Содержание к диссертации
Введение
1. Область применения и конструкции гидрогенераторов упругих волн 12
1.1. Существующие способы вибрационной обработки продуктивного нефтеносного пласта 14
1.2. Классификация источников сейсмических волн 17
1.3. Недостатки поверхностных сейсмоисточников 19
1.4. Конструкции существующих скважинных источников 20
1.5 Классификация автоколебательных гидравлических вибраторов... 3 9
1.6 Постановка задачи 41
2. Низкочастотный гидравлический излучатель упругих волн 43
2.1. Низкочастотный гидравлический излучатель упругих волн с автоколебательным приводом 43
2.1.1. Общее описание низкочастотного гидравлического излучателя упругих волн с автоколебательным приводом 43
2.1.2. Автоколебательный привод низкочастотного гидравлического излучателя упругих волн с зазором в обратной связи 45
2.1.3. Математическая модель автоколебательного привода низкочастотного гидравлического излучателя упругих волн с катарактой в обратной гидравлической связи и поршнем двустороннего действия 49
2.1.4. Математическая модель автоколебательного привода низкочастотного гидравлического излучателя упругих волн с катарактой в обратной гидравлической связи и поршнем одностороннего действия 56
2.2. Система автоматического управления погружными гидравлическими скважинными излучателями 60
2.2.1. Функциональная и принципиальная схема системы управления частотой излучения погружного вибратора 61
2.2.2. Исследование устойчивости САУ 68
2.3. Основные результаты и выводы 74
3. Компьютерное моделирование динамики низкочастотного гидравлического излучателя упругих волн с автоколебательным приводом 77
3.1. Аналитическое моделирование динамики низкочастотного гидравлического излучателя упругих волн с автоколебательным приводом в программном пакете MATLAB\Simulink 79
3.1.1. Структурная схема низкочастотного гидравлического излучателя упругих волн с автоколебательным приводом 80
3.1.2. Аналитическое моделирование низкочастотного гидравлического излучателя упругих волн с автоколебательным приводом 82
3.1.3. Определение конструктивных параметров низкочастотного гидравлического излучателя упругих волн с автоколебательным приводом 85
3.2. Компьютерное имитационное моделирование процессов в низкочастотном гидравлическом излучателе упругих волн с автоколебательным приводом в пакете Tesis Flow Vision 87
3.2.1. Описание расчетной модели 87
3.3. Сравнение результатов моделирования в пакетах MATLAB\Simulink и Tesis FlowVision 94
4. Экспериментальное исследование погружного скважинного излучателя упругих волн 97
4.1. Общее описание экспериментальной установки 97
4.1.1. Устройство экспериментальной установки 97
4.1.2. Настройка и принцип работы экспериментальной установки 102
4.2. Определение характеристик лабораторного макета и датчиков 104
4.2.1 Определение характеристик лабораторного макета 105
4.2.2. Тарировка датчиков перемещения 108
4.3. Расчёт основных параметров экспериментальной установки 111
4.4. Порядок проведения и обработка данных эксперимента 114
4.5. Конструктивные решения низкочастотных погружных гидравлических генераторов с автоколебательным приводом 116
4.6. Практические рекомендации по построению низкочастотных погружных гидравлических генераторов с автоколебательным приводом 118
Основные результаты и общие выводы 120
Список использованной литературы 122
Приложения 140
- Классификация источников сейсмических волн
- Система автоматического управления погружными гидравлическими скважинными излучателями
- Компьютерное имитационное моделирование процессов в низкочастотном гидравлическом излучателе упругих волн с автоколебательным приводом в пакете Tesis Flow Vision
- Определение характеристик лабораторного макета и датчиков
Введение к работе
Актуальность работы.
Гидравлические вибрационные устройства широко используются в различных отраслях техники, машиностроения и сельского хозяйства. Одной из отраслей, где используются гидравлические вибрационные устройства, является нефте- и газодобыча.
При существующих в настоящее время технологиях разработки месторождений 50-70% объёма нефти остается в пластах. Прирост добычи нефти в основном происходит за счет ввода в эксплуатацию новых месторождений (на больших глубинах и в новых малообжитых районах). Как показала практика, в том числе и в зарубежных странах, повышение нефтеотдачи уже обустроенных месторождений становится экономически все более выгодным, даже при существенных дополнительных затратах.
