ДонНТУ   Портал магістрів

Віноградова Марія Олегівна

Гірничо-геологічний факультет

Кафедра Технології і техніки геологорозвідувальних робіт

Спеціальність Буріння свердловин

Розробка конструкції подвійного водоструминного насосу для підйому рідини з свердловин

Науковий керівник: к.т.н., доц. Рязанов Андрій Миколайович

Резюме Біографія Реферат

Реферат

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Ідея і мета роботи
• 3. Аналітичний огляд струминних апаратів
• 4. Принципова схема подвійного водоструминного насоса
• Список джерел

Вступ

Останнім часом підвищилися темпи зростання видобутку нафти, а також питної і технічної води для потреб населення і промисловості. Намітилися тенденції до зростання глибин свердловин. При цьому ускладнюються умови експлуатації устаткування для підйому рідини зі свердловин.

За більш ніж столітній період, що пройшов з моменту створення струминних апаратів, досягнутий значний прогрес як в області вдосконалення конструкцій апаратів, так і в розробці методів їх розрахунку. Конструктивне удосконалення апаратів дозволило збільшити за цей період їх коефіцієнт корисної дії(ККД) з 5-8 до 30-40 %.

Поширення струминних апаратів обумовлене наступними перевагами: високою самоусмоктуючою здатністю і можливістю перекачування рідини, що містить тверду фазу, малі габарити, простота конструкції, відсутність частин, що труться. Можливість застосування у важкодоступних місцях.

1. Актуальність теми

Водоструминні насоси прості по конструкції, надійні, не мають частин, що рухаються, і клапанів, можуть відкачувати забруднену воду. Недоліком застосування насосів є обмеження по глибині підйому рідини – до 70-80 м. Для умов великого динамічного рівня можливе застосування водоструминного насоса з двома струминними апаратами. Але відсутність яких-небудь рекомендацій з приводу застосування подібного насоса стримує роботи в цьому напрямі.

Магістерська робота присвячена актуальному науковому завданню створення і дослідження конструкції подвійного водоструминного насоса для підйому рідини зі свердловин. У рамках проведених досліджень очікується:

1. По розробленій математичній моделі визначити кількісному вираженні розподіл потоку активної рідини на привід нижнього і верхнього струминних насосів.
2. Виконати розрахунок конструктивних параметрів струминних апаратів пристрою, що дасть можливість визначити втрати тиску в місцевих опорах насоса.
3. У програмній системі ANSYS виконати фізичне моделювання динамічних процесів в подвійному водоструминному насосі, що підтвердить обгрунтування розробленої математичної моделі.
4. Розробити рекомендації по сфері застосування насоса.

Подальші дослідження спрямовані на наступні аспекти:

1. Якісне вдосконалення розробленої конструкції.
2. Визначення меж ефективності подвійного струминного насоса.

2.Ідея і мета роботи

Застосування насоса з двома струминними апаратами дозволить підвищити глибину відкачування рідини зі свердловин.

Мета роботи – встановити закономірності динамічних процесів у подвійному водоструминному насосу.

3.Аналітичний огляд струминних апаратів

Струминні насоси (гідроелеваторы або ежектори) відносяться до групи насосів-апаратів, тобто насосів, які діють за принципом передачі кінетичної енергії від потоку робочої рідини до потоку перекачуваної рідини, при цьому передача енергії від одного потоку до іншого відбувається безпосередньо без проміжних механізмів.

Струминні апарати отримали широке застосування практично в усіх галузях техніки. Їх особливістю є підвищення тиску инжектируемого потоку без безпосередньої витрати механічної енергії при винятковій простоті конструкції. При геологорозвідувальних роботах широко застосовують ежекторні снаряди, основою якого є водоструминний насос.

Для відкачування рідини з бурових свердловин у ВІОГЕМі розроблені ежекторні снаряди типу ЕСП.

Ежекторний снаряд ЕСП – 168/203(мал.1) складається з промивальної голівки, комплекту подвійних труб і водоструминного насоса [6].

