1535

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

ВИХРЕВОЙ АБРАЗИВОСТОЙКИЙ ПОГРУЖНОЙ ГАЗОСЕПАРАТОР 7А ГАБАРИТА

А.Н. Мусинский

Научный руководитель – д-р физ.-мат. наук, профессор С.Н. Пещеренко Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Большинство центробежных газосепараторов подвержены абразивному износу, интенсивность которого тем выше, чем больше подача. Исходя из этого существует проблема разработки абразивостойких газосепараторов для высокодебитных скважин. Был предложен такой газосепаратор. Проблема абразивного износа была решена за счет применения вихревой конструкции. Приведены результаты испытаний, подтверждающие эффективную работу газосепаратора.

Ключевые слова: вихревой абразивостойкий газосепаратор, коэффициент сепарации.

Одним из способов интенсификации нефтедобычи является повышение депрессии на пласт за счет понижения динамического уровня и снижения давления на приеме насоса. Это приводит к выделению газа из добываемой жидкости. Высокая концентрация газа в добываемом флюиде способствует понижению напора и нестабильной работе электроцентробежной насосной установки (ЭЦН) [1].

Повышение эффективности работы ЭЦН на газожидкостной смеси (ГЖС) достигается комплектацией их газосепараторами, которые отделяют попутный газ от флюида. Добиться эффективного отделения газа центробежными газосепараторами 7А габарита нелегко, так как время нахождения газожидкостной смеси в газосепараторе, а следовательно, и время сепарации сокращается. Для увеличения времени сепарации можно было бы увеличить длину центробежного газосепаратора, но это приводит к срыву струйного течения, появлению вихрей в его проточных каналах и ухудшению сепарации. Кроме того, увеличение длины газосепаратора приведет и к увеличению времени воздействия на него абразивных частиц, т.е. к абразивному разрушению.

Для снижения влияния абразивных частиц было предложено использовать короткий газосепаратор, который нагнетает ГЖС напорным блоком и приводит во вращение специальным импеллером. Затем ГЖС поступает в вихревую камеру, где вращение продолжится по инерции.

Однако импеллер отбрасывает абразивные частицы к корпусу газосепаратора, что может привести к его гидроабразивному разрушению. Кроме того, в литературе практически отсутствуют данные о количественных исследованиях сепарационных характеристик вихревых газосепараторов.

Задача исследования – разработать вихревой газосепаратор, который бы обладал высокой абразивной стойкостью и обеспечивал эффективное отделение газа от флюида. Кроме этого, для предотвращения подсасывания газа в насос через выкидные отверстия газосепаратора требуется выполнение еще одного критерия – газосепаратор должен создавать давление во всем диапазоне подач.

491

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Была предложена новая конструкция, отличающаяся от классической вихревой конструкции. Результаты испытаний представлены на рис. 1–3.

На рис. 1 показана сепарационная характеристика вихревого газосепаратора, соответствующая 25 и 35 % остаточной концентрации газа в смеси на выходе из газосепаратора.

Рис. 1. Сепарационная характеристика вихревого газосепартора при βост = 25 и 35 %

Обычно сепарационная характеристика предоставляется со значением остаточного газосодержания в 25 %, так как центробежные ступени могут работать с концентрацией газа в смеси до 25–30 %. Но на больших подачах используются не центробежные ступени, а диагональные, которые могут работать с концентрацией газа в смеси до 35–40 %. По этой причине в зависимости от типа используемых ступеней в насосе сепарационная характеристика указана при 25%-ном и 35%-ном остаточном газосодержании.

По графику на рис. 1 видно, что газосепаратор эффективно отделяет газ до значения подачи по смеси, равного 800 м3/сут (при входном газосодержании ниже 40 % и остаточном 25 % работа газосепаратора считается неэффективной).

Для предотвращения подсасывания отсепарированного газа через выкидные отверстия газосепаратор должен развивать давление на всем промежутке эффективной работы от 0 до 800 м3/сут. С этой целью был проведен еще один эксперимент, замеряющий напорно-расходную характеристику газосепаратора. На рис. 2 представлена напорно-расходная характеристика газосепаратора.

