Введение к работе
Актуальность.
Разработка трудноизвлекаемых запасов нефти и ввод в эксплуатацию бездействующего фонда скважин являются наиболее актуальными проблемами нефтяной промышленности Российской Федерации, так как в общей структуре сырьевой базы страны удельный вес этой категории запасов составляет около 80%. Широко применяемые традиционные методы разработки таких запасов становятся неэффективными.
В последнее время в России, а также и за рубежом, всё более широкое применение в нефтегазовой отрасли находят технологии с применением газожидкостных смесей высокого давления. Для реализации этих технологий могут применяться дожимающие насосно-компрессорные установки (НКУ), созданные на базе поршневых или плунжерных насосов, в которых сжатие газа производится в специальной компрессионной камере, где роль поршня выполняет жидкость, то есть происходит непосредственный контакт охлаждающей жидкости со сжимаемым газом.
Специфика организации сжатия газа и жидкости в компрессионных камерах не позволяет использовать для расчета основных характеристик НКУ известные зависимости, применяемые для поршневых компрессоров или насосов.
Все это обуславливает актуальность проведения исследований, обеспечивающих создание и эффективное применение насосно-компрессорных установок'для нагнетания инертных газов, неподготовленных промысловых газов и газожидкостных смесей, которые обеспечивают реализацию современных нефтегазовых технологий.
Цель и задачи диссертационной работы.
Целью настоящей работы является разработка дожимных насосно-компрессорных установок, позволяющих эффективно нагнетать газожидкостные смеси высокого давления (до 40 МПа), на основе исследования процессов, протекающих как в компрессионной камере, так и в приводной части НКУ.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи:
обосновать расчетную схему и разработать математическую модель, описывающую рабочий процесс в компрессионной камере НКУ;
исследовать с помощью математической модели компрессионной камеры НКУ влияние различных параметров на работу клапанов, движение зеркала жидкостного поршня, индикаторную и температурную диаграммы, индикаторную мощность, производительность, температуру нагнетания;
- исследовать влияние рабочего процесса компрессионной камеры на условия
работы приводной части насосно-компрессорной установки при разном числе цилин
дров;
-теоретически, экспериментально и в промышленных условиях исследовать основные характеристики дожимных НКУ;
- на основании теоретического анализа и экспериментальных исследований
разработать рекомендации по проектированию дожимных НКУ и их применению в
нефтегазовой практике.
Научная новизна.
Разработана математическая модель рабочего процесса в компрессионной камере НКУ, основанная на первом начале термодинамики тела переменной массы, уравнениях состояния, тепло и массообмена, с помощью которой проведено исследование влияние на рабочий процесс характеристик клапанов, режима работы установки и параметров компримируемого газа.
Разработана математическая модель многокамерной НКУ, в основу которой положена модель рабочего процесса в отдельной компрессионной камере, с помощью которой проведено исследование влияние режимных параметров и свойств компримируемого газа на момент сопротивления на коренном валу насос-компрессора.
На основании математического моделирования и экспериментальных исследований на полноразмерном насос-компрессоре показано, что интенсивность теплообмена в компрессионной камере не столь высока, чтобы можно было считать процесс сжатия изотермическим. Значение коэффициента политропы сжатия возрастает с ростом отношения давлений, постепенно приближаясь к показателю адиабаты соответствующего газа. При этом показано, что несмотря на достаточно высокую температуру нагнетания газа, температура газожидкостной смеси, образующейся в результате перемешивания фаз в нагнетательном трубопроводе, после выравнивания температуры фаз остаётся на сравнительно невысоком уровне.
Практическая значимость и реализация работы.
Разработанные математические модели рабочих процессов насос-компрессоров с жидкостным поршнем, реализованные в виде программ для ЭВМ, а также результаты проведенных исследований позволяют проектировать насосно-компрессорные установки, обеспечивающие реализацию новых нефтегазовых технологий с применением газожидкостных смесей высокого давления.
Предложенные автором или при его творческом участии новые конструктивные решения по НКУ с жидкостным поршнем послужили основой для создания следующего оборудования:
мобильной насосно-компрессорной установки УБ14-125x25, спроектированной с использованием приводной части трехплунжерного насоса 14Т2;
установки для приготовления и нагнетания в скважину инертных газовых смесей;
комплекса оборудования для приготовления и закачки в скважину технологических жидкостей и ГЖС;
дожимающей насосно-компрессорной установки ДНКУ в контейнерном исполнении с давлением нагнетания до 40 МПа.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены:
- на 1-ой Международной научной конференции «Современные проблемы
нефтеотдачи пластов «Нефтегаз-2003» (Москва, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина,
2003 г.); на расширенном заседании научно-технического совета ОАО «РИТЭК»
(Краснодар, 2003 г.); на Международном технологическом симпозиуме «Новые тех
нологии разработки нефтегазовых месторождений» (Москва, 2004 г.); на научно-
технических конференциях «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазо
вого комплекса России» (Москва, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005 и 2007гг.)
Результаты диссертационной работы включены в состав материалов, представленных по теме «Создание импортозамещающих мобильных комплексов оборудования для новых технологий ремонта скважин, интенсификации добычи нефти и повышения нефтеотдачи пластов» (научн. руководитель темы - Мартынов В.Н.) и удостоенной в 2004 г. премии Правительства РФ в области науки и техники.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, включая 1 монографию, 4 статьи, 12 патентов на изобретения и 5 свидетельствах на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (110 наименования) и приложений. Работа изложена на 212 страницах основного машинописного текста, содержит 86 рисунков, 1 таблицу. В приложениях представлены акты промышленных и приемочных испытаний.
