7.1.1. Стендовые исследования гидродинамических генераторов колебаний.

В данном разделе приводятся результаты осуществленных авторами стендовых испытаний ряда конструкций генераторов колебаний, проходивших в различное время стадию ОПР. Ис­пытания проводились на промысловых стендах с инструмен­тальными замерами спектрально-амплитудных параметров ге­нерируемых колебаний в условиях, приближенных к реальным скважинным.

Два промысловых стенда были собраны на устьевой пло­щадке нагнетательной скв. 6066 НГДУ "Чекмагушнефть" АНК "Башнефть". Данная скважина была выбрана из-за ее сущест­венной приемистости (рабочий режим - 1800 м³/сут при дав­лении на устье 8,5 МПа), наличия индивидуального расходо­мера на КНС и незначительного влияния смежных нагнета­тельных скважин на установление давления в водоводе (при закрытии скв. 6066 давление в водоводе поднималось до 14,7 МПа). Это позволяло имитировать реальные условия при ра-

190

боте генераторов колебаний, проводить испытания при боль­ших расходах воды (до 2000 м /сут) и перепадах давления на стенде (более 10 МПа), при этом практически отсутствовали фоновые помехи. Учитывалось также наличие электроснабже­ния (близость добывающих скважин) и подачи пресной воды, что давало возможность проводить предварительное визуаль­ное тестирование работоспособности конструкций генераторов сначала на поверхности с выбросом воды в обваловку.

Первый стенд - макет скважины, изготовленный из отрезка обсадной трубы, устанавливался в шурфе в 10 м от скважины и гидравлически связывался с ней и водоводом с помощью быстросъемных манифольдовых линий. Данный стенд позво­лял без привлечения бригад КРС осуществлять монтажные работы и замену исследуемых генераторов колебаний.

Другой стенд - скважинный макет забоя с интервалом пер­форации позволял максимально имитировать реальные усло­вия обработок скважины при работе гидродинамических гене­раторов. Схема этого стенда представлена на рис. 7.1.1.

Стенд состоит из корпуса 1 (обсадная 219-мм труба) с пере­водной колонной катушкой 2, установленной на колонном фланце скважины 3, перфорированной трубы 4 (обсадная 146-мм труба), к которой с помощью переводной муфты подсое­динены 89-мм НКТ 5 с заглушкой 6. К планшайбе 7 с входным патрубком на 73-мм НКТ крепится гидродинамический гене­ратор (ГДГ) 8. Для преобразования колебаний давления в электрический сигнал служат пьезоэлектрические (типов ЛХ-610, ЛХ-601) и тензорезистивные (типов ПДМТ-25 и Д-16) датчики изменения давления 14, установленные в различных точках стенда. Сигналы с датчиков регистрируются с помо­щью запоминающего осциллографа 15 типа С8-11, светолуче-вого шлейфового осциллографа 20 типа 4043.1 с записью на самопроявляющуюся фотобумагу, а также анализатора спектра 16 типа СК4-56, информация с которого записывается на гра­фопостроителе 17 типа Н306. Преобразование сигналов с дат­чиков и согласование с входными целями светолучевого ос­циллографа осуществляется с помощью усилителя 18 типа У2-8 и тензометрической измерительной системы 19 типа СИИТ-3. Кроме того, производится запись сигналов с целью демон-

191

Рис 7.1.1. Схема промыслового стенда для исследования гидродинамических генераторов упругих колебаний на площадке скважины:

1 — корпус; 2 — переводная колонная катушка; 3 — скважина; 4 — перфорированная труба; 5 — насосно-компрессорные трубы; 6 — заглушка; 7 — планшайба; 8 — ГДГ; 9 — быстросъемные трубы; 10 - водовод; 11 - диафрагма; 12 - дифманометр; 13 - вто­ричный прибор; 14 — датчики колебаний давления; 15 — запоминающий осциллограф; 16 — анализатор спектра; 17 — графопостроитель; 18 — усилитель измерительный; 19 — тензомегрическая измерительная система; 20 — све-

толучевой осциллограф; 21 — коммутатор; 22 — согласующий усилитель

192

страции работы генераторов и дальнейшей расшифровки сиг­налов от датчиков в лабораторных условиях. Потери напора (перепад давления), создаваемые генераторами волн, оценива­ются по показаниям манометров, а также с помощью тензоре-зистивных датчиков давления.

