Розглянуто принципову можливість та теоретичні основи використання ежекційно-хвильових процесів з метою ліквідації ускладнень у бурінні. Розроблено схему протиаварійного комплексу та конструкції окремих складових елементів обладнання для реалізації ежекційно-хвильових технологій у процесах ліквідації прихоплень бурильної колони та очищення вибою свердловин.

Під час узагальнення конструкцій свердловинних ежекційних систем (СЕС) необхідно намітити шляхи їх подальшого удосконалення. Аналіз світового досвіду використання СЕС дозволив систематизувати причини виникнення порушень роботи струминних насосів. Виділено чотири групи СЕС і запропоновано взаємно доповнюючі напрямки здійснення їх оптимізації.

Досліджено характер утворення нафтових газів у газовому просторі нафтового резервуара протягом доби в літній та зимовий періоди експлуатації та визначено необхідні умови використання ежекційної системи для утилізації легких фракцій нафтопродуктів. Встановлено принципову можливість використання енергії стовпа нафти в резервуарі як силового приводу струминного апарата системи утилізації нафтових газів.

Запропоновано схему утилізації парів нафти і газу, які виділяються в газовий простір нафтового резервуара. Для силового привода струминного апарата використано напір, що створюється стовпом нафти в резервуарі. Приведено систему рівнянь, розв'язок яких дозволяє визначити оптимальні конструкторські та режимні параметри експлуатації ежекційної системи.

Розроблено загальну концепцію побудови математичних моделей та досліджено робочий процес свердловинного струминного насоса на основі моделювання гідравлічних зв'язків між елементами ежекційної системи з урахуванням граничних режимів її роботи. До побудови математичних моделей залучено банк даних, який дозволив підвищити точність оцінки геометричних, гідродинамічних і режимних параметрів струминного насоса на 6,9 - 75 %. На основі узагальнення, класифікації та систематизації характеристик струминного насоса розроблено методи вибору конструктивних та режимних параметрів для 15 основних випадків його застосування у свердловині, що призвело до підвищення ККД ежекційної системи у 1,33 - 1,35 рази. Основні результати роботи реалізовано для проектування свердловинних ежекційних систем з покращеними технічними характеристиками провідними (у галузі використання струминних насосів) підприємствами.

Запропоновано математичну модель роботи ежекційної системи, призначеної для уловлювання парів нафти і газу, що утворюються в газовому просторі нафтових резервуарів. На відміну від відомих моделей, запропонована методика є універсальною незалежно від умов використання струминного апарата і уможливлює прогнозування параметрів його експлуатації на стадії проектування.

Проаналізовано відомі дослідження щодо струминних насосів (СН). Обгрунтовано необхідність у подальших дослідженнях характеристик СН. Визначено критерій оцінки повноти експериментального дослідження характеристики СН. Запропоновано схему лабораторної установки для коректного визначення "повної" характеристики СН. Сформульовано завдання подальших досліджень.

Зазначено, що струминні насоси (СН) широко застосовуються в нафтогазовій галузі, а саме: під час буріння свердловин; цементуванні обсадних колон, освоєнні, дослідженні, експлуатації та підземному ремонті свердловин, інтенсифікації методів нафтогазоконденсатовилучення, в системах збору, підготовки нафти та газоконденсату. Незважаючи на простоту конструкції СН і відсутність рухомих частин, робочі процеси, що супроводжують змішування в ньому рідин, вивчено недостатньо. Для досліджень СН розроблено лабораторну установку, за допомогою якої визначено напірні та енергетичні характеристики та встановлено величини конструктивних і режимних параметрів, що забезпечують оптимальні умови його експлуатації. Одержані графічні залежності, надані у вигляді поліноміальних функцій, дозволяють підвищити точність прогнозування характеристик свердловинних СН.

З метою встановлення можливості одночасного застосування в нафтовій свердловині глибинного штангового насоса, який приводиться в рух верстатом-гойдалкою, і струминного апарата (насоса, ежектора) на прикладі гіпотетичної свердловини визначено розподіл тиску і температури вздовж стовбура свердловини - від вибою до її гирла. При цьому використано відомі методи Поеттмана-Карпентера і Баксендела. Крім того, застосовуючи алгоритм визначення густини ідеальної газорідинної суміші, виконано обчислення швидкості руху газоводонафтової і водонафтової сумішей для низки перерізів по висоті насосно-компресорних труб за різних кутів повороту кривошипа верстата-гойдалки. Користуючись еталонною кривою розподілу тиску в затрубному просторі свердловин, визначено динамічний рівень рідини в свердловині, глибину опускання насоса під динамічний рівень і середню температуру газу в затрубному просторі.

