Перспективный электрогидравлический сверлящий перфоратор для вторичного вскрытия нефтегазоносных пластов

Митягина, Мария Олеговна

Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Перспективный электрогидравлический сверлящий перфоратор для вторичного вскрытия нефтегазоносных пластов

кандидата технических наук: Митягина, Мария Олеговна
город: Уфа
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.04.13
цена: 450 рублей

Диссертация по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению на тему «Перспективный электрогидравлический сверлящий перфоратор для вторичного вскрытия нефтегазоносных пластов»

Автореферат диссертации по теме "Перспективный электрогидравлический сверлящий перфоратор для вторичного вскрытия нефтегазоносных пластов"

005062356

На правах рукописи

МИТЯГИНА Мария Олеговна

ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ЭЛЕКТЕОЕИДРАВЛИЧЕСКИЙ СВЕРЛЯЩИЙ ПЕРФОРАТОР ДЛЯ ВТОРИЧНОГО ВСКРЫТИЯ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ ПЛАСТОВ (РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ)

Специальность: 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 ш 2013

Уфа-2013

005062356

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре прикладной гидромеханики

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Месропян Арсен Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Спиридонов Евгений Константинович

заведующий кафедрой гидравлики и гидропневмосистем Южно-Уральского государственного университета

доктор технических наук Шайдаков Владимир Владимирович

профессор кафедры гидравлики и гидромашин

Уфимского государственного нефтяного технического университета

Ведущая организация: Институт нефти и газа им. М.С. Гуцериева

Удмуртского государственного университета

Защита диссертации состоится 3 июля 2013 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д-212.298.02 при ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) по адресу:

454080, г. Челябинск, проспект им. В. И. Ленина, 76, ауд. 1007.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет).

Автореферат разослан 30 мая 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, проф.

А. О. Чернявский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Потенциальный объем трудноизвлекаемых запасов нефти в России по экспертным оценкам составляет более 60% отечественной сырьевой базы, и их доля непрерывно растет.

В настоящее время добывается не более 20 млн тонн в год (около 4% от общего объема) трудноизвлекаемых запасов нефти, что объясняется отсутствием технологических решений по эффективному нефтеизвлечению для сложных геолого-физических условий, ограниченностью соответствующих научно-исследовательских работ, а также большими затратами, особенно в начальный период разработки месторождения.

Для действующих нефтегазовых, месторождений повышение добычи трудноизвлекаемой нефти возможно как за счет наращивания работающего фонда скважин, так и за счет применения эффективных передовых технологий повышения нефтеотдачи пластов. Одним из наиболее перспективных направлений повышения продуктивности нефтегазовых месторождений является совершенствование методов перфорации скважин и технических средств для вторичного вскрытия пластов.

Главной задачей вторичного вскрытия нефтегазоносных пластов является формирование качественной гидродинамической связи между продуктивным пластом и самой скважиной, без негативного воздействия на коллекторские качества призабойной зоны пласта, без нарушения целостности обсадных колонн и цементного кольца. С этой позиции наиболее продуктивно использование сверлящей перфорации. Однако, такой способ перфорации скважин не нашел широкого применения вследствие больших затрат времени на перфорацию канатов и малой глубины перфорационных каналов, что не позволяет обеспечить высокую производительность и ухудшает качество гидродинамической связи пласта-коллектора со скважиной.

Современный этап разработки и совершенствования техники для нефтегазового комплекса сопровождается все большим распространением в составе скважинной аппаратуры гидроагрегатов, что обуславливается надежностью и компактностью гидрооборудования. Точность прогнозирования параметров рабочих процессов гидравлических машин определяется не только применением передовых конструкторских и технологических решений, но и обоснованностью используемой методики расчета параметров и характеристик гидросистемы на этапе моделирования новой аппаратуры.

Все это определяет актуальность работ в области разработки перспективных электрогидравлических сверлящих перфораторов для вторичного вскрытия нефте- и газоносных пластов и методики расчета параметров и характеристик гидроагрегатов, входящих в состав сверлящих перфораторов.

В данной работе разработан перспективный электрогидравлический сверлящий перфоратор (ЭГСП) и методика моделирования его рабочих процессов, обеспечивающая рациональный выбор рассчитываемых параметров и характеристик сверлящих перфораторов.

Диссертационная работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете в рамках реализации госбюджетной НИР «Разработка методологических основ проектирования технических комплексов с интеллектуальными системами управления для освоения скважинного фонда нефти и газовых месторождений».

