Содержание к диссертации
Введение
1 Устройства защиты нефтяного насоса от засорения и математические модели их рабочих процессов 7
1.1 Проблема засорения нефтяных насосов 7
1.2 Отложение солей в насосах
1.2.1 Анализ известных способов предотвращения солеотло-жений 9
1.2.2 Математические модели дозирования ингибитора погружными контейнерами 13
1.3 Засорение насосов механическими примесями 17
1.3.1 Анализ известных способов отделения механических примесей от добываемой жидкости 17
1.3.2 Моделирование рабочего процесса сепараторов механических примесей 21
1.4 Постановка задачи исследования 26
2 STRONG Методики математического моделирования и экспериментальных исследований рабочих
процессов предвключённых устройств STRONG 28
2.1 Математические модели турбулентных течений однофазных жидкостей 28
2.2 Модель турбулентного переноса пассивной механической примеси 44
2.3 Модель вытекания высоковязкой смеси из контейнера 52
2.4 Диффузия в турбулентных течениях 57
2.5 Методика стендовых испытаний гравитационных сепараторов твердых частиц 63
2.6 Выводы 66
3 Моделирование рабочего процесса и оптимизация погруж ных контейнеров 67
3.1 Контейнер для твёрдого ингибитора 67
3.1.1 Моделирование рабочего процесса контейнера 68
3.1.2 Сопоставление расчета с эксплуатационными данными 71
3.2 Контейнер с капсулированным или жидким реагентом 74
3.2.1 Выбор геометрических параметров контейнера 75
3.2.2 Моделирование растворения внутри контейнера 78
3.2.3 Сопоставление расчета с эксплуатационными данными 80
3.3 Контейнер с постоянной скоростью дозирования 83
3.3.1 Моделирование рабочего процесса в устройствах различного типа 85
3.3.2 Описание конструкции 99
3.4 Выводы 101
4 Моделирование рабочего процесса и выбор рациональных конструкций гравитационных сепараторов 102
4.1 Гравитационный сепаратор твердых частиц без закрутки потока 102
4.2 Гидроциклонный сепаратор твёрдых частиц 110
4.3 Поисковые стендовые исследования влияния газа на характеристики сепараторов механических примесей 116
4.4 Незасоряющиеся фильтры механических примесей 118
4.5 Выводы 119
Основные результаты работы 121
Список литературы
- Математические модели дозирования ингибитора погружными контейнерами
- Моделирование рабочего процесса сепараторов механических примесей
- Методика стендовых испытаний гравитационных сепараторов твердых частиц
- Моделирование растворения внутри контейнера
Математические модели дозирования ингибитора погружными контейнерами
Методы предотвращения солеотложений в скважине и оборудовании можно разделить на три основных группы: физические, технологические, химические.
К физическим методам относятся воздействие магнитным полем и воздействие акустическим полем. Суть магнитного метода состоит в том, что действие магнитного поля изменяет структуру раствора, и соли выносятся потоком, а не оседают на оборудовании. При использовании акустических методов специальный акустический излучатель создает колебания которые предотвращают образование центров кристаллизации, способствуют срыву мелких кристаллов солей с поверхности. Несмотря на то, что в настоящее время достаточно много работ посвящено этим методам [8], они не получи-—ли-однозначно-положительной оценки_и_не. доказали свою эффективность. В первую очередь это связано с тем, что установки для реализации этих методов достаточно сложны, и их необходимо настраивать на каждую скважину отдельно. При широком внедрении устройств магнитной обработки жидкостей отсутствует в полной мере разработанная теория, которая позволяла бы на основе данных о свойствах добываемой жидкости проектировать промыш- ленные аппараты-игтехнологиитг- Поэтому-для-разработ-ки-новых-магнитных-аппаратов проводят лабораторные исследования, на основе которых определяют и выбирают параметры магнитного поля, необходимого для воздействия на ту или иную жидкость [8].
К технологическим относятся методы, основанные на изменении конструкции рабочих деталей насоса или способа добычи, такие как: защитные покрытия, турбулизация потоков, подготовка рабочей жидкости для систем поддержания пластового давления, ограничение водопритока к скважине, изменение режимов работы скважины и насосного оборудования. На защитных покрытиях остановимся поподробнее, а остальные методы либо малоэффективны, либо сложны в реализации. Тема защитных покрытий активно развивается в последнее время. К недостаткам этого метода можно отнести сложность нанесения на поверхности и дополнительные расходы на нанесение покрытия. На данный момент все известные покрытия недолговечны и хрупки.
