Визначення умов подібності при фізичному моделюванні робочого процесу свердловинного струминного насоса

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622.24:621.694.2

ІФНТУНГ, 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15,тел. (03422) 42430

Визначення умов подібності при фізичному моделюванні робочого процесу свердловинного струминного насоса

Паневник О.В, Онацко Р.Г.

e-mail: public@ifdtung.if.ua

Аннотация

забійний струменевий насос силовий

Разработаны и теоретически обоснованы условия переноса результатов экспериментальных исследований моделей скважинных эжекционных систем на полноразмерные конструкции забойных струйных насосов. Получены уравнения для определения масштабных коэффициентов, позволяющие максимально приблизить условия проведения стендовых испытаний к промышленным.

Рассмотрена возможность и определены условия использования в качестве силового привода опытного стенда динамических насосов. Показано, что точность проводимых экспериментальных исследований прямопропорциональна уровню расходов и чисел Рейнольдса в гидравлических линиях опытного стенда.

Annotation

Are designed and the mode of transports of results of experimental studies of models downhole of ejector systems on full-scale constructions bore hole jet pumps are idealizedied justif. The equations for definition of scale coefficients allowing maximum are obtained to approximate conditions of conducting of bench tests to industrial.

The opportunity is reviewed and the conditions of use are determined as a power driving of the experimental fixture of dynamic pumps.

Висока ефективність ежекційних технологій розповсюдила область їх використання практично на всі технологічні процеси нафтогазової промисловості. Пайбільш суттєве зростання питомої ваги ежекційних технологій має місце при реалізації процесів нафтогазовидобування. Сьогодні в окремих газовидобувних підприємствах частка свердловин, що експлуатуються з застосуванням струминних насосів досягає 70% від основного фонду. Незважаючи на поширеність засосування ежекційних систем теоретичні питання роботи свердловинних струминних насосів висвітлені недостатньо, внаслідок чого зростає роль експериментальних досліджень. Значна вартість натурних досліджень приводить до необхідності фізичного моделювання робочого процесу струминного насоса. В цих умовах виникає необхідність визначення можливості перенесення результатів експериментальних досліджень на реальну конструкцію свердловинного струминного насоса, що свідчить про актуальність проведених досліджень.

Числені автори [1] - [3] при плануванні експериментальних досліджень обмежуються частковою геометричною подібністю елемньів струминного насоса, зокрема приймаються однакові співвідношення діаметрів камери змішування та робочої насадки для модельних та натурних пристроїв. Інші характерні розміри проточної частини струминного насоса при цьому не враховуються. На сьогоднішній день відсутні методики експериментальних досліджень моделей струминних насосів, які враховували б умови збереження незмінних маштабів швидкостей руху потоку та діючих сил. Адекватність відтворення реальних умов застосування свердовинних ежекційних систем вимагає також вивчення впливу на характеристику струминного насоса типу його силового приводу при проведенні експериментальних досліджень, на що неодноразово вказують окремі автори [4] - [5].

Враховуючи проведений аналіз задача наступних досліджень полягає у визначенні умов перенесення результатів експериментальних досліджень на реальні конструкції свердловинних ежекційних систем, а у вивченні впливу типу силового приводу експериментального стенда на точність отриманих емпіричних характеристик. Поставлені задачі вирішуються з використанням положень теорії подібності гідромеханічних процесів, а також на основі аналізу особливостей роботи струминного насоса в складі гідравлічної системи експериментального стенда. Розроблені на основі проведених досліджень рекомендації повинні забезпечити адекватність отриманих емпіричних залежностей для широкого спектра умов використання реальних свердловинних ежекційних систем.

