книги / Оборудование для добычи нефти и газа
..pdfвыполнена большая серия оптимизационных расчетов на ЭВМ. Обработка результатов расчетов позволила установить, что наи большая эффективность для скважинного оборудования дости гается при соотношении диаметров двигательного и насосного плунжеров х = 1,48—1,78 (рис. 6.22). Как видно из графической зависимости t| =/(%), отклонение соотношения диаметров плун жеров от оптимального значения приводит к снижению эффек тивности.
Этот факт объясняется тем, что уменьшение соотношения приводит к росту рабочего давления и затрат мощности при ходе плунжеров вверх, а увеличение его — соответственно к возрас танию рабочего давления и затрат мощности при ходе плунже1 ров вниз. Кроме того, возрастание значения %, связано с увели чением рабочего объема двигательного цилиндра, что, в свою очередь, пропорционально скорости потока жидкости и повы шению затрат мощности на преодоление гидравлического со противления в трубах.
1 |
1,25 |
1,50 |
1,75 |
2,00 |
х |
|
|
I ^ |
Хопт w | |
|
|
Рис. 6.22. Графики зависимости КПД скважинного оборудования от соотношения диаметров цилиндров скважинного агрегата при различных глубинах спуска
Таким образом, при соотношении диаметров плунжеров X = 1,48—1,78 вышеупомянутые потери мощности минималь ные, а коэффициент полезного действия скважинного оборудо вания максимальный.
Рекомендации. При конструировании гидроштанговых уста новок необходимо подбирать диаметры плунжеров скважинно го агрегата в соотношении, соответствующем указанному ин тервалу.
Одной из задач исследования энергетических показателей установки было определение оптимальной подачи рабочей жид кости поверхностным силовым насосом. Для этого была выпол нена серия оптимизационных расчетов гидродинамических и энергетических параметров при различных значениях подачи поверхностного насоса. Было установлено, что наибольший ко эффициент полезного действия скважинного оборудования дос тигается при подаче насоса в интервале от 0,9 до 1,22 л/с. Сни жение подачи менее Qcu min приводит к увеличению времени сжа тия жидкости, времени хода плунжерной группы, времени пол ного цикла и, следовательно, к ухудшению показателей эффек тивности. Возрастание подачи более QCMmax приводит к повыше нию скорости жидкости в трубах, а следовательно, к снижению эффективности.
Таким образом, для эффективной работы скважинного обо рудования рекомендуемый диапазон подачи рабочей жидкости составляет Qcn = 0,9—1,22 л/с.
Одной из перспективных областей применения гидроштан говых установок является опробование скважин, где первооче редную роль приобретают такие факторы, как высокая монтажеспособность, транспортабельность, плавное в широких пре делах регулирование рабочих параметров установки.
При добыче высоковязкой битумной нефти гидроштанговые установки имеют следующие преимущества по сравнению с дру гими видами оборудования:
•обеспечивается движение плунжера скважинного насоса в двух направлениях, что достигается созданием избыточного дав ления наземным насосом у плунжера скважинного агрегата;
•при работе в скважинах с возможными парогазожидкост ными проявлениями глубинный агрегат не препятствует фонта нированию через скважинный насос;
•оборудование устья скважины собирается из узлов фон танной арматуры и обеспечивает надежность при выбросах;
•при добыче вязкой нефтяной массы в насосно-компрес сорных трубах возможно создание жидкостного подслоя, обес печивающего движение жидкости с незначительным гидродина мическим трением;
•простота конструкции, монтаж скважинного агрегата осу ществляется из стандартных узлов и деталей скважинных встав ных и невставных насосов, наземное оборудование имеет не большую массу и собирается из серийно выпускаемых узлов гид роаппаратуры;
•обеспечивается возможность плавного выхода на режим работы скважины с вязко-пластичными нефтями путем регули рования скорости движения плунжера.
