Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Теоретические основы работы гидротаранов и гидроимпульсных насосовСодержание книги
Поиск на нашем сайте
Факт существования гидравлического удара был известен еще в XVIII веке, но правильная теория его была дана впервые профессором Н. Е. Жуковским в 1897 году. Свои теоретические выводы Жуковский Н. Е. проверил и подтвердил специальными опытами, проведенными им в 1897—1898 годах над водопроводными трубами. В 1898 году теория гидравлического удара была доложена Академии и впервые опубликована в 1899 году в «Бюллетенях 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 закрытия задвижки на выходе жидкости из длинной трубы, отрицательный импульс — после закрытия задвижки у входа жидкости в длинную трубу. Амплитуда давления гидравлического импульса находится в пропорциональной зависимости от изменения скорости потока. Оказалось, что зависимость амплитуды давления гидравлического импульса от изменения скорости движения жидкости в жестких трубах определяется очень простой формулой: (6.12) где Δ Р — амплитуда давления, Па; ΔW— изменение скорости жидкости, м/с; Ко — 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 ЕТ — модуль упругости материала трубы, Н/м3; d — внутренний диаметр трубы, м; Δd — толщина стенки трубы, м. Амплитуда давления гидравлического импульса распространяется вдоль трубы со скоростью звука, м/с. (6.15) Рассмотрим процесс распространения гидравлического импульса в условиях, приближенных к работе гидроимпульсного насоса (рис. 6.24). В открытом конце трубы 1 поддерживается постоянное давление. Амплитуда давления Δр 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. Амплитуда скорости этого импульса равна +Δw. В интервале суперпозиции исходного и отраженного импульсов суммарная амплитуда давления +Δр + (-ΔР) = 0, а суммарная амплитуда скорости +Δw + Δw = 2Δw. После выхода из трубы исходного импульса в ней наблюдается только отраженный отрицательный импульс давления с параметрами И (-ΔР; +Δw; -с), который в свою очередь отражается от неподвижного поршня без изменения амплитуды давления и только после повторного отражения в открытом конце трубы приобретает амплитуду давления исходного импульса. Описанный процесс можно записать так: ИП(+Δр;+Δw; + c) → И(-Δр; +Δw; -с) → И(-Δр; -Δw; +c) → → И(+ Δр; -Δw; -с) → ИП. (6.16) Высокий КПД установки достигается при соблюдении дополнительных условий. Первое из них — это постоянная скорость потока силовой жидкости в нагнетательной трубе, второе — своевременное переключение нагнетательного клапана. В соответствии с принципом прямого превращения кинетической и потенциальной упругой энергии силовой жидкости в полезную работу в УкргипроНИИнефти в 70-х годах XX века был разработан гидроимпульсный насос. Рабочая схема гидроимпульсного насоса основана на действии гидравлических таранов и работе упругих волн, а также требовании полной ликвидации ударных перегрузок НКТ. Отвечающая указанным требованиям схема гидроимпульсного насоса разработана и описана Э. Б. Чекалюком и И. Н. Поливко*. Рис. 6.24. Схемы гидроимпульсной насосной установки: а — общий вид установки; б — скважинного агрегата; в — управления распределительным клапаном; г — эффективного привода распределительного клапана УГИН
Работа гидроимпульсного насоса основана на принципе преобразования энергии упругих волн, индуцируемых в столбе жидкости в рабочих трубках, в полезную работу, в частности преобразования энергии упругих волн силовой жидкости, возникающих при гидравлических импульсах (изменение давления в потоке 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. Чарным и другими учеными. Рабочий цикл гидроимпульсного насоса разделяется на два полупериода: зарядки, когда расходуется силовая жидкость с постоянной скоростью, и разрядки, когда жидкость всасывается из скважины с той же скоростью. Оптимальным условием работы гидроимпульсного насоса является синхронизация частоты перемещения распределительного устройства и волновых процессов в рабочих трубках. В этом случае подача установки зависит только от расхода силовой жидкости или от давления на силовом насосе, поскольку гидравлические потери являются также функцией расхода. Гидравлические потери установки суммируются из потерь в рабочих узлах глубинного афегата и потерь в подводящем канале (трубопроводах, НКТ). Оптимальная синхронизация работы распределительного клапана и собственной частоты колебаний жидкости в рабочих трубках возможна, если перемещение распределительного клапана управляется импульсами. Неустойчивость распределительного клапана 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 рассчитывается так, чтобы продолжительность