Водоструминний насос складається з корпусу 9, перевідника 11, корпусу ущільнювача 12 діаметром 114 мм для з'єднання з колоною внутрішніх труб, перевідника 2 для подовження всмоктуючого трубопроводу бурильними трубами діаметром 168 мм, струминного апарату, розміщеного усередині корпусу 6. Струминний насос має коліно 3, що підводить, сопло 4, камеру змішення 7. Дифузор 8 має діаметр вхідного отвору рівний діаметру отвору відповідної камери зміщення. Вихідний патрубок перевідника 10 забезпечує надійне з'єднання з корпусом ущільнювача колони внутрішніх труб. Гайкою 5 фіксується положення камери змішення 7 відносно сопла 4.

Снаряд для буріння свердловин великого діаметру, що поєднує пряме і зворотне промивання у призабойній зоні. Принципова схема такого бурового інструменту показана на мал.2 [6].

Снаряд включає породоруйнуючий інструмент 1, корпус 8, водоподаючу 10, всмоктуючу 3 і нагнітальну 11 труби, що утворюють, відповідно, водопідводний 12, всмоктуючий 2 і нагнітальний 13 канали, струминний апарат 9 зворотного нагнітання, що складається з насадки 5, камери всмоктувань 6 і камери змішень 7 з дифузором 16. Струминний апарат 21 прямого нагнітання встановлений паралельно основному в корпусі 8 і складається з насадка 17, камери 18 всмоктувань і камери 22 зміщення з дифузором 23, причому насадок 17 струминного апарату 21 прямого нагнітання гідравлічно сполучений з каналом 12, що водопроводить, камера 18 всмоктувань сполучена каналом 20 із зовнішнім простором, а дифузор 23 гідравлічно сполучений з кільцевим нагнітальним каналом 25, утворений кільцевим кожухом 24, сполученим корпусом 8 з ПРІ 1, що утримує промивальний канал 26, який спрямований на породоруйнуючий елемент 27.

Снаряд опускають у свердловину і по кільцевому каналу 12 подвійної колони труб подають промивальну рідину 14 в насадок 5 струминного апарату 9 зворотного нагнітання. Одночасно з каналу 2 підсмоктується рідина 4 із зруйнованою породою і поступає в нагнітальний канал 13. Частина робочої рідини поступає з каналу 12 в насадок 17 струминного апарату 21 прямого нагнітання і при виході підсмоктує частину рідини 19, що поступає через канал 20 зі свердловини. Далі потік проходить через камеру змішення 22, дифузор 23 і в кільцевий канал 25 і по промивальних каналах 26 подається на породоруйнуючи елементи 27. Потік рідини із зруйнованою породою поступає до осі бурового інструменту і через канал всмоктування 2 і нагнітання 13 виноситься на поверхню.

Струминні насоси застосовують у вугільній промисловій при здобичі метану з вугільних пластів. На мал. 3 показана свердловинна струминна установка для дегазації вугільних пластів [1].

На колоні 1 насосно-компресових труб у свердловину спускають встановлені на ній знизу-вгору черевик-фільтр 6 з перевідником 5, нижнє опорне кільце 4, пакер 9 і верхнє опорне кільце 7 з перепускними вікнами 8.

У внутрішню порожнину колони 1 насосно-компресових труб під час її спуску у свердловину, встановлюють корпус 10 струминного насоса 2, нижній кінець якого герметично встановлюють на нижньому опорному кільці 4 і сполучену з ним трубу 15 з герметизуючим елементом 16, який встановлюють у верхнє опорне кільце 7.

Далі в колону 1 насосно-компресових труб скидають знімну вставку 11 з соплом, камерою змішення і дифузором, яка при прокачуванні рідини в колоні 1 насосно-компресорних труб проходить через трубу 15 і мимоволі встановлюється в корпусі 10 струминного насоса 2.

