочих сопл 5 и камер смешения 6 заглушены. Подсасываемая среда подводится снизу по трубе 8. Конструкция в целом стянута болтами 7. Струйный насос, изображенный на рис. 1.6, б, аналогичен по конструкции предыдущему, однако для обеспечения технологичности сборки и изготовления основные детали его выполнены путем намотки полосы по спирали с последующей сваркой.

Рис. 1.6. Схемы сблокированных струйных щелевых насосов: а -- по а. с. 180290 (СССР); б -- по а. с. 800434 (СССР)

1.2 Струйные насосные установки с поверхностным приводом

В этом случае силовое оборудование и оборудование для подготовки рабочей жидкости устанавливается на поверхности. Как уже отмечалось, может использоваться однотрубная или двухтрубная система. При однотрубной системе используется пакер, который отделяет всасывающую линию от нагнетательной. При такой компоновке погружного оборудования возможны два варианта работы струйного насоса:

1. Рабочая жидкость под давлением силового поверхностного насоса подается к соплу струйного насоса через затрубное пространство, а смешанный поток поднимается на поверхность по колонне НКТ. Такая схема (прямая) наименее благоприятна, т.к. высокое давление рабочей жидкости действует на внутреннюю стенку обсадной колонны, нередко приводя к нарушению ее герметичности в резьбовых соединениях.

2. Рабочая жидкость под давлением силового насоса подается к соплу струйного насоса через колонну НКТ, а смешанный поток поднимается на поверхность по затрубному пространству (обратная схема).

На рис. 1.7 представлена схема стационарной части погружного оборудования СНУ, спускаемой на колонне НКТ вместе с пакером.

Рис. 1. 7 Схема стационарной части погружного оборудования струйной насосной установки: 1-НКТ, 2-корпус насоса, 3-радиальные каналы, 4-посадочные конусы, 5-каналы подвода инжектируемой жидкости, 6-диффузор насоса, 7-радиальные отверстия, 8-пакер, 9-приемный патрубок.

Эта часть включает колонну НКТ 1, корпус 2 струйного насоса, пакер 8 и приемный патрубок 9. В корпусе 2 струйного насоса выполнены радиальные каналы 3, сообщающие полость посадочного конуса 4 с каналами 5 подвода инжектируемой жидкости, а также размещен диффузор 6, сообщающийся радиальными отверстиями 7 с затрубным пространством скважины. Подпакерное пространство соединено с насосом патрубком 9.

Эффективная эксплуатация скважин СНУ зависит от герметичности основных элементов погружного оборудования. При любой компоновке погружного оборудования образуется три смежных полости с различными давлениями движущихся в них жидкостей: подпакерная полость, полость НКТ и полость затрубного пространства При этом каждая из полостей связана с погружным струйным насосом. Так, например, для однотрубной обратной схемы СНУ с пакером по колонне НКТ к струйному насосу движется рабочая жидкость под высоким давлением; в подпакерном пространстве--инжектируемая жидкость низкого давления; в затрубном пространстве -- смешанный поток рабочей и инжектируемой жидкости, давление в котором определяется гидравлическими сопротивлениями и весом гидростатического столба смешанного потока. Исходя из изложенного, герметичность элементов погружного оборудования является одним из важных условий нормальной работы СНУ. Поэтому контроль герметичности системы является основной операцией при запуске СНУ в работу.

Сложность данной операции для упомянутой однотрубной схемы СНУ состоит в том, что погружной струйный насос имеет нормально открытые отверстия для выхода смешанного потока. Таким образом, при неработающей СНУ затрубное пространство всегда гидравлически связано с полостью НКТ и подпакерным пространством. Это означает, что создание опрессовочного давления только в одной из этих полостей невозможно без применения специального погружного опрессовочного устройства; при этом раздельная опрессовка этих полостей является необходимым условием поиска и определения возможных источников негерметичности. Кроме того, особенностью опрессовки пакера является то, что в зависимости от поглощающей способности продуктивного пласта опрессовочное давление на пакер необходимо подавать снизу (в подпакерное пространство) или сверху (в надпакерное затрубное пространство). Именно поэтому опрессовочное устройство должно обеспечивать раздельный и последовательный контроль герметичности погружного оборудования СНУ. Такое опрессовочное устройство разработано фирмой «Инжектор».

На рис. 1.8 представлены компоновки погружного оборудования при опрессовке пакера сверху (рис. 1.8 а) и снизу (рис. 1.8 б).