Одним из наиболее отработанных на практике и показавших свою эффективность методов является метод интенсификации добычи нефти путем вибросейсмического воздействия (ВСВ) на продуктивные пласты с помощью мощных поверхностных сейсмоисточников. Доказано, что при наведении в толще обводненного пласта волнового поля с амплитудой смещения не менее 3-5 нм на доминантных частотах (5-20 Гц) происходит увеличение добычи нефти до 2 раз. Данный положительный эффект сохраняется до 12 месяцев после прекращения вибровоздействия и проявляется при повторном воздействии.
Одним из основных требований технологии ВСВ является точность поддержания частоты излучения. Проведенные исследования показывают, что при отклонении частоты излучения от доминантной частоты пласта более чем на 0,1 Гц происходит резкое снижение эффективности воздействия.
Поверхностные сейсмические источники большой мощности стали появляться в СССР в конце 70-х – начале 80-х годов прошлого столетия. Их созданием занимались видные ученые: А.С. Алексеев, А.С. Алешин,
Ю.А. Бурьян, Б.В. Войцеховский, П.Я. Крауиньш, М.В. Курленя, А.В. Николаев, Н.П. Ряшенцев, Б.Ф. Симонов, В.Н. Сорокин, Е.Н. Чередников, И.С. Чичинин, А.С. Шагинян, Е.И. Шемякин, В.И. Юшин и другие.
Широкое внедрение технологии вибросейсмического воздействия сдерживается по ряду причин. Одной из основных причин является большие потери энергии, доходящие до 80%, обусловленные формированием поверхностных волн и поглощением энергии в зоне верхних слоев земной поверхности (так называемая зона малых скоростей).
Данного недостатка лишен источник, производящий воздействие непосредственно на глубине залегания пласта. Следовательно, актуальной является задача создания погружного источника для проведения ВСВ в зоне перфорации.
Одним из направлений по созданию источника, удовлетворяющего требованиям ВСВ, является использование автоколебательного гидравлического привода, силовая часть которого имеет возможность настройки на доминантную частоту пласта и обеспечивает перепад давления в зоне перфорации.
В данной работе рассмотрен гидравлический автоколебательный привод с зазором в обратной связи, предложен гидравлический автоколебательный привод с катарактой в обратной связи в качестве силового привода погружного скважинного источника упругих волн, а так же предложена система автоматической стабилизации частоты излучения погружных гидрогенераторов без автоколебательного режима.
Цель диссертационной работы: разработка конструктивных решений и методов расчета погружных низкочастотных гидравлических генераторов упругих волн с регулированием частоты излучения.
Задачи исследования:
Разработать математическую модель динамических процессов в погружном скважинном гидравлическом генераторе упругих волн с автоколебательным приводом.
Исследовать динамические процессы в погружном скважинном гидравлическом генераторе упругих волн с автоколебательным приводом.
Разработать и исследовать систему автоматического управления для погружных гидрогенераторов без автоколебательного режима работы с целью стабилизации частоты излучения.
Провести экспериментальное исследование динамических процессов в погружном скважинном гидравлическом генераторе упругих волн с автоколебательным приводом на базе лабораторного макета.
Разработать схемные и конструктивные решения генераторов упругих волн с автоколебательным приводом.
Выработать практические рекомендации по проектированию погружных скважинных гидравлических генераторов упругих волн с автоколебательным приводом.
Научная новизна заключается:
- в разработке математической модели динамических процессов в автоколебательном гидравлическом приводе с катарактой в обратной связи и принципов его построения;
- в установлении закономерностей динамических процессов в погружном вибраторе на базе автоколебательного гидравлического привода с катарактой в обратной связи и в обосновании соответствия технических характеристик вибратора технологии ВСВ;
- в разработке системы автоматического управления частотой излучения погружных гидродинамических вибраторов золотникового, шаберного и пр. типов с устья скважины, определения условий устойчивости и точностных характеристик САУ.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением математического аппарата, основных положений гидродинамики, теоретической механики, теории колебаний, использованием общепризнанных допущений. Адекватность предложенной математической модели погружного скважинного гидравлического генератора упругих волн с автоколебательным приводом экспериментальными исследованиями макета автоколебательного гидравлического генератора, проведёнными в лабораторных условиях с применением серийно выпускаемых средств измерения и контроля.