Потім по колоні 1 насосно-компресових труб подають під тиском робочий агент на сопло знімної вставки і створюють розрядку(депресію) в подпакерній зоні, причому пакер 9 розташований вище за верхній вугільний пласт 3. В результаті вода із забою через канал 13 підвода відкачуваного зі свердловини середовища захоплюється в камеру змішення знімної вставки 11 струминного насоса 2, де змішується із струменем робочого агента і разом з ним виноситься через канал 12, затрубний простір труби 15 і перепускні вікна 8 в затрубний простір колони 1 насосно-компресових труб вище за пакер 9 і по вказаному затрубному простору поступає на поверхню. У міру пониження рівня рідини (води) у свердловині через черевик-фільтр 6 в струминний насос 2 поступає вугільний газ, який також, змішуючись із струменем робочого агента, поступає на поверхню. Таким чином, відбувається відбір рідини, у тому числі рідини глушення, і вугільного газу у вигляді газоводяної суміші, яка потім розділяється на фракції в газосепараторі(не показаний на кресленні) на поверхні. Змінюючи параметри знімної вставки 11 (наприклад діаметр сопла, шляхом заміни знімної вставки 11) і тиск прокачування робочого агента через струминний насос 2 можна легко оптимізувати параметри роботи струминного насоса 2. Крім того, подання вугільного газу на поверхню відбувається примусово, що дозволяє збільшити його дебіт.

Насосно-струминний апарат, показаний на мал.4 [4], містить двигун 1, вал 2, корпус 3 з внутрішньою робочою камерою 4 і розміщеним в ній колесом 5, всмоктуючий патрубок 6 для середовища, що інжектується, який встановлений співісний з колесом 5. На внутрішній поверхні колеса 5 виконані шістнадцять частково відкритих циліндричних радіальних каналів 7 із звуженням на виході шляхом установки втулок 8. Колесо 5 розміщено усередині кільцевого блоку змішувача 9, що містить шістнадцять камер змішення 10 циліндричної форми з внутрішньою конусністю на вході. При цьому колесо 5 розміщено в кільцевому блоці змішувача таким чином, що виходи каналів 7 повідомлені з входами камер змішення 10 за допомогою кільцевого проміжку 11 між колесом і кільцевим блоком змішувача. Із зовнішнього боку кільцевого блоку змішувача 9 розташований дифузор 12, виконаний у вигляді спіралі, що охоплює кільцевий блок змішувача 9 і що об'єднує виходи камер змішення 10. Патрубок 13 з тангенціальним введенням робочої рідини встановлений перед ущільненням 14 валу 2 на стороні всмоктування колеса 5.

Робоча рідина подається в патрубок 13 з тангенціальним введенням, встановлений перед ущільненням 14 валу 2, на прийом колеса 5. У колесі 5, радіальні канали 7 якого виконані частково відкритими циліндричної форми із звуженням на виході шляхом установки втулок 8, при силовій дії на робочу рідину збільшується тільки динамічна складова тиску в потоці робочої рідини, а також відбувається закручування потоку робочої рідини при взаємодії із стінкою робочої камери 4 і поверхнею каналів 7 коліс 5. Робоча рідина подається так, щоб її напрям співпадав з напрямом закручування робочої рідини в колесі 5.

Пристрій для обробки і дослідження свердловин (мал.5)[8]. Ця свердловинна струминна установка дозволяє виконувати дослідження пласта на депресії і здійснювати його обробку хімічними реагентами. Проте для виконання вказаних робіт потрібна заміна герметизуючого вузла на блокуючу вставку, що збільшує час виконання робіт за рахунок спуску-підйому вставок і зменшує надійність роботи устаткування.

На колоні труб 1 у свердловину опускають воронку 2 з хвостовиком 3, пакер 4 і струминний насос 6, в корпусі 7 якого в центральному прохідному каналі 12 в нижньому положенні на посадочному місці 13 встановлена на фрикційних елементах ущільнювачів 15 блокуюча вставка 16, верхнє бічне вікно 17 який поєднано з каналом підведення активного середовища 10, а нижнє вікно 18 - з каналом 11 підвода відкачуваного середовища. Приводять пакер 4 в робоче положення, роз'єднуючи затрубний простір 30 свердловин на надпакерне і підпакерне. На каротажному кабелі 23 спускають у внутрішню порожнину колони труб 1 герметизуючий вузол 21 і нижче його приймач-перетворювач фізичних полів 24, при цьому герметизуючий вузол 21 розташовують на посадочному місці 20 прохідного ступінчастого каналу 19, а приймач-перетворювач фізичних полів 24 нижче струминного насоса в зоні продуктивного пласта, що вивчається.