Рис. 1. 8 Схема погружной струйной насосной установки: а-при опрессовке пакера сверху; б-при опрессовке пакера снизу. 1-НКТ, 2-корпус насоса, 3-радиальные каналы, 4-посадочные конусы, 5-каналы подвода инжектируемой жидкости, 6-диффузор насоса, 7-радиальные отверстия, 8-пакер, 9-приемный патрубок, 10-ловильная головка, 11-фильтр, 12-осевой канал, 13-центратор, 14-подъемный узел, 15-сердечник, 16-съемная заглушка, 17-центральный канал сердечника, 18-кольцевая проточка, 19-радиальные отверстия сердечника, 20-уплотнительные элементы.



В посадочном конусе 4 корпуса насоса 2 размещено спускаемое опрессовочное устройство, включающее в себя сердечник 15 и подъемный узел 14. На поверхности сердечника имеются два уплотнительных элемента 20 и кольцевая проточка 18, которая с помощью радиальных отверстий 19 сообщается с центральным каналом 17 сердечника. Подъемный узел 14 имеет осевой канал 12, фильтр 11,ловильную головку 10, съемный центратор 13 и крепится к сердечнику 15 разъемным соединением, в котором размещена съемная заглушка 16, разобщающая каналы 12 и 17.

На рис. 1.8 б представлена компоновка погружного оборудования при опрессовке пакера снизу. Все элементы аналогичны схеме на рис. 1.8 а, за исключением съемной заглушки 16, которая в этом случае не используется. При опрессовке пакера сверху опрессовочное давление подается в затрубное пространство, а опрессовка НКТ производится закачкой опрессовочной жидкости в НКТ.

При опрессовке пакера снизу опрессовочное давление подается в колонну НКТ (рис.1.8 б).

Технология запуска скважинной насосной установки следующая. В скважину на колонне НКТ спускается погружное оборудование, представленное на рис. 1.7, и определяется приемистость скважины закачкой жидкости в затрубное пространство. Опускают в корпус струйного насоса опрессовочное устройство с заглушённым центральным каналом (см. рис. 1.8 а), создают давление опрессовки в полости НКТ и выдерживают его в течение 30 минут. Снижают давление и производят посадку пакера в колонне. Начиная с этого момента, порядок операций по опрессовке пакера зависит от определенной ранее продуктивности (приемистости) скважины. Для скважин с хорошей продуктивностью порядок опрессовки следующий: в НКТ создают давление фиксации опрессовочного устройства, величина которого определяется из условия:



где ,, - давление опрессовки эксплуатационной колонны, НКТ и фиксации опрессовочного устройства, создаваемого в НКТ, соответственно.

Затем в затрубном пространстве создают давление опрессовки пакера, величина которого определяется из условия:

где -расчетный перепад давлений на пакер в процессе нормальной работы СНУ; -давление опрессовки пакера.

После опрессовки плавно снижают давление в затрубном пространстве и полости НКТ и поднимают опрессовочное устройство на поверхность.

Для скважин, у которых очень низкая приемистость, порядок опрессовки следующий. Поднимают на поверхность опрессовочное устройство, извлекают съемную заглушку 16 из центрального канала 17 сердечника 15 и опускают опрессовочное устройство в корпус насоса (рис. 1.8 б). При открытом затрубном пространстве в полости НКТ создают давление опрессовки, которое через каналы 12 и 17, радиальные отверстия 19 сердечника опрессовочного устройства, радиальные каналы 3 и каналы 5 корпуса 2 струйного насоса передается в подпакерное пространство скважины. После опрессовки пакера давление в НКТ плавно снижают, а опрессовочное устройство поднимают на поверхность.

Дальнейшие операции по запуску насосной установки и скважины заключаются в следующем. Производят замену жидкости глушения на рабочий агент. В корпус струйного насоса устанавливают вставную часть насоса (см. рис. 1.9) и подают по НКТ рабочий агент к струйному насосу, который, истекая из сопла 16, создает пониженное давление в приемной камере 17, и продукция скважины (инжектируемый поток) из подпакерного пространства через каналы 5 и отверстия 3 поступает к струе рабочего агента. Далее рабочий агент и инжектируемая продукция скважины смешиваются в камере смешения 19, через диффузор 6 смешанный поток поступает в затрубное пространство и затем -- на поверхность.

На рис. 1.9 представлена компоновка погружного оборудования при рабочем положении струйного насоса. В посадочном конусе 4 располагается вставная часть струйного насоса, включающая в себя активное сопло 16, приемную камеру 17 и камеру смешения 19.

