Повышение продуктивности и реанимация скважин

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

параметрами rmк, rmc, в которой осевая скорость течения жидкости равна нулю или противоположна осевой скорости истечения циркулирующей жидкости из форсунки и которая также весьма существенно определяет площадь истечения жидкости из сопла форсунки и коэффициент расхода сопла.

Основы теории и расчета геометрических и режимных характеристик двухступенчатых форсунок изложены в работе [30] применительно к двухступенчатой форсунке для воздуш- но-реактивного двигателя, работающей совместно с распределительным клапаном, открывающимся под действием увеличения давления в системе подачи.

На рис. 7.1.5 приведены расчетные и экспериментальные расходные характеристики двухступенчатой форсунки, показывающие изменение относительного давления во второй ступени форсунки в зависимости от изменения расхода QΣ /Qmin через форсунку, где QΣ – общий расход через форсунку; Qmin – расход жидкости через первую ступень форсунки при полностью закрытом кране-регуляторе второй ступени. Особенность течения жидкости через форсунку – наличие участка на расходной характеристике с отрицательным гидравлическим сопротивлением, что обусловливает развитие неустойчивого режима течения и возможность возникновения автоколебаний.

Запишем уравнения возмущенного движения для течения жидкости в трубопроводе второй ступени для участка 1–2 на схеме подачи с двухступенчатой форсункой (см. рис. 7.1.4).

Рис. 7.1.5. Расходная характеристика двухступенчатой форсунки:

1 – расчетная кривая; 2 – экспериментальная кривая изменения давления во второй ступени в зависимости от расхода через форсунку

207

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Считаем, что изменения расхода в малорасходной

маемостью жидкости и упругостью стенок трубопровода, что допустимо для области рассматриваемых низких частот. Всю упругость, которая в значительной степени определяется сжимаемостью газовой полости, можно сосредоточить в сечении входа в трубопровод:

давления соответственно в начале и в конце участка 1–2; τ –

некоторая размерная постоянная.

После перехода к безразмерным отклонениям получаем

где τ е = Vг/Q2 – емкостная постоянная времени; δ р22, δ Q21, δ Q22

– соответственно безразмерные возмущения давления и объемного расхода на участке 1–2 второй магистрали; Vг, Q2 – соответственно объем газа в газовой полости и масштабный (средний) расход жидкости по второй магистрали форсунки.

Считая, что кран-регулятор поддерживает постоянный расход жидкости, поступающей во вторую ступень из напорной магистрали δ Q21 = 0, можно записать:

Уравнение движения жидкости между сечениями 2–3 имеет следующий вид:

где F2, L2 – соответственно площадь сечения и длина трубо-

208

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

риации давления и расхода жидкости соответственно в начале и

конце участка 2–3.

После перехода к безразмерным вариациям можно записать

где τ m = ρ L2Q2 – инерционная постоянная времени. p2F2

Дифференцируя по времени последнее уравнение и подставляя в него уравнение (7.1.3), получаем:

В рассматриваемой низкочастотной области считаем, что при колебаниях сохраняется квазистационарный режим течения со средним расходом Q2, а расходную зависимость Q2 = f(р2) на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением (см. рис. 7.1.5) можно аппроксимировать относительно условно нулевой точки с координатами Q02, р02 следующей зависимостью:

р2 = –a′Q′2 + bQ′33.

А для уравнения в вариациях:

Дифференцируя это уравнение по времени и переходя к безразмерным переменным, имеем

Подставляя последнее уравнение в уравнение (7.1.6), получаем

209

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Последнее уравнение представляет собой нелинейное уравнение Ван-дер-Поля. Его решение имеет на фазовой плоскости устойчивый предельный цикл, соответствующий режиму стационарных автоколебаний с амплитудой колеба-

ний расхода Q2 = 2 a ,а частота колебаний равна собствен-

3b

ным частотам колебаний жидкости во второй ступени, определяемым по параметрам τ m, τ e.

