УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОПАДАНИЯ ЧАСТИЦ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРИМЕСИ В ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
DEVICE TO PREVENT INGRESS OF MECHANICAL PARTICLES IN ELECTRICALLY DRIVE ROTARY PUMP

Изобретение 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/.
Недостаток - 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 для предотвращения попадания частиц механической примеси в электроцентробежный насос.
Устройство содержит средство в виде пластин, стержней или круговых секторов, которые размещаются под четвертьволновьми резонаторами, генерирующих шум с последующим преобразованием его в стоячие волны для осуществления коагуляции частиц механической примеси в этих волнах / Патент на полезную модель №110129, Опубл.: 10.11.2011. Бюл. №31/.
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
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>F</mi><mi>υ</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
где F - площадь трубопровода, м, υ - скорость потока, м/с.
2
2
3
Подставляя в формулу 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 υ=0,068 м/с.
Для определения режима движения жидкости вычислим безразмерный параметр Re (число Рейнольдса) / Савин И.Ф., Сафонов П.В. Основы гидравлики и гидропривод: Учебник для строительных техникумов. - М.: Высш. Школа, 1978. - С.31-32./
<mrow><mi>Re</mi><mo>=</mo><mi>v</mi><mi>d</mi><mo>/</mo><mi>ν</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
где v - скорость потока, м/с; d - диаметр трубы, м; ν - кинематический коэффициент вязкости, м/с.
-5
2
При параметрах v - 0,068 м/с, d - 0,017 м; ν - 10*10 мс - получаем Re=116. При данном числе Re=116 режим потока жидкости соответствует ламинарному режиму, т.е отсутствие турбулентного режима.
Данный недостаток можно устранить путем встраивания в электроцентробежный насос ударного устройства, позволяющего увеличить интенсивность звука. Результатом которого явится эффективность явления коагуляции частиц механической примеси в стоячих волнах.
Испытания, проведенные в г.Нягань в ЦБПО на стенде ЭЦНУ 80/890 с ПЭД 45-117 ЛГВ при трех напорах 10,500 и 800 м, показали в диапазоне 31, 63, 125, 250, 500 Гц (уровень вибрации: 85-80 дБ), а в диапазоне 1-4 кГц (уровень вибрации 80-75 дБ). Замер уровня шума производился шумомером ВШВ-001.
К данному уровню добавляется уровень энергии удара, который определяется по формуле
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>m</mi><msup><mi>υ</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где m - масса ударника, υ - скорость движения ударника.
X
Например, при массе ударника 0,5 кг и скорости υ, развиваемой до 0,5 м/с, получаем W=0,06 Дж. Что соответствует мощности P=0,06 Вт (Вт=Д ж/с, например, за время, равное 1 с).
Для сравнения уровней звука, генерируемого электроцентробежным насосом и погружным электродвигателем, определим уровень звука, генерируемого ударным устройством, 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. - С.15/
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mn>101</mn><mi>g</mi><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>X</mi></msub></mrow><mrow><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mtext>-12</mtext></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>100</mn><mtext> </mtext><mi>д</mi><mi>Б</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Результаты сравнения уровней звука, генерируемого ударным устройством, по отношению к суммарному уровню двух источников - ЭЦНУ 80/890 с ПЭД 45-117 ЛГВ, показывают увеличение уровня звука на 20 дБ, т.е. эффективность увеличивается в 10 раз.
При таком звуковом уровне эффективность стоячей волны резко возрастает.
Задачей изобретения является обеспечение эффективной эксплуатации скважин, оборудованных электроцентробежными насосами при добыче нефтеводогазовой смеси с высокой концентрацией взвешенных частиц.
