УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОПАДАНИЯ ЧАСТИЦ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРИМЕСИ В ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к нефтяной промышленности, в частности, к способам борьбы с механическими примесями при работе электроцентробежных насосов.
Известны устройства для защиты внутрискважинного насосного оборудования, основанные на сепарации песка от жидкости до ее поступления в насос на приеме насоса, например, песочные якоря /Справочник по добыче нефти / Под ред. И.М. Муравьева. - М.: Гостоптехиздат, 1959. Т.2. - С.238-241.
К недостаткам известных устройств можно отнести, то, что песочные якоря забиваются механическими примесями, т.е. эксплуатация скважин в условиях интенсивного выноса механических примесей (тем более при форсировании отборов) приводит к преждевременным отказам насосного оборудования.
Наиболее близким устройством для предотвращения попадания частиц механической примеси в электроцентробежный насос является устройство, выполненное в виде набора штырей и четвертьволновых резонаторов, размещенных по окружности вдоль образующих в трубе для очистки газа от капельной жидкости в сепараторе. Стержни генерируют крупномасштабные вихри при обтекании их нефтеводогазовой смесью, а четвертьволновые резонаторы трансформируют низкочастотный звук в область ультразвука с последующий формированием стоячих волн в ультразвуковом диапазоне частот. В стоячих волнах осуществляется коагуляция капелек жидкости, которые под собственным весом осаждаются в водонефтяную смесь / патент RU №2354434, В01D 19/02, опубл. 2009/.
Недостатком данного устройства-прототипа, является зависимость звуковой частоты от скорости потока, определяемая по формуле / Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1989.-С.364/
где f - частота пульсаций давления в результате периодического срыва вихрей, υ -скорость потока, d - диаметр цилиндра, Sh - число критерия Струхаля.
В настоящее время наиболее широко применяются электроцентробежные насосы для работы в скважинах с обсадными колоннами диаметрами 140, 146 и 168 мм.
3
При дебите скважины, например, при дебите Q = 100 м/сут скорость потока определится из соотношения
2
где F - площадь трубопровода, м, -v - скорость потока, м/с.
2
2
2
3
Подставляя в формулу (2) значения площади F=0,017 м (F=0,785 d, где d=0,017 м - диаметр обсадной колонны 146 мм) и дебита Q = 100 м/сут величина скорости потока составит v=0,068 м/с.
При числе Струхаля Sh=0,2 /Абрамов Г.С., Барычев А.В. .Практическая расходомерия в нефтяной промышленности. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ». - С 269/) и диаметре стержней, например, d=0,01 м - генерируемая обтекаемым потоком. нефтеводогазовой смеси частота
Длина волны λ в жидкой фазе при скорости звука С=1500 м/с - (согласно формуле /I = С / /) составляет 1070 м. При такой частоте/= 1,4 Гц - стоячая волна не формируется, а, следовательно, коагуляция механических примесей не будет происходить.
При числе Струхаля Sh=0,2 /Абрамов Г.С., Барычев А.В. .Практическая расходомерия в нефтяной промышленности. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ». - С 269/) и диаметре стержней, например, d=0,01 м - генерируемая обтекаемым потоком нефтеводогазовой смеси частота
Длина волны λ в жидкой фазе при скорости звука С=1500 м/с - (согласно формуле λ=С/f) составляет 1070 м. При такой частоте f=1,4 Гц - стоячая волна не формируется, а, следовательно, коагуляция механических примесей не будет происходить.
Данный недостаток можно устранить путем увеличения частоты звука, т.е. уменьшением длины волны, с целью размещения ее по диаметру обсадной колонны с последующим формированием стоячей волны.
Задачей полезной модели является обеспечение эффективной эксплуатации скважин, оборудованных электроцентробежными насосами при добыче нефтеводогазовой смеси с высокой концентрацией взвешенных частиц.
