PetroBAK.com     PetroBAK
Информационный ресурс Нефть и Газ
 
Для полноценного отображения информации на сайте Вам следует ЗАРЕГИСТРИРОВАТЬСЯ или войти под своим логином.
Все статьи

Конструирование новых скважинных сепараторов с применением компьютерного моделирования

Автор: Тимур Димаев, РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина

Соавторы: проф. Сазонов Ю.А., РГУ нефти и газа им.Губкина, Казакова Е.С., РГУ нефти и газа им.Губкина

Краткое описание

В статье рассматриваются возможности новой методологии конструирования нефтяного оборудования, основанной на организации эффективных исследовательских работ с применением компьютерных технологий. В частности, в статье представлены новые пути усовершенствования скважинных сепараторов. Особый интерес представляют конструкции, предназначенные для осложненных условий добычи нефти, где наблюдается негативное влияние механических примесей и газа, в том числе для скважин малого диаметра.  В тексте представлено краткое описание новых технических решений по патентам №108101, №108104, по заявкам на патенты №2011135314, №2011139590. Представлено также сравнение результатов численных экспериментов с результатами физических экспериментов, проводимых на специальных стендах. Показано влияния вязкости перекачиваемой среды на коэффициент сепарации при различных значениях дебита скважины. Рассмотрены новые конструкторские разработки, помогающие существенно повысить эффективность сепараторов при добыче нефти в осложненных условиях.

При сегодняшних осложненных условиях добычи скважинного флюида теоретический и практический интерес представляет вопрос о возможностях применения компьютерных технологий при создании и патентовании новых технических решений для  энергосберегающих технологий скважинной добычи.

Процесс создания нового оборудования сейчас трудно представить без проведения численных экспериментов. Давно уже не секрет, что современные компьютерные технологии представляют собой реальные инструменты для математизации изобретательской работы. Проводимые исследования показывают, что существует множество незатронутых направлений развития технологий и оборудования, в том числе и для осложненных условий добычи нефти. В этой связи, проводимые работы в области перекачки жидкостей с высоким содержанием твердых включений, несомненно, можно отнести к разряду актуальных работ.

Известно, что надежность работы насосного оборудования существенно повышается,  если исключить попадание механических примесей в проточную часть рассматриваемой гидравлической машины. Особый интерес представляют конструкции, предназначенные для осложненных условий добычи нефти, где наблюдается негативное влияние механических примесей и газа, в том числе для скважин малого диаметра. На кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина разработаны и запатентованы технические решения для осложненных условий добычи, а также выполнены численные эксперименты в программном комплексе SolidWorks Flow Simulation.

Полезная модель по патенту №108101 относится к оборудованию для сепарации многофазных сред и может быть использована для сепарации жидкостей в различных отраслях народного хозяйства, в том числе может быть использована в качестве скважинного газового сепаратора в сочетании с насосами для добычи нефти.

 Картинка

Рис.1 Схема скважинного газового сепаратора

 

Указанный технический результат достигается тем, что газовый  сепаратор, размещаемый в скважине 1 под насосом 2, содержит цилиндрический корпус 3 с выполненным внутри сепарирующим узлом в виде шнека  4 с профилированной спиралью. Сепаратор содержит входной канал 5, выполненные в верхней части корпуса 3 канал 6 для отвода жидкости к входу 7 насоса 2 и патрубок 8 для отвода газа в кольцевой канал 9 между стенкой скважины 1 и насосом 2.  Профилированная спираль шнека 4 оснащена дополнительным участком 10, расположенным ниже и за пределами корпуса 3  в полости скважины 1. Входной канал 5 выполнен под дополнительным участком шнека 10. Выход из патрубка 8 для отвода газа размещен выше входа 7 в насос 2. Канал 6 для отвода жидкости выполнен кольцевым и образован стенками скважины 1 и цилиндрического корпуса 3.

Кроме того, данное техническое решение обеспечивает условия входа жидкости в насос из кольцевого канала, образованного стенкой скважины 1 и стенкой корпуса насоса 2, без каких-либо дополнительных деталей в виде кожуха. Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в обеспечении возможностей для использования большинства типов насосов стандартного исполнения (штанговые, винтовые, центробежные насосы). Не требуется применение кожуха, так как в полной мере используется площадь сечения ствола скважины, что наиболее важно для скважин с высокими дебитами.

Полезная модель по патенту №108104 может быть использована в качестве скважинного песочного сепаратора в сочетании с насосами для добычи нефти. Техническое решение по данной модели направлено на повышение эффективности сепарации механических примесей за счет снижения гидравлических потерь напора в проточной части сепарирующего узла, а также на обеспечение широких возможностей для регулировки режимов работы путем использования наборов унифицированных и сменных деталей.

На рисунке 2 представлена схема сепаратора механических примесей по патенту на полезную модель №108104.

Картинка

Рис.2  Схема скважинного песочного сепаратора

 

Поставленная задача достигается тем, что скважинное устройство для очистки флюида содержит цилиндрический корпус 1 с входными отверстиями 2 и установленный аксиально в его верхней части патрубок  4 для отвода жидкости, сепарирующий узел в виде полого шнека 3 с профилированной спиралью, вихревую камеру 5 в виде полого усеченного конуса с входным верхним и выходным нижним 8 патрубками, при этом верхний конец патрубка имеет диффузорный участок, и присоединенный к нижней части корпуса шламосборник 6.

Выбор оптимальных геометрических размеров шнека 3 и вихревой камеры 5 зависит от дебита скважины. При помощи численных экспериментов возможно нахождение конфигурации с наилучшими показателями работы.

         По данной схеме (см. рис.2) запатентовано скважинное устройство для очистки флюида по заявке №2011135314 от 25.08.2011 г. Это устройство представляет собой готовое изделие по борьбе с пескопроявлениями в скважине (см. рис 3).

