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

Струйная насосная установка содержит рабочую камеру 1, приемный канал перекачиваемой среды 2, сопло 3, связанное гидравлическим каналом 4 с силовым насосом 5. Между соплом 3 и рабочей камерой 1 соосно с ними размещена диафрагма 6 с образованием двух радиальных кольцевых каналов 7 и 8. Канал 7 сообщается с приемным каналом 2. Радиальный кольцевой канал 8 между диафрагмой 6 и соплом 3 через один трубопровод 9 гидравлически связан с силовым насосом 5, а через другой трубопровод 10 гидравлически связан с выходной линией 11 рабочей камеры 1. Каждый из двух названных трубопроводов 9, 10 оснащен запорными регулирующими клапанами соответственно 12, 13. Предварительная регулировка установки возможна за счет осевого перемещения сопла 3 с помощью винтовой пары 14.

Струйная установка работает следующим образом.

Силовой насос 5 обеспечивает подачу рабочей среды через канал 4 в сопло 3. Сформированная в сопле рабочая струя через отверстие диафрагмы 6 попадает в рабочую камеру 1, обеспечивая снижение давления в кольцевом радиальном канале 7 и приемном канале 2, из которого перекачиваемая среда направляется также в рабочую камеру 1. В рабочей камере 1 осуществляется перемешивание рабочей и перекачиваемой сред, снижение скорости течения и повышение давления в диффузорной части рабочей камеры 1. Смесь рабочей и перекачиваемой сред отводится в выходную линию 11. Рабочей и перекачиваемой средой может быть жидкость или газ, или газожидкостная смесь с различными соотношениями входящих компонентов.

Управление работой установки может осуществляться в двух режимах: ручном и автоматическом.



3. Расчетная часть

3.1 Методика расчетов струйных насосов

Для повышения эффективности проектных работ подготовлена методика «Насос струйный.xls», рассчитанная под программу Microsoft Excel.

В методике рассмотрен базовый вариант использования струйного насоса для добычи нефти (или для освоения нефтяной скважины). Расчётная схема представлена на рисунке 3.1. Вместе с тем, методика составлена так, что с её помощью можно спроектировать струйный насос практически для любой области применения данной техники. Методика позволяет рассчитать параметры струйного насоса для оптимальных режимов работы - с максимальным КПД. Сама процедура выполнения расчётов и принятия решения разбита на 9 коротких этапов.

Рис.3.1 Расчетная схема струйной насосной установки

Этап №1. Открывают лист «Исходные данные»

В таблицу 3.1, в специально отведённые ячейки, заносят числовые значения девяти основных параметров. Таким образом, формулируют задание на проектирование струйного насоса.

Таблица 3.1

	Исходные данные для расчёта струйного насоса
№ п.п.	Наименование параметра	Условное обозначение	Единицы измерения	Числовое значение
1	Дебит скважины (расход перекачиваемой среды)	Q1	м3/сут	40
2	Пластовое давление	РР	МПа	12
3	Коэффициен продуктивности скважины	Kпрод	м3/(сут*МПа)	8
4	Внутренний диаметр насосно-компрессорных труб первого ряда	DL0	м	0,038
5	Внутренний диаметр насосно-компрессорных труб второго ряда	DL4	м	0,076
6	Длина колонны насосно-компрессорных труб первого ряда (глубина до кровли продуктивного пласта)	L0	м	1800
7	Длина колонны насосно-компрессорных труб второго ряда (глубина до кровли продуктивного пласта)	L4	м	1800
8	Давление на устье скважины	P4U	МПа	0
9	Давление насыщения паров жидкости	Pk	МПа	0,002

Этап №2. Открывают лист «Кавитация»

Подводя курсор к точкам на графике, рис. 3.2, по появляющимся на экране числам определяют диапазон значений геометрического параметра d3/d0, соответствующий положительным значениям коэффициента запаса Kк. В данном примере 1,14 < d3/d0 < 2,30.



Рис.3.2 Зависимость коэффициента запаса от геометрического параметра струйного насоса

Этап №3. Открывают лист «Мощность насоса NN»

Анализируют зависимость мощности силового насоса от геометрического параметра струйного насоса, рис. 3.3. Для данного примера - в области значений 1,14 < d3/d0 < 2,30.