При осуществлении полезной модели указанная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении степени очистки поступающецй в электроцентробежный насос нефтеводогазовой смеси.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для предотвращения попадания частиц механической примеси в электроцентробежный насос, содержащим четвертьволновые резонаторы, расположенные под электроцентробежным насосом, спускаемым в скважину на насосно-компрессорных трубах, новым является то, что под четвертьволновыми резонаторами на оси расположено средство для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси, при этом указанное средство имеет, по меньшей мере, одно отверстие и расположено соосно насосно-компрессорным трубам. В качестве средства для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси можно использовать пластину или ряд пластин, стержень или ряд стержней, круговой сектор или ряд круговых секторов, расположенных веером последовательно друг за другом, диск или ряд дисков, расположенных последовательно друг за другом.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном устройстве для предотвращения попадания механических примесей в электроцентробежный насос для генерации звука турбулентным потоком используют средство для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси, имеющие, по крайней мере, одно отверстие.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Новизна».
Т.е. увеличение частоты звука достигается турбулентным потоком через отверстие, выполненное в средстве для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси. Частота, генерируемого звука отверстием определяется по формуле /Савиных Ю.А., Грачев С.И., Медведев Ю.А., Шаталова Н.В. Технология выравнивания фронта заводнения пласта // Известия вузов. Нефть и газ. №6. 2010. - С. 58-62/.
где f - частота звука, кГц, d - диаметр отверстия, мм.
При подстановке, например, частоты f=200 Гц в формулу (3) - с учетом диаметра скважины 146 мм и оси диаметром, например, 20 мм, на которой можно разместить, например, пластины или стержни, или диски, или круговые сектора с отверстиями диаметром 7,5 мм (расчетный по формуле 3) с разным количеством (например, 6 отверстий).
Расчет четвертьволнового резонатора для преобразования частоты 200 Гц в высокочастотный диапазон частот для создания стоячей волны в обсадной колонне.
1. Длина звуковой волны для диаметра скважины 146 мм равна 0,25 м,
2. Длина четвертьволнового резонатора определяется согласно формуле /Борьба с шумом на производстве: Справочник/Е.Я, Юдин, Л.А.Борисов, И.В.Горенштейн и. др.; Под общ. ред. Е.Я. Юдина-М.: Машиностроение, 1985. - 303/
где n=1, 2, 3,…; l - длина резонатора, м; с - скорость звука в среде, м/с.
Например, для частоты f = 200 Гц (основная частота при п = 1) и скорости звука в жидкости С = 1500 м/с, согласно расчетной формуле (4) длина резонатора составит l=1,9 м.
Основные положения физической сущности для осуществления устройства.
1. Поток жидкости по трубопроводу при любых скоростях сопровождается возникновением вихрей, приводящих к появлению звука. Особенно сильный звук возникает при преодолении потоком препятствий (заслонок, решеток, поворотов, отверстий и т.д.) [Справочник по технической акустике. / Под ред. М.Хекла и Х.А.Мюллера. - Л.: Судостроение, 1980. - С.208-210].
2. Генерирование низкочастотного звука потоком жидкости через отверстие.
3. Преобразование низкочастотного звука в диапазон высокочастотного звука акустическими четвертьволновыми резонаторами. [Музипов Х.Н., Савиных Ю.А. Новая технология повышения производительности добывающих скважин с помощью ультразвука. - Нефтяное хозяйство, № 12, 2004. - С.53-54/, которые размещаются под электроцентробежным насосом.
4.Формирование высокочастотных стоячих волн в пространстве между акустическими четвертьволновыми резонаторами и скважиной.
5. Использование явления физического процесса коагуляции [Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ. - М.: ИЛ, 1957. - С.489-491] механических частичек в высокочастотном звуковом поле стоячих волн.
Покажем возможность использования акустической коагуляции частиц механической примеси в нефытеводогазовой смеси звуковыми стоячими волнами с последующим осаждением их на забой скважины.
1. Волны и колебательная скорость.
Волновое уравнение, описывающее упругое возмущение, имеет вид коагуляции [Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ. - М.: ИЛ, 1957. - С.489-491].
Частным решением уравнения (5) является
где а - смещение частицы среды относительно положения покоя; А - амплитуда смещения; ω = угловая частота; t - время.
Выражение (6) описывает плоскую гармоническую волну частоты f=ω/2π, распространяющуюся в положительном направлении оси х.
Дифференцируя (6) по t, получаем для скорости частицы среды - так называемой колебательной скорости
Следовательно, амплитуда колебательной скорости
Величина U определяет ту максимальную скорость, с которой частицы движутся в процессе колебаний.