Технический результат достигается тем, что устройство для предотвращения попадания частиц механической примеси в электроцентробежный насос, содержащее электроцентробежный насос, четвертьволновые резонаторы, расположенные под погружным электродвигателем, спускаемым в скважину на насосно-компрессорных трубах, отличающееся тем, что в электроцентробежном насосе расположено средство для генерирования звука, при этом указанное средство состоит из ударного механизма, состоящего из ударника, в виде плоской пластины, пружины, сообщающей ударнику необходимую энергию и спускового механизма, выполненного в виде вращающегося подшипника, соединенного пальцем через втулку с валом электроцентробежного насоса.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном устройстве для предотвращения попадания механических примесей в электроцентробежный насос используют средство, состоящее из ударного механизма и спускового механизма, размещенные в полости электроцентробежного насоса, для генерирования дополнительного уровня звука.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Новизна».
Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что акустическая коагуляция твердых частиц в жидкости известна / Патент на полезную модель №110129, Опубл.: 10.11.2011. Бюл. №31/.
Однако неизвестно, что дополнительный уровень звука, генерируемый ударным механизмом, позволяет увеличить уровень звуковых колебаний стоячей волны, тем самым повысить эффективность эффекта коагуляции частиц механических примесей.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».
Основные положения физической сущности устройства для предотвращения попадания частиц механической примеси в электроцентробежный насос.
1. Работа электроцентробежного насоса сопровождается колебаниями в звуковом диапазоне частот 16 Гц - 20 кГц. / 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. - С.30/.
2. Частотный спектр звука, генерируемый погружным электронасосом, находится в диапазоне частот до 500 Гц с уровнем звука при виброускорении υ=15 м/с достигает L=110 дБ / Китабов А.Н., Токарев В.У. Информационно-измерительная система диагностики погружного электродвигателя. Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь. Т.15, №1 (41). Уфа: АГАТУ, 2011. - С.158/.
3. Уровень ударного звука составляет L=110 дБ (расчетная при использовании механического удара при заданных параметрах ударника).
4. 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.
5. Формирование высокочастотных стоячих волн в пространстве между акустическими четвертьволновыми резонаторами и скважиной.
6. 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].
<mrow><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><mi>a</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>t</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><mi>a</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Частным решением уравнения (5) является
<mrow><mi>a</mi><mo>=</mo><mi>A</mi><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
а
где  - 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
<mrow><mi>υ</mi><mo>=</mo><mi>ω</mi><mi>A</mi><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Следовательно, амплитуда колебательной скорости
<mrow><mi>U</mi><mo>=</mo><mi>ω</mi><mi>A</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
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
<mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>A</mi><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>t</mi><mi>T</mi></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mi>x</mi><mi>λ</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>A</mi><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>t</mi><mi>T</mi></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>x</mi><mi>λ</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Применяя теорему сложения, получим для результирующей стоячей волны выражение
<mrow><mi>a</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>A</mi><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>x</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mtext> </mtext><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
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 (2πх/λ,) по 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
<mrow><mi>υ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><mi>A</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>x</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mtext> </mtext><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>12</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Таким образом, узлы и пучности колебательной скорости располагаются в тех же точках, что и узлы и пучности смещения.
3. Давление в стоячей волне.
a
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/dx. Дифференцируя выражение (10) по х, получим
<mrow><mi>p</mi><mo>≈</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>a</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><mi>A</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>x</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>:</mo><mi>t</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>U</mi></mrow><mi>C</mi></mfrac><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>x</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>13</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
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 plusieurs 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., Űber 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,
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>6</mn><mtext> </mtext><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>η</mi><mtext> </mtext><mi>ρ</mi><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><mi>υ</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>14</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
где Δυ - разность скоростей частиц механической примеси и жидкости.
