image

Территория Нефтегаз № 10 2014

Добыча

01.10.2014 10:00 Методика расчета установки ударного внутрискважинного вибросейсмического воздействия на пласт
В условиях ускоренного роста доли трудноизвлекаемых запасов нефти возникает потребность в разработке инновационных методов увеличения нефтеотдачи, отвечающих современным требованиям по энергоэффективности. Волновые технологии выгодно отличаются от других третичных методов разработки, так как позволяют учитывать естественные тенденции углеводородных жидкостей к движению под действием градиентов гравитационных и капиллярных сил, а также использовать энергетический потенциал, содержащийся в горном массиве.

Ключевые слова: волновые методы увеличения нефтеотдачи, вибросейсмическое воздействие, принцип кинетостатики.
Открыть PDF


В последние годы волновые методы увеличения нефтеотдачи (далее – МУН) пластов довольно популярны вследствие простоты реализации и относительно невысоких эксплуатационных затрат. В их основе лежат способы генерации и направленной передачи энергии от источника в пласт в виде распространяющегося волнового излучения. Среди волновых МУН особое место занимает технология вибросейсмического воздействия на залежь (далее – ВСВ), позволяющая обрабатывать не только околоскважинную зону пласта, но и его отдаленные области, при этом радиус охвата воздействием превышает тысячи метров [1, 2].

Достижение максимальной эффективности ВСВ возможно при внутрискважинном расположении источника в интервале продуктивного пласта при одновременной его эксплуатации, что позволяет обеспечить минимальные потери волновой энергии и активацию как процессов, обладающих эффектом последействия, так и процессов, для которых необходимо постоянное волновое излучение [3].

В стенах РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина была разработана установка ударного внутрискважинного вибросейсмического воздействия (далее – УВСВ), позволяющая осуществлять ВСВ на пласт при одновременной эксплуатации скважины погружной установкой электроцентробежного насоса (далее – УЭЦН) [4, 5].

При проектировании УВСВ приходится решать ряд различных междисциплинарных задач, среди которых можно выделить наиболее значимую, решению которой и посвящена настоящая статья, – разработку методики расчета увСв. Рассмотрим состав и принцип работы УВСВ (рис. 1) [5]. Погружной насос 2 откачивает на поверхность продукцию из пласта 15. В начальный момент времени плунжер 6 опирается на клапан 7, так что отверстие в плунжере является полностью перекрытым. Пакер 4 разобщает область скважины под плунжером от области над плунжером, вследствие чего при работе насоса 2 создается перепад давлений под и над клапаном 7.

При достижении достаточной величины перепада давления подъемный узел, представляющий собой соединения клапана 8 и плунжера 6, поднимается вверх, увлекая за собой ударник 11, соединенный с клапаном 7 посредством штока 8. При достижении подъемным узлом крайнего верхнего положения ударник в сборе (ударник 11 – манжета 10 – шток 8 – клапан 7) упирается манжетой 10 в центратор-ограничитель 9 подъема. Через отверстия в центратореограничителе 9 поток скважинной продукции продолжает движение, создавая давление на торцевую кольцевую поверхность плунжера 6, тем самым стремясь раскрыть подъемный узел. Под действием силы инерции, возникающей вследствие резкой остановки подъема ударника, а также забойного давления происходит раскрытие соединения «плунжер 6 – клапан 7» и падение ударника в сборе на наковальню 13. Плунжер 6 падает вниз вслед за ударником в сборе. Скважинная продукция при этом поступает в отверстие в плунжере 6 и продолжает движение вверх к приему насоса 2. После нанесения удара ударником 11 по наковальне 13 плунжер 6 падает на клапан 7, при этом отверстие в плунжере полностью перекрывается, и система возвращается в исходное состояние. Таким образом, реализуется замкнутый цикл работы УВСВ.

Повторяющиеся циклы нанесения ударов ударником 11 позволяют генерировать в продуктивном пласте 15 низкочастотные упругие волны, благотворно влияющие на процессы нефтеизвлечения.

Методика расчета УВСВ базируется на решении трех подзадач:

1. Определение условий сцепления и подъема ударника в сборе и плунжера.

2. Расчет процесса падения ударника в сборе и плунжера в стесненных условиях в скважинной продукции.

3. Построение частотной характеристики УВСВ.

Рассмотрим решения для каждой из указанных подзадач.

Определение условий сцепления и подъема ударника в сборе и плунжера.

На рисунке 2 приведена схема сцепления клапана 1 и плунжера 2 в момент начала подъема ударника в сборе. Равнодействующие сил, расцепляющих и сцепляющих соединение клапана 1 и плунжера 2, определяются по следующим формулам:

Условие сцепления клапана и плунжера в фазе подъема определяется неравенством

где Fсцеп – равнодействующая сил, сцепляющих соединение, Н;

Fрасцеп – равнодействующая сил, расцепляющих соединение, Н;

P1,P2– абсолютные давления в областях под и над подъемным узлом, Па;

F1,F2– веса ударника в сборе и плунжера в скважинной продукции, Н;

Fтр– сила трения в плунжерной паре, Н;

f 1 ,f 2 – площади сечения клапана и седла по периметру их контакта, м2 .