Как видно из рис. 2, разработанный газосепаратор создает давление на промежутке подач по жидкости от 0 до 1100 м3/сут, подтверждая, что подсоса отсепарированного газа из выкидных отверстий на данном промежутке не будет. Но данная напорно-расходная характеристика построена на результатах испытаний на жидко-

492

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

сти. Газосепаратор на жидкости никогда не работает, он работает на смеси из жидкости и газа, а плотность смеси меньше плотности однофазной жидкости. Исходя из этого реальная напорно-расходная характеристика газосепаратора выглядит так, как представлено на рис. 3. На рис. 3 проиллюстрирована напорно-расходная характеристика газосепаратора на смеси, содержащей не менее 50 % газа.

Рис. 2. Напорно-расходная характеристика газосепаратора на воде

Рис. 3. Напорно-расходная характеристика газосепаратора на смеси 50 % газа

493

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Таким образом, с присутствием газа в смеси давление, создаваемое газосепаратором, становится ниже, а область работы устройства сокращается с 1100 до 850 м3/сут.

Выводы:

1.Разработана конструкция вихревого абразивостойкого газаосепаратора, предназначенная для больших подач. Сепарационная и напорно-расходная характеристики удовлетворяют условиям эффективной работы газосепаратора в диапазоне подач от 0 до 800 м3/сут.

2.Абразивная стойкость разработанного газосепаратора достигнута путем применения неподвижной винтовой лопасти.

3.Получена напорно-расходная характеристика газосепаратора на работе смеси с 50 % газа, которая определяет диапазон работы устройства.

Список литературы

1.Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение: энциклопед. справочник / ООО

«Пресс-мастер». – Пермь, 2007. – 645 с.

2.Целищев А.В., Ахметов Ю.М. Эффект фазоразделения газожидкостного потока в камере вихревой трубы // Вестник УГАТУ. Машиностроение. – 2013. –

Т. 17, № 3 (56). – С. 87–94.

3. Ахметов Ю.М., Целищев А.В., Жернаков В.С. Исследование процесса сепарации газожидкостного потока в вихревой трубе // Вестник УГАТУ. Гидравлические машины гидропневмоагрегаты. – 2011. – Т. 15, № 4 (44). – С. 120–126.

494

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

ВЗАИМОСВЯЗЬ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ И ПОРОД

А.А. Пермякова, О.А. Чепкасова

Научный руководитель – канд. техн. наук А.К. Муравский Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Рассмотрены основные методы определения показателей физико-механичес- ких свойств грунтов и пород. Найдена взаимосвязь коэффициента крепости горной породы, числа ударов плотнометра ДорНИИ и параметра, определяющего удельную силу резания.

Ключевые слова: грунт, порода, прочность, коэффициент крепости горной породы, показатели физико-механических свойств грунтов и пород.

Показатели физико-механических свойств грунтов и пород широко применяются в формулах для определения сил резания и копания. Эти показатели отражают взаимосвязь физико-механических свойств грунтов и пород и сил резания

икопания.

Вгорном деле в качестве показателя физико-механических свойств породы широко используется шкала коэффициента крепости горной породы f. Данная шкала была разработана в начале XX в. профессором М.М. Протодьяконовым. Она является одной из первых классификаций пород. М.М. Протодьяконов предлагал положить подобную классификацию в основу оценки труда рабочего при добыче угля и руд, нормирования труда. Он полагал, что при любом методе разрушения породы и способе ее добычи возможно оценить породу по усредненному коэффициенту добываемости.

Диапазон шкалы крепости от 0,3 до 20. Шкала не позволяет оценить прочные породы с временным сопротивлением сжатия более 200 кгс/см2, как, например, у базальта у которого этот параметр равен 300 кгс/см2. Тем не менее в Советском Союзе шкала крепости М.М. Протодьяконова имела широкое применение при оценке трудоемкости разрушения горной породы и используется до настоящего времени. Она удобна для относительной оценки крепости горной породы при ее разрушении в ходе буровзрывных работ. Основывается на измерении трудоемкости их разрушения при добывании. Шкала характеризует сопротивление горной породы разрушению. Значение коэффициента крепости определяется по формуле [1]

10

где σсж – сопротивление породы одноосному сжатию, МПа.

Впоследствии формула (1) была уточнена Л.И. Бароном и представлена выражением

f = σcж1 +10σcж2 + σcж1 +10σcж2 ,

600 120

495

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

где σcж1 и σcж2 – временное сопротивление образцов одноосному сжатию соответственно правильной и неправильной формы [2, 3].

Встроительной отрасли часто используется шкала профессора А.Н. Зеленина.

Вкачестве показателя, характеризующего физико-механические свойства грунта, используется число ударов С плотномера ДорНИИ (рис. 1) [4].