Герметизуючий вузол 21 з фрикційними елементами ущільнювачів 28 роз'єднує внутрішній простір колони 1 труб і одночасно, за рахунок наявності осьового каналу 22, не перешкоджає руху каротажного кабелю 23. У свердловині приймачем-перетворювачем фізичних полів 24 роблять фонові виміри тиску, температури і інших фізичних полів в просторі до забою свердловини.

Після подають робоче середовище по колоні труб 1 в сопло 8 струминного насоса 6, що дозволяє почати відкачування струминним насосом 6 з подпакерної зони свердловини флюїду пласта. Флюїд пласта по підпакерному простору і каналу підвода 11 відкачуваного середовища через зворотний хлипак 29 поступає на вхід камери змішення 9, де змішується з активним робочим середовищем і далі по затрубному простору 30 свердловин над пакером 4, поступає зі свердловини на поверхню.

Газовий ежектор (мал. 6) [9] містить співісні сопла 1, приймальні камери змішення 2 і 3, дифузор 4, співісні патрубки 5, 6, диски 7, 8, профільовані елементи 9 і 10, додатковий патрубок 11, які зменшує гідравлічний опір. Такий ежектор може використовуватися для перекачування газу.

Активне середовище потрапляє в сопло 1, всмоктує пасивне середовище з приймальної камери 2, куди потрапляє через патрубки 6 і 11. Після того, як потоки змішалися, ця суміш поступає в колектор 12, і звідти поступає за призначенням.

Для буріння зі зворотним призабойним промиванням за пропозицією Н.С. Левченко вперше була створена подвійна колонкова труба ежекторного типу. На основі цієї конструкції розроблено багато конструктивних різновидів подвійних, а пізніше й одинарних эжекторных снарядів. Ці снаряди обладнані струминними насосами. Поява цих снарядів викликана тим, що при зворотньому промиванні вихід керна вище, ніж при прямому.

Розроблено одинарні (ОЕС) і подвійні (ПЕС) ежекторні колонкові снаряди, що створюють нагнітально-усмоктувальну (комбіновану) промивання при бурінні свердловин.

Принципова схема ОЕС показана на малюнку 7 [2]. Промивна рідина подається до снаряда по бурильних трубах від бурового насосу, який установлено на поверхні. Проходячи через перехідник із соплом 1, вона попадає в камеру змішання 3 і дифузор 4, звідки через канали 5 у прийомній камері 2 надходить у кільцевий зазор між стінками шпар і буровим снарядом. У кільцевому зазорі потік промивної рідини розділяється на дві частини: одна частина піднімається на поверхню, друга - надходить до вибою.

При русі рідини із сопла 1 у камеру змішання 3 в прийомній камері 2 виникає розрядження, що приводить до заповнення її рідиною, що відсмоктується з вибою через коронку 8, колонкову трубу 7, шламову трубу 6. Піднімаючись верх, рідину виносить дрібні частки породи в шламову трубу, крім тих самим заклинювання керна. Зі шламової труби очищена промивна рідина надходить у прийомну камеру 2 ежекторного насоси. Наявність в ежекторному снаряді шламової труби охороняє коронку від абразивного зношування частками зруйнованної породи.

Конструктивне виконання ОЕС конструкції ЦНІГРІ зображено на малюнку 8[2]. Цей снаряд призначений для буравлення в сильно зруйнованих, перемежованих породах IX – XII категорій по буримости.

На малюнку 9 наведена схема пристрою й принцип дії ПЕС [9]. Промивна рідина, що подається по бурильних трубах з поверхні під тиском насоса, виходить із сопла 1 у прийомну камеру 2, захоплює за собою рідину, що перебуває в ній, і направляється в камеру змішання 3 і дифузор 4. Далі вона надходить у кільцевий зазор між зовнішніми й внутрішньої колонковими трубами й рухається до вибою свердловини.