Подводя курсор к точкам на графике, по появляющимся на экране числам определяют диапазон значений геометрического параметра d3/d0, соответствующий наименьшим значениям мощности силового насоса. В данном примере посчитали за возможное двукратное различие значений мощности в крайних точках. Таким образом, диапазон значений геометрического параметра немного сузился: 1,275 < d3/d0 < 2,30. При этом мощность соответственно меняется в диапазоне 25,54кВт ? NN ? 13,77кВт.



Рис.3.3 Зависимость мощности силового насоса от геометрического параметра струйного насоса

Этап №4. Открывают лист «Давление насоса PN»

Подводя курсор к точкам на графике, рис. 3.4, по появляющимся на экране числам определяют диапазон значений давления силового насоса. Для выбранного диапазона значений геометрического параметра (1,275 < d3/d0 < 2,30) соответствует следующий диапазон значений давления насоса: 10,81МПа < РN < 42,09МПа.



Рис.3.4 Зависимость давления силового насоса от геометрического параметра струйного насоса

Этап №5. Принятие решения

Сгруппируем полученные данные:

1,275 < d3/d0 < 2,30

25,54кВт ? NN ? 13,77кВт

10,81МПа < РN < 42,09МПа.

Необходимо проанализировать полученные данные и выбрать одно значение геометрического параметра. Преследуя только цель экономии энергии, можно выбрать простой и логичный вариант d3/d0 = 2,30. Однако, надо учитывать, что тогда, при нулевом коэффициенте запаса Kк, струйный насос будет работать в режиме кавитации, а это повлечёт преждевременный износ камеры смешения и входного участка. Кроме того, силовой насос будет работать при довольно высоком давлении, что отразится на его надёжности. В данном примере видится целесообразным принять значение геометрического параметра d3/d0 = 1,6. Тогда мощность силового насоса немного возрастёт NN = 14,52кВт (но прирост мощности не превысит 10%), зато давление силового насоса уменьшится в два раза РN = 17,09МПа и кавитация исключается.

В данном примере принято решение в пользу выбора струйного насоса с геометрическим параметром d3/d0 = 1,6.

Этап №6. Открывают одновременно листы «Размеры» и «Характеристики».

В таблице 3.2 находят нужную строку, с выбранным значением геометрического параметра. В данном примере d3/d0 = 1,6.

В ячейки таблицы 2.3 заносят числовые значения параметров, равные соответствующим значениям параметров из таблицы 3.2: d0, d3, Q0, qк

На данном этапе уточняют значение плотности рабочей жидкости - с.

Вспомогательный коэффициент «кi» позволяет регулировать протяженность линий при графическом изображении характеристик струйного насоса. Если такая линия прошла в зону отрицательных значений давления, следует уменьшать значение вспомогательного коэффициента «кi», непосредственно в таблице 3.3, до получения положительных значений давления (или относительного напора).

После заполнения ячеек таблицы 3.3 на открытом листе можно увидеть рабочие характеристики спроектированного струйного насоса, рис. 3.5 и 3.6.

На характеристиках красными линиями выделены режимы кавитации при работе струйного насоса. Расчётные характеристики в зоне левее красной линии отражают реальные процессы и могут использоваться для решения практических задач. Участки характеристик, расположенные правее красной линии, носят информационный характер, для случаев, когда кавитация бы отсутствовала.

