Обґрунтування параметрів пристрою для руйнування піщаних пробок в нафтових свердловинах

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня магістра

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРИСТРОЮ ДЛЯ РУЙНУВАННЯ ПІЩАНИХ ПРОБОК В НАФТОВИХ СВЕРДЛОВИНАХ

Ткаченко Олександр Сергійович

2018 р.

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

Науковий керівник:

Лістовщик Леонід Константинович, кандидат технічних наук, доцент.

Захист відбудеться 22 травня 2018 р. о 14:00 на кафедрі Електромеханічні обладнання енергоємних виробництв Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського" за адресою: м Київ, вул. Борщагівська 115, ауд. 206.

З дисертацією можна ознайомитися на кафедрі електромеханічного обладнання енергоємних виробництв Національного технічного університету України "Київського політехнічного інституту імені Ігоря Сікорського" за адресою: м. Київ, вул.. Борщагівська 115, Інститут енергозбереження та енергоменеджементу, к. 520-22.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливість науково-технічної проблеми розробки нафтових родовищ є одночасне забезпечення високих рівнів і темпів добування нафти при найбільш повному вилученні нафти з надр і високих техніко-економічних показниках роботи нафтовидобувних підприємств.

Одним із таких шляхів розв'язання цих задач є широке втілення в практику ремонту нафтових родовищ ефективних методів дії на нафтову свердловину. Особливість геологічної будови нафтових відкладень, різні геологічні, геолого-промислові умови, характеристика продуктивних пластів потребують в конкретних умовах використання найбільш ефективних методів дії на нафтову свердловину, розробку нових і подальше вдосконалення існуючих методів.

Існує проблема утворення піщаних пробок, вона є актуальною і потребує рішень.

Метод розмивання піщаних пробок за допомогою гідромоніторного методу. Є поширеним і має різні конструктивні рішення. Він метод є ефективним оскільки під час його використання за допомогою струминного насоса є можливість одночасного розмивання, і відкачування (пульпи), що полегшує і прискорює процес ремонту нафтової свердловини.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є обґрунтування раціональних параметрів процесу функціонування пристрою для руйнування піщаних пробок в нафтових свердловинах.

Задачі:

1. Дослідити та проаналізувати інформацію і методики наукових досліджень.

2. Розробити конструкцію дворежимної струминної установки для руйнування піщаних пробок. Аналітично дослідити цю конструкцію та обґрунтувати головні параметри пристрою.

3. Дослідити параметри: швидкості, тиску та інжекції потоку струминного насосу за допомогою модуля Flow Simulation програмної оболонки SolidWorks.

4. Розробити систему управління пристроєм з використанням модуля Simulik программного середовища Mat LAB.

5. Провести статичне моделювання головних параметрів функціонування пристроєм.

6. Розрахувати економічні показники ефективності пристрою.

Об'єкт дослідження. Процес струминного переносу рідких компонентів.

Предмет дослідження. Гідромонітор з інжекційним модулем для руйнування піщаних пробок.

Методи дослідження включають в себе:

- аналіз умов та досвіду експлуатації інжекційних технологій в нафтогазовій галузі;

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

Наукова новизна:

- Встановлено раціональні параметри процесу комплексного знакозмінного впливу на піщану пробку нафтової свердловини.

Практичне значення одержаних результатів:

Результати дослідження можуть бути використані на об'єктах нафтогазової промисловості під час ремонту свердловини.

Апробація результатів дисертації - основні положення та результати дисертації роботи доповідалися та обговорювалися на:

1. 11-й Міжнародній науково практичній конференції інновації в науці та технологіях (Київ, 2013).

2. 16-й Всеукраїнській науково практичній конференції інновації в науці та технологіях (Київ, 2016).

3. 17-й Всеукраїнській науково практичній конференції інновації в науці та технологіях (Київ, 2017).

Публікації - за результатами досліджень, що викладені в дисертації опубліковано 3 наукові роботи у материалах міжнародної наукових конференцій, отримано патент на корисну модель (109139 UA).

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, який містить 39 найменувань, додатків. Основна частина дисертаційної роботи викладена на 90 сторінках. Повний обсяг дисертації складає 117 сторінок, у тому числі 42 рисунків, 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

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

Проаналізувавши наведену в розділі інформацію обрано ефективний спосіб дії на пробку, а саме знакозмінний вплив на піщану пробку в нафтовій свердловині.