переключения составляла 1—3 % рабочего цикла. Этому способствует также уменьшение щели, снижение массы распределительного клапана с шайбой путем применения легких полимерных материалов. Рабочие трубки, поочередно соединяясь с нагнетательной трубой при помощи распределительного клапана, получают от силовой жидкости импульсную энергию, которая после отключения рабочих трубок от нагнетательной трубы превращается в полезную работу по подъему жидкости из скважины через нагнетательные клапаны. Исследованиям рабочих характеристик гидроимпульсного насоса были посвящены многие работы Э. Б. Чекалюка, И. Н. Поливко, И. Н. Антоненко, С. Г. Просвирова и др. Режимные параметры рабочего процесса гидроимпульсного насоса: высота подъема пластовой жидкости, подача скважин-ного насоса, подача силового насоса и давление на выкиде силового насоса, установленного.на устье скважины, — связаны не только между собой, но зависят от размеров установки — диаметра и длиной рабочих трубок, диаметра силового напорного трубопровода, диаметров кольцевого канала, длины лифтовых труб и др. Режимные параметры УГИН связаны системой двух независимых уравнений — волновым уравнением Н. Е. Жуковского и уравнением Бернулли. Существует прямая зависимость между амплитудами скорости импульсной волны в рабочих трубках в процессе их зарядки и разрядки и импульсами давления, которые определяются по формуле Н. Е. Жуковского. После перекрытия потока силовой жидкости в рабочих трубках возникает отрицательный импульс давления, т.е. импульс всасывания. Амплитуда скорости всасывания зависит от скачка давления в момент перекрытия потока силовой жидкости. В табл. 6.7 приведены расчетные технических данные гидроимпульсного насоса для воды при подвеске на концентричных колоннах труб с соотношением диаметров 3:2. Относительно высокие КПД и подача гидроимпульсных установок, особенно на больших глубинах порядка 3000 м, свидетельствуют об их перспективности в нефтяной отрасли. Результаты испытаний, проведенных в УкргипроНИИнефти и ИГГГИ АН УССР, подтверждают результаты теоретических исследований.* Таблица 6.7
В ВолгоградНИПИнефть были проведены исследования распределительного клапана гидроимпульсного насоса (ГИН). Эксперименты проводили на натурном образце распределительного клапана при различной суммарной площади сечений дроссельных отверстий и разных размерах хода клапана. Давление измеряли образцовыми манометрами на входе и выходе распределительного узла. Технические характеристики гидроимпульсного насоса, разработанного в Волгограде ЗАО «ПАРМ-ГИНС», приведены ниже Подача насоса, м3/сут…………………………………….20—150 Расход силовой жидкости, м3/сут..... ……………………..100—400 Маскимальное давление силовой жидкости, МПа……20 Амплитуда колебания давления, МПа…………………до 12 Частота генерируемых импульсов, Гц…………………..5—30 Максимальная глубина спуска насоса, м………………до 3000 Допустимая максимальная вязкость добываемой жидкости, Па*с…………………………………………..0,8 Наличие свободного газа на приеме насоса……………не ограничено Температура добываемой жидкости, °С ………………..не более 140 Основные размеры, мм: длина………………………………….………………5000—10000 диаметр.……………………………………..………..114 Пластовая жидкость, откачиваемая насосом, может содержать сероводорода не более 0,01 г/л. Отсутствие ограничения на наличие свободного газа на приеме выгодно отличает ГНИ от штанговых или центробежных скважинных насосов. Еще одной особенностью ГИНа является амплитуда колебания импульсов давления (20—80 атм.) и частота их следования (5—30 ударов в секунду), которые позволяют предположить, что все загрязняющие материалы будут выноситься из призабойной зоны пласта. Таким образом происходит откачка жидкости из пласта при одновременном импульсном воздействии на пористый коллектор. Промысловые испытания гидроимпульсного насоса доказали его работоспособность и возможность откачивать жидкость с глубин до 2085 метров. Помимо сказанного в предыдущих главах, в качестве выводов будет уместно указать те преимущества, которыми обладает гидроимпульсный насос по сравнению с существующими типами насосов: 1)отсутствие в стволе скважины длинной механической связи глубинного агрегата с наземным приводом (ШСНУ) или электрокабеля (УЭЦН); 2)возможность использования потоков рабочей жидкости не только для передачи энергии для привода забойного агрегата, но и для проведения многих технологических операций, например, передачи к забою химических реагентов, тепла, растворителей и т.д.; 3)возможность осуществления наземного группового привода на кустах скважин, что позволяет увеличить технологические возможности. К очевидным недостаткам можно отнести неотработанность конструкций гидроимпульсных насосных установок.
ТУРБОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ
Турбонасосные установки предназначены для добычи нефти из скважин средних и высоких дебитов и представляет собой сложный агрегат с лопастной турбиной и центробежным насосом (рис. 6.25). Турбонасосный агрегат включает в себя лопастную турбину, вал которой соединен с валом центробежного насоса. Рис. 6.25. Турбонасосная установка для добычи нефти 1 — система очистки и подготовки рабочей жидкости; 2 — силовой насос; 3 — устьевая арматура; 4 — скважина; 5 — колонна труб; 6 — турбина; 7 — центробежный насос; 8 — пакер
Турбина приводится в действие при закачке в нее с поверхности рабочей жидкости. Центробежный насос отбирает из скважины жидкость и нагнетает ее на поверхность. Рабочая жидкость, отработавшая в турбине, выходит в тот же канал, что и добытая жидкость, и в смеси с ней поднимается на поверхность. На поверхности смесь разделяется, и добытая жидкость с нефтью идет в промысловую сеть, а рабочая жидкость (в большинстве случаев вода) поступает в поверхностный насос и далее в скважину для привода погружной турбины. Такие насосы предназначены для отбора больших количеств жидкости из скважин (400—500 м3/сут и более) с относительно малых глубин (в опытных образцах 200—1000 м). Преимущество такой насосной установки — возможность отбора больших количеств жидкости из скважины при достаточно высокой эффективности (КПД около 0,3— 0,25). При этом возможна эксплуатация наклонно-направленных скважин. Установка может быть выполнена сбрасываемой в скважину при увеличенной частоте вращения вала. Это существенно снижает объем ремонтных работ на скважине. Однако недостатки этой установки пока не преодолены. Большие объемы рабочей жидкости, закачиваемой в скважину, требуют обустройства ее каналами со значительными проходными сечениями. В скважинах с обсадными колоннами диаметром 146 и 168 мм это трудновыполнимо. На поверхности необходимо организовать очистку и подготовку больших количеств рабочей жидкости, что приводит к установке металлоемкого оборудования, требует затрат на его обслуживание.
Фирма Weir Pumps (Великобритания) разработала несколько типоразмеров турбонасосов, рабочие параметры которых приведены ниже. Подача, м3/сут...........................................до 3000 Мощность турбины, кВт........................ 50+750 Частота вращения вала, об./мин….......... 5000+15000 Диапазон рабочих температур, °С….до 200 Кроме того, существуют особые конструкции турбонасосов для работы при более высоких температурах. Турбонасосы имеют следующие преимущества: - отсутствие погружного электродвигателя и кабеля исключает все сложности выполнения спускоподъемных операций в скважинах со значительной кривизной ствола, позволяет использовать турбонасосы для подъема жидкостей с высокими температурами, в том числе из геотермальных скважин; - незначительная габаритная длина скважинного агрегата по а сравнению с электроприводными центробежными насосами дает возможность применять его в скважинах с большой интенсивностью набора кривизны, облегчает транспортные и монтажные, работы; - отсутствие клапанов в скважинном насосном агрегате обусловливает использование турбонасоса практически без ограничений по кривизне ствола скважин вплоть до горизонтальных; - подшипники насоса и турбины гидростатического типа, что обеспечивает прочную и надежную работу опоры ротора агрегата; смазка подшипников выполняется предварительно очищенной и подготовленной жидкостью, что защищает подшипники от воздействия абразивных компонентов скважинной жидкости; - гибкость регулирования рабочих характеристик, широкий рабочий диапазон плавного изменения подачи насоса; - возможность применения скважинного турбонасосного агрегата сбрасываемого типа; - неограниченность глубины спуска турбонасоса; - в скважину могут вводиться различные химические реагенты, ингибиторы коррозии, деэмульгаторы и др.; - можно применить различные методы глушения скважин перед подземным ремонтом, в том числе при нахождении турбонасосного агрегата в скважине. Для спуска турбонасосного агрегата в скважину используются стандартные НКТ и оборудование, применяемые в нефтяной промышленности. Силовые поверхностные насосы выбираются из множества стандартных насосов компании Weir Pumps' таким образом, чтобы обеспечивать любой эксплуатационный режим скважинного турбонасосного агрегата. Как и скважинные насосные агрегаты, поверхностные силовые насосы разработаны и изготовляются с использованием новейших технологий. Эти насосы практически безотказны в работе на нефтяных промыслах, Наиболее часто применяются следующие типы поверхностных установок: · силовой насос поверхностный с подачей рабочей жидкости до 56 м3/ч, давлением до 42,7 МПа, предназначенный для обеспечения работы скважинных турбонасосов в одной или двух спаренных скважинах (турбонасосы используются на промыслах