Таким образом, амплитуда колебаний жидкости в двухступенчатой форсунке не зависит от частоты колебаний, а определяется только формой кривой участка характеристики с отрицательным гидравлическим сопротивлением.

Экспериментальное исследование колебаний в гидравлической системе с двухступенчатой форсункой проводилось на лабораторном стенде с вытеснительной подачей жидкости, схема которого представлена на рис. 7.1.6. Стенд включает в себя заполненную водой емкость 1, в которой создается определенное избыточное давление, входной трубопровод, дроссели 2, 3 и трубопроводы, соответственно первой и второй ступеней, двухступенчатую форсунку 4, барокамеру 5. В трубопроводе второй ступени устанавливается прозрачная емкость 6, заполненная воздухом и позволяющая регистрировать производимые в ходе экспериментов изменения его объема. Колебания давления измеряли датчиками 7 типа ДДИ-20 и регистрировали с помощью осциллографа типа Н-115. В ходе испытаний в баке 1 с помощью подключенного к нему баллона высокого давления создавали определенное давление вытеснения жидкости, дросселями 2 и 3 устанавливали заданный перепад давления на первой и второй ступенях форсунки и осуществляли течение ("проливку") жидкости через двухступенчатую форсунку при различных напорно-расходных режимах.

210

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 7.1.6. Схема экспериментального стенда для исследования колебательных режимов двухступенчатых жидкостных форсунок

В ходе испытаний регистрировали автоколебательные режимы течения жидкости через двухступенчатую форсунку. На рис. 7.1.7 представлена типичная осциллограмма колебаний давления в большерасходной и малорасходной ступенях форсунки.

Генератор колебаний с одной напорной вихревой ступенью

На основе проведенных исследований автоколебательных режимов двухступенчатой центробежной форсунки авторами разработан новый способ генерирования низкочастотных колебаний и гидродинамический генератор колебаний [129], схема которого показана на рис. 7.1.8.

Рис. 7.1.7. Осциллограмма колебаний давления во второй и первой ступенях форсунки. Частота колебаний 5 Гц; амплитуда 6 % р 2

211

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 7.1.8. Гидродинамический генератор

колебаний:

1 – направляющий клапан; 2 – труба НКТ; 3 – напорная магистраль; 4 – мембрана; 5

– жиклеры дополнительного потока; 6 – канал дополнительного потока; 7 – кольцевой зазор; 8 – тангенциальные каналы форсунки; 9

–

форсунка; 10 – резонатор

Рис. 7.1.9. Осциллограммы генерируемых

колебаний:

а, б – снятые соответственно с тензо- и пьезодатчиков, размещенных в колонне скважины на выходе генератора (б – амплитуда р = 4,0 МПа; f = 25 Гц); в – снятые с пьезодатчиков в напорной магистрали (НКТ) на

входе в генератор; Q = 310 м3/сут

В предложенных способе и генераторе колебаний с помощью вихревой двухступенчатой форсунки реализуется новый,

215

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

неизвестный ранее механизм возникновения автоколебаний жидкостного потока.

При генерации жидкость, поступающая по напорной магистрали (см. рис. 7.1.8), разделяется на основной поток, поступающий в тангенциальные каналы форсунки и образующий жидкостный вихрь, и дополнительный поток, поступающий через узкие каналы-жиклеры в дополнительный канал устройства.

