Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор по применению струйных агрегатов в нефтедобыче 5
1.1. Области применения струйных агрегатов 5
1.2. Теория и расчет струйных насосов 23
1.3. Выводы. Постановка задачи исследований 33
2. Аналитические исследования струйного агрегата для обработки скважин 35
2.1. Разработка принципиальной схемы агрегата 35
2.2. Совместная работа агрегата со скважиной 38
2.2.1. Постановка задачи исследования и принятые допущения 38
2.2.2. Влияние коэффициента продуктивности на работу насоса ...47
2.2.3. Влияние показателя степени уравнения притока на работу насоса 52
2.2.4. Влияние пластого давления на работу насоса 55
2.2.5. Влияние расхода рабочей жидкости на работу насоса 58
2.2.6. Влияние глубины подвески на работу насоса 62
2.3. Совместная работа струйного аппарата с пакерующим узлом 66
2.3.1. Принятые допущения и постановка задачи 66
2.3.2. Определения площади поршня 73
2.3.3. Определения высоты упругого элемента 74
2.4. Выводы 80
3. Экспериментальное исследование струйного агрегата для обработки скважин 82
3.1. Разработка экспериментального стенда 82
3.2. Методика проведения экспериментов 85
3.3. Результаты экспериментальных исследований 86
3.4. Выводы
4. Разработка конструкции струйного агрегата для обработки скважин 93
4.1. Промысловый опыт применения струйных насосов для промывок скважины реагентами 93
4.1.1. Устройство и работа струйного циркуляционного насоса 95
4.1.2. Технология промывки скважины и результаты промысловых испытаний 98
4.2. Конструкция агрегата и технология его применения 104
4.2.1. Устройство и принцип работы струйного агрегата 104
4.2.2. Разработка технологии применения агрегата для обработки скважин 107
4.3. Выводы ПО
Основные выводы и рекомендации 111
Литература 113
Приложения А- Патент № 2139422 от 10 октября 1999г.
- Теория и расчет струйных насосов
- Влияние коэффициента продуктивности на работу насоса
- Определения высоты упругого элемента
- Технология промывки скважины и результаты промысловых испытаний
Введение к работе
Струйные насосы всегда привлекали внимание исследователей вследствие своих привлекательных особенностей, таких как простота конструкции, надежность работы как с газированными жидкостями, так и с высоким содержанием мехпримесей и др. Как показала практика, особенно выгодно применение струйных насосов при эксплуатации многодебитных наклонно направленных скважин, причем, с увеличением глубины подвески рентабельность данного способа эксплуатации увеличивается в сравнении с другими методами
Однако широкому использованию струйных насосов в России препятствует отсутствие надежного поверхностного насосного блока, оборудованного системами подготовки и разделения рабочих и подсасываемых жидкостей, способных работать длительное время, сопоставимое с межремонтным периодом струйного насоса. Монтаж струйного насоса в скважине возможен или с двумя колоннами насосно-компрессорных труб (НКТ) или с одной колонной НКТ, оборудованной пакером. Использование двух колонн усложняет монтаж скважинного оборудования и затрудняет эксплуатацию по причине ограниченности в диаметральных размерах, использование же пакера приводят к проблемам, связанным с установкой пакера в скважине и обеспечения надежности разобщения затрубного пространства. В этом случае, как правило, находят применение пакеры стандартных конструкций, которые не вполне приспособлены для совместной работы со струйным насосом. Одним из решений проблемы может оказаться разработка струйного насосного агрегата, включающего в себя пакерующее устройство, выполненное заодно со струйным насосом и специально выполненное для совместной работы со струйным насосом. Данная диссертационная работа выполнялась именно в этом направлении.
Работа выполнялась на кафедре нефтепромысловой механики Уфимского государственного нефтяного технического университета под руководством заведующего кафедрой, профессора Султанова Байрака Закиевича. Научным консультантом работы был доцент кафедры нефтепромысловой механики Вагапов Самат Юнирович.
