Д.т.н. Копей Б.В., Кузьмін О.О.

Івано-Франківський національний технічний університет, Україна

Дослідження пристрою для ежекторного промивання пісочної пробки нафтової свердловини

Більше 70% нафтових свердловин України оснащені свердловинними штанговими насосними установками (СШНУ), за допомогою яких видобувається 50% всієї нафти. Під час експлуатації нафтових і газових пластів у свердловину разом з нафтою і газом може поступати велика кількість піску. Для забезпечення нормальної експлуатації свердловини його слід видаляти. При цьому негативна дія на пласт повинна бути мінімальною. Струминні насоси знаходять використання для виносу піску з свердловини.

Постановка задачі. На основі узагальнення світового досвіду застосування ежекційних технологій нами поставлена задача оцінити фактори, що визначають ефективність використання свердловинних струминних насосів для виносу піску та оптимізувати конструкцію ежекційної системи для видалення пісочної пробки із свердловини.

Струминними апаратами (струминними насосами, ежекторами) називають прилади, в яких відбувається змішування і енергообмін двох потоків різних тисків з утворенням змішаного потоку. Принципова схема апарата зображена на рис. 1.

Рис. 1 . Принципова схема струминного апарата: 1–робоче сопло; 2– приймальна камера; 3– камера змішування; 4 –дифузор

Середовище, що знаходиться перед апаратом при більш високому тиску, називається робочим середовищем, а її потік називається робочим потоком (струменем). Витікаючи із великою швидкістю із сопла в приймальну камеру струминного насоса, робочий потік захоплює середовище, що має перед апаратом більш низький тиск, це середовище називається інжектованим , пасивним. Як правило, в струминних апаратах проходить спочатку перетворення потенційної енергії робочого потоку в кінетичну. Кінетична енергія робочого потоку частково передається пасивному потоку [4; 5]. В протічній частині струминного апарату проходить вирівнювання швидкостей змішуваних потоків і зворотне перетворення кінетичної енергії змішаного потоку в потенційну .

Незважаючи на характер процесів, які реалізуються з використанням струминних насосів, орієнтацію елементів в просторі та їх кількість, умови застосування та тип додаткового супутнього обладнання, сучасні свердловинні ежекційні системи можна систематизувати за двома визначальними ознаками:

- конструкція під’єднувальних гідравлічних ліній;

- характер гідравлічного зв’язку елементів.

Враховуючи умови експлуатації, зв’язок між елементами свердловинних струминних насосів здійснюється за допомогою гідравлічних каналів, утворених внутрішньою або зовнішньою поверхнею бурильних або насосно-компресорних труб, які мають відповідно круглий або кільцевий переріз. Аналізуючи чисельні комбінації конструкцій робочої, напірної та всмоктувальних ліній можна виділяти чотири групи свердловинних ежекційних систем (рис. 2). Конструкції під’єднувальних елементів для перших трьох груп визначає також характер промивання привибійної зони свердловини: зворотне, пряме та комбіноване. В четверту групу виділені конструкції свердловинних ежекційних систем, зв’язок з наземним обладнанням для яких здійснюється за допомогою колони подвійних бурильних чи насосно-компресорних труб.

Рис. 2 . Конструкція свердловинних ежекційних систем : І – зворотне; ІІ – пряме; ІІІ – комбіноване промивання вибою; IV – система з подвійною колоною труб; 1 – напірна; 2 – всмоктувальна лінія струминного насоса

Очищення свердловини від пісочної пробки струминним насосом аналогічна звичайній промивці.

При проведенні досліджень необхідно встановити теоретичну характеристику зворотного режиму роботи струминного насоса, використавши для проведення експерименту робочі рідини різних типів.

На відомих лабораторних стендах зміна режиму роботи струминного насоса під час експериментальних досліджень досягається шляхом регулювання степені відкриття засувки, розміщеної на лінії інжектованого потоку [2,3]. Такий спосіб регулювання характеристик струминного насоса непридатний для зворотного режиму роботи.

Рівняння «зворотної» характеристики струминного насоса містить складову, що визначає коефіцієнт швидкості потоку на вході в камеру змішування, величину якого необхідно встановити експериментальним шляхом.

Враховуючи різні геометричні розміри елементів струминного насоса розміщеного на лабораторній установці і в компоновці колони свердловинного обладнання необхідно визначити умови перенесення отриманих результатів на реальну конструкцію пристрою для промивання пісочних пробок у свердловині.

Методика обробки результатів експериментальних досліджень повинна передбачати різницю діаметрів гідравлічних ліній лабораторної установки та рівнів встановлення пристроїв для вимірювання тиску [1].