В настоящее время наиболее эффективной технологией защиты от солей является химический метод, т.е. применение ингибиторов солеотложений [3]. Проблема состоит в разработке наиболее эффективного способа доставки ингибитора к работающей УЭЦН. Чаще всего применяются следующие способы доставки ингибитора к работающей УЭЦН:
Закачка в призабойную зону представляет собой задавку раствора с ингибитором в зону пласта вокруг скважины. Данная технология требует большого количества ингибитора. Поскольку ингибитор и раствор может всту питн-в-реакцию-и-с-выпаден-ием-осадкову-сопря-жена-е-риском-уменьшения коэффициента продуктивности пласта. Кроме того, технология достаточно дорогостоящая. Несомненный плюс метода состоит в том, что ингибиторной защите подлежит и призабойная зона, и вся скважина.
Периодическая закачка ингибитора в затрубное пространство скважины применима только при высоких динамических столбах, иначе реагент быстро -выносится потоком-жидкости- З]"
Закачка ингибитора через систему поддержания пластового давления требует количества ингибитора в несколько раз превышающего количество при задавке в призабойную зону пласта. Поэтому этот способ используется редко я связи со значительными расходами на ингибитор.
Поверхностные дозаторы осуществляют дозировку ингибитора непосредственно в скважину. При этом установки не защищают погружные электродвигатели от отложения солей, а поскольку осуществляют подачу ингибитора в зону скважины с уже развитым процессом солеотложения, также требуется большое количество ингибитора. Альтернативой является капиллярная трубка, доставляющая ингибитор на прием насоса. Однако при этом значительно осложняется монтаж установки с трубкой. Кроме того, трубки хрупкие и ненадёжные.
Погружные контейнеры могут доставлять ингибитор в самый низ установки. В этой области скважины процесс отложения солей только начинается. В основе механизма действия ингибиторов солеотложения лежат адсорбционные процессы, и поэтому для его подавления в зоне начала выпадения требуется минимальное количество ингибитора. Скорость дозирования зависит от скважинных условий, поэтому конструкция погружного контейнера должна подбираться индивидуально к каждой скважине. Обычно этого не делается, поэтому время работы контейнеров часто не совпадает с заявленным.
Моделирование рабочего процесса сепараторов механических примесей
Следует отметить также модель SST (Shear Stress Transport, или модель переноса сдвиговых напряжений), описанной в работе Ментера [48]. Эта мо дель записывается путем суперпбзицийтйоделёй к - є и к оо, основанной"нар том, что модели типа к — є лучше описывают свойства свободных сдвиговых течений, в модели к — ш имеют преимущество при моделировании пристеночных течений. Плавный переход от к — UJ модели в пристеночной области к к — є модели вдали от твердых стенок обеспечивается введением весовой эмпирической функцией F\. Таким образом, модель Ментера записывается путем суперпозиции моделей к—и) и к — є, помноженных соответственно на весовую функцию F1 и (1 — F1). Функция F1 конструируется таким образом, чтобы быть равной единице на верхней границе пограничного слоя и стремиться к нулю при приближении к стенке.
Модели Рейнольдсовых напряжений Модели рейнольдсовых напряжений решают уравнения переноса для напряжений Рейнольдса щик- Эти модели не используют гипотезу вихревой вязкости (приближение Буссинеска) и позволяют отказаться от применения изотропной турбулентной вязкости lit Общий вид уравнений для напряжений Рейнольдса выводится из уравнений Навье-Стокса аналогично уравнению для турбулентной кинетической энергии к. д%йк , д . dt
Решение системы дифференциальных уравнений для переноса составляющих тензора напряжений Рейнольдса сопряжено с вычислительными трудностями и определяет их ограниченную применимость.
JBce рассмотренные выше модели основываются на концепции осреднения по Рейнольдсу. Они широко используются в инженерных приложениях, поскольку при минимальной сложности способны схватывать физическую сущность рассматриваемых процессов.