Теория и расчет струйных насосов
В этой схеме насос устанавливается в колонне НКТ на канате и выполнен вставного типа, а так же снабжен пакерами у верхней и нижней частей насоса. Циркуляция может происходить вверх или вниз по НКТ.
Типы «труба в трубе» и «однотрубный», были разработаны для спуска в существующие эксплуатационные колонны НКТ и обсадные трубы. Насос «труба в трубе» обычно спускают внутрь эксплуатационных НКТ на колонне труб диаметром менее 50,8 мм, и устанавливают в посадочное седло насоса типа «металл — металл». Добытая и отработавшая рабочая жидкости возвращаются вверх по межтрубному пространству эксплуатационных НКТ. Насос «однотрубной» конструкции также спускается в колонне труб диаметром менее 50,8 мм и сажается на пакер. Добываемая жидкость возвращается на поверхность по затрубному пространству.
Все описанные выше конструкции струйных насосов встречаются в научно-технической литературе и на данный момент применяются в нефтедобыче.
Рассмотрим основные соотношения, характеризующие как конструкцию струйного насоса, так и его работу, а так же зависимости между ними. При этом применим терминологию и обозначения принятые в работе [55] ввиду их наибольшего распространения и общепризнанности. Основным геометрическим параметром характеризующим струйный насос, является отношение площади поперечного сечения камеры смешения /3 к площади поперечного сечения сопла /_. Насосы, имеющие одинаковые f3/fp подобны и имеют одинаковые характеристики. По параметру f3/fp осуществляется подбор струйного насоса к конкретным условиям эксплуатации. Кроме основного геометрического параметра конструкцию струйного насоса характеризуют форма, углы, размеры, взаимное расположение и чистота обработки поверхностей отдельных элементов насоса и материалы, из которых они изготовлены. Одним из важных шагов в направлении совершенствования конструкции струйного насоса явилось предложение использовать в струйном насосе камеры смешения. Этот элемент, который позволил увеличить его напор, был предложен в 1935 г. инженером Леоновичем К.М. и получил свое теоретическое подтверждение. В настоящее время существуют две точки зрения на форму камеры смешения. В работе исследователей [34,55] рассматриваются цилиндрические камеры смешения, в то же время в работах [34,66] предлагаются к использованию конические формы смешения. В результате небольших геометрических размеров конических камер смешений струйных насосов применяемых в нефтедобыче и сложности технологии их изготовления, наибольшее распространение получили камеры смешения цилиндрической формы. Исследования проводились и в направлении определения оптимальной длины камеры смешения. Небольшая длина камеры смешения не позволяет осуществлять полное использование кинетической энергии струи жидкости и выравнивание поля скоростей. С другой стороны, увеличение длины камеры смешения ведет к увеличению гидравлических сопротивлений насоса, и, следовательно, к уменьшению его коэффициента полезного действия. Рядом работ [34,55] была определена наиболее оптимальная длина камеры смешения в пределах 6 ... 10 ее диаметров. Работы по оптимизации сопла струйного насоса [8,55] проводились по пути определения угла конусности сопла , длины цилиндрического участка , качества обработки внутренней поверхности. Известно применение в качестве материала наиболее изнашивающегося участка сопла - керамики, что повысило межремонтный период струйного насоса при откачке абразивных сред . В работе достаточно подробно рассмотрены различные типы используемых сопел и даны рекомендации по их применению применительно к работе струйного насоса в скважине. Исследования по оптимизации приемной камеры струйного насоса велись и в направлении определения наиболее оптимального профиля входного участка. В работах [55] исследовались различные виды входных участков, со скругленным входным участком, коническим переходом и резким переходом под углом 90. Основываясь на результатах данных исследований,в настоящее время на практике применяются камеры с конических входным участком. Оптимизация диффузоров осуществлялась в направлении снижения потерь энергии в результате расширения потока и трения путем определения необходимого угла конусности. В работах [55] предлагается угол конусности диффузора 8...9 , а для высоконапорных насосов исследованиями [55] угол 4...5 . Исследования других авторов показали необходимость использования диффузоров со ступенчатыми углами раскрытия. В работе [55] исследовалось влияние положения рабочего сопла от камеры смешения на характеристику насоса и были определены наиболее оптимальные расстояния сопла от камеры смешения. Анализируя вышесказанное, можно сделать вывод, что совершенствование струйных насосов осуществляется в направлении создания оптимизированной конструкции насоса с целью повышения его коэффициента полезного действия. Рассмотрим показатели, характеризующие работу струйного насоса и их связь с основным геометрическим параметром.