Рис. 1. Плотномер ДорНИИ

Конструкция его чрезвычайно проста и надежна в работе. Ударник состоит из груза 3, шайбы 4, наконечника 5 с площадью поперечного сечения F = 1 см2 и углом заострения β = 180°, ограничителя подъема груза 1 и направляющего стержня 2.

При определении числа С груз 3 весом 2,5 кг падает на шайбу 4 ввинченного наконечника 5, производя за каждый удар работу, равную 1 кГм. Число ударов, необходимое для погружения в грунт цилиндрического наконечника на глубину h = 10 cм, характеризует энергоемкость при динамичном вдавлении.

Ю.А. Ветров в формулах для определения сил резания использует параметр mсв, определяющий удельную силу резания для преодоления сопротивлений грунта передней гранью ножа при угле резания 45° [4]. Значение mсв может быть определено специальным прибором, разработанным в Киевском инженерностроительном институте, – эталонным ножом.

Эталонный нож (рис. 2) представляет собой портативную динамометрическую тележку с тяговым усилием до 500 дан. Состоит из рамки 3, тележки 4, полиспаста 5, ножа 1 и лебедки 2. Масса прибора около 20 кг [5].

Параметр mсв находится в результате определения силы блокированного резания острым ножом при двух значениях ширины среза, одинаковой глубине резания и угле резания 45° по формуле [5].

496

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

Рис. 2. Эталонный нож

Использование разными учеными для определения сил резания и копания, а также для классификации грунтов и пород различных показателей физикомеханических свойств грунтов и пород ведет к возникновению определенных трудностей при сопоставлении этих показателей.

В работе [6] представлена взаимозависимость между сопротивлением породы одноосному сжатию σсж , МПа, и числом ударов С плотномера ДорНИИ:

В качестве связи между параметром mсв, МПа, и сопротивлением породы одноосному сжатию σсж выявлена взаимозависимость [7]

Соответственно,

σсж = mcв .

0, 21

Подставляя формулу (2) в формулу (1), можно записать

f = С . 300

Подставляя формулу (3) в формулу (1), можно записать

f = mсв . 2,1

497

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Таким образом,

С = 300 f ;

mсв = 2,1 f .

Представленные корреляционные связи между показателями физикомеханических свойств пород позволяют отразить отношения между коэффициентом крепости f по шкале М.М. Протодьяконова, числом ударов С плотномера ДорНИИ и параметром mсв, предложенным Ю.А. Ветровым, что позволяет снизить вероятность возникновения трудностей при использовании показателей фи- зико-механических свойств грунтов и пород в различных отраслях народного хозяйства.

Список литературы

1.Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров: учебник для вузов. –

М.: Изд-во МГГУ, 2007. – 680 с.

2.Барон Л.И. Горно-технологическое породоведение. – М.: Наука, 1977. –

323с.

3.Барон Л.И. Коэффициент крепости горных пород. – М.: Наука, 1972. –

175с.

4.Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов И.П. Машины для земляных работ. – М.: Машиностроение, 1975. – 424 с.

5.Ветров Ю.А., Баладинский В.Л. Машины для специальных земляных работ. – Киев: Вища школа, 1980. – 192 с.

6.Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. – М.: Машино-

строение, 1971. – 357 с.

7.Недорезов И.А., Савельев А.Г. Машины строительного производства: учебное пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 119 с.

498

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ВСКРЫТИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ НА ОПД (ДЕПРЕССИИ)

С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ДЕБИТОВ СКВАЖИН

Е.Н. Петров

Научный руководитель – д-р техн. наук, профессор Н.И. Крысин Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Выполнен поиск решения проблем, возникающих при вскрытии продуктивных пластов на отрицательном перепаде давления. Разработана эффективная схема очистки газожидкостной смеси, закачиваемой в скважину при данном режиме бурения. Приведена экономическая эффективность вскрытия пластов на депрессии.

Ключевые слова: схема очистки, отрицательный перепад давления, передвижная сепарационная установка.

В цикле строительства скважин процесс заканчивания является одним из основных и технически сложных процессов. Главным направлением работ по повышению качества заканчивания скважин является решение задач по максимально возможному сохранению фильтрационно-емкостных свойств продуктивных пластов в призабойной зоне. В то же время промышленно применяемая технология вскрытия продуктивных пластов при репрессии не позволяет получать потенциальные дебиты скважин в связи с отрицательным воздействием буровых растворов на призабойную зону продуктивного пласта.