Согласно формуле (14), скорость частиц жидкости
<mrow><msub><mi>υ</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mtext> </mtext><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>f</mi><mtext> </mtext><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Ж</mi><mtext> </mtext></mrow></msub><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mtext> </mtext><mn>2</mn><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>f</mi><mi>t</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>15</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Движение частицы механической примеси описывается дифференциальным уравнением
<mrow><mi>m</mi><mo>*</mo><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>X</mi><mrow><mi>М</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>d</mi><msup><mi>t</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>6</mn><mtext> </mtext><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>η</mi><mtext> </mtext><mi>R</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><msub><mi>U</mi><mi>Ж</mi></msub><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>d</mi><msub><mi>X</mi><mrow><mi>М</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>16</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
или
<mrow><mi>m</mi><mo>*</mo><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>X</mi><mrow><mi>М</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>d</mi><msup><mi>t</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>6</mn><mtext> </mtext><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>η</mi><mtext> </mtext><mi>R</mi><mo>*</mo><mi>d</mi><msub><mi>X</mi><mrow><mi>М</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mn>6</mn><mtext> </mtext><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>η</mi><mtext> </mtext><mi>R</mi><mo>*</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><msub><mi>U</mi><mi>Ж</mi></msub><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>17</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Общее решение этого уравнения имеет вид / Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ. - М.: ИЛ, 1957. - С.23-25, 489-491, 495-497 /
<mrow><msub><mi>Х</mi><mrow><mi>М</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>/</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mi>m</mi><mo>/</mo><mn>6</mn><mi>π</mi><mi>η</mi><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mrow></msup><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mo>−</mo><mi>φ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>k</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mi>b</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>18</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
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
<mrow><msub><mi>Х</mi><mrow><mi>М</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>/</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><mi>ρ</mi><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mi>f</mi><mo>/</mo><mn>9</mn><mi>η</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mrow></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>19</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Степень участия частицы в звуковых колебаниях среды (так называемый коэффициент увлечения) в случае стоячей звуковой волны определяется соотношением
<mrow><msub><mi>Х</mi><mrow><mi>М</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>U</mi><mi>Ж</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><mi>ρ</mi><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mi>f</mi><mo>/</mo><mn>9</mn><mi>η</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mrow></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>20</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
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 R f.
МП
Ж
Если принять значение Х/U=0,8 за границу, до которой частицы механической примеси еще увлекаются звуковыми колебаниями, то из соотношения
<mrow><mn>0,8</mn><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,44</mn><mi>π</mi><mo>*</mo><mi>Z</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>21</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
получим
<mrow><mi>Z</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mi>f</mi></mrow><mi>η</mi></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>22</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
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.
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/
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi><mtext>-</mtext><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>c</mi><mo>/</mo><mn>4</mn><mi>l</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>23</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
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 n=1) и скорости звука в жидкости С=1500 м/с, согласно расчетной формуле (22) длина резонатора составит l=1,9 м.
На фиг.1 представлена схема размещения средства ударного звука в электроцентробежном насосе.
На фиг.2 изображена схема с тремя источника звука и с четвертьволновыми резонаторами.
На фиг.3 изображено средство для генерирования ударного звука.
На фиг.4 изображена схема распространения звука по поверхности электроцентробежного насоса от средства, генерирующего ударный звук.
На фиг.5 изображена схема распространения звука в скважину от средства, генерирующего ударный звук.
На фиг.6 изображен уровень звука в частотном спектре, генерируемым электроцентробежным насосом в скважину.
На фиг.7 изображен уровень звука в частотном спектре, генерируемым погружным электронасосом.
На фиг.8 изображен уровень звука в частотном спектре, генерируемым ударом по корпусу электроцентробежного насоса.
На фиг.9 изображен суммарный уровень звука в частотном спектре, генерируемым тремя источниками звука.
На фиг.10 изображен частотный спектр звука после преобразования звука первым четвертьволновым резонатором.
На фиг.11 изображен частотный спектр звука после преобразования звука вторым четвертьволновым резонатором.
На фиг.12 изображена схема движения частиц механических примесей в высокочастотной стоячей волне давления.
На фиг.13 изображена схема процесса коагуляции частиц механических примесей в высокочастотной стоячей волне колебательной скорости с последующим осаждением их в зумпф скважины.