Мета роботи - уточнення відомого методу розрахунку розподілу тиску та температури свердловинної продукції вздовж стовбура свердловини, що даватиме більш коректні результати. На базі методів Поетманна - Карпентера та Баксенделла запропоновано новий підхід до вирішення диференціальних рівнянь за допомогою числового методу Адамса - Крилова. При використанні тих самих диференціальних рівнянь, але за рахунок різного підходу до їх вирішення, одержано результати, які більш точно описують реальні процеси у свердловині. Виконано комп'ютерні обчислення, що наочно демонструють суттєву розбіжність у розподілі термодинамічних параметрів за однакових вихідних даних у випадку застосування первинної та похідної методик. Виявлено певні недоліки у результатах, які одержано за допомогою відомих методів, а саме: нелінійність функції температури залежно від глибини та поява стрибкоподібної зміни температури нафти у точці підвісу насоса. У вигляді графіків зміни тиску та температури вздовж стовбура свердловини унаочнено відмінність між одержаними кривими, при чому на ділянці між гирлом і точкою підвісу насоса, яка є більш цікавою при розрахунках, відхилення досягає 23 % для тиску і майже 4 % для температури. Використання числових методів розрахунку усунуло зазначені недоліки та підвищило якість одержуваних даних. Наукова новизна полягає у видозміні відомого методу визначення розподілу тиску та температури вздовж стовбура свердловин таким чином, що він забезпечує більш адекватні результати у порівнянні з попереднім методом.

Зауважено, що в останні роки запропоновано використовувати струминні апарати (ежектори) у нафтових свердловинах, що експлуатуються свердловинними штанговими насосами, за умови їх встановлення вище динамічного рівня свердловини. Такі ежектори відбиратимуть газ із затрубного простору, що полегшить вилучення продукції свердловини. З метою перевірки можливості застосування ежекторів під час експлуатації нафтових свердловин штанговими насосами виготовлена лабораторна водогазова ежекторна установка. Для інжекційного потоку вибрано вуглекислий газ, який розчиняється у воді так само добре, як нафтовий газ добре розчиняється у нафті. Вуглекислий газ подавався в ежектор із газового балона У ході експериментального дослідження змінювався тиск інжектованого вуглекислого газу перед входом в ежектор, тиск на виході ежектора. Експерименти проводили зі змінними соплами і камерами змішування. Одержані результати порівнювали з результатами раніше проведеного на цій же установці дослідження за умов інжекції повітря, що подавалося компресором. Встановлено суттєву різницю у безрозмірних характеристиках ежекторів за інжекції повітря та вуглекислого газу. У випадку нафтогазового ежектора, коли інжектованим газом є нафтовий газ із затрубного простору свердловини, на виході ежектора завжди матимемо водонафтову суміш і газ, який складається із вільного нафтового газу перед ежектором та інжектованого нафтового газу. Крім того, після виходу із ежектора розчинений у нафті газ виділятиметься із нафти.

Індекс рубрикатора НБУВ: И361.3-5

Рубрики:

Глибинонасосна експлуатація нафтових свердловин

Шифр НБУВ: Ж23665 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Розглянуто фізичні властивості рідин, основні закони гідростатики, кінематики та динаміки рідин і режими руху рідин. Приділено увагу втратам напору на тертя і в місцевих опорах. Охарактеризовано особливості витікання рідин через отвори та насадки. Подано інформацію про розрахунок трубопроводів і неусталеного руху. Надано рівняння безнапірного руху рідин в лотках. Наведено відомості про обтікання тіл потоком рідини та двофазної течії рідин в трубах. Розглянуто також реологічні властивості неньютонівських рідин і методи їх дослідження.

Запропонована методика вибору геометричних параметрів свердловинного струминного насоса, яка забезпечує його експлуатацію в режимі максимального коефіцієнта корисної дії. Відповідно до розробленого алгоритму регламентуються співвідношення діаметрів робочої насадки, камери змішування та дифузора струминного насоса, а також відстань між соплом та камерою вирівнювання швидкостей та осьові розміри елементів протічної частини. В процесі встановлення необхідних розмірів елементів ежекційної системи врахований характер входження вільного робочого струменю в камеру змішування струминного насоса, який визначає вигляд та структуру розрахункових співвідношень, що регламентують осьову відстань між робочою насадкою та камерою відновлення швидкостей змішуваних потоків. Показаний взаємозв'язок між співвідношенням діаметрів камери змішування і робочої насадки та величиною коефіцієнта ежекції струминного насоса, який забезпечує його роботу з максимально можливими значеннями ККД ежекційної системи. Аналітичний характер встановлення гідравлічних взаємозв'язків між елементами ежекційної системи доповнено досвідом практичного використання глибинних струминних насосів при реалізації окремих технологічних процесів будівництва, експлуатації та ремонту нафтових свердловин.