Таблица 3.2

	м	м	м3/с
d3/d0	d0	d3	Q0	qk
1,140	0,00695	0,00792	0,007847	0,145
1,150	0,00638	0,00733	0,006430	0,160
1,175	0,00550	0,00646	0,004695	0,193
1,200	0,00492	0,00590	0,003764	0,224
1,225	0,00448	0,00549	0,003149	0,254
1,250	0,00413	0,00517	0,002707	0,283
1,275	0,00383	0,00489	0,002362	0,313
1,300	0,00359	0,00466	0,002095	0,342
1,325	0,00337	0,00446	0,001874	0,371
1,350	0,00319	0,00431	0,001708	0,400
1,375	0,00302	0,00415	0,001554	0,429
1,400	0,00287	0,00402	0,001429	0,458
1,425	0,00274	0,00391	0,001322	0,486
1,450	0,00263	0,00381	0,001228	0,515
1,475	0,00252	0,00371	0,001144	0,543
1,500	0,00242	0,00363	0,001072	0,571
1,525	0,00233	0,00355	0,001007	0,599
1,550	0,00224	0,00348	0,000949	0,627
1,575	0,00216	0,00340	0,000894	0,654
1,600	0,00209	0,00335	0,000849	0,683
1,625	0,00203	0,00329	0,000807	0,711
1,650	0,00196	0,00324	0,000768	0,738
1,675	0,00190	0,00319	0,000732	0,766
1,700	0,00185	0,00314	0,000700	0,793
1,725	0,00180	0,00310	0,000669	0,820
1,750	0,00175	0,00306	0,000641	0,847
1,800	0,00166	0,00298	0,000590	0,901
1,850	0,00158	0,00292	0,000549	0,955
1,900	0,00151	0,00286	0,000512	1,009
1,950	0,00144	0,00281	0,000479	1,062
2,000	0,00138	0,00276	0,000449	1,114
2,100	0,00127	0,00268	0,000400	1,219
2,200	0,00118	0,00261	0,000360	1,324
2,300	0,00111	0,00255	0,000327	1,427
2,400	0,00104	0,00249	0,000298	1,527
2,500	0,00098	0,00244	0,000274	1,628
2,600	0,00092	0,00240	0,000254	1,729
2,700	0,00088	0,00236	0,000236	1,829
2,800	0,00083	0,00232	0,000220	1,925
2,900	0,00079	0,00228	0,000204	2,018
3,000	0,00076	0,00227	0,000194	2,123
3,200	0,00069	0,00222	0,000173	2,317
3,400	0,00064	0,00218	0,000156	2,512
3,600	0,00060	0,00215	0,000142	2,703
3,800	0,00056	0,00212	0,000130	2,891
4,000	0,00052	0,00209	0,000119	3,078
4,200	0,00049	0,00207	0,000111	3,277
4,400	0,00046	0,00204	0,000103	3,457
4,600	0,00044	0,00202	0,000096	3,642
4,800	0,00042	0,00200	0,000090	3,827
5,000	0,00040	0,00199	0,000085	4,016

Таблица 3.3

Исходные данные для построения характеристик (Выбрать из таблицы 3.2)
м	м	м3/с		кг/м3
d0	d3	Q0	qk	p	кi
0,00209	0,00335	0,000849	0,683	1000	0,6

Рис.3.5 Характеристики струйного насоса

Рис.3.6 Характеристики струйного насоса



Этап №7. Открывают лист «Система НАСОС-СКВАЖИНА»

Расчётному режиму работы струйного насоса соответствует точка пересечения характеристики насосной установки с характеристикой скважины, рис. 3.7.

Рис.3.7 Характеристики насосной установки и скважины

Этап №8. Открывают лист «Отчёт»

Здесь, в таблице 3.4, представлены результаты расчёта струйного насоса в соответствии с заданием на проектирование по этапу №1.

Этап №9. Расчёт альтернативных вариантов

При составлении технико-экономического обоснования на использование струйных насосов могут потребоваться расчёты нескольких альтернативных вариантов. Это может быть связано с наличием нескольких силовых насосов, различных по своим техническим характеристикам и по стоимости. В этом случае следует повторить расчёт, начиная с этапа №5, и выбрать соответствующий вариант исполнения струйного насоса с другим значением геометрического параметра d3/d0 .

При необходимости уточнения рабочих характеристик для имеющегося в наличии струйного насоса можно воспользоваться одной частью представленной методики - Этап №6. Открывают лист «Размеры струйного насоса». В таблицу 3.3 заносят значения параметров имеющегося струйного насоса. После заполнения ячеек таблицы 3.3 на открытом листе можно увидеть рабочие характеристики этого струйного насоса.