На вибої змішаний поток розділяється на основний і, який ежектується. Основний потік йде до устя свердловини в кільцевому зазорі між стінками свердловини й колонковим снарядом, а що ежектується - через внутрішню керноприємну трубу - у прийомну камеру 2. Оскільки в прийомній камері між насадкою й камерою змішання, за умови подачі сильного струменя, увесь час підтримується вакуум, то із внутрішньої колонкової труби рідина надходить безупинно, роблячи зворотне призабойне промивання. Змішаний же потік у подвійних ежекторных колонкових трубах утворить комбіновану - нагнітально-усмоктувальне промивання.

Ежекторный колонковий снаряд для твердосплавного буріння конструкції КазІМСа [2], прийнятий до серійного виробництва, показаний на мал.10:

Колонковий снаряд складається з наступних основних вузлів і деталей: ежекторного насосу (деталі 2, 4, 5), закріпленого на перехіднику 1; розподільної головки 6, шарикопідшипникової опори (деталі 7...12); зовнішньої 3 і керноприйомної 13 труб; керноутримуючого пристрою 14; спеціальної коронки (дробовий, твердосплавної або алмазної) 15. Твердосплавна коронка 15 армується різцями із твердих сплавів різної форми. У її бічній поверхні є вікна й зовнішні вертикальні пази для виходу промивної рідини в зовнішній кільцевий простір. Така конструкція коронки забезпечує повну ізоляцію керна від дії гідродинамічних зусиль спадного потоку промивної рідини й відчищання вибою свердловини від шламу. Усередині коронки є циліндричне розточення для встановелення керноутримуючого пристрою 14 і центрування керноприємної труби 13.

4. Принципова схема подвійного водоструминного насоса

При низьких динамічних рівнях, близьких до глибини свердловини, застосовують ежекторні снаряди з водоструминними насосами подвійної дії. Принцип дії водоструминного насоса подвійної дії грунтується на принципі роботи струминного насоса.

Водоструминний насос такої конструкції (мал. 11) [6]складається зі всмоктуючого патрубка 1, корпуси насоса із зовнішньою трубою 9 і внутрішньою 8, двох струминних апаратів - нижнього і верхнього - з насадками 2 і 5 і камерами змішення 3 і 6, дифузорами 4 і 7. 9 и

Робоча рідина по трубопроводу 9 потрапляє до насадок 2 і 5 одночасно. Внаслідок того, що співвідношення діаметру камери змішення до діаметру насадки нижнього апарату велике, він, навіть при малому підпорі, захоплює достатню кількість рідини по відношенню до об'єму робочої рідини, що подається. Але він має низький натиск за дифузором, в той же час натиск його більше висоти стовпа занурення насоса під рівень рідини у свердловині. Це створює сприятливі умови на всмоктуванні другого ступеня за рахунок додаткових витрат енергії потоку рідини, що подається з поверхні.

При написанні цього реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Список джерел

1. Пилипец В.И., Насосы для подъема жидкости: Учебное пособие. – Донецк, 2000. – 244 с.
2. Дудля Н.А., Проектирование буровых машин и механизмов : Учеб. для вузов по спец. Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых – 270 с.
3. Фридман Б.Э., Гидроэлеваторы, – Москва, МАШГИЗ, 1960. – 323 с.

   Два автори

4. Соколов Е.Я., Зингер Н.М., Струйные аппараты, – М:. Энергоатомиздат, 1989. – 352 с.
5. Жиленко Н.П., Краснощек А.А., Справочник по реактивно-турбинному бурению. – М., Недра, 1987. – 309 с.

   Три автори

6. Добровольский Г.Б., Казикаев Д.М., Петриченко В.П., Крепление скважин большого диаметра, – М.: Недра, 1988. – 238 с.
7. Гейер В.Г., Дулин В.С., Заря А.Н., Гидравлика и гидропривод. – М, Недра, 1991. – 331 с.

   Чотири та більше авторів

8. Дубровский В.В., Керченский М.М., Плохов В.И., Ряполов В.А., Сиднев Я.А., Справочник по бурению и оборудованию скважин на воду. – М., Недра, 1972. – 511 с.
9. Башкатов Д.Н., Сулакшин С.С., Драхлис С.Л., Квашнин Г.П., Справочник по бурению скважин на воду.– М., Недра. 1979, – 560 с.