Между напорным водоводом 10 и соединительной трубой 9 устанавливается диафрагма 11 с дифманометром 12 типа ДМ3583, и по вторичному прибору 13 типа КСД-3 определяет­ся расход жидкости через генератор, который задается путем регулирования задвижки на напорном водоводе. Погрешность измерения расхода составляет 15 %.

При исследованиях генераторов колебаний сигналы с дат­чиков записывались на фотобумагу в светолучевом осцилло­графе и по масштабу записи расшифровывалась амплитуда колебаний давления, погрешность определения которой с уче­том приборных и методических ошибок не превышала 15 %. С помощью анализатора спектра СК4-56 и графопостроителя Н306 производилась запись спектрограмм сигналов от датчи­ков и определялись спектральные составляющие и домини­рующая частота (или область частот) работы генераторов волн давления. Использование усилителя У2-8 (или вольтметра ти­па ВЗ-48) и тарировочного низкочастотного вибратора ГК-2 конструкции БашНИПИнефти позволило измерять средне­квадратичное давление, развиваемое генераторами в обсадной трубе. Специально разработанный усилитель-нормализатор позволял упростить тарировку датчиков и получать с одного тензорезистивного датчика одновременно информацию о ста­тическом и динамическом давлениях.

Макет забоя с перфорационными отверстиями позволял приблизиться к реальным условиям при работе генераторов, оценивать ослабление амплитуды колебаний давления на пер­форационных отверстиях в обсадной колонне, а при использо­вании специального зонда оценивать соотношение амплитуд давления в зависимости от частоты колебаний перед и за пер­форационным каналом и распределение волнового поля внут­ри обсадной колонны. Кроме того, установка на соответст­вующей глубине заглушки 6, имитирующей дно скважины, по­зволяла исследовать возможность и условия создания резонанс­ных режимов на забое скважины.

Другой областью применения скважинного стенда может быть исследование эффективности очистки в поле упругих ко­лебаний перфорационных каналов от пластовых загрязнений с

193

использованием специальных кернодержателей, позволяющих вводить образцы пористой среды в стенд через корпус, вплот­ную к перфорационным отверстиям.

Измерения параметров генераторов колебаний производили при расходах жидкости до 1200 м³/сут и давлениях нагнетания до 14,6 МПа. Расход устанавливали в зависимости от типа ге­нератора в соответствии с рекомендациями авторов, а также на 100 м³/сут ниже и выше рекомендуемого. Определялись также параметры при максимально возможном на данном стенде расходе, т.е. при полностью открытых задвижках, когда рас­ход штуцировался лишь на гидродинамическом генераторе.

Еще один промысловый стенд был собран на промысловом полигоне НПО "Союзнефтеотдача", находящемся вблизи кус­товой насосной станции НГДУ "Уфанефть" АНК "Башнефть", от которой к стенду был проложен водовод высокого давления и выкидная линия, подключенная к системе канализации КНС. Схема стенда приведена на рис. 7.1.2.

Стенд состоял из макета скважины, водоводных и мани-фольдовых линий, системы задвижек и контрольно-изме­рительной аппаратуры. Макет 1 был изготовлен из отрезка 146-мм обсадной трубы длиной 2,5 м с фланцами и нижней заглушкой и установлен в шурфе внутри помещения полигона. Благодаря системе задвижек, установленных как в КНС, так и внутри полигона на водоводе и выкидной линии, имелась воз­можность создавать условия, достаточно приближенные к ре­альным условиям скважинных обработок, - проводить испы­тания в широком диапазоне расходов (до 3000 м³/сут) и давле­ний (до 14 МПа), в условиях отсутствия фоновых помех, соз­даваемых, например, поршневыми насосными агрегатами.