6.4. ГИ Д РО И М П У Л ЬС Н Ы Е НАСОСНЫ Е УСТАНОВКИ
Конструкции гидроимпульсных насосов или как их называ ют в общепромышленной практике — гидротаранов были изве стны еще в прошлом столетии. Научно-конструкторский опыт разработки и применения гидротаранных насосов, гидроимпуль сных насосов уходит далеко в годы прошлого века. Насосы та ких конструкций всегда привлекали внимание ученых, изобре тателей и новаторов в областях водоснабжения и подъема про дукции нефтяных скважин.
Подъем больших объемов жидкости из скважин глубиной более 3000 м — очень трудная, но актуальная задача. Из имею щихся на вооружении в нефтяной промышленности техничес ких средств для подъема жидкости только гидропоршневые аг регаты могут обеспечить добычу нефти из больших глубин. Од нако, ввиду сложности и «прецизионности «в эксплуатации рабо чих узлов гидропоршневых насосов, в частности основных узлов глубинного агрегата «поршневой двигатель — плунжерный на сос», на практике эти установки не получили широкого распрос транения. Таким образом, нефтяная промышленность нуждается в разработке более простых и надежных глубиннонасосных уста новок, возможно, на основе новых принципов работы.
В этом направлении перспективен принцип прямого превра щения кинетической и упругой энергии силовой жидкости без промежуточных поршневых звеньев в полезную работу по подъе му жидкости из скважины при помощи глубинных гидроимпуль сных насосов.
Гидротаран изобретен в 1796 году французом И. Монгольфье (член Парижской академии наук и изобретатель воздушного шара). В 1797 году Монгольфье получил патент на свое изобретение и в 1799 году оно было представлено в Парижскую академию наук.
Гидротаран является насосом объемного типа, служащий для нагнетания жидкости с меньшей высоты на большую (известны примеры подъема гидротаранами жидкости на высоту 200 м) или подачи ее по горизонтали на большие расстояния (3—5 и более километров).
Наибольшая высота падения (высота расположения питатель ного бака относительно гидротарана) ничем не ограничена, т.к. сила гидравлического удара от нее не зависит. Сила удара зави сит главным образом от скорости, закрывающей ударный кла пан, которую можно регулировать весом ударного клапана. Наи меньшая высота падения, которую может использовать гидрота ран, исчисляется сантиметрами, но обычно предпочитают не ставить тараны при высоте падения меньше 1 м.
Предел высоты нагнетания зависит от давления в колпаке, от потерь в нагнетательной нише и может быть легко определен для каждого конкретного случая. Высота нагнетания в большей сте пени зависит от прочности тарана (колпака) и труб. Минималь ная высота нагнетания может быть равна нулю или вообще быть меньше высоты падения, если цель установки тарана заключает ся не в подъеме жидкости, а в подаче ее почти по горизонтали.
Работа гидротаранной установки (как и гидроимпульсного на соса) основана на принципе преобразования энергии упругих волн силовой жидкости, возникающих при гидравлических им пульсах, в полезную работу.
Гидравлический таран особенно оригинален автоматичнос тью работы при крайне простом устройстве. Здесь не требуются специальные приспособления для автоматической работы, так как это «органическое» свойство самого водоподъемника, основан ное на понижении давления в питательном трубопроводе, вслед ствие чего открывается ударный клапан, и восстанавливается за конченный цикл работы. При этом давление в трубе, хотя и на короткий промежуток времени, опускается ниже атмосферного давления независимо от высоты питательного трубопровода.
Теория работы гидравлических таранов с несомненностью показывает возможность нормальной работы таранной установ ки при использовании высоты падения 20—40 м и больше, при меняя достаточно прочные конструкции частей или специаль ные компенсаторы, смягчающие силу гидравлического удара, нисколько не считаясь с атмосферным давлением.
Процесс работы гидротаранной установки включает следующее:
1. Гидравлический таран является водоподъемником в кото ром двигатель и насос объединены в одной машине очень про стой конструкции, к тому же работающей автоматически. Дви жущиеся части тарана — два клапана — установлены так, что
повышение давления в питательной трубе закрывает ударный клапан и открывает нагнетательный, а понижение давления дей ствует в обратном порядке.