На основі наведеної інформації сформовано задачі для дослідження: розробка структури дослідження та встановлення оптимальних параметрів пристрою.

У другому розділі розроблена методика розрахунку і математична модель процесу дроселювання та інжекції потоку. Розроблено планування експерименту і проведення в solidworks. Розробка автоматизованої системи управління пристроєм. Планування експерименту для дослідження процессу інжекції потоку. Визначення закону розподілу випадкової величини коефіцієнту витрат Після проведення дослідів виконано статичну обробку результатів (визначено помилки повторних (паралельних) дослідів.

1. Досягаємий коефіцієнт інжекції струминного насоса находим за формулою:

.

2. Довжина вільного струмення робочої рідини:

.

Таблиця 1.1 - Отримані результати

Діаметр вихідного перерізу робочого сопла	6.4 мм
Переріз камери змішування	225 мм 2
Діаметр камери змішування	17 мм
Довжина вільного струменя рідини	12 мм
Вихідний діаметир перерізу дифузора	29 мм
Довжина камери змішування	101 мм
Довжина дифузора	73 мм

3. Задаючи кут 138^? градусів (рис. 1.1) для кромки отримуємо наступні показники швидкості та тиску за заданою траєкторією. Швидкість змінюється (рис. 1.2) при проходженні через сопло від 2 м/с до 12 м/с. Тиск рідини змінюється від 29,8 МПа до 30,8 МПа. Згідно отриманих даних можна зробити висновок, що даний кут є не оптимальним рішенням для даної кромки.



Рисунок 1.1 - Дослідження при 138^? градусах

Рисунок 1.2 - Дослідження швидкості в залежності від кута кромки розмиваючого сопла: І - швидкість, G - кут кромки

Задаючи кут 142^? градусів (рис. 1.2, рис. 1.3) для кромки отримуємо наступні показники швидкості та тиску за заданою траєкторією. Швидкість змінюється при проходженні через сопло від 2 м/с до 12,3 м/с. Тиск рідини змінюється від 29,9 МПа до 30,05 МПа. Згідно отриманих даних можна зробити висновок, що даний кут є не оптимальним рішенням для даної кромки. Задаючи кут 146^? градусів для кромки отримуємо наступні показники швидкості та тиску за заданою траєкторією.

Рисунок 1.3 - Дослідження тиску в залежності від кута кромки розмиваючого сопла: І - тиск, G - кут кромки

Швидкість змінюється при проходженні через сопло від 2 м/с до 14,5 м/с. Тиск рідини змінюється від 29,9 МПа до 31,7 МПа. Згідно отриманих даних можна зробити висновок, що даний кут є найбільш оптимальний для даної кромки, і надає пристрою найбільш ефективних характеристик. Задаючи кут 150^? градусів для кромки отримуємо наступні показники швидкості та тиску за заданою траєкторією. Швидкість змінюється при проходженні через сопло від 2 м/с до 13,4 м/с. Тиск рідини змінюється від 29,95 МПа до 30,14 МПа. Згідно отриманих даних можна зробити висновок, що даний кут є не оптимальним рішенням для даної кромки.

Таблиця 1.2 - Отримані дані

№	Кут	Діапазон швидкостей	Діапазон тисків
1	1380	2-12	29,8-30,8
2	1420	2-12,3	29,9-30,5
3	1460	2-14,5	29,9-31,7
4	1500	2-13,4	29,95-30,14

4. За результатами дослідження отримані наступні результати:

Рисунок 1.4 - Тиск в струминному насосі

Під час процессу відкачування суміші на поверхню (рис. 1.5), в струминному насосі, тиск змінюється від 3,2 МПа в дифузорі, до 5,5 МПа в камері змішування та в підвідних каналах.

Рисунок 1.5 - Швидкість в струминному насосі

Під час проходження суміші через струминний насос (рис. 1.6), швидкість в соплі змінюється від 6 м/с до 12 м/с. По підвідних канал 12 м/с - 18 м/с. При проходженні через дифузор від 18 м/с до 55 м/с.

Змінюючи геометричні параметри струминного насоса: діаметр вихідного отвору сопла, відстань між соплом та дифузором, діаметр вхідного отвору дифузора. Розраховано коефіцієнт інжекції.