На фиг.1 изображено: 1 - скважина, 2 - насосно-компрессорная труба, 3 - электроцентробежный насос, 4 - погружной электродвигатель, 5 - первый четвертьволновой резонатор, 6 - второй четвертьволновой резонатор, 7 - частицы механической примеси, 8 - направление потока нефтеводогазовой смесив скважине, 9 - внутренняя полость скважины, 10 - средство для генерирования ударного звука.
На фиг.2 изображено: 1 - скважина, 2 - насосно-компрессорная труба, 3 - электроцентробежный насос, 4 - погружной электродвигатель, 5 - первый четвертьволновой резонатор, 6 - второй четвертьволновой резонатор, 7 - частицы механической примеси, 8 - направление потока нефтеводогазовой смесив скважине, 9 - внутренняя полость скважины, 10 - средство для генерирования ударного звука, 11 - звук, генерируемый электроцентробежным насосом в скважину, 12 - звук, генерируемым погружным электронасосом, 13 - звук, генерируемый ударом, распространяющийся по корпусу электроцентробежного насоса, 14 - звук, распространяющийся в скважине, генерируемый поверхностью корпуса электроцентробежного насоса после удара, 15 - стоячая звуковая волна, преобразованная первым четвертьволновым резонатором из суммарного звука трех источников, 16 - стоячая звуковая волна, преобразованная вторым четвертьволновым резонатором из суммарного звука трех источников.
На фиг.3 изображено: 17 - втулка ударного устройства, 18 - опора, 19 - продольная щель на втулке ударного устройства, 20 - ударный торец пластины ударного устройства (форма торца - линейная), 21 - упорный стержень, размещенный на внутренней поверхности втулки, 22 - пружина, 23 - упорный стержень, размещенный на внутренней поверхности втулки, 24 - шарнир, связывающий упорный стержень с опорой, 25 - пружинная опора, 26 - подшипник для отклонения ударной пластины, 27 - вал электроцентробежного насоса, 28 - ударная пластина ударного устройства, 29 - шарнир, связывающий упорный стержень с опорой, 30 - втулка, 31 - палец.
На фиг.4 изображено: 32 - образующая корпуса электроцентробежного насоса, 33 - распространение ударной волны от контактной площади - ударного торца пластины с корпусом электроцентробежного насоса - по окружности корпуса против часовой стрелки, 34 - окружность корпуса электроцентробежного насоса, 35 - контактная площадь ударного торца пластины с корпусом электроцентробежного насоса, 36 - распространение ударной волны от контактной площади - ударного торца пластины с корпусом электроцентробежного насоса - по окружности корпуса по часовой стрелке, 37 - распространение ударной волны от контактной площади - ударного торца пластины с корпусом электроцентробежного насоса - по винтовым линиям, 38 - распространение ударной волны от контактной площади - ударного торца пластины с корпусом электроцентробежного насоса - вдоль образующей корпуса электроцентробежного насоса.
На фиг.5 изображено: 1 - скважина, 9 - внутренняя полость скважины, 17 - втулка ударного устройства, 19 - продольная щель на втулке ударного устройства, 20 - ударный торец пластины ударного устройства, 28 - ударная пластина ударного устройства, 39 - корпус электроцентробежного насоса, 40 - распространение ударной волны во внутренней полости скважины от корпуса электроцентробежного насоса.
На фиг.6 изображена спектрограмма звука, генерируемого электроцентробежным насосом во внутреннюю полость скважины с уровнем амплитуды А1 (уровень амплитуды А1 звука принято условно за единицу).
На фиг.7 изображена спектрограмма звука, генерируемого погружным электродвигателем во внутреннюю полость скважины с уровнем амплитуды А2 (уровень амплитуды А2 звука принято условно за две единицы).
На фиг.8 изображена спектрограмма звука, генерируемого ударным механизмом во внутреннюю полость скважины с уровнем амплитуды A3 (уровень амплитуды A3 звука принято условно за три единицы).