В макете 1 устанавливали исследуемый генератор колеба­ний 2, расход через который регулировали с помощью задви­жек 3, 4 и 5. В напорном водоводе была установлена диафраг­ма 7, с помощью дифманометра 8 типа "Сапфир-22Д" с блоком БИК-1, преобразователем 9 и самописцем 10 типа КСУ-2 заме­ряли расход воды через генератор. Для сглаживания пульса­ций давления в напорной линии был предусмотрен колоколь­ный компенсатор 6. Потери напора на генераторе оценивали по показаниям манометров 11, 12, а также по сигналам с тен-зорезистивных датчиков давления 13 типа ПДМТ-60. В каче­стве преобразователей колебаний давления служили также пьезоэлектрические датчики 14 типа ЛХ-601. Тензорезистив-ные датчики были подключены к тензоусилителю-

194

21

—

22

#

'////////////////Л

Рис. 7.1.2. Стенд для испытания гидродинамических генераторов упругих ко­лебаний на полигоне КНС

нормализатору 15, а пьезоэлектрические - к измерителю 16 типа ВШВ-003. Сигналы с датчиков регистрировали с помо­щью запоминающего осциллографа 20 типа С8-17, а также светолучевого осциллографа 19 типа Н071 с усилителем 17 типа У7-5. Частотный анализ сигналов осуществляли анализа­тором спектра 21 типа СК4-56, запись производили с помощью графопостроителя 22 типа Н307. Переключение линий осуще­ствляли с помощью коммутатора 18.

Для испытания и определения рабочих параметров разрабо­танных авторами новых генераторов типа ГД2В на базе НГДУ "Елховнефть" АО "Татнефть" был собран горизонтальный промысловый стенд, позволяющий осуществлять замеры с ис­пользованием современной компьютерной техники и преобра-

195

зователей сигналов. Макетная гидравлическая схема стенда аналогична вышеописанным. Сигналы с пьезо- и тензодатчи-ков соответственно через согласующий усилитель-повторитель и тензоусилитель-нормализатор поступают на многоканальное устройство ввода аналоговых сигналов и счи-тываются в портативный компьютер (ноутбук), где обрабаты­ваются по специальной компьютерной программе, в режиме которой ноутбук выполняет роль одновременно измерителя сигналов, запоминающего осциллографа, анализатора спектра и накопителя информации на жестком диске. Вся информация сохраняется в памяти компьютера и доступна для осуществле­ния последующего более детального анализа и наглядной ви­зуализации непосредственно на мониторе компьютера или подсоединенном к нему принтере.

Результаты исследований различных гидродинамических генераторов колебаний давления представлены в табл. 7.1.1. На рис. 7.1.3 показаны спектрограммы и осциллограммы сиг­налов с датчиков колебаний давления при работе генераторов различных типов. Основываясь на этих данных, результатах наблюдений за их работой и их техническом состоянии после испытаний, был проведен анализ возможностей исследован­ных конструкций генераторов и перспективности их использо­вания.

Генераторы пружинно-клапанного и клапанно-ударного типа

Из исследованных устройств к данному типу гидродинами­ ческих генераторов можно отнести генератор клапанный ГК-2 конструкции БашНИПИнефти, пульсатор вставной ПВ-54 кон­ струкции ТатНИПИнефти, клапанно-ударный вибратор КУВ- 100 конструкции б. МИНГ и ГП. Общий недостаток пружинно- клапанных устройств, выявленный в результате проведенных испытаний, - жесткое регламентирование узкой режимной об­ ласти расходов и недостаточная надежность работы, обуслов­ ленная необходимостью точного согласования жесткости пру­ жины и массы клапана. Небольшие изменения напорно- расходных характеристик

196

Таблица 7.1.1 Результаты стендовых исследований гидродинамических генераторов различных типов