Рис. 1.9 Схема погружной струйной насосной установки в рабочем положении: 1-НКТ, 2-корпус насоса, 3-радиальные каналы, 4-посадочные конусы, 5-каналы подвода инжектируемой жидкости, 6-диффузор насоса, 7-радиальные отверстия, 8-пакер, 9-приемный патрубок, 10-ловильная головка, 11-фильтр, 12-осевой канал, 13-центратор, 14-подъемный узел, 15-сердечник, 16-активное сопло струйного насоса, 17-приемная камера, 18-кольцевая проточка, 19-камера смешения, 20-уплотнительные элементы. Ри-давление инжектируемой жидкости (продукции скважины) на приеме насоса, Рсм-давление смешанного потока (на выходе насоса).

1.3 Струйные насосные установки с погружным приводом

Широко применяемые для добычи нефти установки погружных электрических центробежных насосов (УЭЦН) можно использовать в качестве силовых приводов струйных насосов, формируя так называемые тандемные установки «ЭЦН-СН». Под тандемными установками будем понимать такие установки для эксплуатации скважин, глубинный насосный агрегат которых представлен, по крайней мере, двумя насосами с различным или одинаковым принципом действия.

В 1968 г. в МИНХ и ГП им. И.М. Губкина предложена схема тандемной установки «ЭЦН--струйный насос», предназначенная для повышения эффективности и оптимизации подъема продукции скважины за счет максимального использования энергии выделяющегося из нефти газа, а также для повышения ее дебита. На рис. 1.10 приведена принципиальная схема тандемной установки «ЭЦН-СН».

Рис. 1. 10 Принципиальная схема тандемной установки "ЭЦН-СН": 1-погружной агрегат УЭЦН, 2-корпус струйного насоса, 3-колонна НКТ, 4-сопло, 5-приемная камера, 6-обратный клапан, 7-камера смешения, 8-диффузор.

Установка включает погружной агрегат УЭЦН 1, спускаемый на колонне НКТ 3, на выкиде которого установлен струйный насос, включающий корпус 2, сопло 4, приемную камеру 5, обратный клапан 6, камеру смешения 7 и диффузор 8.

Тандемная установка работает следующим образом. Продукция скважины, откачиваемая погружным центробежным насосом, подается к соплу 4 струйного насоса, в котором скорость потока возрастает. Истекающая из сопла струя попадает в приемную камеру 5, понижая в ней давление. При этом обратный клапан 6 открывается, и часть продукции скважины (жидкость и отсепарированный на входе в насос свободный газ) поступает в приемную камеру. В камере 7 происходит смешение силовой жидкости (продукции скважины) с инжектируемой из затрубного пространства смесью; здесь формируется мелкодисперсная газожидкостная смесь, которая пройдя диффузор 8, попадает в колонну НКТ 3 и далее поднимается на поверхность.

При разработке тандемных установок исходили из следующих основных требований:

1. Возможность увеличения отбора продукции из добывающих скважин.

2. Максимальное использование сепарирующегося у приема ЭЦН свободного газа для подъема продукции скважины, а также дополнительное выделение газа из раствора за счет снижения давления в сопле и приемной камере с формированием в камере смешения мелкодисперсной смеси (т.е. создания наиболее благоприятной эмульсионной структуры смеси).

3. Повышение КПД установки за счет исключения канала подачи силовой (рабочей) жидкости (снижение гидравлических потерь) и за счет наиболее полного и эффективного использования энергии свободного газа (увеличение газлифтного эффекта).

4. Упрощение конструкции установки со струйным насосом, повышение надежности ее работы и снижение металлоемкости (исключается вариант двухрядного подъемника или отпадает необходимость использования пакера, отпадает также необходимость специальной подготовки рабочей жидкости и обслуживания всего поверхностного оборудования СНУ).

5. Упрощение и сокращение сроков подземного ремонта скважины.

Кроме этого, учитывая характеристики Q-Н ЭЦН и струйного насоса, можно говорить о гибкости тандемной установки и автоматической перестройке режима ее работы при изменении условий эксплуатации, связанных с изменением пластового давления, свойств продукции и продуктивности скважины; при этом ЭЦН работает в области оптимального режима.

Практика широкомасштабного промышленного применения тандемных установок «ЭЦН-СН» вскрыла еще одно чрезвычайно важное их преимущество перед всеми известными установками для добычи нефти: возможность вызова притока, освоения и вывода на проектный режим работы скважин любых категорий сложности, которые не могут быть освоены известными способами за разумное время, т.е. при допустимой стоимости процесса освоения.