Влияние коэффициента продуктивности на работу насоса
Агрегат опускается в скважину и устанавливается выше интервала перфорации скважины. Затем в колонну НКТ 1 с поверхности закачивается под необходимым давлением рабочая жидкость. В корпусе 2 агрегата часть потока рабочей жидкости подается к соплу 3 струйного насоса, а часть через осевой канал 14, кольцевое пространство между стволом 7 и патрубком 12 и через отверстие 15 подается к нижнему торцу поршня 9. В результате этого возникает осевая сила, приложенная к поршню 9 и направленная вверх, величина которой пропорциональна перепаду давления на поршне 9 и площади его поперечного сечения. Под действием этой силы поршень 9 идет вверх и сжимает манжеты 8, которые упруго расширяясь и касаясь стенок скважины, производят изоляцию затрубного пространства. В это же время жидкость, истекая с высокой скоростью из сопла 3, засасывает пассивную среду в приемной камере и подает через диффузор с камерой смешения 4 в затру бное пространство над уплотнительным пакером. После того, как под действием поршня 9 произошла изоляция затрубного пространства, давление в приемной камере 4 струйного насоса начинает падать. Соответственно падает давление и в зоне скважины под уплотнительным пакером. В результате этого увеличивается перепад давления на поршне 9, способствующий увеличению силы, действующей на поршень 9 и направленный вверх, что приводит к еще более сильному прижатию эластичных манжет к стенке скважины. В результате этого, пассивная среда с отложениями поступает через приемный фильтр 11 во внутреннюю полость патрубка 12 и затем на прием струйного насоса и далее на поверхность. При прохождении пассивной среды с отложениями через фильтр крупные частицы, способные забить проточные каналы струйного насоса, не подаются на прием струйного насоса, чем обеспечивается более длительная и надежная работа аппарата в загрязненных скважинах.
Постановка задачи исследования и принятые допущения Известно , что основным параметром, позволяющим регулировать режим работы струйного насоса, и, следовательно, позволяющего контролировать процесс обработки скважины является давление нагнетания насосных агрегатов. Однако, для контроля работы струйного насоса этого параметра недостаточно, необходимо знать расход притекаемой к забою жидкости, расход прокачиваемой жидкости, что в конечном итоге влияет на величину снижения давления в подпакерной зоне. Если контролировать расход прокачиваемой жидкости еще возможно, то проконтролировать расход притекаемой к забою жидкости трудно по ряду причин: 1. Расход притекаемой жидкости определяется фильтрационными свойствами призабойной зоны конкретной обрабатываемой скважины, которые могут сильно различаться для скважин, далее одного эксплуатируемого пласта. 2. Фильтрационные свойства призабойной зоны не остаются неизменными в процессе обработки скважины, они меняются по мере улучшения гидродинамической связи скважины и пласта во время обработки. Все вышеперечисленное усложняет контроль за обработкой скважины, поэтому в процессе обработки требуются непосредственные замеры расхода, поступающей жидкости из пласта. Так, в работе [54] представлена методика определения параметров обработки, основанная на этом принципе. Дадим ее изложение в редакции [54]: «Теоретическими расчетами и стендовыми испытаниями установлено, что в зависимости от количества прокачиваемой и поступающей из пласта жидкости (коэффициента инжекции) и перепада давления на сопле струйного насоса в приемной камере струйного насоса и в подпакерной зоне