Согласно выражению (8) скорость частицы колеблется между этой величиной и нулем.
2. Интерференция волн. Стоячие волны.
Явления, связанные с одновременным существованием в некоторой точке среды нескольких колебаний, называют интерференцией.
Явления интерференции играют важную роль в излучении звука.
Особенно важную роль играет интерференция при распространении двух одинаковых волн в противоположных направлениях. Колебания, распространяющиеся в положительном и отрицательном направлениях по оси х, можно записать в виде
Применяя теорему сложения, получим для результирующей стоячей волны выражение
из которого непосредственно вытекает, что в точках Cos(2πx/λ) обращается в нуль, смещение а, тождественно равно нулю; это имеет место при х, равном нечетному числу λ/4. Посередине между этими точками, располагаются точки, в которых Cos (2πx/λ) no абсолютной величине максимален; здесь амплитуда смещения в стоячей волне вдвое превосходит амплитуды в исходных бегущих волнах.
Выражение для колебательной скорости в стоячей волне найдем, дифференцируя выражение
Таким образом, узлы и пучности колебательной скорости располагаются в тех же точках, что и узлы и пучности смещения.
3. Давление в стоячей волне.
Обратимся теперь к вопросу о распределении давления в стоячей волне. В волне, распространяющейся в направлении сил оси х, давление р пропорционально изменению смещения вдоль х, т.е. величине d a/dx. Дифференцируя выражение (11) по х, получим
Таким образом, в стоячей волне и звуковое давление содержит узлы и пучности; однако местоположение узлов давления совпадает с положением пучностей смещения и наоборот. Амплитуда давления в пучностях вдвое превосходит амплитуду в исходных бегущих волнах [Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ. - М.; ИЛ, 1957.-С.489-491].
4. Акустическая коагуляция.
Уже давно было известно, что под влиянием звуковых колебаний между частицами, колеблющимися в звуковом поле, могут возникать силы притяжения и отталкивания. Для сферических частиц этот процесс был экспериментально и теоретически исследован Кенигом /König W., Hydrodynamisch-akustische Untersuchungen, Ann. d. Phys. (3), 42, 353, 549 (1891) / в связи с работами Бьеркнесса /Bjerknes C.A. Remarques historiques sur la theori du mouvement d'un ou de plusiews corps, de formes constantes ou variables, dans un fluide incompfessible; sur les forces apparentes, qui en resultent et sur les experiences qui s′y rattachent, Compt. Rent, 84, 1222, 1309, 1375, 1446, 1493 (1867).
На этом явлении основаны от части возникновение пылевых фигур в трубках Кундта. Брандт и Фройнд /Brandt., Űber das Verhalten von Schwebstofen in schwingen Gasen bei Schall- und Ultraschallfrequenzen, Kolloid/ Zs., 76, 272 (1936)/
и Бранд и Гидеман / Brandt О., Hiedenmann E., Ű ber das Verhalten von Aerosolen im akustischen Feld, Kolloid. Zs., 75, 129 (1936)/ показали, что под действием ультразвуковых волн в аэрозолях мгновенно происходит коагуляция и осаждение частиц.
Брандт и Фройнд изучили подробности процесса оседания частиц микрофотографированием при освещении по методу темного поля.
На основании этих опытов Брандт и Гидеман различают две стадии коагуляции. В начале частицы принимают участие в колебательном процессе и следуют за движением жидкости между пучностями и узлами колебаний. При этом они в результате столкновений и под действием сил взаимного притяжения слипаются и увеличиваются в размерах. На второй стадии увеличившиеся частицы уже не следуют за звуковыми колебаниями, а совершают хаотические движения, причем в результате новых взаимных соударений и столкновений с меньшими частицами их размеры продолжают увеличиваться, а затем выпадают в осадок.
5. Коагуляция частиц механической примеси в стоячей волне.
Ж
Пусть в жидкости с динамической вязкостью η, колеблющемся с амплитудой U и частотой f, находится частица примеси с радиусом R и плотностью ρ.
Согласно закону Стокса /Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ. -М.: ИЛ, 1957. - С. 23 - 25, 489- 491, 495 -497/ сила трения, действующая на частицу,
где Δυ - разность скоростей частиц механической примеси и жидкости.