Степень! разработанности темы исследования. Вопросами разработки аппаратуры для вторичного вскрытия продуктивных пластов занимались Андреев В. Е., Батурин Ю. Е., ВадецкийЮ. В., ГноевыхА. Н., Зозуля Г. П., Мищенко И. Т., Филиди Г. Н., Хайрединов Н. Ш., Щелкачев В. Н., Яруллин Р. К., Douglas Е., Harris М.Н., Meddes R. V., Hinton M.J. и др. Заметный вклад в развитие теории проектирования гидравлических машин и гидрофицированной техники внесли Баранов В. Н., БарышевВ. И., Грибков A.M., Захаров Ю. Е., Каверзин С. В., Караханьян В. К., Попов Д. Н., Спиридонов Е. К., Фомичев В. М., Шумилов И. С., Brian R., Keith E.,Kenric Rose, и др.

Вместе с тем, обзор работ по проблемам проектирования и расчета скважинной аппаратуры показывает, что современный уровень развития методологии моделирования сверлящих перфораторов характеризуется недостаточно проработанными теоретическими и экспериментальными исследованиями, необходимыми для моделирования параметров и характеристик технических средств перфорации обсаженных скважин, что обуславливает определенные трудности при проектировании новой аппаратуры.

Цель и задачи работы. Цель работы - разработка и исследование перспективного ЭГСП для вторичного вскрытия нефтегазоносных пластов.

Исходя из цели работы, для ее реализации были определены и решены следующие задачи:

1. Аналитический обзор методов и средств вторичного вскрытия пластов и разработка новых принципиальных схемных решений перспективного ЭГСП.

2. Разработка математической модели ЭГСП с учетом влияния характерных нелинейностей, стохастического характера разброса параметров, внешних и внутренних факторов перфоратора.

3. Идентификация характеристик сверлящего перфоратора и верификация результатов математического моделирования ЭГСП.

4. Разработка методики моделирования рабочих процессов ЭГСП.

Научной новизной работы являются:

- математическая модель электрогидрашшческого сверлящего перфоратора, заключающаяся в моделировании статических и динамических характеристик гидроагрегатов, входящих в состав сверлящего перфоратора, учитывающая нагрузку на буровом инструменте, люфты в силовой проводке подачи бурового инструмента, силы трения в элементах гидросистемы перфоратора, позволяющая обеспечивать при разработке необходимые требования к энергетическим характеристикам, к качеству переходных процессов;

- методика идентификации параметров и характеристик электрогидравлического сверлящего перфоратора, определяющая перечень, последовательность и содержание структуры работ идентификации параметров и характеристик сверлящего перфоратора, отличающаяся возможностью учета при моделировании сверлящего перфоратора случайного разброса стохастических коэффициентов, входящих в математическую модель, позволяющая повысить точность определения параметров и характеристик аппаратуры;

- методика моделирования рабочих процессов электрогидравлического сверлящего перфоратора, включающая этапы моделирования, исследования и прогнозирования параметров и характеристик гидроагрегатов перфоратора, позволяющая повысить качество проектирования и сократить сроки доводки сверлящих перфораторов для вторичного вскрытия пластов;

- новая принципиальная схема электрогидравлического сверлящего перфоратора по патентам №2465443, №2466269, отличающаяся наличием электрогидравлической системы фиксации и подачи бурового инструмента, энергонезависимой системы расфиксации аппаратуры в скважине, модульной конструкцией, позволяющая обеспечить высокую производительность и надежность работы электрогидравлического сверлящего перфоратора в скважине.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследований, разработанная методика моделирования рабочих процессов ЭГСП внедрены в промышленности - Уфимское управление геофизических работ ОАО «Башнефтегеофизика» (г. Уфа), ОАО «УАП «Гидравлика» (г. Уфа), ООО НПП «Керн» (Уфа) и в учебный процесс УГАТУ (Уфа). Разработанные методика моделирования рабочих процессов сверлящих перфораторов и программные продукты для ее реализации позволяют повысить эффективность этапов проектирования ЭГСП и снизить временные затраты на их доводку и имеют практическую ценность, а именно позволяют:

• определять конструктивные параметры, статические и динамические характеристики ЭГСП при моделировании, проектировании и доводке с целью повышения качественных и количественных показателей при вторичном вскрытии продуктивных пластов ЭГСП;

• рассчитывать статические и динамические характеристики ЭГСП с учетом влияния нагрузки на буровом инструменте, люфтов в силовой проводке подачи бурового инструмента, сил трения в элементах гидроагрегатов, входящих в состав перфоратора, и стохастического характера изменения параметров гидропривода ЭГСП.