скважины создается разряжение. Путем регулирования давления нагнетания рабочей жидкости насосными агрегатами, с учетом фактического коэффициента инжекции, достигается заданное значение депрессии на пласт. Порядок проведения расчетов для определения значений давления насосных агрегатов для достижения заданной депрессии на пласт заключается в следующем: 1) определяется необходимое давление в приемной камере струйного насоса для достижения заданного значения депрессии на пласт; 2) по номограмме [54] в зависимости от найденного значения давления в приемной камере струйного насоса, глубины установки струйного насоса и коэффициента инжекции определяется давление, создаваемое насосами для подачи рабочей жидкости с целью достижения заданной депрессии на пласт.» Как видно из вышеприведенной методики, возникает необходимость в определении значения коэффициента инжекции, который необходим для определения необходимого давление рабочей жидкости, прокачиваемой через струйный насос. Коэффициент инжекции можно задавать приближенно или определить исходя из замеров жидкости, поступающей из пласта, что практически затруднено в промысловых условиях. Учитывая вышесказанное, для практики представляет интерес выяснить вопрос, как изменяются параметры работы насоса в скважине при изменении гидродинамической связи пласта с забоем в процессе обработки. Исходя из вышесказанного, задачу можно сформулировать следующим образом.
При известных скважинных условиях и геометрических размерах струйного насоса необходимо выяснить влияние на работу струйного насоса коэффициента продуктивности скважины, показателя степени индикаторной кривой восстановления пластового давления.
Определения высоты упругого элемента
Как видно из (рис.2.30),уплотнитель высотой h = 0,25м переходит в область самоуплотнения при давлении нагнетания Р,шг ЗОМПа и не достигает области необратимой пластической деформации. Поэтому пакер с такими размерами уплотнителя желательно применять для герметизации при создании глубоких депрессий на пласт.
Уплотнитель высотой h = 0,125м переходит в область самоуплотнения уже при давлениях нагнетания Ршг 15 МПа, но при Ршг 32 МПа уплотнитель начинает работать в области необратимой пластической деформации. Поэтому пакер с такими размерами уплотнителя желательно применять для герметизации затрубного пространства при создании неглубоких (меньше 25МПа) депрессий на пласт.
Как видно из расчетов, при совместной работе струйного насоса с пакером, уплотнитель пакера испытывает значительные перепады давления. Надежной работы уплотнителя пакера можно добиться подбором оптимальных значений геометрических размеров уплотнителя, при которых обеспечивается проявление эффекта самоуплотнения и не наступает предел пластической необратимой деформации. Так как диаметральные размеры уплотнителя должны быть согласованы с размерами скважины и всасывающего патрубка, то единственный размер, посредством которого можно влиять на работу уплотнителя, является его высота h, следовательно, возможно выполнение уплотнителя составным из нескольких элементов, которые можно устанавливать или снимать по мере необходимости в зависимости от технологических параметров и обработки скважины.
На работу уплотнителя влияет также форма поршня, посредством которого создается герметизирующая нагрузка на уплотнитель.
Цилиндрическая форма поршня гораздо выгоднее конической формы, в том отношении, что при этом менее вероятно наступление пластически необратимых деформаций (при одинаковых перепадах давлений испытываемых уплотнителей).