Лабораторний стенд складається с струминного насоса 1, відцентрового насоса 2, приймального резервуара 3, всмоктувальної 4 та напірної 5 ліній. Приймальний резервуар 3 обладнаний трубою рівнепокажчика 6 та зливним патрубком з вентилем 7. Регулювання режиму роботи відцентрового та струминного насосів здійснюється з допомогою засувок 8, 9, 10. Засувка 8 дозволяє змінювати подавання відцентрового насоса шляхом регулювання величини тиску у його всмоктувальній лінії. Засувка 9 дозволяє здійснювати регулювання режиму роботи струминного насоса шляхом зміни величини тиску змішаного потоку, не впливаючи безпосередньо на значення тиску інжектованого потоку. Оскільки розгалуження всмоктувальної лінії струминного насоса розміщене за потоком після засувки 9, зростання тиску змішаного потоку, викликане зміною ступеня її відкриття, не передається безпосередньо в приймальну камеру. Зміна ступеня відкриття засувки 9 дає можливість регулювати режим роботи струминного насоса також за рахунок зниження або зростання витрати робочого потоку. Враховуючи обернено пропорційний зв’язок між напором та витратою відцентрового насоса, зростання гідравлічного опору його напірної лінії неминуче викликає зниження витрати потоку. Засувка 10 дозволяє здійснювати регулювання режиму роботи струминного насоса шляхом зміни подавання відцентрового насоса. Співвідношення тисків змішаного та інжектованого потоків при цьому залишається незмінним, оскільки зміна тиску на виході струминного насоса по всмоктувальній лінії 4 безпосередньо передається в приймальну камеру. Засувка 11 призначена для регулювання режиму роботи струминного насоса в умовах незмінного подавання відцентрового насоса. Зміна степені відкриття засувки 11 дозволяє регулювати гідравлічний опір всмоктувальної лінії та режим роботи струминного насоса.

Гідравлічна схема стенду зображена на рис. 3.

Технічна характеристика лабораторного стенда

Габаритні розміри, мм

довжина 1550

ширина 2380

висота 1550

Двигун силового привода:

Частота обертання вала, хв. ^-1 2800

Потужність, кВт 5,5

Відцентровий насос:

Марка К20/40

Максимальна подача, м ³ /год 20

Максимальний тиск, МПа 0,4

Струминний насос :

діаметр робочої насадки, мм 15,18,22

діаметр камери змішування, мм 40

величина регульованого зазору між камерою змішування та робочою насадкою, мм 15…25

Контрольно-вимірні прилади

Типи манометрів: манометр зразковий до 0,6 МПа

Тип лічильника: ВКМ-65

В процесі проведення експериментальних досліджень розглянуто як прямий, так і зворотній режим роботи струминного насосу. Під час обробки результатів досліджень визначено напір та коефіцієнт інжекції (h, i) струминного насоса.

Рис. 3. Гідравлічна схема стенда для дослідження струминного насоса

Режим роботи струминного насоса визначається гідравлічним опором ліній змішаного та інжектованого потоків [1]. На початку цього розділу згадувалось про можливість отримання зворотного режиму роботи струминного насоса шляхом зростання гідравлічних втрат в засувці розміщеній на всмоктувальній лінії. Регулювання характеристики струминного насоса в процесі зворотного режиму його роботи здійснюємо шляхом зміни ступеня відкриття засувки 9, розміщеній на лінії змішаного потоку.

Побудовані характеристики струминного насосу для різних типів робочих рідин:

1. Робоча рідина – технічна пластова вода (? = 1040 кг/м ³ ), діаметр камери змішування 40 мм .

Рис. 4. Повна характеристика струминного насоса при діаметрі камери змішування 40 мм (робоча рідина – технічна пластова вода, ? = 1040 кг/м ³

2. Робоча рідина - суміш пластової води із пластовим піском (? = 1134 кг/м ³ ), діаметр камери змішування 40 мм .

Числове значення напору знаходимо емпірично, так як умови експерименту не дозволяли змінювати густину рідини у системі.

Рис. 5. Повна характеристика струминного насоса при діаметрі камери змішування 40 мм (робоча суміш – суміш пластової води із пластовим піском ? = 1134 кг/м ³ ) технічна пластова вода ? = 1040 кг/м ³ )

Знаходимо числове значення напору, що змінився через підвищення густини робочої рідини:

,

де - коефіцієнт зміни густин; - об’ємна концентрація пластового піску у робочій суміші;

=1134 кг/м ³ =0,26 м ³ /м ³

Проводити розрахунки для інших типів рідин є недоцільним так як робочою рідиною найчастіше виступає пластова вода, а збільшувати об’ємну концентрацію піску недоцільно – це призведе до значного зменшення ККД струминного насоса.

Висновки . Проведені теоретичні та експериментальні дослідження роботи струминного насосу, призначеного для виносу піску із свердловини та отримано характеристику прямого та зворотного режиму роботи струминного насоса.

Список літератури:

1. Онацко Р.Г. Обґрунтування раціональних режимів роботи свердловинних струминних насосів/ Дис . ... канд.техн . наук: 05.05.12. - Івано-Франківськ. - 172с.

2. Дроздов А.Н., Добоскок О.Б. Методы исследования характеристик жидкостно-газовых эжекторов // Нефтяное хозяйство . – 2001. - №1. - С. 62-65.

3. Паневник А.В. Стендовые испытания виброэжекционного снаряда для бурения скважины // Нефтяная и газовая промышленность . - М.: ВНИИОЭНГ, 1993. - №6,7. - С.7-10.

4. Богданов А.А, Помазкова З.С. Струйные аппараты для промывки песчаных пробок в скважинах . - М: Гостоптехиздат , 1960. - 84 с.

5. Онацко Р.Г. Экспериментальное исследование характеристик скважинной эжекционной системы // Нефтепромысловое дело . - 2005. - №7. - С.24-27.