Методология и методы исследования. Работа основывается на использовании общепринятых методов исследования гидравлических машин, проведении стендовых испытаний, определении параметров и характеристик гидроагрегатов. Теоретические исследования базируются на научных основах теории гидро- и машиностроения, положений классической и

экспериментальной гидромеханики. Использованы численные методы, методы дифференциального и интегрального исчислений, методы математической статистики и теории вероятностей.

Положения, выносимые на защиту:

1. Новые принципиальная и компоновочная схемы ЭГСП.

2. Математическая модель, позволяющая моделировать, исследовать и прогнозировать работу сверлящего перфоратора с возможностью учета люфтов в силовой проводке, сил трения и других нелинейностей.

3. Результаты идентификации характеристик ЭГСП и верификации математической модели ЭГСП.

4. Методика моделирования рабочих процессов ЭГСП.

Степень достоверности результатов работы подтверждается корректным использованием общепринятых методов исследования гидравлических машин, использованием признанных научных положений, апробированных методов исследования, применением математического аппарата, отвечающего современному уровню, обработкой, обобщением и сравнением результатов экспериментальных исследований с результатами теоретических исследований, апробацией основных положений работы в научных публикациях автора и на научно-технических конференциях.

Апробация результатов работы. Результаты исследований, проводимых при выполнении данной работы, докладывались и обсуждались в ходе выполнении НИОКР по программе Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «У.М.Н.И.К.-2010», на семинарах и конференциях различного уровня: на III Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты» (МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, 2010 г.), на международном инновационном форуме «Селигер-2010», на Всероссийских молодежных научных конференциях «Мавлютовские чтения» (УГАТУ, Уфа, 2010-2012 гг.), на молодежной научно-практической всероссийской конференции «Современные исследования в области естественных и технических наук: междисциплинарный поиск и интеграция» (ТГУ, Тольятти, 2012 г.), на 2-й научно-практической школе-семинаре молодых ученых «Поддержка развития внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путем выполнения научных исследований молодыми учеными и преподавателями в научно-образовательных центрах» (ТГУ, Тольятти, 2012 г.).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 150 страниц машинописного текста, библиографический список из 101 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, связанного с разработкой методики моделирования рабочих процессов ЭГСП, формулируются цели и задачи исследования, приводятся основные положения и результаты, выносимые на защиту, апробация, структура работы, краткое содержание работы по главам и сведения о публикациях.

В первой главе проведен аналитический обзор методов перфорации скважин и технических средств для вторичного вскрытия пластов, который показал, что из существующих, методов вторичного вскрытия наиболее перспективным, с точки зрения обеспечения эффективной гидродинамической связи продуктивного пласта со скважиной, является сверлящая перфорация.

Анализ существующих сверлящих перфораторов и их технических характеристик позволил выявить основные недостатки сверлящей аппаратуры, к которым относятся большие затраты времени на перфорацию каналов и малая глубина перфорационных каналов, что не позволяет обеспечить высокую производительность при вторичном вскрытии пластов и качественную гидродинамическую связь пласта-коллектора со скважиной.

Обзор работ по вопросам проектирования и расчета сверлящих перфораторов показал практически полное отсутствие комплексных теоретических и экспериментальных исследований, необходимых для моделирования рабочих процессов средств перфорации обсаженных скважин, что также определяет актуальность и необходимость работ, посвященных проектированию и совершенствованию сверлящих перфораторов, а также разработке методики моделирования рабочих процессов перфораторов.

Результатом проведенного анализа явилось формирование цели и задач исследования.

Во второй главе определены основные функциональные и технические характеристики перспективных ЭГСП с учетом геолого-технических условий вторичного вскрытия пластов сверлящими перфораторами и анализа научно-технической литературы.

На основании анализа технических средств для вторичного вскрытия продуктивных пластов и их технических показателей разработаны принципиальная и компоновочная схемы перспективного ЭГСП.

Принципиальная схема ЭГСП приведена на рисунке 1.

Для математического моделирования рабочих процессов гидросистемы сверлящего перфоратора были приняты следующие допущения:

1) математические модели течения рабочей жидкости представлены системой одномерных дифференциально-алгебраических уравнений;

2) процессы течения однофазной несжимаемой рабочей жидкости приняты изотермическими;

3) используются гидрораспределители с одинаковыми гидравлическими параметрами и микрогеометрией;

4) коэффициенты расхода жидкости через каналы гидрораспределителей принимаем |л = 0,72 = сопз1;

5) теплообмен с окружающей средой пренебрежимо мал и им можно пренебречь.

