Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время ни одна из областей жизнедеятельности человека не обходится без использования гидравлических машин и механизмов. Связь между агрегатами систем осуществляется, как известно, посредством трубопроводов, особое место среди которых занимают длинные гидравлические линии. В процессе работы в них возникают волновые процессы, вызываемые рядом причин. Влияние волновых процессов следует учитывать при расчёте гидравлических систем, так как их появление может привести к возникновению гидравлических ударов, колебанию усилий на механизмы, что снижает эффективность их действия и может привести к разрушению самих трубопроводов, а также мест их соединения.
Вместе с тем, волновые процессы в длинных гидравлических линиях могут использоваться при создании вибрационных машин различного назначения. Одним из примеров таких машин являются заглубленные сейсмические источники, предназначенные для повышения нефтеотдачи пластов. При существующей технологии разработки месторождений объем извлекаемой нефти оценивается 30...50%, т.е. 50...70% ее объёма остается в пластах. Прирост добычи нефти происходит за счет ввода в эксплуатацию новых месторождений (на больших глубинах и в новых малообжитых районах). Как показала практика, повышение нефтеотдачи уже обустроенных месторождений становится экономически все более выгодным, даже при существенных дополнительных затратах.
В последние годы много внимания уделяется методу интенсификации добычи нефти путем вибросейсмического воздействия на продуктивные пласты с помощью сейсмоисточников, расположенных на поверхности в зоне эксплуатируемого месторождения. Опытно-промышленными работами на месторождениях Сибири, Башкортостана и др. показана эффективность вибросейсмического метода интенсификации добычи нефти. 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. Причем данный положительный эффект сохраняется до 12 месяцев после прекращения вибровоздействия.
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. Одна из основных - это большие потери энергии (до 80%), которые обусловлены формированием поверхностных волн и поглощением энергии волн в зоне верхних рыхлых слоев земной поверхности, характеризующихся небольшими значениями скорости распространения сейсмиче-
ских волн (так называемая зона малых скоростей). Поэтому актуальной является задача создания источника, который лишен данного недостатка, присущего существующим поверхностным сейсмоисточникам. Альтернативой может служить гидрогенератор упругих волн, состоящий из источника переменного давления (пульсатора) и протяженной скважины глубиной 100...200 м, в забое которой формируется вибросейсмическое воздействие на грунт, передаваемое ниже зоны малых скоростей.
Работа по созданию указанного гидрогенератора с длинной гидравлической линией выполнялась в рамках государственной научно-технической программы «Прогрессивные технологий комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов недр земли» (Недра России).
Цель диссертационной работы: разработать малорасходный низкочастотный гидрогенератор упругих волн для повышения отдачи нефтяных пластов с учетом динамических процессов передачи перепада давления по длинной гидравлической линии.
Задачи исследования:
Построить и исследовать математическую модель гидрогенератора упругих волн, состоящего из источника переменного давления (пульсатора) и передающего устройства в виде длинной гидравлической линии с поршнем на конце, опирающемся на вязкоупругое основание.
Спроектировать и изготовить модельную экспериментальную установку для оценки адекватности математической модели.
Провести компьютерное (имитационное) моделирование работы системы экстремального управления гидрогенератора, обеспечивающей автоматическую настройку пульсатора на частоту, соответствующую минимальному расходу жидкости.
Выработать практические рекомендации построения гидрогенераторов упругих волн.
Научная новизна заключается в построении математической модели и установлении закономерностей динамических процессов гидрогенерации упругих волн посредством исполнительного механизма (пульсатора) и передающего устройства в виде длинной гидравлической линии с поршнем на конце, опирающемся на вязкоупругое основание.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением математического аппарата, основных положений гидродинамики, теоретической механики, теории колебаний, использованием общепризнанных допущений. Адекватность предложенной математической модели гидрогенератора с длинной гидравлической линией подтверждена экспериментальными исследованиями, проведёнными в лабораторных условиях с применением оригинальной технологической и измерительной оснастки, а также серийно выпускаемых средств измерения и контроля. При анализе результатов измерений использовалось устройство обработки аналоговоцифровой информации L-780 и ПЭВМ.
Практическая значимость заключается в результатах экспериментальных исследований передачи перепада давления в длинной гидравлической линии, практических рекомендациях по проектированию источников вибросейсмического воздействия на нефтеносные залежи с целью повышения их отдачи, отработке расчетно-экспериментальнои методики использования низкочастотного гидрогенератора упругих волн на минимальных расходах для длинных гидравлических линий с различными типовыми размерами.
Результаты исследований внедрены при конструировании сейсмических источников на предприятии ООО «Виброимпульсные технологии», г. Омск.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель динамической системы «пульсатор-скважина-грунт».
Система экстремального управления гидрогенератором упругих волн, обеспечивающая работу пульсатора на частотах, для которых расход рабочей жидкости минимален.
Результаты экспериментального исследования модельной установки низкочастотного гидравлического источника упругих волн.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на VI Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2007), IV Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2007), II Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» (Омск, 2009), VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2009). По результатам работы опубликовано восемь печатных работ (две из них в журнале, рекомендованном ВАК РФ). Получен грант на конкурсе работ молодых ученых по программе «У.М.Н.И.К.».
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 132 страницах текста, состоит из введения, 4 глав и одного приложения, содержит 55 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 128 наименований.