Однако не существует «универсальной» модели турбулентности. Нет гарантии в том, что та или иная модель в рамках приближения Рейнольдса остаётся корректной за пределами калибровочной базы данных. Поскольку указанный подход обладает определенными границами применимости.
Свободными от предположения Рейнольдса представляются два подхода: прямое численное моделирование (DNS), базирующееся на решении уравнений Навье-Стокса и уравнения неразрывности, и моделирование крупных вихрей (LES) для преодоления вычислительных проблем, связанных с представлением очень мелких вихрей на выбранной расчетной сетке. Метод крупных вихрей
LES (Large Eddy Simulation), или метод крупных вихрей, моделирует крупные вихри с использование осреднённых уравнений Рейнольдса, а для моделирования мелких вихрей используются эмпирические соотношения.
Деёствительно, наибольшие вихри, которые находятся под прямым воздействием граничных условий, несут максимум рейнольдсовых напряжений и должны быть рассчитаны. Мелкомасштабная же турбулентность является слабой, содержащей меньше рейнольдсовых напряжений, и поэтому её вклад в общую картину гораздо меньше. Также она близка к изотропной и имеет близкие к универсальным характеристики. Поэтому она в большей мере поддается моделированию [38].
Впервые этот подход был использован в 1970 году Дирдорфом (Deardorff, 1970) для моделирования турбулентного течения в канале, а затем для моделирования атмосферного пограничного слоя (Deardorff, 1973). Основой вих-реразрешающего моделирования турбулентных потоков с очень большими числами Рейнольдса (Re 1) является подтверждаемая экспериментально гипотеза о независимости статистических характеристик крупномасштабных турбулентных движений от молекулярной вязкости. Согласно этому предположению, возможно построение численной модели, описывающей нестационарную динамику только относительно крупных вихрей (вихрей, вносящих основной вклад в энергию турбулентного потока и определяющих взаимодействие турбулентности со средним движением). При этом вычислительные затраты необходимые для реализации такой модели не должны зависеть от числа Рейнольдса, поскольку нет необходимости явно и точно рассчитывать все мелкие вихри.
Прямое численное моделирование
Прямое численное моделирование или DNS означает решение полных нестационарных трехмерных уравнений Навье-Стокса и уравнения неразрывности, с очень маленьким шагом по времени на мелкой сетке. Действительно, численно аккуратные решения точных уравнений движения - это и есть решение проблемы турбулентности. С практической точки зрения, статистика, рассчитанная из результатов DNS, может быть использована для тестирования предлагаемых подходов замыкания в инженерных моделях. На наиболее фундаментальном уровне DNS может быть использовано, чтобы добиться понимания структуры турбулентности и процессов турбулентного переноса.
Однако даже для расчёта потока жидкости в канале получаем, что количество сеточных узлов при числе Рейнольдса порядка 104 имеет порядок 106, а число шагов по времени имеет порядок 104, при достижении числа Рейнольдса порядка 105 количество узлов сетки достигает порядка 109, а шагов по времени - 106 [38]. DNS быстро прогрессирует начиная с 80-х годов, хотя достижимые расчетные числа Рейнольдса пока еще остаются слишком низкими, чтобы вызывать всеобщий интерес.
Методика стендовых испытаний гравитационных сепараторов твердых частиц
Для равномерного дозирования ингибитора при подаче по воде 50 м3/сут и концентрации ингибитора в плстовой жидкости 2 мг/л высота контейнера диаметром 0.1 м. будет равна 4.2 м (см. таблицу 3.4). Тогда подача насоса должна быть равна 9.1 -Ю-5 м3/сут, или 0.091 л/сут. Таким образом, за 1 секунду насос должен перекачивать куб жидкости, ребро которого равно 0.00105 м. Даже если бы такой насос существовал, то через отверстие диаметром 0.00105 м. ингибитор вытек бы под действием силы тяжести за 9.3 часа (по формуле 3.16).
Следовательно, динамические насосы для столь малых подач принципиально не годятся, т.к. размеры каналов будут недопустимо малы. Объемные насосы Шестеренчатый насос Шестерёнчатый насос - это зубчатый насос с рабочими о ртанами в_ви-де шестерен, обеспечивающих геометрическое замыкание рабочей камеры и передающих крутящий момент.