Обзор исследований отечественной и зарубежной практики заканчивания скважин показывает, что только технология вскрытия продуктивных пластов при отрицательном дифференциальном давлении в системе скважина – пласт (сокращенно – бурение на ОПД) позволяет получать потенциальные дебиты скважин [1].

ООО «ЛУКОЙЛ-БУРЕНИЕ-ПЕРМЬ» на месторождениях Пермского края, республики Татарстан и Западной Сибири по состоянию на 01.01.2014 г. пробурено более 100 скважин с использованием технологии вскрытия продуктивных пластов на ОПД. Обобщение результатов строительства этих скважин показывает, что вскрытие продуктивных пластов на ОПД позволяет повысить дебиты в 2–5 раз.

Вскрытие продуктивных пластов на ОПД сопряжено с определенными техническими и технологическими трудностями, в частности с необходимостью использования специального оборудования устья скважины (5 превенторов), применения трехфазного сепаратора, факельной установки, системы манифольдов, компрессоров и другого оборудования.

При использовании данной технологии при вскрытии продуктивных пластов большой мощности или в скважинах с горизонтальными участками стволов протяженностью более 50 м при заканчивании скважин происходили осложнения, связанные с самоутяжелением ГЖС, плохой проходимостью инструмента до забоя, повышенными значениями давления при вызове притока и промывке [2].

Исследованиями установлено, что все эти процессы обусловлены образованием в стволе скважины инвертной эмульсии стабилизированной тонкодисперсной твердой фазой из выбуренных горных пород. Механизм образования обрат-

499

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

ной эмульсии, как показали исследования, обусловлен следующими факторами: разрушением горных пород в процессе бурения, поверхностным истиранием ввиду низкого крутящего момента ВЗД при работе на газожидкостной смеси на 15–20 % меньше, чем при работе на технической воде.

Применяемая на сегодняшний день схема очистки ГЖС от выбуренной породы является несовершенной. Во-первых, в схеме используется лишь одна передвижная сепарационная установка (ПСУ). Установка предназначена для разделения поступающей нефтегазошламовой смеси на составные компоненты: шлам, нефть и газ. Шлам и газ утилизируются, а нефть подготавливается для последующего ее использования при бурении скважин. Во-вторых, очистка емкости ПСУ производится вручную через люки. Для этого рабочий надевает специальный защитный костюм, противогаз и другие средства защиты.

«ПермНИПИнефть» совместно с ВНИИБТ-«Буровой инструмент» разработали конструкцию устройства для повышения крутящего момента объемного двигателя. Результатом использования такого устройства является повышение крутящего момента на выходном валу ВЗД при работе на ГЖС и в результате достижение объемного разрушения горных пород, уменьшение объема тонкодисперсного шлама, увеличение механической скорости проходки и предупреждение образования инвертной эмульсии. Указанный результат достигается за счет установки перед входом в рабочие органы ВЗД винтовой насадки, выполненной с внутренними каналами, сужающимися к входу в рабочие органы двигателя.

Однако, как показывает практика, полностью исключить образование инвертной эмульсии, не применяя деэмульгатор, не представляется возможным при работе забойным двигателем на большем участке ствола скважины при недостаточной степени очистки. В настоящее время в Пермском крае разрабатываются месторождения нефти, которые имеют отличия, а поэтому и для разрушения эмульсий требуются различные деэмульгаторы.

Как показали исследования, для предупреждения образования инвертной эмульсии необходимо, чтобы ГЖС тщательно очищалась от шлама с использованием комплекса современных средств очистки, сочетанием механизмов для удаления крупного шлама и тонкодисперсной его составляющей. Одним из эффективных направлений предупреждения образования инвертной эмульсии является ввод в ГЖС деэмульгатора таким образом, чтобы последний был равномерно распределен во всем ее объеме. Последнее достижимо при вводе деэмульгатора

вприем подпорного насоса [3].

Сцелью предупреждения образования инвертной эмульсии данным техническим решением предлагается комплекс мероприятий, включающий установку двух ПСУ и средств очистки в составе одного вакуумного дегазатора, двух вибросит, одного гидроциклона, двух центрифуг, двух емкостей объемом по 40 м3, четырех контейнеров для шлама.

Каждая ПСУ отличается по конструкции от ранее применяемых тем, что ее боковые стороны имеют коническую форму, а низ цилиндрическую. В цилиндрической части ПСУ устанавливают шнек для механизированной выгрузки шлама. На обеих конических боках внутри емкости ПСУ установлены гидропушки, используемые для

500