Введение к работе
Актуальность работы. В нефтегазопромысловом деле, особенно при бурении, освоении и капитальном ремонте скважин, в технологических процессах приготовления, утяжеления, химической обработки буровых и тампонажных растворов, других технологических жидкостей широко используются гидроэжекторные смесители (ГЭС). По сравнению с другими устройствами аналогичного функционального назначения они просты и надежны, технологичны. Однако длительный опыт их использования при бурении, освоении и капитальном ремонте показал, что конструкции ГЭС далеки от совершенства, а технологии с их использованием требуют существенного улучшения.
ГЭС включает элементы, геометрические характеристики которых не обоснованы ни теоретически, ни экспериментально, а лишь формально перенесены из опыта эксплуатации газожидкостных струйных насосов и с 30-х годов прошлого века практически не менялись. В результате технологические процессы с их использованием до сих пор характеризуются следующими недостатками: пневмотранспорт материалов в вакуумную камеру ГЭС нестабильный, режим подачи порою пробковый и нерегулируемый; при расположении вакуумной камеры под загрузочной воронкой зачастую отмечается намокание материалов и полное прекращение его подачи в зону смешения; при расположении вакуумной камеры выше загрузочной воронки в случае снижения подачи рабочей жидкости отмечается полный срыв пневмотранспорта сыпучего материала; чтобы довести буровые и тампонажные растворы до кондиции, используют повторное их прокачивание через ГЭС, что приводит к интенсивному износу его элементов; в результате неконтролируемого вовлечения в растворы большого количества воздуха показатели их свойств не соответствуют расчетным, что отрицательно сказывается на их дальнейшем использовании.
Указанные выше недостатки приводят к дополнительным затратам рабочей силы, материалов, времени, ухудшают экологическую обстановку в прилегающей к устью скважины зоне и безопасность технологического процесса. Поэтому задача модернизации конструкции ГЭС и совершенствования технологических процессов с их использованием актуальна, экономически оправдана и экологически необходима.
Цель работы. Обосновать основные геометрические размеры гидро-эжекторных смесителей и модернизировать технологии их использования при приготовлении буровых промывочных и тампонажных растворов.
Основные задачи:
Создать модель системы с использованием ГЭС, позволяющую исследовать все многообразие режимов его работы в различных технологических операциях.
Исследовать закономерности изменения основного показателя ГЭС - коэффициента эжекции - от соотношения его геометрических параметров и давления перед рабочей насадкой, и установить рациональные величины этих параметров.
Исследовать основные закономерности пневмотранспорта в вакуумную камеру ГЭС широко используемых в промысловой практике порошкообразных материалов: бентонитового глинопорошка, порошкообразного барита, тампонажного портландцемента, и установить режимные параметры, соответствующие оптимальному пневмотранспорту, а также его кризису.
Модернизировать на основе полученных результатов конструкцию ГЭС и технологические процессы приготовления буровых промывочных и тампонажных растворов, разработать методику расчетов этих процессов.
Методы решения задач. Использованы аналитические и эмпирические методы при решении задач диссертации. Экспериментальная установка создана в строгом соответствии с положениями теории моделирования процессов. Обработка экспериментальных данных производилась на персональном компьютере в программе Excel. В качестве измерительной аппаратуры использованы стандартные приборы, прошедшие поверку и калибровку. Исследованные порошкообразные материалы гостированы и произведены на заводах.
Научная новизна:
1.Установлены закономерности изменения коэффициента эжекции в гидроэжекторном смесителе в зависимости от основных его геометрических параметров при использовании питательного насоса низкого давления (до 0,35 МПа). Определено условие кризиса эжекции.
Определена минимально допустимая скорость жидкости в рабочей насадке, обеспечивающая устойчивую работу гидроэжекторного смесителя (для воды 20 м/с).
Установлены закономерности пневмотранспорта порошкообразных материалов в вакуумную камеру гидроэжекторного смесителя: производительность по порошку, плотность аэрозоля в зависимости от скорости транспортирующего воздушного потока.
Определена величина скорости воздушного потока, при которой наступает кризис пневмотранспорта для основных технологических сыпучих материалов: бентонитового глинопорошка, порошкообразного баритового утяжелителя, портландцемента.