Схема насоса изображена на рис. 3.33. В шестерёнчатом насосе полость всасывания 3 и полость нагнетания 2 разобщены находящимися в зацеплении зубчатыми колесами 1. Зубчатые колеса размещены в корпусе насоса с малыми осевыми и радиальными зазорами. Жидкость попадает в межзубчатое пространство и переталкивается из полости всасывания 3 в полость нагнетания 2.
Достоинством этого типа насоса являются простота конструкции и отсутствие клапанов.
Недостатком насоса является затруднения с приводом на малых подачах (потребуется неприемлемо высокая степень редукции). Пусть конструкция насоса такова, что объём проталкиваемой жидкости между зазорами равна Рис. 3.33. Шестерёнчатый насос где С - минимально эффективная концентрация ингибитора, Q - расход жидкости по воде, р - плотность ингибитора, v - объём проталкиваемой жидкости. При данных параметрах частота вращения должна быть 10 об/мин. Частота вращения вала УЭЦН обычно 2910 об/мин. Следовательно, необходимо Я00 ряз уменьшить количество оборотов. Ввиду ограниченного диаметра скважины это практически невозможно.
Перистальтический насос - это насос для перекачки жидкостей, текущих по гибким шлангам. Принцип действия состоит в том, что ролики передавливают шланг с жидкостью и, двигаясь вдоль шланга, проталкивают её вперёд. Насос обычно состоит из гибкого шланга, нескольких роликов, и поверхности, к которой ролики прижимают шланг (см. рис. 3.34).
Используется в медицине для перекачки крови, поскольку позволяет равномерно прокачивать кровь с малой скоростью, не разрушает клеток крови, позволяет легко обеспечить стерильность. При выборе перистальтического насоса следует уделять особое внимание материалу шланга (силикон и др.), от которого зависит срок службы, а также его внутреннему диаметру, от которого зависит производительность насоса. Также производительность зависит Перистальтический насос от скорости вращения вала и количества роликов. Количество роликов определяет также равномерность потока жидкости. Их количество варьируется от 2 до 8 и выше. Преимущества такого насоса в его простоте и отсутствии клапанов. Недостаток состоит в том, что при наличии в перекачиваемой жидкости абразивных частиц трубка подвержена значительному износу и разрушению. Кроме того, затруднения с приводом на малых подачах (потребуется неприемлемо высокая степень редукции). Частота вращения вала УЭЦН обычно 2910 об/мин. Предполагаемая частота вращения для дозирования порядка 1 об/мин.
Преимуществами диафрагменного насоса являются 100% изоляция рабочих органов от перекачиваемого реагента и устойчивость к абразиву. Слабым и непрочным звеном диафрагменных насосов является диафрагма. Кроме того, необходимо разгружать диафрагму внутренним давлением (внешней средой), поэтому невозможно избежать подвижного уплотнения. В таком насосе должно быть минимум два клапана (впуск и выпуск).
В плунжерном насосе, перекачивающем жидкость, происходит поочередное заполнение жидкостью рабочей камеры и вытеснение жидкости в результате соответственно увеличения или уменьшения объема рабочей камеры.
Пространство, ограниченное поршнем, стенками цилиндра и клапанной коробкой, называется рабочей камерой насоса. Объем рабочей камеры обусловлен положением поршня. Разница между максимальным объемом и минимальным объемом рабочей камеры называется полезным объемом рабочей камеры.
При движении поршня вниз (ход всасывания, см. рис. 3.36) объем рабочей камеры увеличивается, а давление в ней уменьшается. Перекачиваемая жидкость заполняет рабочую камеру. В это время нагнетательный клапан закрыт.
При обратном ходе поршня в рабочей камере создается давление, превышающее давление в нагнетательном патрубке, нагнетательный клапан открывается и жидкость, по объему соответствующая полезному объему рабочей камеры, вытесняется. Преимущество такого насоса в простоте и надежности, а также в том, что достаточно только одного нагнетательного (выпускного) клапана.
К недостатки плунжерных насосов можно отнести чувствительность к абразивным частицам. Плунжер и гильзу необходимо изготавливать с высокой точностью. Кроме того, потери на трение больше, чем у диафрагменного насоса.
