Повышение эффективности эрлифтных насосов

Пилипец В. И.

Донецкий национальный технический университет

   Источник: С 23 Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: «Гірничо-геологічна» Випуск 24 / Редкол.: Башков Є.О. (голова) та інші – Донецьк, ДонНТУ, 2001 – 148 c.

   В ДонГТУ для условий работ Коммунарской ГРЭ разработан эрлифтный насос, методика его расчета и технология бурения скважин глубиной до 1000 м с применением эрлифтного насоса.
   В качестве воздухоподающих (рис.1) использованы трубы от КССК диаметром 70 мм. Водоподъемными служат бурильные трубы диаметром 42 мм. Уплотнение водоподъ­емных труб осуществляется резиновыми кольцами, а воздухоподающих — резьбой замковых соединений.

   В настоящее время для расчетов эрлифта принято условие, что воздух или газ при движении в водоподъемной трубе расширяется от какого-то первоначального давления до атмосферного по изотермическому закону, так как газ достаточно хорошо перемешан с жидкостью, а теплоемкость жидкости настолько значительна, что температура газа почти не изменяется при расширении.

   Поэтому общее уравнение эрлифта можно представить в таком виде
                

   где Pа и P1 — соответственно атмосферное и первоначальное давление воздуха, Па; Va — объемный расход воздуха, приведенный к атмосферному давлению, м3/с;  — удельный вес поднимаемой жидкости, Н/м; Q — количество поднимаемой жидкости, м3/с; h — высота подъема жидкости, м; h1 — потери энергии на относительное движение и на трение, м.
   Первый член уравнения представляет собой энергию, необходимую для подъема  жидкости на высоту h.
   Известным методикам расчета эрлифтного насоса присущи следующие недостатки: не учитываются гидравлические сопротивления ниже смесителя, расчет ведется на осно­вании экспериментальных данных по номограммам и эмпирическим формулам.

   Для расчета подачи эрлифта предлагается использовать методику, основанную на балансе напора в эрлифте.
   Уравнение баланса напора с учетом сопротивлений ниже смесителя имеет вид:
                                        
       
   где  — потери напора при движении смеси в эрлифте, Па;  — потери напора при проскальзывании воздуха, Па;  — потери напора при движении жидкости ниже смесителя, Па;  — скорость движения жидкости в подъемных трубах, м/с;  — средняя скорость смеси в эрлифте, Па; h2 — глубина погружения смесителя под уровень жидкости, м; Н — длина эрлифтного насоса, м;  — соответственно удельный вес жидкости в скважине и смеси воздуха с жидкостью, Н/м3;  — гидростатическое давление столба аэрированной жидкости, Па; qэ — максимальная подача эрлифта, м3/с; qс — максимальная подача эрлифта, м3/с;  — коэффициенты сопротивления движения смеси и жидкости; F0 — площадь сечения внутреннего канала воздухопадающих труб, м2; d0 — внутренний диаметр воздухопадающих труб, м. Для расчета примается  ; l — длина всасывающей линии эрлифта, м; g- ускорение силы тяжести, принимается 9,8 м/с2; F — площдь сечения водоподъемных труб, м2; d — внутренний диаметр водоподъемны труб, м;  — скорость проскальзывания воздуха в жидкости, м/с.
   Из уравнения баланса напора максимальная подача эрлифта определяется по формуле

  

   Таким образом значение q3 характеризует подачу эрлифта, необходимую для пре­одоления гидравлических сопротивлений.

   По расчетным значениям определяется расход сжатого воздуха, подаваемого ком­прессором.


   где  — расчетная максимальная производительность эрлифта, м3/с; Ра — атмосферное давление. Принимается 98 кПа; Рс — давление сжатого воздуха у смесителя, Па.


   где  — гидравлические сопротивления в водоподъемных трубах с учетом проскальзывания воздуха в жидкости, Па, ; Pm — гидравлические сопротивления при движении ждкости в трубах ниже смесителя, Па.
   Для определения отношения  — используется уравнение баланса напора в эрлифте.

   Давление воздуха на входе в эрлифтный насос

   где Рэ — давление воздуха на входе в эрлифтный насос, Пa; dэ — эквивалентный диаметр воздухопадающих труб, м; G — массовый расход воздуха, кг/с.

   где R — газовая постоянная, Дж/кг·К, для влажного воздуха R=287,4 Дж/кг·К; T — средняя температура потока сжатого воздуха, К (принимается равной температуре окружающей среды);  — угол наклона оси скважины к горизонту, град.; Lэ — эквивалентная длина соединений труб расчетного участка, м.

   Давление воздуха на выходе компрессора, Па.

   где L — длина участка труб от компрессора до эрлифтного насоса, м; L1 — эквивалентная длина колонны воздухоподводящих труб, м.

   Приведенная методика является более универсальной, т.к. позволяет рассчитать не только эрлифтный насос, поднимающий жидкость из скважины на поверхность, но и на­сос, который может создавать внутрискважинную циркуляцию жидкости в скважине при бурении. В последнем случае длина эрлифтного насоса (Н) принимается исходя из глуби­ны скважины (Нскв) и перепада давления достаточного для возбуждения циркуляции ее в скважине и в буровом снаряде, т.е.


   где P2 — необходимый перепад давления на 100 м скважины. Принимается 0,1-0,2 МПа.

   Скорость проскальзывания воздуха в жидкости для случая, когда колонковая труба заполнена керном, следует принимать на 0,2–0,3 м/с больше расчетной.
где V — скорость восходящего потока жидкости, необходимая для выноса выбуренного шлама с учетом конкретных условий бурения, м/с; F1 — (при обратной промывке) площадь сечения колонковой трубы, м2.

   Расчетная мощность на валу компрессора

   где N0 — удельная мощность, зависящая от величины рабочего давления, кВт.

   Действитеьная мощность на валу компрессора равна:


   Для определения диаметров воздухоподводящих и воздухоподъемных труб необходимо определить расход сжатого воздуха и эмульсии и задаться скоростью воздуха (обычно принимается 10 м/с) и скоростью эмульсии при изливе (обычно принимается 12 м/с).

   Разработанный эрлифтный насос, расчитанный по предлагаемой методике приме­нялся при бурении как мелких (до 338 м), так и глубоких (до 879 м) скважинах. Наблюдалось увеличение механической скорости по породам XI—X категорий на 10% по отноше­нию к обычному способу бурения.

   При бурении по породам глинистого комплекса залипания глинистым шламом зазо­ра между керном и колонковой трубой не наблюдалось, а механическая скорость бурения увеличилась до 1,3—1,9 м/с при проходке за рейс до 7 м.

   Выход керна по всем породам составлял 100 %.