Разность давлений под клапаном и над клапаном, с одной стороны, определяется величиной потерь давления в зазоре при обтекании плунжера, а с другой стороны, этой величины должно быть достаточно для подъема сцепленной компоновки.

Опуская громоздкие выкладки, приведем конечные выражения, определяющие условия сцепления и подъема ударника в сборе и плунжера:

 где f – площадь круга, имеющего диаметр, равный внешнему диаметру плунжера, м2; D – внутренний диаметр корпуса подъемного узла, м; δ– диаметральный зазор между плунжером и корпусом подъемного узла, м; Lпл– длина плунжера, м; ρ– плотность скважинной продукции, кг/м3; i – гидравлический уклон в зазоре; Q – дебит скважины, м3/с.

Значение Qmin определяется численно, например, с помощью метода итераций, при этом определение гидравлического уклона i в зазоре в общем случае производится по известным гидродинамическим зависимостям с учетом количества фаз в потоке, его структуры и газосодержания [6].

Полученные условия позволяют установить количественную связь между геометрическими и массовыми параметрами УВСВ для различных режимов работы скважины.

Расчет процесса падения ударника в сборе и пленшера в стесненных условиях в скважинной продукции

Данный расчет базируется на проведении кинетостатического анализа движения элементов УВСВ под действием различных сил [7]. Расчетные схемы движения ударника в сборе и плунжера приведены на рисунках 3 и 4.В результате кинетостатического анализа были получены следующие дифференциальные уравнения (ДУ) движения и начальные условия:

• для ударника в сборе:

• для плунжера:

 


 Муд в сборе и mпл– массы ударника в сборе и плунжера, кг; Fт.уд в сборе и F т.пл – веса ударника в сборе и плунжера в скважинной продукции, Н; Tуд, Tшт и Tпл – касательные силы вязкого трения, действующие на ударник, шток и плунжер соответственно, Н; ΔPуд, ΔPшт и ΔPпл – перепады гидродинамического давления, срабатываемые на ударнике, штоке и плунжере соответственно, Па; Sм уд и Sм шт – миделевы площади сечения ударника и штока, м2; Sпл– площадь поперечного сечения плунжера по телу, м2; Rскл– сила лобового сопротивления, действующая на клапан, Н; F тр– сила трения в плунжерной паре, Н; vп.уд и v п.пл – скорости движения ударника в сборе и плунжера, м/с; yуд и yпл– текущие ко-ординаты центра масс ударника в сборе и плунжера, м; Hx – длина рабочего хода ударника в сборе, м.


Аналитические выражения для определения сил, входящих в (7), (8), (11) и (12), являются достаточно громоздкими и в связи этим не приводятся в рамках настоящей статьи.

Интегрирование полученных ДУ выполняется численно, например, методом Рунге-Кутты 4-го порядка, ввиду неявной зависимости их правой части от скорости движения ударника в сборе и плунжера.

В результате получаем кинематические характеристики в виде зависимостей скорости падения vп.уд,пл(t) и координаты центра масс yуд,пл(t) ударника в сборе и плунжера от времени t. Данные зависимости позволяют построить частотную характеристику УВСВ. В качестве иллюстрации на рисунках 7 и 8 представлены кинематические характеристики опытного образца УВСВ.

Построение частотной характеристики УВСВ

Частотная характеристика УВСВ представляет собой графическую зависимость частоты ударов, наносимых ударником по наковальне в процессе работы УВСВ, от дебита скважины.

В соответствии с рассмотренным циклом работы УВСВ частота ударов определяется следующим выражением:


где n – частота ударов, уд./мин.; t– время подъема ударника в сборе до В.М.Т.,

с; tпл– время падения плунжера, с.

Время падения плунжера определяется для различных значений дебита Q скважины по кинематической характеристике типа yпл (t) из уравнения yпл(tпл)=0.

Время подъема ударника в сборе до В.М.Т. определяется для различных значений дебита скважины Q по формуле:


где v – скорость подъема подъемного узла УВСВ, м/с; D1– внутренний диаметр корпуса подъемного узла УВСВ, м.

Построение частотной характеристики начинается с произвольного определения величины интервала построения ΔQ и шага ΔQ по дебиту скважины. Далее определяется количество расчетных точек по формуле:


После определения количества расчетных точек для них рассчитываются времена tпл, t и частота ударов n по формуле (15).

В качестве иллюстрации на рисунке 9 представлена частотная характеристика опытного образца УВСВ.

Рассмотренная методика расчета УВСВ позволяет получить все необходимые количественные взаимосвязи между параметрами УВСВ и тем самым открывает путь к ее непосредственному проектированию под конкретные условия эксплуатации.



← Назад к списку


im - научные статьи.