Forties компании British PetroLeum); · силовой поверхностный насос с подачей рабочей жидкости до 110 м3/ч, давлением до 45,7 МПа, для работы скважинных турбонасосов на групповых установках (турбонасосы используются на промыслах AUK компании SheLL); · силовой поверхностный насос серии ОК с большой подачей рабочей жидкости до 3400 м3/сут, давлением до 40 МПа, применяемый не только для привода турбонасосов, но и для одновременного нагнетания жидкости в пласт (насосы Параметры выпускаемых фирмой Weir Pumps турбин и насосов для эффективного подъема нефти из скважин диаметром 127...300 мм и глубиной до 2500 м приведены в табл. 6.8. Для изготовления узлов и деталей турбонасоса использованы материалы, обеспечивающие максимальную коррозионную износоустойчивость. Наружный корпус турбонасоса и рабочие колеса изготовлены из легированных сталей с высоким содержанием хрома. Рабочие элементы статора и ротора турбины, втулки и кольца, а также подшипники, изготовлены из стеллита (кобальтохромовольфрамовая сталь). Вал изготовляется из сплава К-монель К-500 с пределом текучести 1560,8...1120 МПа. Таблица 6.8
В отличие от скважинных электроприводных центробежных насосов с постоянной частотой вращения вала частоту вращения и подачу турбонасосных агрегатов можно варьировать в зависимости от эксплуатационных характеристик скважины и пласта. Это достигается изменением подачи жидкости силового поверхностного насоса. Для глубоких скважин при использовании турбонасосов характерно высокое давление, а для скважин с малыми глубинами спуска — более низкие давления и большие подачи. По специальным таблицам и диаграммам можно подобрать необходимые параметры и типоразмеры турбонасосов и поверхностных силовых насосов исходя из эксплуатационных условий. Спуск — подъем скважинного агрегата может выполняться либо на насосно-компрессорных трубах, либо на канате, либо свободным сбрасыванием в сочетании с гидроприводом. Подвод рабочей жидкости может осуществляться как по НКТ (прямая схема), так и по кольцевому межтрубному пространству (обратная схема). Жидкость может поступать в скважину из системы поддержания пластового давления. К недостаткам этой системы следует отнести необходимость очистки, дегазации и подготовки большого количества жидкости, что приводит к увеличению металлоемкости поверхностного оборудования и соответственно к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат на обслуживание. Необходимо также отметить перспективность этого вида оборудования на морских промысловых платформах и в труднодоступных районах. В последние десятилетия фирмой Kobe создавались турбонасосные агрегаты свободно сбрасываемого типа, которые подобно гидропоршневым насосным агрегатам можно спускать или поднимать из скважины с помощью жидкости. Наземное оборудование турбонасосной установки аналогично наземной части гидропоршневых и струйных установок фирмы Kobe. Турбонасосы фирмы Kobe с аксиальными рабочими ступенями насосов и турбин рассчитаны на частоты вращения вала 10000—65000 мин-1 и перепады давления рабочей жидкости в турбинах до 28 МПа, что обусловливает их повышенную чувствительность к мехпримесям в жидкости. В установках фирмы Kobe система подготовки рабочей жидкости для привода турбины и смазки (тонкая очистка) двухступенчатая. Первая стадия очистки реализуется на поверхности, вторая — в глубинном агрегате, в специальном центробежном устройстве тонкой очистки. Из него чистая жидкость распределяется для смазки всех подшипников турбины и насоса. Упорный подшипник размещен между турбиной и насосом. К двум сторонам его через диафрагмы под высоким давлением подводится смазывающая жидкость, что обеспечивает осевое усилие, эффективно противодействующее неуравновешенным осевым нагрузкам в турбомашине. Конструктивно каналы для смазочной жидкости выполнены в виде продольных прорезей в соответствующих кожухах агрегата, корпус которого состоит из коротких секций, соединенных муфтой. В корпусе размещены центрирующие секции турбины и насоса. Максимальный КПД агрегата диаметром 59 мм несколько выше 0,5. С увеличением перепада давления в турбине область режимов работы с высоким КПД существенно расширяется. Увеличить напор насоса можно снижением подачи или изменением перепада давления в турбине. Последнее позволяет также сократить расход рабочей жидкости, затраты на ее подготовку и гидравлические потери в системе, т.е. повысить эффективность в целом. Максимальная расчетная подача турбонасоса диаметром 59 мм составляет 800 м3/сут, диаметром 73 мм — 1600 м3/сут, диаметром 100 мм — 4000 м3/сут. Длительные промысловые испытания турбонасосных агрегатов фирмы Kobe диаметром 59 мм подтвердили принципиальную работоспособность скважинного оборудования.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-26; просмотров: 783; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.216.253.84 (0.01 с.) |