------~тГ! і —1

^ІМІІІІІІ

37 контроллер

Рисунок 1 — Принципиальная гидравлическая схема сверлящего перфоратора: 1,2 — насосная станция; 3,6 - фильтры; 4 - датчик температуры; 5 - предохранительный клапан; 7,12, 13,20,28,33 -распределители; 8,15,16,21,29, 34 - электромагниты; 9, 19,26,31-датчики давления; 10-гидроаккумулятор; 11,14 - обратные клапаны; 17,18- гидроцилиндр фиксации; 22 - гидроцилиндр подачи бура; 32 - гидроцшшндр перфорации; 23,24 - датчики перемещения; 25 - гидромотор; 27 - датчик частоты вращения; 30 — дроссель; 35 - реле давлении; 36 - бак, 37 - контроллер

Математическая модель ЭГСП состоит из модели контура фиксации (КФ), модели контура подачи бура (КПБ) и модели контура перфорации (КП).

Модель КФ ЭГСП включает в себя: уравнение электрической цепи, уравнение движения золотникового гидрораспределителя (ГР), уравнения баланса расходов и уравнение движения гидроцилиндра (ГЦ) фиксации (1).

¿¡ф(0 й6Сф(0 -- + Л, -

пэф

Ото

йгхф(ґ) йі1

+ ЬЧ

аМО

+ сПРфхф(0 = Кй.ф/ф(0,

3.8п(Рпит - (0) = + (1)

¿УФ(Л Ч Фаф(0

йі

2 Е сії

+ ^статфз1вп^ Далее приведены модель КПБ (2) и модель КП (3).

•ГЦФ Л2

V А

Лб(0

сіхБ(1)

упрг

= *Б'Б(0 + ¿Б + *пэБ

/я

л2

цЯБ*Б(/)л

¡1 Рпт

2 - Реп

4Уб(0 , угцБ ФіЕ(0

Л 2Е сії ' Р) Фе С) Ф2ДО

2£ Л

/и-

1/У„гп зіп(ш/) = Дп/п (?) + ІП + X

пэп

л '

Щп ах2 Зп ПРп п (■ _ Яп п()'

(3)

¿гУпЮ

-гцп + Лстлтпзі8п [ «і) + ^ = (А„ (О - ^ (О),

На основании разработанной математической модели ЭГСП рассчитаны и построены переходные процессы перемещения поршней ГЦ фиксации, подачи бура, перфорации и подача бура (рисунки 2 - 5).

_>>ф,М

У*.

0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 О

10 20 30 40 50

Рисунок 2 - Переходный процесс Рисунок 3 - Переходный процесс

перемещения поршня ГЦ фиксации перемещения поршня ГЦ подачи бура

■^Ппи 1,0-

0,8-

0,6

0/1

0 Л

^хІСГ", М

и і ;

" ; 1

...... ... - 4 -

О^МоГм 20-

Л=0,018и Г-0.001О

0,02 0,04 0,06 0,08 О, О

Рисунок 4 - Временная характеристика перемещения поршня ГЦ перфорации

№

1,0

0,05 0,10 0,15 0,20

Рисунок 5 — Переходный процесс подачи бура

Физические свойства перфорируемых пород определяют величину нагрузки на буровой головке, что в свою очередь значительно сказывается на времени перфорации одного канала (рисунок 3):

- при нагрузке Я = 8000 Н (гранит) время перфорации /перф = 21 с;

- при нагрузке К =10000 Н (базальт) время перфорации ¿перф = 27с;

- при нагрузке Я = 12000 Н (диорит кварцевый) время перфорации Гперф = 49 с.

Для реализации процесса перфорации необходимо, чтобы шток гидроцилиндра совершал возвратно-поступательное движение на определенную величину с частотой перемещения не менее 65 ударов/с (рисунок 4).

Для учета люфта в силовой проводке между штоком поршня и инерционной нагрузкой в математическую модель контура подачи бура сверлящего перфоратора (2) введем выражения (4).

Фи(0 дмо

Л Л л л

при |дл(0| < Д|Т

¿Ал(р

сА

иіМ)>0,

+ ^-Ы0-Лл(0) при Дл(0 > О и < о,

во всех других случаях.

(4)

Результаты математического моделирования ЭГСП, представленного выражениями (2, 4) с учетом люфта в силовой проводке между штоком поршня и инерционной нагрузкой, показывают, что зазоры, заложенные в конструкции ЭГСП, не оказывают существенного влияния на его характеристики (рисунки 6, 7).