Рис. 1.11 Типовая совместная характеристика ЭЦН+СН

Наличие на выходе ЭЦН струйного аппарата позволяет задать режим ЭЦН в рабочей части его характеристики путем соответствующего подбора размеров выходного сечения активного сопла. Кроме того, в предложенном решении величина полезного расхода продукции, подаваемой на поверхность, включает в себя подачу как эжектируемой, так и рабочей среды, что существенно увеличивает КПД струйного аппарата в составе установки.

1.4 Эксплуатация скважин с боковыми стволами малого диаметра с помощью струйного насоса

Бурение боковых стволов позволяет решить ряд актуальных задач:

* увеличение дебита скважины за счет вскрытия продуктивных горизонтов дополнительным стволом;

* ввод бездействующих скважин, которые не эксплуатировались по техническим причинам;

* уменьшение объема бурения новых скважин;

* сокращение капитальных вложений на разработку месторождений;

* нет необходимости строительства дополнительных кустовых площадок и коммуникаций;

* восстановление бездействующего фонда скважин будет обходиться в 1,5-2 раза дешевле, чем бурение новых скважин;

* недостатками боковых стволов малого диаметра (БСМД) является сложность эксплуатирования, обусловленная малым диаметром и значительной интенсивностью набора кривизны.

На сегодняшний день для работы в боковых стволах существуют и используются следующие технологии и оборудование: электроцентробежные насосные установки малого габарита (2А и 3 производства НПФ «НОВОМЕТ-Пермь»), технология использования основного и подпорного насосов с двусторонним ПЭД (производства ОАО «АЛМАЗ» и ООО «Уралэнергопром»), скважинные насосные установки с канатной штангой - совместная разработка ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» и РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина.

Существует достаточно большое количество БСМД, в которых нет возможности эксплуатировать вышеперечисленное оборудование из-за больших темпов набора кривизны (рис. 1.12 и 1.13).

Рис. 1.12 Зависимость диаметра от длины оборудования для различных углов кривизны бокового ствола скважины, Двн =102 мм.



Рис. 1.13 Зависимость диаметра от длины оборудования для различных углов кривизны бокового ствола скважины, Двн =89 мм.

Анализ расчетов показывает, что при внутреннем диаметре эксплуатационной колонны 102 мм и темпе набора кривизны 50? максимальный диаметр насосного оборудования составит 88, 86,6 и 84,3 мм при длине оборудования соответственно 4000, 4200 и 4500 мм.

При увеличении набора кривизны до 60? и длине оборудования 4000 мм диаметр должен уменьшиться до 81,1 мм.

Для эксплуатационных колон с внутренним диаметром 89 мм и углом набора кривизны 50? при длине оборудования 4000 мм его диаметр не должен превышать 71,6 мм.

Результаты расчетов показали, что для нормального размещения оборудования пространственный угол набора кривизны при бурении боковых стволов с эксплуатационной колонной 114 мм (внутренний диаметр - 102 мм) не должен превышать 3-4?, а для эксплуатационных колонн диаметром 102 мм (внутренний диаметр - 89 мм) - 2-2,5?.

Анализ данных инклинометрии фонда скважин с боковыми стволами малого диаметра показал, что встречается интенсивность набора кривизны более 22? на 10 м. Было принято решение рассмотреть возможность применения в таких скважинах установок струйного насоса из-за малых диаметральных и осевых габаритов.

Струйные насосы используют в разнообразных технологических процессах, в т.ч. при добыче, сборе и подготовке нефти и газа. Струйная техника проста и компактна в конструктивном исполнении из-за отсутствия подвижных деталей имеет высокую надежность.

Рис. 1.14 Области применения различных насосных установок для добычи нефти

На кафедре машин и оборудования РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина была разработана линейка типоразмеров струйных насосов производительностью от 10 до 100 м3/сут. и выше. При проектировании струйного насоса для БСМД использовались результаты исследований, проведенных в лаборатории скважинных насосных установок Кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина.

Диаметральный габарит скважинного струйного насоса - 50 мм, длина -850 мм. Данный вид оборудования можно эксплуатировать в любом БСМД, а также можно размещать его в горизонтальных скважинах. На рисунке 1.15 представлена схема размещения струйного насоса в БСМД.