2. Смысл работы тарана в том, что он поднимает объем воды Q2 на высоту Н2, используя энергию объема-жидкости Q, находя щегося на высоте Нх < Н2. При этом объем воды Qt выливается наружу. Следовательно, таран, нагнетая воду, работает тоже во дой, и для действия его необходим в единицу времени объем воды
Q = Q t+ Qv |
(6.11) |
расположенный выше тарана на Я, метров. Из всего погло щенного объема воды таран нагнетает только некоторую часть.
3.Элементы таранной установки — нагнетательный клапан, воздушный колпак и нагнетательная труба — являются обычными частями почти любой насосной установки. Работа их достаточно изучена и не представляет специального интереса. Элементами, характеризующими гидравлический таран, как особую водоподъ емную машину и присущими всякой таранной установке, являют ся питательная труба и ударный клапан. Именно они предопреде ляют количественные и качественные показатели работы всей ус тановки. Теория тарана по существу сводится к выявлению работы этих элементов. Следует усвоить, что питательная труба не являет ся просто проводящей трубой, а есть неотъемлемая рабочая часть машины, а размеры ее не могут быть произвольны.
4.Полный цикл работы тарана ясно разделяется на два ха рактерных периода. В первый — период разгона — жидкость в питательной трубе приобретает необходимую скорость V т.е. разгоняется. Во второй — период нагнетания — происходит на гнетание жидкости из питательной трубы в колпак тарана под давлением Н за счет потери скорости Vr
Теоретические основы работы гидротаранов и гидроимпульсных насосов
Факт существования гидравлического удара был известен еще в XVIII веке, но правильная теория его была дана впервые про фессором Н. Е. Жуковским в 1897 году. Свои теоретические вы воды Жуковский Н. Е. проверил и подтвердил специальными
опытами, проведенными им в 1897—1898 годах над водопровод ными трубами. В 1898 году теория гидравлического удара была доложена Академии и впервые опубликована в 1899 году в «Бюл летенях Политехнического общества».
Опыты, проводимые Жуковским Н. Е. на Алексеевской водо водной станции в Москве полностью подтвердили правильность основных положений теории гидравлического удара.
Гидравлическим импульсом называют изменение давления в струе жидкости в трубах вследствие изменения скорости потока. При этом различают положительный гидравлический импульс, когда давление в трубопроводе повышается, и отрицательный гидравлический импульс, когда давление в трубопроводе падает.
Положительный импульс в трубе возникает в момент закры тия задвижки на выходе жидкости из длинной трубы, отрица тельный импульс — после закрытия задвижки у входа жидкости в длинную трубу. Амплитуда давления гидравлического импуль са находится в пропорциональной зависимости от изменения скорости потока. Оказалось, что зависимость амплитуды давле ния гидравлического импульса от изменения скорости движе ния жидкости в жестких трубах определяется очень простой формулой:
АР = K0-AW |
(6.12) |
где АР — амплитуда давления, Па; A W — изменение скорости жидкости, м/с; К0 — коэффициент волнового сопротивления жидкости, Н с/м3.
(6.13)
где р — плотность жидкости, кг/м3; Е — объемный модуль упругости жидкости, Н/м2.
Для упругого трубопровода:
(6.14)
где Е — модуль упругости материала трубы, Н/м3; d — внут ренний диаметр трубы, м; Ad — толщина стенки трубы, м.
Амплитуда давления гидравлического импульса распростра няется вдоль трубы со скоростью звука, м/с.