Моделирование растворения внутри контейнера
В этом случае, наоборот, наблюдалось увеличение коэффициента сепарации, т.к. при движении вниз, в результате центробежной сепарации, газ скапливался вблизи поверхности внутренней трубы сепаратора, твердые частицы — вблизи поверхности внешней трубы. Таким образом, пузырьки газа вытесняли твердые частицы из потока при его повороте вверх.
На основе конструкции гравитационного сепаратора был [74,75] спроектирован гравитационно-щелевой фильтр. На рис. 4.19 показана схема гравитационно-щелевого фильтра. . Схема гравитационно-щелевого фильтра: 1- щелефой фильтр, 2 - сепаратор мехпримесей, 3 - контейнер для сбора частиц, А — на малые подачи, В — на большие подачи
Устройство работает следующим образом: после запуска установки большая часть потока жидкости фильтруется через щелевой фильтрующий элемент 1, поскольку сопротивление щелевого фильтрующего элемента меньше, чем гравитационного. Тонкость очистки на этой стадии определяется размером щелей. По мере засорения щелевого фильтрующего элемента 1, к работе начинает подключаться гравитационный сепаратор. При повороте потока крупные частицы механических примесей под действием силы тяжести опускаются вниз, накапливаясь на дне контейнера 3. При переполнении контейнера 3 твердые частицы сбрасываются в зумпф. Тонкость очистки будет определяться соотношением сил вязкого трения частиц о жидкость, архимедовой силы и веса частиц. Выходящая из гравитационного фильтра жидкость смешивается с жидкостью, находящейся внутри щелевого фильтрующего элемента 1, и поступает в насосную установку.
Предвключенные незасоряющиеся фильтры прошли опытно-промышленные испытания в ОАО Газпромнефть - Ноябрьскнефтегаз в скважинах после гидроразрывов пластов, капитального ремонта и геолого-технических мероприятий (было смонтировано более 12 УЭЦН с незасоряющимися фильтрами). В отдельных скважинах время безотказной работы превысило год, тогда как предыдущие наработки составляли 2-3 недели. Лабораторные исследования проб, взятых со скважин, показали отсутствие частиц размером более 100 мкм. По результатам эксплуатации опытно-промышленные испытания были признаны успешными. 1 Разработана имитационная модель движения жидкости и твёрдых частиц в гравитационном сепараторе механических примесей, позволившая разработать рациональные конструкции сепараторов двух типов: без закрутки потока и гидроциклона. 2 Достоверность результатов расчётов была подтверждена совпадением расчётных и экспериментальных данных для двух конструкций погружных гравитационных сепараторов механических примесей: — без закрутки потока для подач до 50 м3/сут (патент RU 102 057); — гидроциклона для диапазона подач 50 — 600 м3/сут (патент RU 108799). 3 Предложена оригинальная конструкция незасоряющегося фильтра ме ханических примесей (патент RU 2422622) с тонкостью очистки 100 мкм и коэффициентом сепарации не менее 80% для подач до 600 м3/сут. Эф фективность устройства подтверждена опытно промышленной эксплуа тацией в ОАО «Газпромнефть-ННГ». 1 Разработана математическая модель дозированного вытекания высоковязкой смеси битума и твёрдого инигбитора солеотоложений из контейнера новой конструкции. 2 Разработана математическая модель диффузионного растворения и выноса жидкого ингибитора солеотложений турбулентным потоком из контейнера новой конструкции. Создана и реализована в виде программы математическая модель подбора контейнера-дозитора к скважинным условиям. На программный продукт получено свидетельство о регистрации [71]. 3 Разработаны и испытаны в промысловых условиях устройства для защиты УЭЦН от отложения солей (патент RU 2 398 097, патент RU 2 382 177). 4 Разработана имитационная модель расчёта разделения частиц в гравитационном сепараторе механических примесей, позволившая разработать рациональные конструкции гравитационных сепараторов двух типов: без закрутки потока и гидроциклонного. Достоверность результатов расчётов проверялась сравнением расчётных и экспериментальных данных. месей с тонкостью очистки 100 мкм и коэффициентом сепарации не менее 80%: гравитационного (патент RU 102 057) и гидроциклонного (патент RU 108 799) типов. Проведены опытно-промышленные испытания устройств, подтверждённые актами испытаний.