Тип генератора, организация-разработчик	Расход жидко­сти через гене­ратор, м^сут	Давление наг­нетания рабо­чей жидкости, МПа	Потеря напора (перепад давле­ния) на генера­торе, МПа	Среднеквадра­тичное значе­ние амплитуды колебаний, МПа	Размах колеба­ний давления, МПа	Доминирую­щие частоты колебаний, Гц
	Генераторы пружинно-клапанного типа
Пульсатор вставной ПВ-54, Тат-	550	14,2	1,2	0,04	0,1	10; 1200;
НИПИнефть						3000; 6000
Клапанно-ударный вибратор	160	1,0	0,4	-	1,0	28; ПО; 650
КУВ-100	200	1Д	0,4	—	1,2	28; 90; 410
	300	1,4	0,7	-	1,8	32; 100; 410
	400	1,6	1,0	—	3,0	38; 100; 420
	500	2,0	1,4	-	3,6	40; 100; 420
	700	8,5	7,7	-	4,2	48; 100; 600
	1000	10,0	8,7	-	5,5	50; 100; 200
Генератор клапанный ГК-2, Баш-	100	5,3	0,5	0,15	0,4	100; 200
НИПИнефть	350	6,2	1,0	0,10	0,3	100-200
Гидравлические роторные преобразователи-				'сирены"
Гидравлический вибратор золотни-	100	4,7	0,2	0,07	0,3	50; 4500
кового типа ГВЗ-108, б.	200	5,2	0,5	0,06	0,2	62; 4700
МИНГиГП	400	5,1	0,7	0,10	0,4	75; 4500
	600	4,8	1,2	0,25	0,8	94; 4200
	800	6,7	2,4	0,47	1,7	130; 800

197

Продолжение табл. 7.1.1

Тип генератора, организация-	Расход жидко­сти через гене-	Давление наг­нетания рабо-	Потеря напора (перепад давле-	Среднеквадра­тичное значе­ние амплитулы	Размах колеба­ний давления,	Доминирую­щие частоты
разработчик	ратор, м^сут	чей жидкости, МПа	ния) на генера­торе, МПа	колебаний, МПа	МПа	колебаний, Гц
Гидродинамические, на основе вихревых усилительных центробежных форсунок
С одной напорной вихревой ступе-
нью:
ГЖ-2	370	10,5	9,5	0,50	2,5 (4,0*)	30; 60; 150
ГЖ-11	400	10,5	9,5	0,60	3,0 (5,0*)	25; 75; 150
С двумя напорными вихревыми
ступенями противоположной за-
крутки:
ГД2В-3	240	8,0	7,5	0,90	4,8 (6,4*)	20; 160
ГД2В-6	500	8,0	7,0	2,10	8,0 (9,6*)	33; 250
* Для отдельных всплесков.

198

подачи рабочей жидкости, равно как и неизбежные в ходе не­прерывной работы усталостные изменения в конструкционных элементах (пружинах), приводят к срыву генерации. Исследо­ванный экземпляр ПВ-54 показал неустойчивую работу и ма­лую амплитуду колебаний давления. У генератора ГК-2 в об­ласти расходов от 100 до 350 м³/сут после тщательного подбо­ра пружины из числа представленных авторами устройства обнаружилась сравнительно устойчивая работа вибратора на низкой частоте, при малой амплитуде колебаний давления. Из спектрограммы (см. рис. 6.2) видно, что в его спектре частот присутствуют две основные гармоники, кратные между собой, - ПО и 220 Гц. Клапанно-ударный генератор КУВ-100 генери­рует достаточно высокоамплитудные колебания давления, од­нако ресурс его работы весьма мал и исчисляется минутами. Генератор выходит из строя из-за развития в его клапанных узлах ударных напряжений, существенно превышающих пре­делы прочности периодического нагружения конструкцион­ных материалов.

Гидравлические прсобразоватсли-"свистки"

К данному типу генераторов относятся испытанные гидрав­лические активаторы потока, такие как генераторы ГАП, ГД108-УНИ конструкции УГНТУ [127], скважинные генера­торы СГГК конструкции Института машиноведения РАН [128]. К подобным гидравлическим устройствам относится также генератор [116].