Проаналізовано тенденції розвитку свердловинних струминних насосів, призначених для експлуатації нафтових родовищ. Намагання оптимізувати процес змішування потоків викликало появу численних конструкцій струминних насосів, в яких замість прямотічних використовують закручені завихрені потоки. Створення в протічній частині струминного насоса циркуляційних течій сприяє вирівнюванню швидкостей коаксіальних потоків, інтенсифікує процес обміну енергіями в рідині та підвищує ефективність процесу змішування. Поєднання прямотічного та циркуляційного характеру руху змішуваних потоків дозволяє покращити технічні характеристики струминних насосів до 30 %. Геометричні розміри та взаємна орієнтація елементів протічної частини струминного насоса мають визначальний вплив на енергетичну ефективність реалізації ежекційних технологій, а їх оптимізація вимагає проведення багатофакторних експериментальних досліджень, під час яких , окрім конструкторських факторів, повинні враховуватись і режим роботи ежекційної системи в свердловині. Задача оптимізації конструкторських та режимних параметрів свердловинної ежекційної системи може бути вирішена шляхом моделювання робочого процесу струминного насоса із залученням сучасних програмних комплексів SolidWorks та ANSYS, які забезпечують необхідну точність розрахункових операцій. Величина ККД ежекційної системи залежить також від глибини її розміщення в свердловині. Визначення оптимальної глибини розміщення ежекційної системи в свердловині передбачає використання ітераційних методів розрахунку із застосуванням відповідних комп'ютерних програм (наприклад Matchad). Розвиток гідроструминного способу експлуатації нафтових свердловин відзначається появою тенденції до спільного компонування ежекційної системи та традиційних видів глибинного насосного обладнання. В конструкції комбінованої нафтовидобувної системи струминний насос створює зону низького тиску на вибої свердловини та інтенсифікує приплив вуглеводнів з продуктивного горизонта, а традиційний вибійний насос здійснює їх транспортування на поверхню. Наявність в свердловині додаткового (струминного) насоса оптимізує умови використання основного насоса, внаслідок чого покращуються енергетичні характеристики вибійної компоновки та підвищується ефективність нафтовидобутку. Аналіз використання гібридних ежекційних технологій свідчить про перспективність даного напрямку розвитку нафтогазовидобувного обладнання.

Збірник задач і вправ складається зі 14 розділів, у яких розглянуто закони рівноваги та руху рідин, основні поняття про гідропривод. Досліджено силу статичного тиску рідини на плоскі поверхні. Проаналізовано взаємодію потоку рідини з нерухомими та рухомими перешкодами. Охарактеризовано особливості основи гідроприводу та гідропередач.

Неперервний контроль та дистанційне регулювання режиму роботи свердловинного струминного насоса дозволяє підвищити ефективність гідроструминного способу експлуатації нафтових свердловин. На основі аналізу робочого процесу ежекційної системи встановлено взаємозв'язок між густиною і витратою змішаного потоку та режимними параметрами свердловинного нафтового струминного насоса у вигляді нелінійних залежностей, які дають змогу здійснювати дистанційний контроль за величиною витрати потоку у привибійному контурі циркуляції. В процесі моделювання гідравлічних зв'язків між елементами ежекційної системи побудовано бінарну діаграму у вигляді двох суміщених квадрантів, яка відображає встановлені закономірності між параметрами змішаного потоку на виході з свердловини та режимом роботи струминного насоса. Запропоновано спосіб дистанційного регулювання режиму роботи свердловинної ежекційної системи шляхом зміни витрати робочого потоку, який спрямовується в свердловину наземним насосним агрегатом та зміною геометричних розмірів деталей проточної частини струминного насоса. Регулювання режиму роботи свердловинного струминного насоса реалізується шляхом зміни положення робочої точки насосної установки. В процесі регулювання режиму роботи струминного насоса зміною робочої витрати отримано серію характеристик гідравлічної системи, які визначають координати робочої точки насосної установки. Регулювання режиму роботи ежекційної системи зміною геометричних розмірів елементів проточної частини струминного насоса передбачає побудову серії його власних характеристик за незмінної характеристики його гідравлічної системи. Заміна деталей проточної частини струминного насоса здійснюється гідравлічним способом і не потребує проведення в свердловині спускопідіймальних операцій. Наведено графічну інтерпретацію запропонованих методів регулювання режиму роботи свердловинної ежекційної системи у вигляді побудованих в єдиній системі координат суміщених характеристик струминного насоса та його гідравлічної системи.