Практическая значимость заключается в разработке конструктивных решений и практических рекомендаций для построения погружных гидравлических генераторов упругих волн с автоколебательным приводом и разработке САУ для стабилизации частоты излучения гидродинамических погружных вибраторов, позволяющей проводить воздействие по технологии ВСВ.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель погружного генератора упругих волн на базе автоколебательного гидравлического привода с катарактой в обратной связи.
Система автоматического управления для обеспечения заданной точности стабилизации частоты излучения погружными гидродинамическими вибраторами золотникового, шаберного и пр. типов.
Основные закономерности рабочих процессов в погружном генераторе упругих волн на базе автоколебательного гидравлического привода с катарактой в обратной связи, которые позволяют определить основные параметры и характеристики генератора, отвечающие требованиям технологии ВСВ.
Схемные и конструктивные решения генераторов упругих волн с регулированием частоты излучения.
Практические рекомендации по проектированию погружных скважинных гидравлических генераторов упругих волн с автоколебательным приводом.
Результат экспериментального исследования модели погружного генератора упругих волн на базе автоколебательного гидравлического привода с катарактой в обратной связи.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительные отзывы на I Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность» (Омск, 2008), II Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность» (Омск, 2009), VII Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Молодежь, наука, творчество» (Омск, 2009), VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2009), VI международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2009), Международной научно-практической конференции «Инженерные системы-2010» (Москва, 2010), региональной молодежной научно-технической конференции «Омское время – взгляд в будущее» (Омск, 2010). По результатам работы опубликовано восемь печатных работ (одна из них в журнале, рекомендованном ВАК РФ).
Разработка отмечена дипломом конкурса работ молодых ученых по программе «У.М.Н.И.К.».
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 143 страницах текста, состоит из введения, 4 глав и одного приложения, содержит 55 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 128 наименований.
Классификация источников сейсмических волн
В настоящее время предложено достаточно большое количество конструкций различных видов подземных и заглубленных источников сейсмических волн [1-3,33,56-84]. Разнообразие источников данного типа требует их классификации для определения подходов к проектированию рис. 1.2 [42].
Подземные источники можно разделить по типу излучаемого сигнала: импульсные, вибрационные и виброимпульсные.
Сейсмоисточники можно так же разделить по признаку их модификации, которая определяется видом преобразуемой энергии (принципом действия) и направлением воздействия на грунт. По виду преобразуемой энергии сейсмоисточники классифицируются как гидравлические, пневмогидравлические, газохимичиские, электрические. В зависимости от направления приложения нагрузок на грунт сейсмоисточники можно разделить виды, приводящие к деформации грунта в радиальном направлении (так называемый источник пульсирующей сферы) или к деформации в вертикальном направлении (источник осциллирующей сферы) [34,121,123].
Существенным недостатком всех поверхностных сейсмических источников, независимо от их конструкции и способа нагружения грунта, является то, что они кроме продольных и поперечных волн излучают поверхностные волны, на которые уходит до 35% излучаемой источником энергии. Кроме того, значительное поглощение сейсмической энергии происходит в поверхностной зоне малых скоростей геологического разреза, где теряется до 45% излучаемой источником энергии. Зона малых скоростей геологического разреза образована слабо сцементированными, рыхлыми отложениями и составляет в глубину 100-200 м [102]. В итоге поверхностные источники при работе на дневной поверхности теряют до 80% излучаемой энергии.
Теоретические исследования показали [122], что эффективность сейсмических источников, установленных в грунтовом пространстве под зоной малых скоростей, значительно выше, чем у поверхностных. Поэтому заглубленные или скважинные источники сейсмических волн будут обладать большей эффективной мощностью. Подземный виброисточник «распорного» типа. В СКВ ПГ одним из направлений создания высокоэффективных сейсмических источников явилась разработка подземного источника сейсмических сигналов [109]. Схема подземного сейсмического источника с излучателем «распорного» типа и гидрообъемным возбудителем вибраций достаточно проста (рис. 1.3). В качестве силового элемента излучателя энергии используются буровые рукава с внутренним диаметром условного прохода af =76 мм. На этот рукав с одной стороны ставят заглушку и предварительно осесимметрично деформируют сегментами на величину поджатия х0.