Подобные гидродинамические устройства являются высо­кочастотными генераторами. Они генерируют колебания низ­кой амплитуды с низким значением среднеквадратичного дав­ления и в то же время создают высокие потери напора нагне­таемой жидкости за счет существенного штуцирования потока.

Функционирование данных генераторов сопровождается существенным кавитационным износом как тангенциальных отверстий, так и поверхности вихревой камеры, что ведет к изменению во времени параметров этих генераторов и срыву режима их устойчивой работы. Низкая надежность, неустой­чивость автоколебательного режима и узость рабочего диапа­зона расходов ограничивают возможности использования по­добных конструкций без соответствующих мер по обеспече­нию автоматического вывода на автоколебательный режим и его настройки во время работы.

200

а

ПВ-54 ТатНИПИнефть

о.	_
s;
3	_
1
5
а
s	1 1	. ..ll	1 1

О 0,4 0,8 1,2 1,4 у; кГц м³/сут; /=1330Гц; А=0,1 МПа; Ар=1,9МПя

гк

БашНИПИнефть

0,2 0,4 0,6 0,8 /кГц 0=400 м³/сут; /=110 Гц; А=0,24МПя; Ар=1,ЗМПа

Рис. 7.1.3. Осциллограммы и спектрограммы сигналов с датчиков при работе пружинно-клапанных (а, б) и золотниково-роторного (в) генераторов коле­баний давления

Гидравлические роторные преобразователи-"сирены"

Вибратор золотникового типа ГВЗ-108 конструкции б. МИНГ и ГП по типу относится к самодвижущимся реактив­ным "сиренам". Частота пульсаций давления подобного пре­образователя определяется количеством прорезей и линейно зависит от расхода рабочей жидкости. Испытания показали устойчивую работу генератора на всех исследованных расхо­дах. Обнаружено (см. рис. 7.1.3, в), что наряду с достаточно вы­сокими амплитудами колебаний давления в области низких

201

ГВЗ-108

уровет
>а
2
<е
Omiiocumej	и	.1...

0,2

0,6 0,#/кГц

Q=400 м³1сут; /=57Гц; Л=0,5МПа; Д/>=0,¥ МПа

частот в спектре присутствуют и низкоамплитудные высоко­частотные составляющие в области 4,2—4,8 кГц. При возраста­нии расхода {Q > 600 м³/сут) эти составляющие исчезают и увеличиваются составляющие в области 600-1000 Гц. Форма сигналов представляет собой сложение двух основных доми­нирующих частот и ряда низкоамплитудных гармонических составляющих.

Из приведенных в табл. 7.1.1 данных видно, что работа ге­нератора вызывает сравнительно небольшие потери напора при довольно высоком среднеквадратичном давлении. При осмотре технического состояния вибратора после продолжи­тельных (в течение 5 ч) испытаний существенных следов из­носа обнаружено не было.

Из всех исследованных конструкций вибратор ГВЗ-108 по­лучил в свое время наиболее широкое применение для обрабо­ток призабойных зон скважин. Тем не менее, несмотря на не­сомненные положительные моменты данной конструкции: дос­таточно высокую амплитуду колебаний, возможность опреде­ленного регулирования частоты заданием расхода, ей присущи существенные недостатки, которые наиболее заметно прояв­ляются при работе в условиях сильной загрязненности и аг­рессивности среды, а также при циклическом режиме работы генератора в скважине. Стремление уменьшить кольцевой за­зор между ротором и статором, тем самым повысив эффектив­ность генерации колебаний, и желание увеличить надежность работы в загрязненных средах для данных конструкций несо-