На фиг.9 изображена суммарная спектрограмма звука, генерируемого электроцентробежным насосом, погружным электронасосом и ударно-спусковым механизмом во внутреннюю полость скважины с уровнем амплитуды А6 (уровень амплитуды А6 звука принято условно за шесть единиц).
На фиг.10 изображена спектрограмма преобразованной полосы низких частот Δω (нч) в диапазон высоких частот Δω (вч) первым четвертьволновым резонатором для создания стоячей звуковой волны во внутренней полости скважины с целью коагуляции частиц механической примеси. В процессе преобразования низких частот четвертьволновым резонатором происходит увеличение амплитуд высоких частот до амплитуд А7 (уровень амплитуды А7 звука принято условно за семь единиц), т.е. интенсивность звука возрастает в стоячих волнах, что отражается на эффективности процесса коагуляции частиц механической примеси.
На фиг.11 изображена спектрограмма преобразованной полосы низких частот Δω (нч) в диапазон высоких частот Δω (вч) вторым четвертьволновым резонатором для создания стоячей звуковой волны во внутренней полости скважины с целью коагуляции частиц механической примеси. В процессе преобразования низких частот четвертьволновым резонатором происходит увеличение амплитуд высоких частот до амплитуд А8 (уровень амплитуды А8 звука принято условно за восемь единиц), т.е. еще более интенсивность звука возрастает в стоячих волнах, что отражается на эффективности процесса коагуляции частиц механической примеси.
На фиг.12 изображено: 1 - скважина, 7 - частицы механической примеси, 8 - направление потока нефтеводогазовой смеси, 41 - суммарная волна давления в высокочастотной стоячей волне, 42 - движение частиц механической примеси в суммарной волне давления в высокочастотной стоячей волне.
На фиг.13 изображено: 1 - скважина, 7 - направление потока нефтеводогазовой смеси, 43 - движение частиц механической примеси в суммарной волне колебательной скорости в высокочастотной стоячей волне, 44 - суммарная волна колебательной скорости в высокочастотной стоячей волне, 45 - коагулированные частицы механической примеси в суммарной высокочастотной стоячей волне, 46 - осаждение коагулированных частиц механической примеси под собственным весом в зумпф.
Сборку устройства для предотвращения попадания частиц механической примеси в электроцентробежный насос осуществляют в следующей последовательности.
Операция сборки ударного механизма.
Соединяют ударник, выполненного в виде плоской пластины, 28 (фиг.3) со стержнем 18 (фиг.3) шарниром 29 (фиг.3), причем ударный торец 20 (фиг.3) пластины 28 (фиг.3) размещают в продольной щели 19 (фиг.3) втулки 17 (фиг.3).
Собранную конструкцию, жестко соединяют с втулкой 17 (фиг.30).
Размещают на стрежне 23 (фиг.3) шарнир 24 (фиг.30) и соединяют его с пружинным упором 25 (фиг.3). Между пружинными упорами упорными 21 (фиг.3) и 25 (фиг.30) вставляют пружину 22 (фиг.3).
Конструкцию ударного механизма, собранную на втулке 17 (фиг.3), встраивают в электроцентробежный насос 4 (фиг.1), (предварительно убрав из электроцентробежного насоса, например, одно рабочее колесо (не показано)).
Операция сборки спускового механизма.
На втулке 30 (фиг.3) размещается через палец 31 (фиг.3) подшипник 26 фиг.3) с последующим его встраиванием на вал 27 (фиг.3) электроцентробежного насоса 4 (фиг.1) для сжатия пружины 22 (фиг.3) через ударную пластину 28 (фиг.30).
Операция сборки устройства.
Размещают последовательно под насосно-компрессорными трубами 2 (фиг.1) электроцентробежный насос 3 (фиг.1), со встроенным ударно-спусковым средством (фиг.3), погружной электродвигатель 4 (фиг.1) и на торце погружного электродвигателя 4 (фиг.1) размещают первый четвертьволновой резонатор 5 (фиг.1) и второй четвертьволновой резонатор 6 (фиг.1) с последующим спуском на насосно-компрессорных трубах 2 (фиг.1) в скважину 1 (фиг.1) по разработанной стандартной технологии.