Для работы на скважинах разных диаметров могут быть востребованы ЭГСП различных типоразмеров, поскольку величина хода штока ГЦ фиксации напрямую зависит от диаметра перфорируемой колонны. В связи с этим, большую значимость представляет разработка математической КФ ЭГСП с использованием безразмерных переменных, что позволит идентифицировать

характеристики возможных типоразмеров сверлящего перфоратора при работе на скважинах разных диаметров.

Лл,м

/ \

-4_

....... у /- г

4- \/ V

1' 1

0,02 0,04 0,06

Рисунок 6 - Изменение А/ зазора между штоком поршня и инерционной нагрузкой

Система уравнений КФ ЭГСП с использованием безразмерных переменных:

Рисунок 7 - Переходные процессы перемещений поршня ГЦ и нагрузки

КяЮ + Ъ

К1

¿т л

¿х® -

'пэ~

= и пост,

Лпф

-Кх(0 + ^х(() = 1((),

4-К"

(5)

К*

■ п.

Лэфф

- + лстатф +я6ф-

Результаты расчетов переходного процесса перемещения золотника по (5) приведены на рисунке 8.

-гТлГ

1/ '/^¿••,-0,31 с

/ !/ ¿3=0,18 с | | I ! | ;

Гг/ ' | 1 ! 1 1 1 Г' * : ; 1 ; ■-Ц-;—

1пэ=0.06 С; 1 1 М

Г // Т "ТП" : : 7''

г 1|| 1

Г, с

Рисунок 8 - Переходный процесс перемещения золотника Установлено, что при проектировании сверлящих перфораторов на качество переходного процесса перемещения штока ГЦ фиксации влияют такие параметры,

как АПф, АЭфф, ї¥ГЦф, ^Пщах которые, в свою очередь, определяются

геометрическими параметрами и ходом поршня ГЦ фиксации.

Разработанная модель контура фиксации с использованием безразмерных переменных позволяет рассчитывать и осуществлять сравнительный анализ параметров и характеристик в гидросистемах ЭГСП различных типоразмеров.

Третья глава посвящена идентификации и верификации характеристик сверлящего перфоратора.

При идентификации статических и динамических характеристик оценивается влияние на характеристики ЭГСП случайного разброса стохастического коэффициента неравномерности подачи насоса уд и стохастического коэффициента давления питания у р, что позволяет рассчитывать характеристики

КФ ЭГСП по выражениям в виде области значений характеристик (рисунки 9-12), где центральная кривая соответствует математическому ожиданию характеристики, а крайние кривые отражают влияние на характеристики случайного разброса учтенных в модели стохастических коэффициентов и у .

Уф, м/с

0,015

0,010

0,005

б, м'/с

МО"" 4*10 6*10 8*10 10*10

Рисунок 9 - Располагаемая характеристика насосной станции

й„ , кН

1 2 3 4 5 6 7

ж, м

0,0010]—

0,00060,0004 0,0002 0

Рисунок 10 - Нагрузочная характеристика ГЦ фиксации

>'ф, м

0,05 0,10 0,15 0,20

Рисунок 11 — Переходный процесс перемещения золотника

Рисунок 12 — Переходный процесс перемещения поршня ГЦ фиксации

Разработана и реализована на ЭВМ методика идентификации параметров и характеристик ЭГСП, позволяющая поэтапно проводить идентификацию характеристик аппаратуры для вторичного вскрытия продуктивных пластов.

Разработан экспериментальный стенд для исследования КФ ЭГСП и методика экспериментальных исследований параметров и характеристик ЭГСП.

На рисунке 13 приведена структура работ идентификации параметров и характеристик ЭГСП.

Рисунок 13 - Структура работ идентификации параметров и характеристик ЭГСП

На рисунке 14 приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований времени страгивания ГЦ и фиксации ЭГСП в обсадной колонне. Анализ результатов экспериментальных исследований методами математической статистики показал, что среднее время страгивания ГЦ ?ст = 0,1 с, среднее время фиксации ЭГСП в скважине составляет /ф = 4,6 с (рисунок 15, 16).

Рисунок 14 - Теоретические и экспериментальные исследования времени страгивания ГЦ и фиксации ЭГСП в обсадной колонне

и< = 0,112

3,53,0 2,5 2,0 и 1,0'

т, =4,646

0,5

— і— ■"Л Г. 'Л ■ і

-1 : > .іи

-Т-- —< — V — у: -Ґ-

"х: І! V -. і

_ - ,— А .„¡_. -4- ...