На основі дослідження динаміки зміни глобальних витрат на нафтопромислове обладнання встановлено, що обсяги його виробництва демонструють повільне зростання, найбільша частка використання нафтогазових машин стосується країн Північної Америки, а найвагоміщий сегмент виробництва належить виготовленню обладнання для збору та транспортування вуглеводнів і трубним виробам. В процесі аналізу номенклатури та географії виробництва машин, механізмів, окремих вузлів та деталей бурового та нафтогазопромислового обладнання показана невідповідність рівня розвитку нафтогазового машинобудування України потребам паливно-енергетичного комплексу. Необхідний рівень виробництва обладнання та запасних частин безпосередньо залежить від якості технічного обслуговування нафтогазових машин, яка з розвитком нових технологій розробки родовищ вуглеводнів повинна зростати. Основними причинами відмов нафтогазопромислового обладнання є відсутність його належного технічного обслуговування. Вітчизняні нафтові компанії орієнтовані на імпорт нафтового устаткування, а негативною для розвитку вітчизняного ринку нафтосервісних послуг проблемою є зменшення власного виробництва нафтогазового обладнання. Однією з найважливіших конкурентних переваг вітчизняних сервісних компаній є більш низький рівень цін на послуги, а також більш глибоке знання специфіки та особливостей місцевих умов розробки покладів вуглеводнів. Важливим аспектом розвитку ринку сервісних послуг є перехід на інноваційні технології у сфері інженерно-геологічних і бурових робіт. Відповідно до тенденцій розвитку світового нафтогазомашинобудування підсилюються вимоги до кадрового забезпечення сервісних компаній. Зважаючи на ускладнення гірничо-геологічних умов розробки покладів вуглеводнів, розвиток нових технологій нафтогазовидобутку вимагає підвищення уваги до підготовки спеціалістів, які володіють сучасними методами проектування, експлуатації та сервісного обслуговування нафтогазопромислового обладнання.

На основі теорії зануреного струменя, що рухається в супутньому потоці, запропонована гідравлічна модель робочого процесу свердловинного струминного насоса у вигляді центральної потенціальної і коаксиальної кільцевої течій. Під час побудови гідравлічної моделі враховано геометричні розміри елементів про-точної частини струминного насоса та співвідношення витрат робочого і інжектованого потоку свердловинної ежекційної системи. Центральна потенціальна течія характеризується постійним профілем швидкостей. Периферична зсувна кільцева течія відзначається нерівномірним розподілом кінематичних параметрів і може бути апроксимована за допомогою елементарних функцій. Запропонований профіль швидкостей в кільцевому примежевому шарі зберігає наближену автомодельність упродовж всієї початкової ділянки робочого потоку струминного насоса. Для характеристики нерівномірності розподілу кінематичних параметрів у камері змішування струминного насоса використано співвідношення середньої та максимальної швидкостей змішуваних потоків. У процесі інтегрування запропонованих профілів швидкостей отримано аналітичну залежність, що зв'язує узагальнений коефіцієнт нерівномірності розподілу кінематичних параметрів в камері змішування струминного насоса з характеристиками свердловинної ежекційної системи. Відповідно до отриманої аналітичної залежності величина коефіцієнта нерівномірності розподілу кінематичних параметрів прямопропорційно залежить від відстані між робочою насадкою і камерою змішування струминного насоса. Запропонована модель розподілу швидкостей у вхідному перерізі камери змішування дозволяє зменшити похибку аналітичного визначення напору струминного насоса і підвищити ефективність проєктування параметрів експлуатації свердловини ежекційної системи.

Сучасний енергоринок відзначається трансформацією нафтогазових компаній в напрямку декарбонізації світової енергетики. Нафтогазова галузь диверсифікує напрямки своєї діяльності шляхом поєднання в єдиній організаційній структурі технологій традиційної та відновлюваної енергетики. Нафтогазові компанії інвестують значні кошти у відновлювані джерела енергії. Привод одного і того ж обладнання як за допомогою відновлюваних джерел енергії, так і шляхом спалювання традиційних вуглеводнів дозволяє залучити переваги та мінімізувати окремі недоліки застосування обох напрямків виробництва енергії. Наявність значного досвіду, розвиненої інфраструктури та кваліфікованих трудових ресурсів дає змогу використовувати обладнання відновлюваної енергетики на нафтогазоносних ділянках існуючих компаній. Інтеграція технологій відновлюваної генерації в нафту та газ є одним із способів задовольнити зростаючий попит на енергію при одночасному зменшенні забруднення навколишнього середовища. Сучасна нафтогазова галузь відзначається застосуванням сонячних фотоелектричних систем, вітрогенераторів, концентраторів сонячної та геотермальної енергії, біопалива. Використання джерел відновлюваної енергії сприяє підвищенню енергоефективності реалізації процесів буріння свердловин, нафтогазовидобутку, методів інтенсифікації нафтогазовилучення та нафтопереробки. Український нафтогазовий сектор планує розширювати присутність на ринку відновлюваної енергетики шляхом виробництва біогазу та водню і залученням для їх транспортування існуючої газотранспортної системи. Зважаючи на світові тенденції декарбонізації економіки можна прогнозувати поступову трансформацію нафтогазових компаній в енергетичні.