При составлении технико-экономического обоснования на использование струйных насосов могут потребоваться расчеты нескольких альтернативных вариантов. Это может быть связано с наличием нескольких силовых насосов, различных по своим техническим характеристикам и по стоимости. Для решения конкретной поставленной задачи было принято решение использовать энергетические ресурсы системы ППД на кусте скважин. От соседней скважины ППД был проведен водовод, вода поступала на сепаратор песочный наземный циклонного типа СПНЦТ, который обеспечивает подготовку воды из системы ППД необходимого качества для обеспечения бесперебойной работы установки струйного насоса.

Подбор струйного насоса проводился на ПК «Автотехнолог» с помощью расчетного блока «Струйный насос». В скважину была спущена следующая сборка оборудования: скважинный сепаратор механических примесей СПНЦ-60, пакер, струйный насос, переводник-шламоуловитель, погружные манометр и термометр. Оборудование размещено в боковом стволе согласно расчетным данным на глубине 1371 м, угол отклонения от вертикали на этой глубине составляет 52,35?, темп набора кривизны на интервале установки оборудования - 0,67? на 10 м. Максимальная интенсивность набора кривизны в БСМД составила 22,31? на 10 м в интервале 1210-1230.

Результаты экспериментального определения диапазона производительности струйного насоса при различных режимах работы представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Результаты экспериментального определения диапазона производительности струйного насоса при различных режимах работы



Производительность данного струйного насоса обеспечивается в диапазоне от 6,6 до 55,6 м3/сут. с помощью смены диаметра штуцера от 3 до 8 мм на дисковой задвижке фонтанной арматуры.

Рис. 1.15 Схема размещения струйного насоса в боковом стволе малого диаметра: 1-задвижка, 2-вентиль, 3-манометр, 4-дроссель ЗДШР 65-21, 5-боковой ствол, 6-НКТ 60, 7-струйный насос, 8-пакер.

Скважина находится в работе с ноября 2013 г. со следующими рабочими параметрами:

* давление подачи рабочей жидкости - 17,8 МПа;

* линейное давление - 1,5 МПа;

* расход рабочей жидкости - 79,2 м3/сут.;

* дебит скважины - 34 м3/сут.;

* давление на приеме струйного насоса (под пакером) - 68 атм.;

* забойное давление - 74 атм.

Система функционирует без нареканий при различных режимах пуска, работы и аварийных остановках. Расчетные значения забойного давления и дебита по скважине достигнуты.

Во время ОПИ была проверена работоспособность струйного насоса для добычи нефти из скважин с боковыми стволами малого диаметра, на основании полученных результатов уточнена универсальная методика расчета струйного насоса.

Проведение ОПИ доказало, что данная техника и технология обеспечивает возможность эксплуатации БСМД с внутренним диаметром 89 и 102 мм с большими темпами набора кривизны (до 22? на 10 м), где другие виды оборудования по вышеперечисленным параметрам эксплуатировать невозможно.

Применение струйных насосных установок позволяет решить проблему эксплуатации боковых столов малого диаметра при самых сложных условиях, возникающих из-за малого диаметра и больших темпов набора кривизны, а значит, обеспечить повышение добычи нефти и увеличение нефтеотдачи пластов.

1.5 Кавитация в струйном насосе

Кавитацией называют процесс образования в капельной жидкости пузырьков, заполненных парами или газом, выделившимся из жидкости при снижении статического давления до некоторого критического значения. Критическое давление соответствует в реальных условиях давлению парообразования или давлению насыщения для растворенного в жидкости газа.

Рабочий процесс в струйном насосе при кавитации видоизменяется. Образующиеся в жидкости газовые пузырьки занимают часть поперечного сечения камеры смешения, которая до кавитации была заполнена только жидкостью. Такое замещение жидкости газом вызывает уменьшение расхода перекачиваемой жидкости.

Если имеет место кавитация, то при снижении относительного напора относительный расход остаётся неизменным и равным некоторому критическому значению. Для расчета критического значения относительного расхода используют формулу, полученную на основе уравнения Бернулли применительно к условиям входа в камеру смешения, где фиксируется минимальное статическое давление:

qк = (a-1)*(1+0)/(1+2)*(P1-Pк)0,5/(P0-Pк)0,5

Таким образом, параметр qк вносит ограничения на использование формулы (1.6). При наличии кавитации расчёты отражают реальные процессы только в ограниченном диапазоне значений относительного расхода: 0 q qк.

Для оценки режима работы струйного насоса можно использовать и дополнительный параметр, названный коэффициентом запаса по кавитации:

Kк = (qк - qопт)/qопт

Если этот коэффициент имеет положительное значение, тогда струйный насос способен работать с максимально возможным для него КПД. Отрицательные значения коэффициента запаса нам подсказывают, что из-за кавитации в данных условиях невозможно обеспечить эксплуатацию струйного насоса с максимальным для данной конструкции КПД.