Проведенные исследования для струйного насоса с диаметром сопла 5 мм и диаметром камеры смешения 8 мм для наиболее реальных скважинных условий, позволили сделать следующие выводы: 1. Оказалось, что показатель степени уравнения притока сильно влияет на величину снижения давления в подпакернои зоне. Так, если, при коэффициенте продуктивности k = 6,1.10 и м3/(Па.с) и показателе степени п = 1, давление в подпакернои зоне падает до нуля при давлении нагнетания 32 МПа, то при п = 0,8 давление в подпакернои зоне падает до нуля уже при 15 МПа. Очевидно, что показатель степени уравнения притока так же сильно влияет и на коэффициент инжекции, причем степень влияния увеличивается с увеличением давления нагнетания. 2. Для наиболее реальных пределов изменения коэффициента продуктивности, давление в подпакернои зоне падает до нуля при давлениях нагнетания Рпаг=17 МПа (к = 4,51.10 Л1 м3/(Па.с)) и Р1ШГ=32 МПа (к = 6,1.10" 11 м3/(Па.с)). Таким образом, добывные возможности струйного насоса таковы, что существующими поверхностными насосными агрегатами обеспечивается снижение давления на забое даже при сильном притоке. При изменении коэффициента продуктивности в этих же пределах максимально возможный коэффициент инжекции при существующих насосных агрегатах не превышает 0,35 (Рпаг = 40 МПа ). 3. С увеличением давления нагнетания наблюдается слабовыраженное снижение влияния глубины подвески. Это объясняется тем, что давление нагнетания и глубина подвески в совокупности определяют давление на входе в рабочее сопло струйного насоса и при некотором, довольно значительном значении давления нагнетания, глубина подвески уже не будет оказывать существенного влияния на работу струйного насоса, хотя глубина подвески тоже является величиной варьируемой и зависит от конкретных скважинных условий.. Снижение глубины подвески довольно значительно увеличивает количество инжектируемой жидкости при одновременном снижении давления в приемной камере струйного насоса. 4. При совместной работе струйного насоса с пакером уплотнитель пакера испытывает значительные перепады давления. Надежной работы уплотнителя пакера можно добиться подбором оптимальных значений геометрических размеров уплотнителя, при которых обеспечивается проявление эффекта самоуплотнения в пределах обратимой пластической деформации. Так как диаметральные размеры уплотнителя определяются размерами скважины и ствола пакера, то размером, посредством которого можно влиять на работу уплотнителя, принята его высота. Для разработанной конструкции агрегата построена зависимость площади сечения поршня и высоты уплотнительного элемента, при которых достигается эффект самоуплотнения в зависимости от давления нагнетания. Обосновано, что площадь поршня должна быть не менее 47 см , высота - не менее 25 см.
С целью создания работоспособной конструкции пакерующего устройства струйного насосного агрегата нами был разработан и изготовлен данный узел установки для последующего экспериментального исследования на стенде. Был так же спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд для проведения экспериментальных исследований с пакерующим узлом.
Эксперименты проводились в лаборатории кафедры нефтепромысловой механики Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Эксперименты позволили оптимизировать конструкцию узла уплотнения, выяснить необходимые параметры работы агрегата для надежного разобщения затрубного пространства.
Технология промывки скважины и результаты промысловых испытаний
Как показал анализ применения струйных насосов в нефтедобыче, одним из перспективных направлений использования струйных насосов является их применение в различных технологических процессах ремонта и воздействия на призабойную зону скважины.
На старых рифовых месторождениях Башкирии эксплуатируются скважины с низкими забойными давлениями и небольшими дебитами. Промысловая практика показала, что при проведении кислотных обработок данных скважин уровень кислоты в скважине оказывается ниже кровли продуктивного горизонта и при дальнейшей закачке уходит лишь в нижнюю часть продуктивного пласта. Таким образом, не обеспечивается равномерная разработка приствольной части призабойной зоны и полный охват кислотой всей мощности обрабатываемого пласта.
Существует так же большой фонд скважин старых рифовых месторождений Башкирии, конструкция которых характеризуется не обсаженным забоем вследствие большой мощности продуктивного горизонта. При обработке подобных скважин растворителями, невозможно создание циркуляции реагента во всем интервале продуктивного горизонта, в результате чего растворение органических отложений происходит только в нижней части продуктивного пласта. Использование растворителей позволяет путем ее циркуляции удалить отложения асфальтеносмолистых веществ со стенок скважины и тем самым увеличить приток.
Существует так же проблема обработки скважин с графинообразным забоем с целью удаления отложений, отложившихся на забое в процессе ее эксплуатации. При промывке данных скважин скорость движения жидкости на забое значительно меньше, чем по стволу скважины вследствие разницы в площади поперечного сечения забоя и ствола скважины, следовательно, ухудшаются условия промывки в результате неполного выноса частиц породы на поверхность [49].