202

вместимы. Из-за наличия в конструкции вращающихся меха­нических узлов не обеспечивается достаточная надежность и моторесурс: после одной-трех обработок увеличивается расход и снижается амплитуда колебаний давления, ряд узлов генера­тора разрушается. При работе в скважинах происходят силь­ный износ подшипниковых узлов конструкции, заклинивание, абразивный износ ротора и кавитационное разрушение стато­ра, часто из-за заклинивания невозможно обеспечить после­дующий запуск генератора после временной остановки подачи рабочей жидкости. Кроме того, вследствие малого КПД боль­шие расходы жидкости при функционировании генератора требуют привлечения добавочных мощностей устьевых насос­ных агрегатов и сильно затрудняют его использование в ком­плексе с другими техническими средствами, например сква-жинными струйными аппаратами. Весьма проблематично так­же эффективное использование данного генератора для осу­ществления вибропенных обработок с применением штатного устьевого компрессора.

Проведенные испытания показали, что генераторы пружин­но-клапанного и клапанно-ударного типов, гидравлические преобразователи-"сирены" и гидравлические преобразователи-" свистки" или их комбинации не удовлетворяют требованиям высокоэффективного осуществления виброволновой обработ­ки скважин, хотя подобными конструкциями и исчерпываются все известные ранее типы скважинных генераторов.

Во-первых, они не надежны в работе. Колебания давления возбуждаются непосредственно внутри самого устройства, при этом создаются ударные нагрузки, превышающие пределы прочности материалов. Эти материалы, к тому же, находятся в контакте с агрессивными и абразивными средами. Генераторы быстро выходят из строя либо из-за поломок подвижных ме­ханических узлов (генераторы первого и второго типов), либо из-за существенного кавитационного износа (генераторы третьего типа).

Во-вторых, амплитуды колебаний давления при их работе в стволе скважины недостаточно высоки, что не обеспечивает необходимый для проявления заметного эффекта воздействия охват ПЗП плотностью потока колебательной энергии. А уве­личение мощности генерации сопровождается добавочным снижением надежности (резко возрастает вероятность поло­мок) и к тому же ограничивается габаритами скважины. В до­полнение генераторы третьего типа (гидравлические свистки)

203

продуцируют высокочастотные колебания, которые, как показа­ли вышеприведенные исследования, незначительно влияют на развитие в ПЗП фильтрационных явлений и процессов деколь-матации (см. гл. 3) и вдобавок испытывают сильное поглощение в пористой среде.

В-третьих, у данных генераторов отсутствует возможность регуляции (без существенного изменения конструктивных па­раметров) частоты колебаний, что не позволяет осуществлять обработку конкретного объекта-скважины в оптимальном для него режиме.

При обобщении представленных выше результатов и выво­дов авторами были впервые определены конструктивные и технологические требования к гидродинамическим генерато­рам, предназначенным для виброволнового воздействия на ПЗП и обеспечивающим максимальную эффективность, а так­же рентабельность обработок скважин.

Генератор должен возбуждать на забое заполненной жид­костью скважины достаточно высокоамплитудные колебания давления в диапазоне частот 20-300 Гц с возможностью регу­ляции частоты и настройки на избирательные частоты объек­та. Частоты и амплитудный режим генерации должны быть стабильными и мало зависеть от внешних условий и степени износа узлов генератора. В конструкциях генераторов необхо­димо исключить подвижные механические узлы, как наиболее подверженные износу, в особенности в условиях загрязненно­сти и агрессивности жидкой среды, сильно уменьшающие их общий моторесурс.

Генераторы не должны при работе создавать чрезмерные ударные нагрузки внутри конструкций. Колебательные удар­ные явления должны создаваться непосредственно в перфора­ционных отверстиях скважины и ПЗП, при условии использо­вания резонансных свойств скважинных и пластовых систем и настройки частоты пульсаций расхода на избирательные час­тоты объекта. Это условие может обеспечиваться при генера­ции устройством колебаний расхода и преобразовании их в колебания давления. Подобный режим генерации обеспечива­ет и высокую надежность работы устройства, и высокий КПД, и энергетическую эффективность виброволнового воздейст­вия. При этом не существует заметных ограничений на увели­чение мощности генерации колебаний при использовании реаль­ных скважинных гидродинамических генераторов.

204