1І7Г - I г Л 1

- -

ь Ді 1 -

—— /н - — — \

- — —1\ Т —

- - _1 ■

4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5,0 5,1 Рисунок 16 — Плотность распределения вероятности времени фиксации ЭГСП

0,1)8 0,69 0,0 0,11 0,12' 0,13 0,14 0,15 0,16

Рисунок 15 - Плотность распределения вероятности времени страгивания ГЦ

Верификация результатов численного моделирования выдвижения штока ГЦ фиксации подтверждает адекватность разработанной математической модели ЭГСП (сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований составляет, в среднем, 95 - 97 %).

В четвертой главе разработана методика моделирования рабочих процессов ЭГСП, позволяющая пользователям варьировать значения исходных данных и на их основе моделировать параметры и характеристики сверлящего перфоратора (рисунок 17).

Моделирование рабочих процессов электрогидраапмчззсго сверлящего перфоратора

Рисунок 17 - Этапы методики моделирования рабочих процессов ЭГСП

Определен перечень исходных, расчетных и варьируемых параметров сверлящего перфоратора, что упрощает расчеты и сокращает время при моделировании рабочих процессов ЭГСП.

Разработана программа расчета параметров и характеристик ЭГСП в специализированном пакете Маріє.

Реализованная на ЭВМ методика моделирования рабочих процессов ЭГСП позволяет учитывать влияние различных внешних и внутренних факторов,

оказывающих существенное воздействие на характеристики сверлящего перфоратора для вторичного вскрытия нефте- и газоносных пластов.

Таким образом, разработана методика моделирования рабочих процессов ЭГСП, направленная на повышение качества проектирования и сокращение сроков доводки технических средств для вторичного вскрытия пластов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведен аналитический обзор методов перфорации скважин и технических средств для вторичного вскрытия пластов, который показал, что из существующих, на данный момент, методов вторичного вскрытия наиболее перспективным, с точки зрения обеспечения эффективной гидродинамической связи продуктивного пласта со скважиной, является сверлящая перфорация.

Анализ существующих сверлящих перфораторов и их технических характеристик позволил выявить основные недостатки сверлящей аппаратуры, к которым относятся большие затраты времени на перфорацию каналов и малая глубина перфорационных каналов, что не позволяет обеспечить высокую производительность и качественную гидродинамическую связь пласта-коллектора со скважиной.

Обзор работ по вопросам проектирования и расчета сверлящих перфораторов показал практически полное отсутствие комплексных теоретических и экспериментальных исследований, необходимых для моделирования рабочих процессов средств перфорации скважин, что также определяет актуальность и необходимость работ, посвященных проектированию и совершенствованию сверлящих перфораторов, а также разработке методики моделирования рабочих процессов перфораторов.

2. На основании анализа технических средств для вторичного вскрытия пластов и их технических показателей разработаны принципиальная и компоновочная схемы перспективного ЭГСП. Предложенные схема и компоновка сверлящего перфоратора, в отличие от существующих схемных решений скважинной аппаратуры, имеют ряд функциональных преимуществ:

- обеспечивают одновременно вращательное и возвратно-поступательное движение бура, тем самым сокращая время перфорации канала в 3 - 10 раз, что увеличивает производительность перфорационных работ;

- способствуют созданию качественной гидродинамической связи пласта-коллектора со скважиной за счет увеличения глубины перфорационных каналов до 200 мм;

- позволяют извлекать сверлящий перфоратор из скважины при отсутствии питания в геофизическом кабеле за счет энергонезависимой системы расфиксации аппаратуры;

- имеют модульную конструкцию, позволяющую минимизировать временные затраты при работе на скважинах разных диаметров.

Разработана математическая модель ЭГСП, позволяющая производить моделирование рабочих процессов гидросистемы ЭГСП с учетом нагрузки на буровом инструменте, люфтов в силовой проводке контура подачи бурового инструмента. По результатам численного моделирования установлено:

-на скорость перфорации существенно влияет нагрузка на буровой инструмент, что, в свою очередь, определяется физическими свойствами перфорируемых пород; при максимально допустимой нагрузке для данного сверлящего перфоратора, равной 12,88 кН, время перфорации одного канала, длиной 0,2 м, составляет менее 100 с;

-допуски на изготовление и сборку аппаратуры, закладываемые при проектировании сверлящих перфораторов, не оказывают существенного влияния на характеристики перфоратора и не приводят к увеличению люфтов сверх допустимого значения при эксплуатации ЭГСП в реальных скважинных условиях.

Разработана модель КФ ЭГСП с использованием безразмерных переменных, позволяющая обеспечивать идентичность параметров и характеристик ЭГСП различных типоразмеров.