Таблица 3.4

	Результаты расчёта струйного насоса
№ п.п.	Наименование параметра	Условное обозначение	Единицы измерения	Числовое значение
1	Диаметр выходного отверстия сопла	d0	м	0,00209
2	Диаметр камеры смешения	d3	м	0,00335
3	Длина камеры смешения	L3	м	0,023
4	Радиус входного участка (рекомендуемое значение)	R2	м	0,003
5	Угол конусности диффузора (угол при вершине конуса)	?4	градус	7
6	Диаметр выходного отверстия диффузора (рекомендуемое значение)	d4	м	0,010
7	Расход рабочей жидкости	Q0	м3/с	0,000849

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

Задаем исходные значения параметров (Кпрод=20 м3/(сут*МПа))



Таблица 3.5 - Исходные значения

На графике зависимости коэффициента запаса от геометрического отношения d3/d0 определим диапазон, который соответствовал бы положительным значениям коэффициента запаса Kк. В нашем случае, 1,14 < d3/d0 < 3. Примем двукратное различие значений геометрического параметра. Таким образом, 1,14 < d3/d0 < 2,3.

Рис.3. 8 Зависимость коэффициента запаса от геометрического параметра насоса

Для диапазона 1,14 < d3/d0 < 2,3 по графику зависимости мощности силового насоса от геометрического параметра d3/d0 определяем соответствующие значения. Также примем за возможное двукратное различие значений мощности силового насоса. В итоге, диапазон сузился до 1,225 < d3/d0 < 2,30, а мощность (кВт) изменяется в пределах 76,39 NN 37,53.

Рис.3. 9 Зависимость мощности силового насоса от геометрического параметра насоса

Для выбранного диапазона значений геометрического параметра (1,225 < d3/d0 < 2,30) находим соответствующие значения давления силового насоса (МПа). Получаем, 9,70 РN 45,88.



Рис.3. 10 Зависимость давления силового насоса от геометрического параметра

Сгруппируем полученные данные:

1,225 < d3/d0 < 2,30

76,39 ? NN ? 37,53

9,70 < РN < 45,88

Необходимо проанализировать полученные данные и выбрать одно значение геометрического параметра. Преследуя только цель экономии энергии, можно выбрать простой и логичный вариант d3/d0 = 2,30. Однако, надо учитывать, что тогда, при коэффициенте запаса Kк = 0,134, струйный насос будет работать в опасном режиме, близком к кавитации, а это повлечёт преждевременный износ камеры смешения и входного участка. Кроме того, силовой насос будет работать при довольно высоком давлении, что отразится на его надёжности. В данном примере видится целесообразным принять значение геометрического параметра d3/d0 = 1,7. Тогда мощность силового насоса немного возрастёт NN = 37,94 кВт (но прирост мощности не превысит 5%), зато давление силового насоса уменьшится больше, чем в два раза РN = 21,69МПа и кавитация исключается.

Для d3/d0 = 1,7 числовые значения параметров следующие:

d0=0,00246 м, d3=0,00418 м, Q0=0,001399 м3/с, qк=0,883.



Таблица 3.6 - Размеры

Заносим данные значения в таблицу 3.7

Таблица 3.7

После заполнения ячеек можно увидеть рабочие характеристики струйного насоса



Рис.3.11 Характеристики струйного насоса

Рис.3.12 Характеристики струйного насоса

Расчётному режиму работы струйного насоса соответствует точка пересечения характеристики насосной установки с характеристикой скважины, рис. 3.13.

Рис.3.13 Характеристика насосной установки и скважины

Таблица 3.8 - Результаты расчета струйного насоса

Для коэффициента продуктивности скважины равному 15 м3/(сут*МПа) нужно выполнить последовательно те же расчеты, что были проведены выше.

Таблица 3.9 - Исходные значения



2*. 1,14 < d3/d0 < 2,30

Рис.3. 14 Зависимость коэффициента запаса от геометрического параметра насоса

3*. 83,46 кВт ? NN ? 41,82 кВт

1,225 < d3/d0 < 2,30

Рис.3. 15 Зависимость мощности силового насоса от геометрического параметра насоса

4*. 10,60 МПа < РN < 51,12 Мпа



Рис.3. 16 Зависимость давления силового насоса от геометрического параметра

5*. 1,225 < d3/d0 < 2,30

83,46 кВт ? NN ? 41,82 кВт

10,60 МПа < РN < 51,12 МПа

d3/d0 = 1,7.6*.

Таблица 3.10



Таблица 3.11

Рис.3.17 Характеристики струйного насоса

Рис.3.18 Характеристики струйного насоса7*.