руйнування піщана пробка свердловина



Рисунок 1.6 - Графік залежності коефіцієнта інжекції від геометричних параметрів струминного насоса (діаметра сопла струминного насоса): К - коефіцієнт інжекції, F - діаметр сопла

Рисунок 1.7 - Графік залежності коефіцієнта інжекції від геометричних параметрів струминного насоса (відстань між соплом та дифузор): К - коефіцієнт інжекції, F - відстань між соплом та дифузором

Рисунок 1.8 - Графік залежності коефіцієнта інжекції від геометричних параметрів струминного насоса (діаметр дифузора): К - коефіцієнт інжекції, F - діаметр дифузора

Згідно отриманих розрахунків можна визначити оптимальні параметри при яких коефіцієнт інжекції досягає максимальної значення:

- діаметр сопла на виході - 5 мм;

- відстань між соплом та дифузором - 7 мм;

- діаметр дифузора на вході - 8.5 мм.

5. Перепад тиску при проходженні робочої рідини через насадку струминного апарату:

.

6. Перепад тиску при проходженні робочої рідини через насадку струминного апарату.

.

7. Математичне сподівання:

Мода:

Медіана: відсутня

Дисперсія: .

Коефіцієнт асиметрії: .

Коефіцієнт ексцеса: .

Рисунок 1.9 - Крива щільності розподілу: K - проміжок, S - кількість потраплянь в діапазон значень

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

Створено проект за темою даної дисертації в якому прораховується і дається оцінка економічної ефективності струминного насосу.

Також були проведені дослідження та розрахунки які показали, що методика вибору раціональних параметрів струминного насоса дозволяє в середньому в 1,4 рази підвищити його ККД.

Прораховано коефіцієнт потреби для споживача.

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

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

Зауважимо, що розрахунки виконані за наведеними формулами і графіками дозволяють отримати тільки осередненні характеристики струминних насосів які можуть суттєво уточнюватися в процесі доводочних випробувань на модельних чи натурних зразках.



ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. Пристрій для очищення нафтових свердловин містить струминний насос з проточними каналами, які мають можливість циркуляції робочої рідини як до вибою свердловини, так і від вибою. Новим є те, що струминний насос містить рухому втулку з розташованими в ній конфузором, дифузором і камерою змішування, і при підтискуванні втулки до нижнього сідла пристрій працює в режимі подачі рідини до сопла яке в свою чергу руйнує піщану пробку, а при підтискуванні втулки до верхнього сідла, пристрій переходить в режим струминного насосу для відкачування пульпи на поверхню.

2. Задаючись вхідні параметри: максимальний діаметр пристрою D = 110 мм.; максимальна подача робочої рідини - Q = 3,0 л/с; тиск робочої рідини до р = 30 МПа; опускання пристрою - на трубах НКТ 2,5" на глибину - 3217 м.

Результатом досліджень за таких вхідних параметрів показали геометричні параметри: діаметр на виході з робочого сопла - 5 мм, діаметр камери змішування 17 мм, довжина вільного потоку 7 мм, діаметр дифузора на виході 21 мм, діаметр дифузора на вході 8.5 мм і діаметр сопла 15 мм, кількість отворів для дроселювання потоку - 6, розрахунковий масові витрати інжекцюйомого потоку- ,довжина камери змішування - 101 мм, довжина дифузора - 73мм.

3. В результаті дослідження зміни тиску та швидкості при проходженні через пристрій були отримані дані: при вході рідини в пристрій, в патрубку тиск рідини дорівнює 30 МПа, а швидкість 3-3,7 м/с. Проходячи через обвідні канали тиск спадає до 29,1 МПа, а швидкість зростає до 22-26 м/с. І при протіканні до розмиваючого сопла тиск рівний 29,6 МПа, а швидкість 8-15 м/с. Отже, при проходженні через обвідні канали в пристрої, дроселювання потоку практично відсутнє, для зменшення втрат тиску в рідині. А при проходженні рідини через сопло, швидкість зростає, що забезпечить активне нагнітання рідини до пробки.

4. Дослідивши різні варіації кута кромки сопла, найбільш оптимальним є кут 146^? градусів. Швидкість змінюється при проходженні через сопло від 2 м/с до 14,5 м/с. Тиск рідини змінюється від 29,9 МПа до 31,7 МПа. Згідно даних, цей кут є найбільш оптимальний для кромки і забезпечує покращені показники в порівняні з пристроєм без додаткового сопла.