Картинка

Рис.3  Скважинное устройство для очистки флюида

 На кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина разработано новое техническое решение для усовершенствования сепаратора и выполнены численные эксперименты. Техническое решение запатентовано ФИПС, номер патента № 114718 от 10.04.2012. Используя программный комплекс Flow Simulation в среде Solid Works,  проведены исследовательские работы на трехмерной модели сепаратора (см. рис.4). Рассмотрены условия перекачки маловязких сред, коэффициент сепарации «Ксеп» изменялся в пределах 80-100 %. При переходе на высоковязкие среды  (вязкость 100 сСт) коэффициент сепарации уменьшился до 20-40 %.

 Картинка

Рис.4  Схема скважинного газопесочного сепаратора

 

Скважинный газопесочный сепаратор содержит корпус в виде переводника с внутренним проточным каналом, прикрепленный к нижнему концу переводника наконечник с фильтром 4, и прикрепленный к переводнику сепарационный узел в виде шнека 5. Сепарационный узел в виде шнека выполнен секционным. Секции шнека закреплены на наружной поверхности переводника с образованием кольцевого канала 7 между соседними секциями шнека. Внутренний канал в верхней части переводника имеет расширяющийся диффузорный участок 8. В наконечнике выполнен проходной канал, сообщающий кольцевой канал секционного шнека с внутренним проточным каналом переводника.

Показано, что с применением унифицированных сменных деталей можно значительно улучшить характеристики устройства. С увеличением количества секций в виде шнека,  с 1 до 6, коэффициент сепарации, при вязкости среды 100 сСт, увеличивается до уровня 75%. На рисунке 4 представлены расчетные характеристики односекционного и шестисекционного газопесочного сепаратора для условий перекачки среды с вязкостью 100 сСт.

Картинка

Рис.5 Расчетные характеристики односекционного и шестисекционного сепаратора

 

Выявлены зависимости рабочих характеристик сепаратора от гранулометрического состава механических примесей, содержащихся в добываемом флюиде. На рисунке 6 показаны расчетные графические зависимости эффективности работы трехсекционного сепаратора для различных значений вязкостей и размеров механических примесей.

Картинка

Рис.6  Расчетные характеристики трехсекционного сепаратора

 

На базе лаборатории кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина также проводятся стендовые испытания и численные эксперименты с образцами серийно-изготовленных моделей сепараторов. Таким образом, существует возможность путем сравнительного анализа проверить достоверность методики компьютерного моделирования рабочего процесса сепаратора. На рисунке 7 показаны в качестве сравнения испытания серийной модели циклонного сепаратора при работе на жидкости вязкостью 100 сСт.

Картинка

Рис.7 Характеристики циклонного сепаратора

 

Проводимые исследования позволяют говорить о перспективности выбранного направления конструкторских работ. Численные эксперименты открывают дополнительные возможности для выбора самых простых и надежных конструкций при создании новых изделий, позволяют значительно расширить диапазон проводимых исследований.

Таким образом, для осложнений при добыче нефтяного флюида, в том числе при пескопроявлениях в скважине, следует шире использовать открывающиеся возможности численных экспериментов. Что, в свою очередь, позволит значительно ускорить решение оптимизационных задач при создании новых и усовершенствовании существующих моделей оборудования.

Используемые источники:

  1.             Компьютерное моделирование динамических насосов и поиск новых технических решений // Сазонов Ю.А., Балака А.Ю., Димаев Т.Н., Казакова Е.С. // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса, №4, 2011. – ВНИИОЭНГ. – С.18-21
  2.              Димаев Т., Казакова Е., Сазонов Ю. Компьютерное моделирование рабочего процесса скважинного сепаратора механических примесей // Сборник тезисов. Третья международная студенческая научно-практическая конференция "НЕФТЕГАЗОВЫЕ ГОРИЗОНТЫ", РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. - Москва, 2011. - с. 37
  3.              Компьютерное моделирование эжекторных установок для технологии водогазового воздействия на пласт // Ю.А. Сазонов, В.В Муленко, Е.С. Казакова, Т.Н. Димаев Т.Н., А.Ю. Балака // Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологий. Сборник материалов V Всероссийской научно-практической конференции. – Оренбург, 2011. – с. 372-376
  4.              Патент на полезную модель № 114718. Скважинный газопесочный сепаратор // Сазонов Ю.А., Заякин В.И., Казакова Е.С., Димаев Т.Н.  – Опубликовано 10.04.2012, бюл.№10.
  5.              Ивановский В.Н., Сазонов Ю.А., Якимов С.Б., Сабиров А.А., Заякин В.И. Скважинное устройство для очистки флюида.- Заявка на полезную модель №2011135314 от 25.08.2011 г.
  6.              Патент №108101. МПК  Е21В43/00 (Е21В43/38). Скважинная насосная установка/ Ивановский В.Н., Сазонов Ю.А., Сабиров А.А., Заякин В.И. - Заявка № 2011124799/03 от 20.06.2011. Опубликовано10.09.2011 Бюл. №25.
  7.             Патент №108104. МПК  Е21В43/38. Скважинное устройство для очистки флюида/ Ивановский В.Н., Сазонов Ю.А., Сабиров А.А., Заякин В.И., Якимов С.Б. - Заявка № 2011124800/03 от 20.06.2011. Опубликовано10.09.2011 Бюл. №25.




Обсуждения:

Комментировать


Логин (е-mail):

Пароль:


Не видно? Нажми!
Введите код c картинки:

-Забыли пароль?

-







 
© Все права защищены 2011-2021 год.
Самое красивое и надежное отображение сайта достигается при использовании браузера Google Chrome
Рейтинг@Mail.ru