При проведені експериментальних досліджень роботи струминного насоса використовуємо фізичне моделювання його робочого процесу, під час якого на моделі відтворюються ті самі явища, що і в реальній повнорозмірній конструкції, але в іншому маштабі. Оскільки геометричні розміри моделі, як правило, меншіподібних розмірів реальних конструкцій, необхідно визначити відповідні ним значення витрат та швидкостей потоку на моделі. Необхідно визначити також правила перенесення отриманих на моделі результатів на умови роботи реального пристрою, для чого використовуємо положення теорії моделювання гідравлічних явищ [6] - [7].

Геометрична подібність передбачає існування незмінного співвідношення лінійних розмірів реального пристрою та його моделі

(1)

Конструкція струминного насоса визначається діаметрами камери змішування та робочої насадки , осьової відстані між цими елементами та довжини камери змішування . Умова геометричної подібності для струминного насоса має вигляд

(2)

Враховуючи, що геометричні розміри елементів струминного насоса визначаються у відсотках від діаметра робочої насадки

; ; ,(3)

де , , - постійні коефіцієнти,

умови (1), (2) можуть бути виконані у випадку однакових значень цих коефіцієнтів для реальної та модельної конструкції.

Кінематична подібність передбачає, що для усталеного руху лінії течії в подібних точках натури та моделі будуть займати однакові положення, а відношення швидкостей в цих точках є постійним. Враховуючи особливості конструкції та робочого процесу струминного насоса визначимо співвідношення швидкостей потоків в характерних перерізах його проточної частини: на вході та виході камери змішування. Враховуючи рівняння (1), (2) та співвідношення , , запишемо формули для визначення швидкостей руху потоку у характерних перерізах струминного насоса. При цьому враховуємо, що в камеру змішування надходить робочий потік з швидкістю та інжектований потік з швидкістю , а у вихідному перерізі рухається змішаний потік з швидкістю . Рівняння для визначення співвідношення швидкостей , , мають вигляд

;(4)

;(5)

(6)

Аналіз співвідношень (4)-(6) показує, що кінематична подібність гідравлічних явищ

(7)

де - маштаб швидкостей,

забезпечується у випадку рівності коефіцієнтів інжекції струминного насоса для моделі та реальної конструкції . Оскільки рух рідини в проточній частині струминного насоса є усталеним, немає необхідності встановлювати вигляд виразу для визначення масштабу прискорень.

Динамічна подібність передбачає виконання умови згідно якої у будь-якій точці моделі діють сили аналогічні за своєю природою та напрямком силам у відповідній точці реальної конструкції. Аналіз гідравлічних явищ, що відбуваються у струминному насосі свідчить, що для всіх наявних сил виконати цю умову практично неможливо. Однак реально отримати часткові критерії для випадків, коли окремі з діючих сил мають переважати значення порівняно з іншими. Стосовно струминного насоса такими переважаючими силами є силами тертя, величина яких визначається критерієм Рейнольдса. Як і у випадку кінематичної подібності динамічна подібність передбачає незмінне співвідношення чисел Рейнольдса для робочого , інжектованого , та змішаного потоків. При визначенні даних співвідношень враховуємо, що як в моделі, так і в реальній конструкції використовується вода, тобто забезпечується рівність коефіцієнтів кінематичної вязкості . Використовуючи співвідношення, що забезпечують геометричну та кінематичну подібність та загальновідомі вирази для визначення чисел Рейнольдса для потоків круглого та кільцевого перерізів запишемо

(8)

;(9)

(10)

Аналіз формули (8) - (10) свідчить про те, що подібність гідравлічних явищ забезпечується як і у випадку кінематичної подібності для однакових значень коефіцієнтів інжекції

(11)

Таким чином, для забезпечення можливості перенесення результатів експериментальних досліджень на реальний пристрій необхідно, щоб маштаби лінійних розмірів , швидкостей рухів потоків , та діючих сил , відповідали вище наведеним залежностям.

Визначимо вплив типу силового приводу дослідного стенда на точність отриманя емпіричних характеристик струминного насоса.