2. Обзор научно-технической и патентной литературы

В результате патентного обзора были выявлены следующие полезные модели и изобретения:

RU 120162 «Струйный насос». Авторы: Сазонов Ю.А., Казакова Е.С.

Рис.2. 1 Струйный насос: 1-сопло, 2-камера смешения, 3-входной канал, 4,5-цилиндрические участки, 6-выходное сечение камеры смешения, 7-диффузор, 8-дополнительный диффузор, 9-коническая поверхность, 10-кольцевые проточки.

Реферат:

Полезная модель относится к насосостроению, в частности, к струйным насосным установкам, и может быть использована в нефтяной, газовой и других отраслях промышленности для добычи из скважин жидкостей, газов и газожидкостных смесей, в том числе может быть использована при создании технологий и техники для водогазового воздействия на нефтяные пласты. Технической задачей, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является расширение области применения струйных насосов, в особенности, при перекачке газожидкостных смесей. При решении указанной задачи технический результат достигается тем, что струйный насос, содержит сопло, камеру смешения переменного по длине проходного сечения с входным коническим сужающимся участком и последующими цилиндрическими участками, соединенными между собой последовательно, с обеспечением увеличения площади сечения на выходе камеры смешения. Струйный насос содержит диффузор, присоединенный к выходу из камеры смешения. Камера смешения содержит в своем составе, по крайней мере, один дополнительный участок, выполненный в виде дополнительного диффузора, обеспечивающего плавное увеличение проходного сечения по направлению к выходу из камеры смешения. Струйный насос может иметь исполнение, когда в камере смешения на конической поверхности дополнительного диффузора выполнены цилиндрические проточки. Технический результат заключается в обеспечении устойчивой работы струйного насоса при перекачке газожидкостных смесей в широком диапазоне изменения газосодержания перекачиваемой среды и подачи насоса.

На фигуре 1 представлена схема струйного насоса.

На фигуре 2 представлена схема камеры смешения заявляемого струйного насоса.

На фигуре 3 представлена схема дополнительного диффузора, используемого в составе камеры смешения, где на конической поверхности дополнительного диффузора выполнены цилиндрические проточки.

Струйный насос по фигурам 1-3 содержит сопло 1, камеру смешения переменного по длине проходного сечения с входным коническим сужающимся участком 2, входным каналом 3, с последующими цилиндрическими участками 4, 5, соединенными между собой последовательно, с обеспечением увеличения площади сечения на выходе 6 камеры смешения. Струйный насос содержит диффузор 7, присоединенный к выходу 6 из камеры смешения. Камера смешения содержит в своем составе, по крайней мере, один дополнительный участок, выполненный в виде дополнительного диффузора 8, обеспечивающего плавное увеличение проходного сечения по направлению к выходу 6 из камеры смешения 2.

Струйный насос может иметь исполнение, когда в камере смешения 2 на конической поверхности 9 дополнительного диффузора 8 выполнены цилиндрические проточки 10.

Струйный насос работает следующим образом.

Перекачиваемая среда подается в проточную часть струйного насоса через входной канал 3. Рабочую жидкость подают в сопло 1, где потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию и формируется струя рабочей жидкости, направленная в камеру смешения. Поскольку составная камера смешения (позиции 2, 4, 8, 5) заполнена перекачиваемой средой (это может быть жидкость, газ или газожидкостная смесь), на границе струи рабочей жидкости формируется пограничный слой, где происходит перемешивание рабочей жидкости с перекачиваемой средой. Таким образом, за счет перемешивания осуществляется силовое воздействие на перекачиваемую среду, и часть энергии передается от рабочей жидкости к перекачиваемой среде. Передача энергии осуществляется с участием сил трения, по этой причине струйные насосы и были отнесены к группе динамических насосов, насосов трения. Перекачиваемая среда подводится к струе рабочей жидкости, проходя через входной конический сужающийся участок 2. Смешанный поток далее проходит через камеру смешения переменного по длине проходного сечения с последующими цилиндрическими участками 4, 5, соединенными между собой последовательно, с обеспечением увеличения площади сечения на выходе 6 камеры смешения. Струйный насос содержит диффузор 7, присоединенный к выходу 6 из камеры смешения, в диффузоре 7 снижается скорость течения и кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию, что сопровождается ростом статической составляющей давления. Камера смешения содержит в своем составе, по крайней мере, один дополнительный участок, выполненный в виде дополнительного диффузора 8, обеспечивающего плавное увеличение проходного сечения по направлению к выходу 6 из камеры смешения. При перекачке газожидкостных смесей дополнительный диффузор 8 обеспечивает более устойчивую работу струйного насоса, без срыва перекачки и без значительных пульсаций давления в камере смешения, что значительно расширяет область применения струйного насоса. Для каждого конкретного значения газосодержания (в перекачиваемой среде) может быть подобрана оптимальная форма дополнительного диффузора 8 и оптимальная форма камеры смешения в целом. В конструкцию камеры смешения можно также включить два или более дополнительных диффузоров 8. При использовании заявляемого технического решения струйный насос способен устойчиво работать при росте давления на выходе диффузора 7, что также расширяет область применения такого струйного насоса.