В первой фазе процесса происходит запирание дополнительного потока жидкости основным закручивающим потоком, что приводит к росту давления в нем (при этом вихревое движение жидкости развивается от форсунки в глубь дополнительного канала) и усилению энергообмена между основным и дополнительным потоками вследствие разницы окружных составляющих скоростей. Во второй фазе при возрастании давления в дополнительном потоке до значения, соизмеримого со значением центробежного давления, на периферии жидкостного вихря, в кольцевом зазоре форсунки происходит разрушение вихря, сопровождающееся выбросом жидкости из дополнительного канала и резким увеличением расхода. После выброса жидкости давление в дополнительном потоке опять падает, образуется жидкостный вихрь основного потока, который запирает дополнительный поток, и процесс автоколебаний повторяется. Таким образом, благодаря усилительным свойствам вихря, небольшие колебания давления в дополнительном канале (второй ступени), составляющие 1–5 % от перепада давления на закрученном слое жидкости, вызывают сильные колебания скорости течения через генератор, достигающие 50 % от средней скорости. При разрывах сплошности потока коэффициент усиления существенно возрастает. Изменяя упругость жидкости дополнительного канала введением в него газа, отделенного гибкой мембраной, можно также изменять время возрастания давления в первой фазе и регулировать частоту генерируемых колебаний. Резонатор служит для преобразования колебаний расхода в колебания давления.

Проведенные стендовые и промысловые испытания нового генератора колебаний показали его устойчивую работу и надежность. На рис. 7.1.9 приведены снятые с датчиков осциллограммы генерируемых колебаний.

В отличие от ранее известных конструкций разработанный генератор типа ГЖ позволяет создавать (см. табл. 7.1.1) высокоамплитудные колебания давления 3–5 МПа в широком диа-

216

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

пазоне низких частот 20–300 Гц. Ввиду отсутствия движущихся механических узлов и увеличения КПД генератор не требует привлечения значительных мощностей устьевых насосных агрегатов для создания большого расхода, обладает повышенной надежностью и моторесурсом, что позволяет снижать затраты на проведение обработок.

Генератор колебаний с двумя напорными вихревыми ступенями противоположной закрутки

Эксплуатация гидродинамических скважинных генераторов колебаний выявляет определенный набор требований к режимным параметрам и расходным диапазонам двухступенчатых форсунок, которые должны обеспечить наиболее эффективное применение для различных промысловых условий и категорий скважин. Сюда входят и конструктивные требования по адаптации конструкций к набору промысловых типоразмеров колонн скважин и НКТ, в том числе и к колоннам с уменьшенными диаметрами для вторых стволов скважин, и требования обеспечения эффективной генерации колебаний в достаточно широком изменении расходно-напорных характеристик нагнетания рабочей жидкости. Конструкция вихревой форсунки должна обеспечить функционирование ряда гидродинамических генераторов, отличающихся геометрическими размерами и рабочими расходно-напорными характеристиками, предназначенными для эффективного осуществления широкого набора технологических операций, таких как совместная работа со скважинным струйным насосом, вибропенное воздействие, виброволновое воздействие в сочетании с закачкой реагента в пласт, длительная работа в скважине при пониженных расходах нагнетания и др.

С целью увеличения расхода через центробежную форсунку при сохранении ее радиальных размеров можно использовать форсунку с двумя соплами и общей камерой закручивания, схема которой показана на рис. 7.1.10. Такая конструкция по-

Рис. 7.1.10. Схема двухсопловой двухступенчатой центробежной форсунки гидродинамического генерато-

ра колебаний

217

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

зволяет в два раза увеличить расход жидкости при сохранении прежних типоразмеров и одновременно уменьшить вязкостные потери на трение.

В ходе проведения стендовых исследований двухсопловых форсунок получены экспериментальные расходные характеристики, представленные на рис. 7.1.11. Там же для сравнения показана расходная характеристика обычной двухступенчатой форсунки. Как следует из представленных кривых, у двухсопловой форсунки участок характеристики с отрицательным гидравлическим сопротивлением по диапазону изменения расхода имеет большую ширину, а кривая перепада давления на этом участке спадает с большей крутизной, что обеспечивает более устойчивый и высокоамплитудный режим генерации

Рис. 7.1.11. Расходная характеристика двухсопловой (кривая 1) и обычной (кривая 2) двухступенчатой центробежной фор-

сунки

Рис. 7.1.12. Схема истечения жидкости из двухступенчатой форсунки с двумя поясами тангенциальных каналов первой

ступени

218