Устройство работает следующим образом.
При каждом обороте вала 27 (фиг.3) электроцентробежного насоса 3 (фиг.1) подшипник 26 (фиг.3), скользя по ударной пластине 28 (фиг.3), сжимает пружину 22 (фиг.3).
Подшипник 26 (фиг.3), через один оборот вала 27 (фиг.3) соскочив с ударной пластины 28 (фиг.3), возвращает ее в исходное положение, нанося тем самым удар торцом 20 (фиг.3) по корпусу электроцентробежного насоса 3 (фиг.3) через продольную щель на втулке 17 (фиг.3).
При линейной форме ударного торца 20 (фиг.3) пластины 28 (фиг.3) контактная площадь 35 (фиг.4), расположенная вдоль образующей 32 (фиг.4), создает максимальное количество звуковых волн 36 (фиг.4) по часовой стрелке (если смотреть сверху на эскиз) и максимальное количество звуковых волн 33 (фиг.4) против часовой стрелки.
Количество звуковых волн, распространяющихся вдоль образующей 32 (фиг.4) и по винтовым линиям 36 (фиг.4) минимален.
Звук, распространяющийся по корпусу 39 (фиг.5), от ударного торца 20 (фиг.5) переходит во внутреннюю полость скважины 9 (фиг.5) в виде ударной волны 40 (фиг.5).
Во внутреннюю полость скважины 9 (фиг.1) генерируется звук от трех источников - от электроцентробежного насоса 3 (фиг.2) звук 11 (фиг.2) со звуковым спектром ω1 (фиг.6),
от погружного электродвигателя 4 (фиг.2) звук 12 (фиг.2) со звуковым спектром ω2 (фиг.7),
от корпуса электропогружного насоса после удара средством 10 (фиг.2) со звуковым спектром ω3 (фиг.8).
В результате распространения звука от трех источников звука в полости скважины 9 (фиг.2) распространяется суммарный звук ω4 (фиг.9) в направлении первого четвертьволнового резонатора 5 (фиг.2) и второго четвертьволнового резонатора 6 (фиг.2).
Первый четвертьволновой резонатор 5 (фиг.2) преобразует низкочастотную полосу частот Δω (нч) в диапазон высоких частот Δω (вч) (фиг.10).
Второй четвертьволновой резонатор 6 (фиг.2) преобразует низкочастотную полосу частот Δω (нч) в диапазон высоких частот Δω (вч) (фиг.11).
В результате суммирования двух высокочастотных звуковых спектров Δω (вч) (фиг.10) и Δω (вч) (фиг.11) во внутренней полости скважины 9 (фиг.2) на длине четвертьволнового резонатора 5 (фиг.2) и длине четвертьволнового резонатора 6 (фиг.2) создается суммарная высокочастотная стоячая волна 15 (фиг.2) и высокочастотная стоячая волна 16 (фиг.2), стоящая на пути движения нефтеводогазовой смеси 8 (фиг.2) с частицами механической примеси 7 (фиг.2).
Частицы механической примеси 7 (фиг.12) в потоке нефтеводогазовой смеси 8 (фиг.12) из пучности волны давления 41 (фиг.12) перемещаются 42 (фиг.12) в узел, а под действием волны колебательной скорости 44 (фиг.13) коагулируются 45 (фиг.13), т.е. в результате столкновений и под действием сил взаимного притяжения частицы механической примеси слипаются и увеличиваются в размерах, причем в результате новых столкновений с меньшими частицами их размеры продолжают увеличиваться и под собственным весом выпадают в осадок 46 (фиг.13).
Промысловые испытания, проведенные на скважине №668 куста 684 Самотлорского месторождения, подтвердили теоретические выкладки. В результате содержание механической примеси в добываемой продукции снизилось в 3,4 раза.