Установлена величина оптимальной скорости воздушного потока, при которой достигается максимальная плотность воздушно-бентонитового, воздушно-цементного и воздушно-баритового аэрозоля.
Исследовано влияние высоты положения гидроэжекторного смесителя над загрузочной воронкой на его производительность по порошкообразному материалу и доказана целесообразность его установки над осред-нительной емкостью.
Впервые исследована роль высоты загрузки воронки порошкообразным материалом в подаче его в зону смешения и доказана существенная роль этого фактора в регулировании производительности пневмотранспорта; определена максимальная высота загрузки.
Разработана методика расчета технологического процесса приготовления буровых промывочных и тампонажных растворов.
Практическая значимость работы
Практическая значимость работы определяется соответствием направления исследований содержанию ряда научно-технических отраслевых программ по совершенствованию технологии бурения и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин, включающих проблемы качественного приготовления буровых промывочных и тампонажных растворов, других технологических жидкостей.
Обоснована и создана экспериментальная модель автономного блока для приготовления буровых промывочных и тампонажных растворов.
Установлены рациональные геометрические параметры основных элементов гидроэжектоного смесителя и предложена для производства его конструкция.
Создан и запатентован модернизированный автономный блок для приготовления буровых промывочных и тампонажных растворов.
4. Установлены рациональные рабочие границы скорости пнев
мотранспорта технологических сыпучих материалов: 2,7 — 7,0 м/с.
Рекомендовано устанавливать гидроэжекторный смеситель над ос-реднительной емкостью блока приготовления растворов, но не выше 2,5 м от нижнего обреза загрузочной воронки.
Составлена программа для ПК проектного расчета технологического процесса приготовления буровых промывочных и тампонажных растворов из порошкообразных материалов.
Соотоетствие диссертации научной специальности
В соответствии с формулой специальности «Машины, агрегаты и процессы (нефтяная и газовая промышленность)» представленная диссертаци-
онная работа является прикладным исследованием, направленным на решение технических проблем, связанных с совершенствованием действующих и разработкой новых устройств и технологий, обеспечивающих более высокие технико-экономические показатели при бурении, освоении и ремонте скважин.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались: на VII Международном научном симпозиуме им. Академика М.А. Усова студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2003 г.); на Международной научно-практической конференции СЕВКАВНИПИГАЗ «Проблемы эксплуатации и капитального ремонта скважин на месторождениях и ПХГ» (г. Ставрополь:, 2005.); на Межотраслевой научно-практической конференции «Современная техника и технология заканчивания скважин и бурения боковых стволов» (г. Анапа, 2006 г); на X Международном научном симпозиуме им. Академика М.А. Усова студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2006 г.); на Межотраслевой научно-практической конференции «Современные технико-технологические решения в области бурения и капитального ремонта скважин» (г. Анапа, 2007 г.); на Межотраслевой научно-практической конференции «Материалы и оборудование для бурения и ремонта скважин, в том числе импортозамещяющие» (г. Анапа, 2008 г.); на Межотраслевой научно-практической конференции «Технологии строительства и капитального ремонта скважин, повышения нефтеотдачи пластов. Изучение проблем отрасли и обмен опытом» (г. Анапа, 2010 г).
Публикации
Результаты работы опубликованы в 14 работах, в одном учебном пособии, в трех патентах РФ.
Личный вклад автора
Вклад автора в исследования состоял в подготовке экспериментальных установок, комплексном анализе погрешности и адаптации методов измерений к объектам исследований, проведении экспериментов, обработке и анализе экспериментальных данных, а также подготовке статей и докладов на конференциях и для публикации в реферируемых журналах.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 149 с, включая 42 рисунка, 28 таблиц. Список использованных источников состоит из 94 библ.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному руководителю доктору технических наук Проселкову Юрию Михайловичу за руководство и всестороннюю помощь.
Автор благодарит д.т.н. Родионова В. П., который привил интерес к исследовательской работе. За постояшгую поддержку и ценные консультации автор глубоко признателен к.т.н. Алиеву В.К., к.т.н. Омельянюку М.В., Салухову С.Н. Автор благодарит инженера кафедры теплотехники КубГТУ Иванова А.И. за техническую помощь в проведении экспериментов. Автор благодарит к.т.н. Шарнова А.И. и всех сотрудников кафедр МОНГП АМТИ, теплотехники КубГТУ за поддержку и участие.