(6.15)
Рассмотрим процесс распространения гидравлического им пульса в условиях, приближенных к работе гидроимпульсного на соса (рис. 6.24). В открытом конце трубы 1 поддерживается посто янное давление. Амплитуда давления Ар исходного волнового импульса при его выходе через открытый конец трубы должна исчезнуть. Это значит, что в открытом конце трубы образуется отрицательный отраженный импульс давления с амплитудой -р, возвращающийся со скоростью звука к началу координат. Амп литуда скорости этого импульса равна +Aw. В интервале супер позиции исходного и отраженного импульсов суммарная амп литуда давления +Ар + (-ДР) = 0, а суммарная амплитуда скоро сти +Aw + Aw = 2Aw. После выхода из трубы исходного импульса в ней наблюдается только отраженный отрицательный импульс давления с параметрами И (-АР; +Aw; -с), который в свою оче редь отражается от неподвижного поршня без изменения амп литуды давления и только после повторного отражения в откры том конце трубы приобретает амплитуду давления исходного импульса. Описанный процесс можно записать так:
Ип(+Др; +Aw; +с) —> И(-Др\ +Aw; -с) —>
—» И(-Др\ -Aw; +с) —> И(+Др; -Aw; -с) —» Ип |
(6.16) |
Высокий КПД установки достигается при соблюдении до полнительных условий. Первое из них — это постоянная ско рость потока силовой жидкости в нагнетательной трубе, второе — своевременное переключение нагнетательного клапана.
В соответствии с принципом прямого превращения кинети ческой и потенциальной упругой энергии силовой жидкости в полезную работу в УкргипроНИИнефти в 70-х годах XX века был разработан гидроимпульсный насос. Рабочая схема гидро-
Рис. 6.24. Схемы гидроимпульсной насосной установки:
а — общий вид установки; б — скважинного агрегата; в — управ ления распределительным клапаном; г — эффективного привода распределительного клапана УГИН
импульсного насоса основана на действии гидравлических тара нов и работе упругих волн, а также требовании полной ликвида ции ударных перегрузок НКТ. Отвечающая указанным требо
ваниям схема гидроимпульсного насоса разработана и описа на Э. Б. Чекалкжом и И. Н. Поливко*.
Работа гидроимпульсного насоса основана на принципе пре образования энергии упругих волн, индуцируемых в столбе жид кости в рабочих трубках, в полезную работу, в частности преоб разования энергии упругих волн силовой жидкости, возникаю щих при гидравлических импульсах (изменение давления в по токе жидкости в зависимости от скорости течения потока). При этом различают положительный гидравлический импульс, когда давление в трубопроводе повышается, и отрицательный, когда давление в трубопроводе падает. Подобные явления известны, глубоко изучены Н. Е. Жуковским, И. А. Парным и другими учеными. Рабочий цикл гидроимпульсного насоса разделяется на два полупериода: зарядки, когда расходуется силовая жид кость с постоянной скоростью, и разрядки, когда жидкость вса сывается из скважины с той же скоростью.
Оптимальным условием работы гидроимпульсного насоса яв ляется синхронизация частоты перемещения распределительного устройства и волновых процессов в рабочих трубках. В этом слу чае подача установки зависит только от расхода силовой жидко сти или от давления на силовом насосе, поскольку гидравличес кие потери являются также функцией расхода. Гидравлические потери установки суммируются из потерь в рабочих узлах глубин ного агрегата и потерь в подводящем канале (трубопроводах, НКТ).
Оптимальная синхронизация работы распределительного кла пана и собственной частоты колебаний жидкости в рабочих труб ках возможна, если перемещение распределительного клапана уп равляется импульсами. Неустойчивость распределительного кла пана 9 в крайних положениях возникает вследствие закрепления на нем шайбы 13. В любом крайнем положении клапана один из отводных каналов А для жидкости закрыт, и весь поток проходит через противоположный поток Б. В радиальной щели скорость потока возрастает, а давление снижается. С противоположной стороны шайбы жидкость находится в покое, поэтому там нет перепада давления. Длина рабочих трубок подбирается и рассчи тывается так, чтобы продолжительность переключения составля
*Труды УкргипроНИИнсфть. — М.: Недра, 1976. — Вып.18. С. 147—148, 160— 163.