Для предварительного закрепления и фиксации рукава в поджатом состоянии перед установкой в подготовленные в горной породе горизонтальные скважины, сегменты стопорятся друг относительно друга специальным стопорящим устройством. Это устройство после установки в скважине и подачи давления в рукав разрушается.
Схема с гидрообъемным генератором включает управляемый силовой электропривод и генератор колебаний. Кинематика такого гидрообъемного генератора аналогична кинематике гидрообъемных насосов. Конструктивная схема сейсмического источника данного типа представлена на (рис. 1.4).
Система автоматического управления погружными гидравлическими скважинными излучателями
В настоящее время для низкочастотного акустического воздействия на призабойную зону пласта (ПЗП) широко применяются различного вида погружные скважинные вибраторы (шаберно-торцевого, роторного вида и т.д.), которые устанавливаются на глубине залегания пласта [ПО]. Эти вибраторы достаточно обладают достаточно большой мощностью, надежны и имеют частотный диапазон 10-100 Гц, при этом рабочий орган вибратора, создающий пульсирующий перепад давления, приводится во вращение за счет создания необходимого расхода и давления жидкости насосом на устье скважины. Однако использования вибраторов подобного типа для вибросейсмического воздействия (ВСВ) на нефтеносный пласт ограничена тем, что стабильность частоты у этих вибраторов не высока, в то время как для ВСВ допустимая погрешность частоты излучения на доминантной" частоте пласта составляет не более 0,1 Гц при диапазоне доминантных частот 5-20 Гц [4]. В связи с вышеизложенным актуальной является проблема создания системы управления частотой погружных вибраторов, которая должна обеспечивать их работу на доминантной частоте пласта с погрешностью не более 0,1 Гц. Вибратор по принципу действия представляет собой объемную гидравлическую машину, скорость вращения, а значит и частота излучения энергии, при неизменном давлении определяется подачей насоса. В этом случае регулирующим воздействием является изменение расхода насоса в соответствии с отклонением частоты излучения от заданной. Функциональная и принципиальная схема системы управления частотой излучения погружного вибратора Функциональная схема системы управления частотой излучения погружного вибратора в предположении, что на устье скважины установлен насос с регулятором давления, показана на рис. 2.6. Особенностью приведенной на рис. 2.6 системы управления является то, что управляющий сигнал по расходу Q(t) и перепад давления от вибратора до датчика обратной связи распространяются по длиной гидравлической линии. Принципиальная структурная схема системы управления представлена на рис. 2.7. Рис. 2.8 Принципиальная схема регулятора давления: 1 - насос; 2 основной золотник; 3 - перепускной клапан; QK - расход через перепускной клапан; X— ход плунжера перепускного клапана, Y— перемещение основного золотника, управляемого электродвигателем Величина расхода в данной системе устанавливается путем смещения золотника, регулирующего площадь открытия дросселирующей щели. Система управления устроена таким образом, что перепад давлений на дросселирующей щели поддерживается все время постоянным. Питание к золотнику подается от насоса с постоянной производительность. Постоянный перепад на дросселирующей щели поддерживается с помощью перепускного клапана, через который излишек расхода от насоса поступает обратно в бак. Если в качестве вибратора используется вибратор роторного типа, силовая часть которого (гидромотор) вращает устройство, периодически перекрывающее давление в призабойной зоне, то уравнение расходов можно представить в виде [86]: где qM — рабочий объем гидромотора, приведенный к одному радиану поворота вала; Кп — проводимость щелей, по которым происходит перетечка жидкости; V0 - объем полостей гидромотора; Вж — модуль объемной упругости жидкости; Др - разность давлений; а — угол поворота ротора. Уравнение моментов на оси вращения роторного вибратора в линейном приближении без учета момента сопротивления не вязкого типа можно записать в виде инерции вращающихся частей; К1Т - вязкое трение. После преобразования по Лапласу уравнений (2.10), (2.11) и обычных алгебраических преобразований для передаточной функции W4(p) получим п - количество щелей в устройстве перекрытия давления; Для определения передаточных функций W3(p) и Ж3(/?) необходимо записать уравнения неустановившегося ламинарного движения сжимаемой жидкости в упругой цилиндрической трубе круглого сечения [86]: Е,= Е - модуль