З метою збільшення точності вимірів експериментальні параметри, що визначають режим роботи струминного насоса, доцільно визначати для сталої величини витрати робочого потоку. Остання умова передбачає використання для силового приводу дослідного стенда насоса, що має жорстку характеристику, тобто постійне значення продуктивності незалежно від тиску в напірній лінії. Цій умові враховуючи характер робочого середовища відповідають насоси об'ємного типу, зокрема, поршневі або плунжерні, використання таких насосів, однак, має наступні недоліки:

1. Висока вартість конструкції силового проводу дослідного стенда.

2. Нерівномірність подавання робочої рідии.

3. Ступінчастий характер регулювання режиму роботи силового приводу.

Поршневі та плунжерні насоси завдяки наявності клапанної системи розподілу рідини мають значно складнішу конструкцію, що відбивається на її вартості. Нерівномірність подавання робочої рідини, викликана синусоїдальним характером руху поршня, приводить до зниження точності виміру тисків. Використання компенсаторів зниження нерівномірності подавання не вирішує проблеми і, крім того, приводить до значного подорожчання конструкції. Ступінчастий характер регулювання роботи закладений в його конструкції та може здійснюватись шляхом виконання таких працемістких операцій як заміна циліндрових втулок та поршнів, зміна довжини ходу поршня ( плунжера ) і т.д.

Використання насосів динамічного типу і , зокрема, відцентрових дозволяє усунути ці недоліки. Використання відцентрових насосів, однак, робить неможливим проведення вимірів експериментальних параметрів струминного насоса для різних режимів його роботи в умовах сталих значень витрати робочого потоку. Це пов'язано з наявністю взаємозвязку між режимом роботи струминного насоса та тиском в напірній лінії відцентрового насоса , а це, в свою чергу, приводить до зміни його продуктивності. Сучасні методи гідродинаміки дозволяють визначити похибку експериментальних досліджень, викликану зміною величини витрати робочого потоку в системі циркуляції лабораторної установки.

Проаналізуємо спільну роботу струминного та відцентрового насоса у складі лабораторної установки. Для спрощення рівнянь, що моделюють роботу струминного насоса вважаємо, що гідравлічні лінії змішаного та інжектованого потоків мають однакові площі перерізу . Враховуючи вираз для визначення відносного напору гідравлічної системи струминного насоса запишемо значення тисків в характерних перерізах лабораторного стенда

(12)

;(13)

(14)

де ,,,, - гідравлічні втрати відповідно в засувах 9, 10, 11, в робочій насадці та всмоктувальній лінії.

Індекси “з”, “р” та “і” в рівняннях (12) - (14) визначають відповідно змішаний, робочий та інжектований потоки. Значення тисків , та стосуються точок “а”, “b” та “с” гідравлічні схеми (рис.1).

Враховуючи загальновідомі вирази для визначення гідравлічних втрат в місцевих та лінійних опорах, а також співвідношення, що зв'язують робочу витрату з інжектованим та змішаному потоками систему рівнянь (12) - (14) перепишемо у вигляді:

;(15)

;(16)

;(17)

де ,,, - коефіцієнти місцевих опорів регулювальної арматури (індекси відповідають номерам позицій на рис.1)

- коефіцієнт лінійногогідравлічного опору каналу всмоктувальної лінії струминного насоса;

, - відповідно довжина та діаметр гідравлічного каналу всмоктувальної лінії.

З використанням системи рівнянь (15) - (17) після відповідних перетворень запишемо вираз для визначення відносного напору струминного насоса

,(18)

В рівнянні (18) позначено

,(19)

Формула (18) може бути спрощена для випадку роботи струминного насоса з максимальним ККД, що відповідають випадку

, (20)

де опір всмоктувальної лінії визначається за формулою

(21)

Рівняння (20) справедливе для випадку однакових конструкційних елементів 9 та 11 (рис.1).