Рис.3.13 Характеристика насосной установки и скважины

Таблица 3.12 - Результаты расчета струйного насоса



Заключение

Изменение условий эксплуатации, повышение глубин и конфигураций скважин, ухудшение параметров пластового флюида оказывают огромное влияние как на темпы отбора пластовой жидкости, так и на эксплуатационные характеристики скважинного оборудования. В настоящее время в виду наличия у струйного насоса определенных достоинств, мало какое оборудование сможет составить ему конкуренцию, особенно при эксплуатации скважин с БСМД. К ним можно отнести: простота конструкции, отсутствие вращающихся и подвижных частей, малые диаметральные и осевые габариты, стабильность характеристик при изменении условий эксплуатации.

В данной работе стояла цель подобрать струйный насос с максимальным КПД, используя исходные данные из технического задания. Важным условием было то, что коэффициент продуктивности скважины изменялся в течение года с 20 м3/(сут*МПа) до 15 м3/(сут*МПа). В результате проведенных расчетов были получены значения диаметра выходного отверстия сопла d0 = 0,00239 м, диаметра камеры смешения d3 = 0,00407 м, расхода рабочей жидкости Q0 = 0,001399 м3/с. Стоит отметить, что при изменении значения коэффициента продуктивности с 20 м3/(сут*МПа) до 15 м3/(сут*МПа) мощность силового насоса увеличивается примерно на 5%, а давление, вырабатываемое этим насосом, падает приблизительно на 3%. Динамический уровень в скважине увеличивается примерно на 150 м. Для каждого значения коэффициента продуктивности построены графики зависимости мощности силового насоса и давления силового насоса от геометрического параметра d0/d3, приведены характеристики струйного насоса и характеристики системы «Пласт-скважина-струйный насос».



Список литературы

1. Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Каштанов В.С., Мерициди И.А., Николаев Н.М., Пекин С.С., Сабиров А.А. Нефтегазопромысловое оборудование. Под общ. ред. В.Н. Ивановского. Учеб. для ВУЗов. - М.: «ЦентрЛитНефтеГаз» 2006. - 720 с.: ил.

2. Сазонов Ю.А. Основы расчета и конструирования насосно-эжекторных установок. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2012. - 300 с.: ил.

3. Сазонов Ю.А. Расчет и конструирование струйных аппаратов. Учебное пособие. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2016. - 64с.: ил.

4. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти: Учебное пособие для вузов.- М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. - 816 с.

5. Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд - ие, 1988. 256 с., ил.

6. Соколов Е. Я., Зингер Н. М. Струйные аппараты. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 352 с.

7. Дроздов А.Н. Технология и техника добычи нефти погружными

8. насосами в осложнённых условиях: Учебное пособие для вузов. - М.: РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2008. - 616 с.

9. Третьяков О.В., Мазеин И.И., Усенков А.В., Меркушев С.В., Качин Е.В., Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Деговцов А.В. Сазонов Ю.А. Дубовцев А.С., Кузнецов В.В. Опыт эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра с помощью струйного насоса // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2014.- № 5. - С. 66-70.

10. Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Деговцов А.В. Сазонов Ю.А., Пекин С.С., Клименко К.И., Кузьмин А.В. Подбор струйного насоса по параметрам скважины в программном комплексе «Автотехнолог»// Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2015.- № 4. - С. 26-30.

11. Пат.2153103 Российская Федерация, МПК F04F 5/54, струйная насосная установка [Текст] / Елисеев В.Н. (RU), Сазонов Ю.А. (RU), Шмидт А.П. (RU), Юдин И.С. (RU). Патентообладатели: Елисеев В.Н. (RU), Сазонов Ю.А. (RU). - № 98122731/06; заявл. 07.12.1998; опубл. 20.07.2000, Бюл. № 20.

12. Пат.120162 Российская Федерация, МПК F04F 5/14, струйный насос [Текст] / Сазонов Ю.А. (RU), Казакова Е.С. (RU). Патентообладатель: Сазонов Ю.А. (RU). - № 2012100627/06; заявл. 12.01.2012; опубл. 10.09.2012, Бюл. № 25.

13. Пат.143832 Российская Федерация, МПК F04F 5/00, струйный насос [Текст] / Сазонов Ю.А. (RU), Туманян Х.А. (RU). Патентообладатель: Сазонов Ю.А. (RU). - № 2014109082/06; заявл. 11.03.2014; опубл. 10.08.2014, Бюл. № 22.

Размещено на Allbest.ru