Струйный насос может иметь исполнение, когда в камере смешения на конической поверхности 9 дополнительного диффузора 8 выполнены цилиндрические проточки 10. За счет чередования конических расширяющихся каналов с цилиндрическими каналами различной длины удается подобрать оптимальную форму камеры смешения для различных значений газосодержания перекачиваемой среды. Такое исполнение диффузора 8 может быть весьма технологичным при изготовлении малогабаритных струйных насосов, где производство конических деталей обычно оказывается экономически невыгодным и где обычно переходят на применение цилиндрических камер смешения, которые более дешевые в производстве, но не столь эффективны при эксплуатации. Таким образом, область применения заявляемого технического решения может быть существенно расширена за счет применения такого технического решения при производстве малогабаритных струйных насосов.

RU 143832 «Струйный насос». Авторы: Сазонов Ю.А., Туманян Х.А.

Рис.2. 2 Струйный насос: 1-корпу сопла, 2-камера смешения, 3-диффузор, 4-износостойкая проточная вставка, 5,6-разъемные части, 7-плоскость разъема, 8-ось симметрии, 9-корпус струйного насоса, 10-входной патрубок, 11-входной канал, 12-выходной канал.

Реферат:

Полезная модель относится к насосостроению, в частности, к струйным насосам, и может быть использована в нефтяной, газовой и других отраслях промышленности для добычи из скважин жидкостей, газов и газожидкостных смесей, в том числе может быть использована при создании технологий и техники для систем сбора и подготовки нефти и газа, и для водогазового воздействия на нефтяные пласты. Задачей, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является повышение технологичности и расширение области применения струйных насосов, в особенности, при добыче нефти. Технический результат достигается тем, что струйный насос, содержит корпус сопла, камеру смешения, диффузор и износостойкую проточную вставку, размещенную в корпусе сопла. Износостойкая проточная вставка выполнена разъемной и состоит, по крайней мере, из двух частей, контактирующих друг с другом по плоскости разъема. При этом плоскость разъема проходит через продольную ось износостойкой проточной вставки. Струйный насос может иметь исполнение, когда и камера смешения выполнена разъемной и состоит, по крайней мере, из двух частей, контактирующих друг с другом по плоскости разъема. Техническим результатом является создание более технологичной конструкции сопла и проточной части струйного насоса, что позволит широко использовать известные эффективные технологии упрочнения деталей, в том числе и технологии упрочнения наружных поверхностей деталей.

На фигуре 1 представлена схема струйного насоса, с продольным разрезом.

На фигуре 2 в изометрии представлен корпус сопла и износостойкая проточная вставка, которая выполнена разъемной и состоит из двух частей, контактирующих друг с другом по плоскости разъема. Для удобства описания конструкции две части износостойкой проточной вставки смещены вдоль продольной оси и раздвинуты друг относительно друга.

Струйный насос, по фигурам 1-2, содержит корпус сопла 1, камеру смешения 2, диффузор 3 и износостойкую проточную вставку 4, размещенную в корпусе сопла 1. Износостойкая проточная вставка 4 выполнена разъемной и состоит, по крайней мере, из двух частей 5 и 6, контактирующих друг с другом по плоскости разъема 7. При этом плоскость разъема 7 проходит через продольную ось 8 износостойкой проточной вставки 4.

Камера смешения 2 и диффузор 3 выполнены в корпусе 9 струйного насоса. Входной патрубок 10 по фигуре 1 фиксирует износостойкую проточную вставку 4, размещенную в корпусе сопла 1. Входной канал 11 для перекачиваемой среды сообщается с камерой смешения 2, и далее через диффузор 3 сообщается с выходным каналом 12.