Согласно формуле (14), скорость частиц жидкости
Движение частицы механической примеси описывается дифференциальным уравнением
или
Общее решение этого уравнения имеет вид /Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ. -M.: ИЛ, 1957. -С. 23- 25, 489- 491, 495 -497/
Не периодический член отображает переходной процесс. Им можно пренебречь, так как коагуляция происходит через такое время, когда переходной процесс не оказывает уже никакого влияния.
Таким образом, амплитуда колебания частицы механической примеси равна
Степень участия частицы в звуковых колебаниях среды (так называемый коэффициент увлечения) в случае стоячей звуковой волны определяется соотношением
мп
ж
Отношение амплитуд Х/U будет тем меньше, чем больше радиус частицы и чем выше частота.
2
Таким образом, для степени участия частицы механической примеси в колебаниях жидкости определяющей является величина Rf.
мп
ж
Если принять значение Х/U=0,8 за границу, до которой частицы механической примеси еще увлекаются звуковыми колебаниями, то из соотношения
получим
Величина Z определяет степень участия частиц механической примеси в колебаниях жидкости.
Таким образом, соотношение (22) позволяет рассчитать частоты необходимые для создания стоячих волн с целью коагуляции частиц механической примеси перед погружным электроцентробежным насосом с последующим осаждением их в осадок.
Согласно приведенным выше положениям физической сущности - достигается акустическая коагуляция частиц механической примеси в стоячей звуковой волне.
На фиг.1 представлена схема размещения устройства под электроцентробежным насосом.
На фиг.2 изображено средство для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси в виде ряда пластин, имеющех отверстия, размещенными веером на оси.
На фиг.3 изображены крупномасштабные вихри турбулентного потока, формируемые прохождением нефтеводогазовой смесью через отверстия в средстве для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси.
На фиг.4 изображена в кольцевом пространстве между скважиной и четвертьволновыми резонаторами суммарная высокочастотная стоячая волна, состоящая из двух высокочастотных волн, генерируемых двумя источниками - электроцентробежным насосом и четвертьволновыми резонаторами.
На фиг.5 изображена схема движения частиц механических примесей в высокочастотной стоячей звуковой волне давления.
На фиг.6 изображена схема процесса коагуляции частиц механических примесей в высокочастотной стоячей волне колебательной скорости с последующим осаждением их в зумпф.
На фиг.1 изображено: 1 - скважина, 2 - насосно-компрессорные трубы, 3 -электроцентробежный насос, 4 - четвертьволновые резонаторы, 5 - ось, 6 - средство для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси (пластины, стержни, диски, круговые сектора), 7 - направление потока нефтеводогазовой смеси в скважине соосно отверстиям в пластинах, 8 - частицы механической примеси, 9 -отверстия.
На фиг.2 изображено: 5 - ось, 6 - средство для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси в виде пластины, 9 - отверстия.
На фиг.3 изображено: 6 - средство для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси в виде пластины, 7 - направление потока нефтеводогазовой смеси в скважине соосно отверстиям в средстве для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси, 9 - отверстие, 10 - крупномасштабные турбулентные вихри, 11 - низкочастотный звук, сформированный крупномасштабным вихрями.
На фиг.4 изображено: 1 - скважина, 2 - насосно-компрессорные трубы, 3 - электроцентробежный насос, 4 - четвертьволновые резонаторы, 5 - ось, 6 - средство для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси, 7 - направление потока нефтеводогазовой смеси, 8 - частицы механической примеси, 9 - отверстия, 10 - крупномасштабные турбулентные вихри, 11 - низкочастотный звук, сформированный крупномасштабными вихрями, 12 - высокочастотный звук, преобразованный из низкочастотного звука четвертьволновыми резонаторами, 13 - высокочастотный звук, генерируемый электроцентробежным насосом, 14 - суммарная высокочастотная стоячая звуковая волна, сформированная из высокочастотного звука, преобразованная из низкочастотного звука четвертьволновыми резонаторами и высокочастотного звука, генерируемого электроцентробежным насосом,
На фиг.5 изображено: 1 - скважина, 7 - направление потока нефтеводогазовой смеси, 8 - частицы механической примеси, 15 - суммарная волна давления в высокочастотной стоячей волне, 16 - движение частиц механической примеси в суммарной волне давления в высокочастотной стоячей волне.