упругости стенки трубы; В — модуль объемной упругости среды; г0 - радиус трубы; 5 - толщина стенки; г0 - квазистационарное касательное напряжение на стенке трубы; Ар, V— давление и плотность среды. Проводя преобразование Лапласа для уравнений (2.13) и вводя операторный коэффициент распространения возмущений [86]: Решение дифференциального уравнения (2.15) при граничных условиях АР(р,х) = АР1(р,0) и принимая длину линии равной L для х = е получим [88]: Для управления скоростью вращения ротора вибратора необходимо изменять расход в начале линии длиной = Н, где Н — глубина скважины, а измерение частоты происходит на устье скважины, при этом генератор перепада давления находится на уровне забойной зоны, которую для данного случая необходимо принять за начало линии. Таким образом, необходимо рассмотреть две линии с распределенными параметрами: 1 - передача по НКТ изменений по расходу от устья скважины до забойной части; 2 - передача перепада давления от забойной части до устья по обсадной трубе. Гидравлическая схема (рис.2.6) данной системы такова, что от концов линий не происходит отражений волн возмущений (для первой линии по Q{t) , по второй -ЛР(ґ)), так как линии пропускают тот расход среды, который переносится прямой волной.
Компьютерное имитационное моделирование процессов в низкочастотном гидравлическом излучателе упругих волн с автоколебательным приводом в пакете Tesis Flow Vision
Компьютерное имитационное моделирование процессов в низкочастотном гидравлическом излучателе упругих волн с автоколебательным приводом в пакете Tesis FlowVision Программный комплекс FlowVision предназначен для моделирования трехмерных течений жидкости и газа в технических и природных объектах, а также визуализации этих течений методами компьютерной графики. FlowVision основан на конечно-объемном методе решения уравнений гидродинамики и использует прямоугольную адаптивную сетку с локальным измельчением. Для аппроксимации криволинейной геометрии с повышенной точностью FlowVision использует технологию подсеточного разрешения геометрии. Эта технология позволяет импортировать геометрию из систем САПР и обмениваться информацией с системами конечно-элементного анализа. Процесс расчета течения жидкости включает в себя следующие шаги, выполняемые пользователем: 1. Создание области расчета ("геометрии" устройства) в САПР; 2. Задание математической модели; 3. Задание граничных условий; 4. Задание исходной расчетной сетки и критериев её адаптации по решению и по граничным условиям; 5. Задание параметров методов расчета; 6. Проведение расчета; 7. Просмотр результатов расчета в графической форме ("визуализация" результатов расчетов) и сохранение данных в файлы; 8. Оценка точности расчетов методом сходимости по сетке. Расчетная модель строилась в среде SolidWorks и импортировалась в среду FlowVision через формат wrlm. Расчетная модель разделена на 3 части: - проточная часть, представляющая собой объединенный объем внутренней полости гидравлического излучателя; - твердотельная модель поршня; - твердая модель золотника. При импорте в качестве основной модели была взята проточная часть. Модели поршня и золотника импортируются в качестве фильтров. В качестве расчетной модели выбрана модель слабосжимаемого течения жидкости. Опорными величинами взяты давление 20 МПа и температура 343DC - условия соответствующие усредненным условия скважиной жидкости. При построении модели перетечки между полостями золотника и полостями гидроцилиндра не учитывались. Для граней поршня и золотника назначено граничное условие «Стенка» т.к. данные детали представляют собой твердые тела. Для всех граней проточной части назначено граничное условие «Стенка» за исключением граней указанных на рис. 3.6 и 3.7, что соответствует конструктивным параметрам генератора и огороженной пакерами зоны перфорации. Для граней, отвечающих за вход жидкости в модель, назначено граничное условие «Вход/Выход» давлением на входе 10 МПа. Данные грани показаны на рис 3.6. Таким образом определяются места подключения нагнетающих магистралей к гидравлическому генератору упругих волн. Подаваемое давление превышает скважинное на указанную величину. Для грани, показанной на рис. 3.7, назначено граничное условие «Свободный выход». Данным граничным условием смоделирована сливная магистраль. Давление на сливе равно внутрискважииному давлению. Для данной модели построена конечно-элементная ортогональная сетка с шагом 1 мм по всем осям. Количество ячеек в модели: 1 783 742 (517 000 расчетных ячеек). 3.2.2 Результаты моделирования.