3. В ходе идентификации статических и динамических характеристик ЭГСП разработана стохастическая математическая модель, позволяющая рассчитывать характеристики объекта с учетом стохастического разброса параметров гидропривода.

По результатам идентификации статических и динамических характеристик сверлящего перфоратора установлено, что стохастические коэффициенты уд и у оказывают существенное влияние на параметры и переходные процессы ЭГСП: разброс параметров и переходных процессов при учете уд и ур составляет4,5 ... 7 %.

Разработана и реализована на ЭВМ методика идентификации параметров и характеристик ЭГСП, позволяющая проводить идентификацию характеристик аппаратуры для вторичного вскрытия продуктивных пластов.

Разработан экспериментальный стенд для исследования ЭГСП и методика экспериментальных исследований рабочих процессов ЭГСП.

4. Разработана методика моделирования рабочих процессов сверлящего перфоратора, позволяющая повысить качество проектирования и сократить сроки доводки сверлящих перфораторов для вторичного вскрытия пластов.

На основании анализа результатов моделирования рабочих процессов ЭГСП были установлены характеристики исполнительных механизмов:

• выдвижение штока ГЦ фиксации осуществляется не более, чем за 5 с, что позволяет сократить время фиксации скважинной аппаратуры в 3 - 5 раз;

• на скорость перфорации существенно влияет нагрузка на выходе, определяемая, в свою очередь, физическими свойствами перфорируемых пород; установлено, что при максимально допустимой нагрузке и длине канала 0,2 м время перфорации канала занимает менее 100 с;

• частота ударов сверлящего перфоратора составляет 3900 мин"1 при возвратно-поступательном ходе поршня ГЦ ~ 1 мм, число оборотов холостого хода равно 2000 об/мин, что позволяет сократить время перфорации канала от 3 до 10 раз.

Таким образом, разработаны перспективный ЭГСП и методика моделирования рабочих процессов сверлящего перфоратора, содержащая расчеты основных параметров, статических и динамических характеристик сверлящих перфораторов с учетом стохастического характера изменения параметров гидросистемы аппаратуры, позволяющие повысить качество проектирования и сократить сроки разработки и доводки технических средств для вторичного вскрытия пластов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАШ1ЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 25 печатных работ, в том числе 6 публикаций в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК. Получено 2 патента РФ по разработке и совершенствованию конструкций сверлящих перфораторов. Список основных работ по теме диссертации:

В центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК

1. Митягина М. О. Математическое моделирование контура перфорации сверлящего перфоратора с электрогидравлической системой управления / Ш. Р. Галлямов, А. В. Месропян, М. О. Митягина // Вестник УГАТУ: науч. журнал Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. - Уфа, 2011. Т. 15, №4 (44). С. 135-138.

2. Митягина М. О. Математическое моделирование сверлящего перфоратора с электрогидравлической системой и логическим управлением / Л. У. Давлетова, А. В. Месропян, М. О. Митягина // Вестник УГАТУ: науч. журнал Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. - Уфа, 2011. Т. 15, №5 (45). С. 105-112.

3. Митягина М. О. Введение безразмерных переменных при моделировании гидросистемы сверлящего перфоратора / Ш. Р. Галлямов, А. В. Месропян, М. О. Митягина // Вестник УГАТУ: науч. журнал Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. - Уфа, 2012. Т. 16, №2 (47). С. 169-173.

4. Митягина М. О. Разработка сверлящего перфоратора с электрогидравлической системой / Т. Г. Казакова, А. В. Месропян, М. О. Митягина // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности: науч. техн. журнал.-М.: ОАО «ВНИИОЭНГ» 2012. №1,-С. 25-31.

5. Митягина М. О. Методика идентификации параметров и характеристик электрогидравлических сверлящих перфораторов / Ш. Р. Галлямов, А. В. Месропян, М. О. Митягина // Вестник УГАТУ: науч. журнал Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. - Уфа, 2013. Т. 17 №3 (55). С. 138-146.

6. Митягина М. О. К вопросу о повышении качества вторичного вскрытия нефтегазовых пластов электрогидравлическими сверлящими перфораторами / А. В. Месропян, М. О. Митягина // Нефтепромысловое дело: науч. техн. журнал. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ» 2013. №5. - С. 19-23.

7. Митягина М. О. Сверлящий перфоратор с электрогидравлической системой для вторичного вскрытия пластов / Ш. Р. Галлямов, А. В. Месропян, М. О. Митягина: Пат. 2465443 РФ, МПК Е21В 43/11, Заявлено 09.03.2011; Опубл. 27.10.2012. Бюл. № 30.