На фиг.6 изображено: 1 - скважина, 7 - направление потока нефтеводогазовой смеси, 16 - суммарная волна колебательной скорости в высокочастотной стоячей волне, 18 - движение частиц механической примеси в суммарной волне колебательной скорости в высокочастотной стоячей волне, 19 - коагулированные частицы механической примеси в суммарной высокочастотной стоячей волне, 20 - осаждение коагулированных частиц механической примеси под собственным весом в зумпф.
Устройство для предотвращения попадания частиц механической примеси в электроцентробежный насос содержит насосно-компрессорные трубы 2, под которыми расположен электроцентробежный насос 3 с прикрепленными к нему четвертьволновым резонатором 4. На оси 5, закрепленной к резонатору 4, установлено средство или ряд средств, предназначенных для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси 6, имеющее отверстие 9 или ряд отверстий.
В качестве средств для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси 6 могут быть использованы пластина, стержень, диск, круговой сектор. При выполнении средства для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси в виде ряда пластин, стержней или круговых секторов, их располагают последовательно на оси 5 веером, в виде ряда дисков - их располагают последовательно на оси 5 (фиг.2, показано выполнение средства в виде пластины).
Сборку устройства для предотвращения попадания частиц механической примеси в электроцентробежный насос осуществляют в следующей последовательности. Размещают на оси 5 (фиг.1) последовательно друг за другом средства для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси 6 (фиг.1) с отверстиями 9 (фиг.1) и соединяют с четвертьволновыми резонаторами 4 (фиг.1).
Собранную конструкцию размещают на торце электроцентробежного насоса 3 (фиг.1) и производят на насосно-компрессорных трубах 2 (фиг.1) спуск в скважину 1 (фиг.1).
Устройство работает следующим образом.
Поток нефтеводогазовой смеси 7 (фиг.1) с частицами механической примеси 8 (фиг.1) поднимается с забоя скважины 1 (фиг.1) в направлении электроцентробежного насоса 3 (фиг.1), проходит одновременно через отверстия 9 (фиг.1), формируя низкочастотный звук 11 (фиг.4) крупномасштабными вихрями 10 (фиг.4), и обтекает средства для возникновения шума при прохождении через него потока нефтеводогазовой смеси 6 (фиг.1).
Далее низкочастотный звук 11 (фиг.4), сформированный турбулентными вихрями 10 (фиг.4), трансформируется в область высоких частот 12 (фиг.4) четвертьволновыми резонаторами 4 (фиг.4).
Включенный электроцентробежный насос 3 (фиг.1) генерирует высокочастотный звуковой спектр 13 (фиг.4), который суммируется в кольцевом пространстве между четвертьволновыми резонаторами 4 (фиг.4) и скважиной 1 (фиг.4) с высокочастотным звуковым спектром 12 (фиг.4), сформированным четвертьволновыми резонаторами 4 (фиг.4).
В результате суммирования двух высокочастотных звуковых спектров в кольцевом пространстве на длине четвертьволновых резонаторов 4 (фиг.4) создается суммарная высокочастотная стоячая волна 14 (фиг.4), стоящая на пути движения нефтеводогазовой смеси 7 (фиг.7) с частицами механической примеси 8 (фиг.4).
Частицы механической примеси 8 (фиг.5) в потоке нефтеводогазовой смеси 7 (фиг.5) коагулируются 18 (фиг.6) в высокочастотных стоячих волнах 14 (фиг.4) путем перемещения их в волне давления 15 (фиг.5) от пучности к узлу и под влиянием волны колебательной скорости 16 (фиг.6) в результате столкновений и под действием сил взаимного притяжения слипаются и увеличиваются в размерах, причем в результате новых столкновений с меньшими частицами их размеры продолжают увеличиваться и под собственным весом выпадают в осадок 19 (фиг.6).
Промысловые испытания проводились на скважине № 668 куста 684 Самотлорского месторождения. Содержание механической примеси в добываемой продукции снизилось в 3,4 раза.