В подобных скважинах получить циркуляцию жидкости невозможно по причине ее интенсивного поглощения. Обработка подобных скважин осуществляется путем слива реагента под собственным весом. Таким образом, становится затруднительным контроль за процессом обработки скважины. Промысловая практика показала, что забой и призабойная зона подобных скважин сильно загрязнена, что затрудняет эксплуатацию и приток жидкости к скважине. Ранее предпринимались отдельные попытки применения струйных насосов для очистки забоя скважин от отложений, однако они не получили широкого распространения вследствие забивки камеры смешения твердыми частицами. Применение струйных насосов типа УОС для обработки призабойной зоны в этих условиях затруднительно, вследствие возможных затруднений при установки пакера, т.к. эксплутационная колонна находится в плохом состоянии, а в некоторых случаях и отсутствует по указанным выше причинам. С другой стороны применение подобных установок в этих условиях и нецелесообразно, т.к. давления на забое малы, и невозможно создание достаточных депрессий на пласт [49].
В соответствии с этим, на кафедре нефтепромысловой механики Уфимского государственного нефтяного технического университета была разработана конструкция струйного циркуляционного насоса для промывок скважин реагентами, позволяющая интенсифицировать процессы растворения солей путем создания местной циркуляции реагента в требуемом интервале скважины и более производительно использовать мощность нагнетательного агрегата.
Струйный циркуляционный насоса (рис .4.1) [15] состоит из корпуса 1, в котором установлен с возможностью осевого перемещения золотник 2, подпружиненный пружиной 3 относительно камеры смешения 4. В корпусе 1 посредством переводника 8 установлено седло 9 с конусом для взаимодействия со втулкой 10 сопла 11, которое выполнено сбрасываемого типа. Герметизация между соплом и втулкой осуществляется с помощью резинового кольца 12. Сопло крепится к втулке посредством крепежного кольца 13. В корпусе 1 выполнены ребра 5 и окна 6. В исходном положении окна 6 перекрыты золотником 2. К камере смешения 4 крепится на резьбе диффузор 7.
На втулке 10 выполнены конусы для взаимодействия с посадочными конусами седла 9 и золотником 2 и для герметизации нагнетательной линии от затрубного пространства. Предохранение золотника 2 от поворота осуществляется винтом 14. Камера смешения 4 и диффузор 7 крепятся к корпусу 1 посредством переводника 15. К втулке 10 крепится хвостовик 16.
Насос спускается в скважину на колонне насосно -компрессорных труб. Причем, длина колонны НКТ ниже устройства будет определять интервал местной циркуляции реагента Ьц. Следовательно, насос должен устанавливаться в скважине немного выше того интервала скважины, где наблюдается отложение различных осадков и где требуется их растворение. По известной технологии в скважину закачивается реагент в объеме, обеспечивающим перекрытие интервала местной циркуляции Ьц (интервала отложений). При этом, приемные окна насоса должны быть так же перекрыты реагентом. После закачки в скважину реагента во внутритрубную полость НКТ сбрасывается сопло. С помощью насосных агрегатов типа 4АН-700 или ЦА - 320 реагент под давлением подается к насосу. При этом втулка 10 сопла 11 садится на посадочный конус золотника 2 (рис.4.1.) и отжимает пружину 3 пока не упрется в посадочный конус седла 9. Окна 6 при этом открываются, чем достигается доступ реагента из затрубного пространства в камеру смешения 4. При истечении реагента с высокой скоростью из сопла 11 внутри золотника 2 падает давление, в результате чего реагент поступает в камеру смешения и далее через диффузор 7 в полость НКТ расположенных ниже устройства. Таким образом, в пределах длины НКТ ниже насоса ( Ьц) возникает местная циркуляция реагента большей интенсивности, чем расход подающегося с поверхности реагента, следовательно улучшаются условия растворения осадков.