Определение характеристик лабораторного макета и датчиков
При этом рабочая жидкость из нижней полости силового гидроцилиндра через гидрораспределитель золотникового типа, рукав (поз. 13), кран (поз. 12) и сливную магистраль (поз 11) выдавливается в бак. При смещении вниз поршня силового гидроцилиндра происходит перемещение жестко связанного с ним поршня катаракты (поз. 4), которое вызывает движения корпуса катаракты. Поводок (рис. 4.5, поз. 10), жестко связывающий корпус катаракты и центральный болт золотника (рис. 4.5, поз. 11) приводит в движение золотник. В результате происходит переключение гидрораспределителя золотникового типа и повышенное давление возникает в нижней полости гидроцилиндра. Процесс повторяется в противоположную сторону. Технические характеристики экспериментальной установки Рабочая жидкость вода Рабочее давление насосной станции 100 атм Перемещение золотника для переключения 1 мм Ход поршня силового гидроцилиндра 10 мм Диапазон рабочих частот 1 -25 Гц Номинальный расход жидкости 5 л/мин Настройка частоты лабораторного макета происходить путем изменения жесткости пружины (рис. 4.5, поз. 4) и подбором дополнительной массы (рис. 4.5, поз 5) 4.2. Определение характеристик лабораторного макета и датчиков Для определения расчётных характеристик лабораторного макета и обработки опытных данных необходимо получить значения жесткости пружин силового гидроцилиндра, определить, соответствующую жесткости, дополнительную массу и построить тарировочную характеристику датчиков перемещения. Силовые характеристики, построенные по данным испытаний (табл. 4.1 и 4.2), оказались близки к линейным (рис. 4.9, а и б) с погрешностью, не превышающей 4.2%. Следовательно искомая жесткость пружин может быть определена по линейной зависимости: F = Cx (4.1) Используя метод наименьших квадратов, получаем значения расчётной жесткости: Для измерения перемещения используется ползунковый резистор сопротивлением 50 кОм и ходом 20 мм (рис. 4.10). Первый датчик перемещения жестко крепится к шайбе, выполняющую роль дополнительной массы поршня силового гидроцилиндра, а второй - к центральному болту золотникового гидрораспределителя. Питание подается с USB порта компьютера. Сигнал передается и анализируется с помощью платы АЦП L 780М v.2 (рис. 4.11) на ПК с использованием программы LabView. Изменим полученную ранее математическую модель (разд. 3.1.1) низкочастотного погружного гидравлического излучателя упругих волн с автоколебательным приводом, исключив из нее силу, действующую со стороны клапана, т.к. смоделировать её в лабораторных условиях представляется затруднительным. Конструктивные параметры лабораторного макета: Диаметр поршня силового гидроцилиндра 56 мм Диаметр золотника 27 мм Масса силового гидроцилиндра 0,8 кг Масса золотника (с центральным болтом) 0,4 кг Масса корпуса катаракты (с поводком золотника) 1,4 кг Диаметр отверстия катаракты 2 мм Длина отверстия 26 мм Для жёсткости пружин выбирались значения (4.2); коэффициент сухого трения R принимался равным нулю. Коэффициенты демпфирования ВяЬ оперделеялись следующим образом: с помощью модели в среде Tesis FlowVision (разд. 3.2) было смоделировано затухающее движение поршня силового гидроцилиндра и золотника (без внешних воздействий и разности давления на подаче и сливе). Графики полученных колебаний представлены на рис. 4.12. Затухающие колебания описываются уравнением следующего вида