Рівняння (20) не містить серед своїх складових величину витрати робочої рідини, проте зміна її величини безпосередньо впливає на значення відносного напору . Це пов'язано з залежністю значень коефіцієнтів місцевого та лінійного опору від числа Рейнольдса та витрати потоку. Аналіз основного рівняння з врахуванням реальної конструкції елементів дослідного стенда свідчать про наявність не прямого зв'язку між величиною відносного напору струминного насоса та значення робочої втрати. Результати розрахунків значень відносного напору струминного насоса для різних режимів руху рідини отримані з врахуванням відповідних емпіричних формул. Це дозволило визначити похибку вимірів, яка приведена в таблиці 1.

Таблиця 1 - Похибка визначення відносного напору струминного насоса

Приведені в таблиці 1 похибки відповідають зміні числа Рейнольдса для вказаних діапазонів. Значна залежність характеристики струминного насоса від величини витрати робочого потоку може привести не тільки до значних кількісних розбіжностей, але і до зміни якісної картини. Це підтверджують досліди Сазонова [4] та Єлисєєва [5], які звернули увагу на те, що тип силового насоса лабораторної установки впливає на вигляд характеристики струминного насоса. Знищення похибки вимірів може бути досягнуте якщо всі експериментальні точки будуть відповідати зоні змішаного тертя. Аналіз роботи реального дослідного показує, що зміна витрати відцентрового насоса в діапазоні від 1 л/с до 5 л/с викликає значення величини відносного напору струминного насоса від до . Це відповідає похибці вимірів 1,35 %, що цілком задовольняє точності інженерних розрахунків.

Проведені дослідження дозволяють рекомендувати при використанні дослідного стенда з силовим приводом у вигляді відцентрового насоса дотримуватись граничного рівня витрат потоків та чисел Рейнольдса в гідравлічних лініях ежекційної системи. Це дозволить суттєво підвищити точність отриманих емпіричних характеристик свердловинного струминного насоса. В процесі наступних досліджень необхідно виходити з конкретних умов використання реальних пристроїв та процесу, який реалізується визначити за отриманими формулами масштаби лінійних розмірів, швидкостей та діючих сил при перенесені результатів експериментальних досліджень на реальні конструкції свердловинних струминних насосів. Дотримування розроблених рекомендацій дозволить максимального наблизити експериментальні дослідження до умов буріння, освоєння експлуатації нафтових і газових свердловин.

Література

1. Консырев Б. А. Повышение показатилей работы долота за щет снижения гидродинамического давления на забой скважини: Дис. …канд. техн. наук: 05.15.10.-Уфа, 1983. - 190с.

2. Дроздов А. Н., Добросков О. Б. Методы исследования характеристик жидкостно-газовых эжекторов Нефтеное хозяйство.- 2001.-№1.-62-65.

3. Демьянова Л. А. Теоретические и экспериментальние исследования работы струйных апаратов на газожидкостных смесях : 05. 15. 06 / РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина.- М., 1999.- 24с.

4. Сазонов Ю. А. Разработка устройства, снижающего дифференциальное давление на забое скважины и повышающее скорость бурения : Автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.04. 07. / МИНГ им. И. М. Губкина.- М., 1989.-18с.

5. Елисеев В.Н. Разработка и исследования жидкоструйной компрессорной установки с регулируемим приводом: : Автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.04. 07. / ГАНГ им. И. М. Губкина.- М., 1997.- 24с.

6. Гухман А.А. Введение в теорию подобии. - М.: Высшая школа, 1973.- 296с.

7. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике.- М.: Наука, 1977.- 440с.

Рис.1 Гідравлічна схема дослідного стенда

1 - струминний насос; 2 - відцентровий насос; 3 - приймальний резервуар; 4 - всмоктувальна лінія; 5 - напірна лінія; 6 - рівнепоказчик; 7 - вентиль; 8,9,10,11 - засувки; 12 - 17 - манометри; 18,19,20 - витратоміри.

Размещено на Allbest.ru