5. Змінюючи геометричні параметри струминного насоса, знайдено максимальний коефіцієнт інжекції - 0,9. Такий коефіцієнт інжекції був досягнутий за допомогою наступних параметрів: діаметр сопла на виході - 5 мм, відстань між соплом та дифузором - 7 мм, діаметр дифузора на вході 8,5 мм.

6. Визначено характер розподілу випадкових величин (нормальний розподіл для випадкової величини U та геометричний розподіл для та знайдені їх числові характеристики.

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

Знайдена ймовірність попадання в задані межі .

Проведено аналіз Нормального розподілу та розподілу Гніденка.

Побудовані гістограми розподілів.

Приймемо за випадкову величину густину змішаної рідини, яка лежить в межах 1000-1250 кг/м³.

Виконуємо побудови кривих щільності потоку, для наглядно відображення даних. Будування кривих проводиться за дослідами, використовуємо значення з 50 дослідів.

7. Проект є досить вигідним з економічної точки зору, використавши дворежимний струминний насос. Проект передбачає впровадження на свердловинах різного типу і глибини. Максимальна надійність пристрою і відсутність потреби в обслуговуванні, високий коефіцієнт корисної дії, що дозволяє економити час та паливо на спуско-підйомних операціях, за рахунок втулки яка переключається за допомогою подачі рідини по НКТ, або через затрубний простір. Також існує можливість не лише розмивати піщані пробки, а й використовувати для обробки свердловини кислотою. Для одної обробки враховано наступні параметри: витрати на заробітну плату робочим розрядів (3,4,5) - сумарно 11987 грн. Витрати на додаткову заробітну плату - 12946 грн. Витрати на соціальні потреби - 3625 грн. Витрати на додаткові матеріали - 17290 грн. Транспортні витрати - 8910 грн. Загальні прямі витрати - 55700 грн. Витрати на капітальний ремонт свердловини - 4571 тис. грн. Економічний ефект 4510 тис. грн.



СПИСОК ДРУКОВАННИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1) Пат. UA № 109139, Е 21В 37/00, автори: Ткаченко О.С., Лістовщик Л.К., Сліденко В.М., Лесик В.С., "Пристрій для очищення нафтових свердловин", дата подання: 04.03.2016 р.

2) 11 Міжнародна студентська конференція інновації в науці та технологіях / под. ред. Оксана С. Д., Ірина С. Д., та ін. - К.: 2013. - 276 с.

3) 16 Всеукраїнська студентська конференція інновації в науці та технологіях / под. ред. Оксана С. Д., Катерина Х.Д., та ін. - К.: 2016. - 108 с.

4) 17 Всеукраїнська студентська конференція інновації в науці та технологіях / под. ред. Оксана С. Д., Катерина Х.Д., та ін. - К.: 2017. - 135 с.



АНОТАЦІЯ

Автор: Ткаченко О.С.

Тема: Обґрунтування параметрів пристрою для руйнування піщаних пробок.

Звіт про магістерську роботу 117 с. в 42 рис., 17 табл., 39 джерел.

Науковий керівник: кд. техн. наук, доцент., Лістовщик Л.К.

Дисертація на здобуття наукового ступеня магістра за спеціальністю Електромеханічне обладнання енергоємних виробництв - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського". - Київ, 2018р.

Об'єкт дослідження. Процес струминного переносу рідких компонентів.

Предмет дослідження. Гідромонітор з інжекційним модулем для руйнування піщаних пробок.

Мета роботи - Метою даної роботи є обґрунтування раціональних параметрів процесу функціонування пристрою для руйнування піщаних пробок в нафтових свердловинах.

Наукова новизна:

- Встановлено раціональні параметри процесу комплексного знакозмінного впливу на піщану пробку нафтової свердловини.

Ідея роботи: Розробити пристрій для руйнування піщаних пробок, особливістю якого є багаторазове використання з одного опускання.

Задачі:

1. Дослідити та проаналізувати інформацію та методики наукових досліджень.

2. Розробити конструкцію дворежимної струминної установки для руйнування піщаних пробок. Аналітично дослідити цю конструкцію та обґрунтувати головні параметри пристрою.

