Введение к работе
Актуальность работы
В нефтедобывающей отрасли для интенсификации добычи нефти повсеместно используются такие технологические приемы, как гидроразрыв пласта и увеличение депрессии на пласт. Как правило, эти операции сопровождаются повышенным выносом частиц породы и пропанта и ускоренным гидроабразивным износом погружного оборудования в процессе его эксплуатации. В настоящее время примерно в 40% скважин Западной Сибири добыча нефти осложнена наличием механических примесей, которые приводят к гидроабразивному износу погружного оборудования. Наиболее опасен износ корпусов направляющих аппаратов ступеней насоса, который способен вызвать расчленение установки и падение ее нижней части на забой скважины. Износ корпуса направляющего аппарата происходит в полости между рабочим колесом и верхним диском направляющего аппарата, т.е. вызван не основным потоком жидкости, а вторичными течениями в этой полости. Структура этих течений, а также механизм износа практически не исследовались.
Поскольку интенсификация добычи нефти является приоритетным направлением развития отрасли, то задача исследования вторичных течений гидроабразивной смеси в полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом с целью повышения надежности погружных насосов в условиях выноса абразивных примесей является актуальной.
Цель работы состояла в снижении гидроабразивного износа ступеней погружных насосов путем управления вторичными течениями гидроабразивной смеси. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи исследования:
-
Моделирование вторичных течений гидроабразивной смеси в полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом.
-
Экспериментальное исследование течения в пограничных слоях.
-
Управление вторичными течениями жидкости в ступени путем изменения геометрии полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом.
-
Разработка методики стендового моделирования гидроабразивного разрушения ступеней погружных нефтяных насосов.
Научная новизна
-
-
Впервые изучена структура вторичных течений и уточнен механизм накопления абразивных частиц в закрытой полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом погружного насоса.
-
Предложен способ управления вторичными течениями в ступени насоса путем изменения формы полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом, способствующий удалению абразивных частиц из зон износа.
3. Разработаны методики стендового моделирования гидроабразивного разрушения ступеней погружных нефтяных насосов и экспериментальной визуализации течения жидкости в пристеночных областях.
Практическое значение и реализация результатов работы
Способ управления вторичными течениями использован для разработки конструкций ступеней погружных насосов ВНН5-25, ВНН5-79 и ЭЦН5А-225, защищенных от гидроабразивного износа корпусов направляющих аппаратов
[3].
Методика ускоренных сравнительных испытаний ступеней насосов на гидроабразивный износ используется в рамках приемочных испытаний серийных насосов в ЗАО «Новомет-Пермь», о чем имеется акт внедрения.
Личный вклад автора
Автор провел анализ современных подходов к методам исследования и защите ступеней погружного насоса от гидроабразивного износа, разработал методику ускоренных испытаний ступеней погружного насоса на гидроабразивную стойкость, уточнил механизм гидроабразивного износа корпусов направляющих аппаратов, разработал модель гидроабразивного износа межступенчатых уплотнений, на основе которой предложил конструкцию межступенчатых уплотнений, увеличивающих ресурс ступени в два раза, лично провёл все экспериментальные исследования, получил зависимости скорости гидроабразивного износа ступеней от газосодержания, подачи жидкости и частоты вращения вала насоса, провел сравнение полученных экспериментальных данных и результатов численных расчетов. Предложил способ управления вторичными течениями в полости под рабочим колесом.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 6 научных статей, из которых 2 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и наук Российской Федерации, 2 тезиса доклада на всероссийских конференциях, 1 патент РФ на изобретение. Поданы 2 заявки на изобретения. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат экспериментальные исследования, проектирование трехмерных моделей, анализ и обобщение результатов экспериментов.
Достоверность результатов подтверждена объемом лабораторных и стендовых исследований. Достоверность методики ускоренных ресурсных испытаний ступеней подтверждена соответствием износа ступеней при испытаниях, моделирующих гидроабразивный износ, и при промысловой эксплуатации. Эффективность изменения вторичных течений в ступени подтверждена сравнительными испытаниями на износ исходных ступеней и модернизированных.
Основные защищаемые положения
1. Структура вторичных течений и механизм накопления абразивных частиц в полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом.
2. Способ управления вторичными течениями в ступени насоса путем изменения формы полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом, снизивший скорость износа корпуса аппарата примерно на порядок.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались на всероссийских конференциях «Нефтегазовое и горное дело» г.Пермь в 2009, 2010 и 2011 годах, а также на всероссийской конференции «Математическое моделирование в естественных науках» г.Пермь в 2010 году. Был сделан доклад на конференции «Инновации и новые технологии для механизированной добычи», г.Нижевартовск в 2010 году. Диссертация в целом обсуждалась на научных семинарах кафедр Пермского национального исследовательского политехнического университета «Горные и нефтепромысловые машины», 2012 г., «Вычислительная математика и механика», 2013 г., и кафедре «Механика сплошных сред и вычислительных технологий» Пермского государственного научного национального исследоватетьского университета, 2013 г., а также в Институте механики сплошных сред УРО РАН (г.Пермь), 2013 г.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 102 наименований и одного приложения. Работа содержит 101 страницу, в том числе 83 рисунка.
Похожие диссертации на Управление вторичными течениями в ступенях нефтяных насосов для снижения их гидроабразивного износа
-