Струйный насос также может иметь исполнение, когда и камера смешения 2 выполнена разъемной и состоит, по крайней мере, из двух частей, контактирующих друг с другом по плоскости разъема (на фигурах не показано).

Струйный насос работает следующим образом.

Перекачиваемая среда подается в проточную часть струйного насоса через входной канал 11. Рабочую жидкость подают через входной патрубок 10 в износостойкую проточную вставку 4, размещенную в корпусе сопла 1. В сужающейся части износостойкой проточной вставки 4 потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию и формируется струя рабочей жидкости, направленная в камеру смешения 2. Поскольку камера смешения 2 заполнена перекачиваемой средой (это может быть жидкость, газ или газожидкостная смесь), на границе струи рабочей жидкости формируется пограничный слой, где происходит перемешивание рабочей жидкости с перекачиваемой средой. Таким образом, за счет перемешивания осуществляется силовое воздействие на перекачиваемую среду, и часть энергии передается от рабочей жидкости к перекачиваемой среде. Передача энергии осуществляется с участием сил трения, по этой причине струйные насосы и были отнесены к группе динамических насосов, насосов трения. Перекачиваемая среда подводится к струе рабочей жидкости, проходя через входной канал 11. Смешанный поток далее проходит через камеру смешения 2. Струйный насос содержит диффузор 3, присоединенный к выходу из камеры смешения 2, в диффузоре 3 снижается скорость течения и кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию, что сопровождается ростом статической составляющей давления. Из диффузора 3 смесь рабочей жидкости и перекачиваемой среды поступает в выходной канал 12.

Предлагаемое техническое решение позволяет использовать известные эффективные технологии упрочнения деталей (например, технологии наплавки износостойких материалов), в том числе и технологии упрочнения наружных поверхностей деталей, поскольку износостойкая проточная вставка 4 выполнена разъемной и состоит, по крайней мере, из двух частей 5 и 6, контактирующих друг с другом по плоскости разъема 7. При этом плоскость разъема 7 проходит через продольную ось 8 износостойкой проточной вставки 4. С использованием разборной конструкции появляется возможность для упрочнения внутренней поверхности износостойкой проточной вставки 4 путем применения технологии упрочнения, рассчитанных для наружных поверхностей деталей, такая цель достигается при раздельной обработке деталей 5 и 6. Таким образом, решается сложная технологическая задача обработки и контроля качества внутренних поверхностей и каналов малого диаметра, что характерно для производства струйных насосов. Таким образом, решается задача повышения технологичности и расширения области применения струйных насосов, в том числе и при добыче нефти. При этом снижаются расходы на стадии изготовления и на стадии эксплуатации струйных насосов.

RU 2152103 «Струйная насосная установка». Авторы: Елисеев В.Н., Сазонов Ю.А., Шмидт А.П., Юдин И.С.

Рис.2. 3 Струйная насосная установка: 1-рабочая камера, 2-приемный канал, 3-сопло, 4-гидравлический канал, 5-силовой насос, 6-диафрагма, 7,8-радиальные кольцевые каналы, 9,10-трубопровод, 11-выходная линия, 12,13-запорные регулирующие клапаны, 14-винтовая пара.

Реферат:

Изобретение относится к области насосостроения. Струйная насосная установка содержит рабочую камеру, сопло, установленное с возможностью осевого перемещения и гидравлически связанное с силовым насосом, и диафрагму, размещенную между соплом и рабочей камерой соосно с ними с образованием двух радиальных кольцевых каналов, один из которых между рабочей камерой и диафрагмой сообщен с приемным каналом перекачиваемой среды. Второй радиальный кольцевой канал между диафрагмой и соплом гидравлически связан через запорные клапаны с силовым насосом и выходной линией рабочей камеры. В результате достигается повышение надежности работы установки и упрощение ее конструкции.

Задачей изобретения является упрощение конструкции насосной установки и повышение надежности ее работы при переменных режимах.

Поставленная задача достигается тем, что в струйной насосной установке, содержащей рабочую камеру, сопло, установленное с возможностью осевого перемещения и гидравлически связанное с силовым насосом, и диафрагму, размещенную между соплом и рабочей камерой соосно с ними с образованием двух радиальных кольцевых каналов, один из которых между рабочей камерой и диафрагмой сообщен с приемным каналом перекачиваемой среды, согласно изобретению, второй радиальный кольцевой канал между диафрагмой и соплом гидравлически связан через запорные регулирующие клапаны с силовым насосом и выходной линией рабочей камеры.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена предлагаемая струйная насосная установка.