3. Дослідити параметри: швидкості, тиску та інжекції потоку струминного насосу за допомогою модуля Flow Simulation програмної оболонки SolidWorks.

4. Розробити систему управління пристроєм з використанням модуля Simulik программного середовища Mat LAB.

5 Провести статичне моделювання головних параметрів функціонування пристроєм.

6. Розрахувати економічні показники ефективності пристрою.

Актуальність теми:

Важливість науково-технічної проблеми розробки нафтових родовищ є одночасне забезпечення високих рівнів і темпів добування нафти при найбільш повному вилученні нафти з надр і високих техніко-економічних показниках роботи нафтовидобувних підприємств.

Одним із таких шляхів розв'язання цих задач є широке втілення в практику ремонту нафтових родовищ ефективних методів дії на нафтову свердловину. Особливість геологічної будови нафтових відкладень, різні геологічні, геолого-промислові умови, характеристика продуктивних пластів потребують в конкретних умовах використання найбільш ефективних методів дії на нафтову свердловину, розробку нових і подальше вдосконалення існуючих методів.

Існує проблема утворення піщаних пробок, вона є актуальною і потребує рішень.

Метод розмивання піщаних пробок за допомогою гідромоніторного методу. Є поширеним і має різні конструктивні рішення. Він метод є ефективним оскільки під час його використання за допомогою струминного насоса є можливість одночасного розмивання, і відкачування (пульпи), що полегшує і прискорює процес ремонту нафтової свердловини.

Методи дослідження:

- аналіз умов та досвіду експлуатації інжекційних технологій в нафтогазовій галузі;

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

Ключові слова: струминний насос, інжекція, піщані пробки, дроселювання потоку рідини, коефіцієнт інжекції, нафтова свердловина.



SUMMARY

Author: Tkachenko O.S.

Subject: Justification of the device parameters for the destruction of sand congestion.

Master's Thesis Report 117 p. in 42 rice, 17 tables, 39 sources.

Scientific supervisor: cd. tech Sciences, associate professor., Lystovshchik L.K.

Dissertation for obtaining a Master's degree in electromechanical equipment of power-intensive industries - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Polytechnic Institute". - Kyiv, 2018

Object of study. The process of jet transfer of liquid components.

Subject of study. Hydromonitor with injection module for the destruction of sand congestion.

Purpose - The purpose of this work is to justify the rational parameters of the process of functioning of the device for the destruction of sand congestion in oil wells.

Scientific novelty:

1 Rational parameters of the process of complex change-changing influence on the sand cork of the oil well have been established.

2 The idea of work: Develop a device for the destruction of sand cork, the feature of which is multiple use from one lowering.

Tasks:

1. To study and analyze information and methods of scientific research.

2. Develop a design of a two-mode jet system for the destruction of sand congestion. Analyze this design and substantiate the main parameters of the device.

3. Explore the parameters: velocity, pressure and injection of the jet pump flow using the SolidWorks Programming Flow Simulation module.

4. Develop a device management system using the Simulik module of the Mat LAB software environment.

5. Conduct a static modeling of the main parameters of the device's operation.

6. Calculate the economic performance of the device.

Actuality of theme:

The importance of the scientific and technical problem of developing oil fields is the simultaneous provision of high levels and rates of oil extraction with the most complete extraction of oil from the subsoil and high technical and economic indicators of the work of oil-extracting enterprises.

One of these ways of solving these problems is the wide implementation in the practice of repairing oil fields of effective methods of action on the oil well. The peculiarity of the geological structure of oil deposits, various geological, geological and industrial conditions, and the characteristics of productive seams require, in the specific conditions, the use of the most effective methods of action on the oil well, the development of new and further improvement of existing methods.

There is a problem of sand congestion, it is relevant and requires solutions.

The method of blasting sand congestion using the hydromonitoring method. It is common and has various constructive solutions. This method is effective because during its use with a jet pump there is a possibility of simultaneous blurring and pumping (pulp), which facilitates and accelerates the process of repairing the oil well.

Research methods:

1. Analysis of conditions and experience of exploitation of injection technologies in the oil and gas industry;

2. Use of applied mathematics methods implemented with the help of computer programs;

Key words: current pump, injection, suggested times, determination of the flow flow, infection coefficient, oil hardware.

Размещено на Allbest.ru