8. Митягина М. О. Сверлящий перфоратор с электрогидравлической системой и регулировкой угла наклона бура / Л. У. Давлетова, А. В. Месропян, М. О. Митягина. Пат. 2466269 РФ МПК Е21В 43/11, Заявлено 31.05.2011; Опубл. 10.11.2012.

9. Митягина М. О. Сверлящий перфоратор с электрогидравлической системой для вскрытая нефте- и газоносных пластов / М. О. Митягина: Сб. работ инновационных проектов по результатам Всерос. конкурса Инновационный потенциал молодежи 2012. Часть 3, Ульяновск, 2011. - С. 159-168.

10. Митягина М. О. Влияние нелинейности типа «люфт» на переходные процессы сверлящего перфоратора / III. Р. Галлямов, А. В. Месропян, М. О. Митягина, А. Т. Оразов // Динамика машин и рабочих процессов: Сб. докладов Всерос. научно-техн. конф. ЮУрГУ. - Челябинск, 2012. - С. 70-74.

11. Митягина М. О. Математическое моделирование рабочих процессов сверлящего перфоратора / М. О. Митягина // Современные исследования в области естественных и технических наук: междисциплинарный поиск и интеграция / Мат. молод, научно-практич. конф. - Тольятти: ТГУ, 2012.-С. 68-74.

12. Митягина М. О. Основы разработки методики моделирования параметров и характеристик электрогидравлического сверлящего перфоратора / М. О. Митягина // Мат. молод, научно-практич. конф. — Тольятти: ТГУ, 2012. -

Патенты РФ

В других изданиях

С. 98-105.

Диссертант

М. О. Митягина

МИТЯГИНА Мария Олеговна

ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СВЕРЛЯЩИЙ ПЕРФОРАТОР ДЛЯ ВТОРИЧНОГО ВСКРЫТИЯ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ ПЛАСТОВ (РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ)

Специальность: 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 24.05.2013. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 328.

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

Текст работы Митягина, Мария Олеговна, диссертация по теме Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи 04201360364 (^Ц&лу

МИТЯГИНА Мария Олеговна

Специальность 05.04.13 Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, доцент А. В. Месропян

Уфа-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования......................

Степень разработанности темы исследования......

Цель и задачи работы.....................................

Научная новизна работы................................

Теоретическая и практическая значимость работы

Методология и методы исследования.................

Положения, выносимые на защиту....................

Степень достоверности результатов работы.........

Апробация результатов работы........................

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ВТОРИЧНОГО

1.1. Аналитический обзор методов перфорации скважин и технических 11 средств для вторичного вскрытия пластов.................................................

1.2. Аналитический обзор конструктивно-компоновочных схем 26 сверлящих перфораторов для вторичного вскрытия пластов...................

1.3. Аналитический обзор работ по проблемам развития технологий и проектирования технических средств вторичного вскрытия продуктивных пластов................................................................. 29

1.4. Анализ проблемы исследования. Постановка цели и задач............... 29

Выводы по I главе......................................................................... 31

2. РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК СВЕРЛЯЩЕГО ПЕРФОРАТОРА......................

2.1. Геолого-технические условия вторичного вскрытия продуктивных

2.2. Разработка принципиальной и компоновочной схем сверлящего 38

ВСКРЫТИЯ ПЛАСТОВ

пластов сверлящими перфораторами

перфоратора..............................................................................

2.3. Расчет параметров и характеристик сверлящего перфоратора...... 41

2.4. Математическое моделирование сверлящего перфоратора............... 44

2.5. Математическое моделирование сверлящего перфоратора

с использованием безразмерных переменных......................................... 56

Выводы по II главе....................................................................... 64

3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ВЕРИФИКАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕРЛЯЩЕГО ПЕРФОРАТОРА............................................................... 66

3.1. Математическое моделирование сверлящего перфоратора

со стохастическими параметрами..........................................................................................................69

3.2. Статистический анализ параметров и характеристик сверлящего перфоратора........................................................................................................................................................................................75

3.3. Идентификация характеристик сверлящего перфоратора........................................77

3.4. Методика- экспериментальных исследований характеристик сверлящего перфоратора на специализированном стенде..........................................................80

3.5. Методика идентификации характеристик сверлящего перфоратора... 91

3.6. Верификация результатов математического моделирования

сверлящего перфоратора..............................................................................................................................99

Выводы по III главе..............................................................................................................................................102

4. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО СВЕРЛЯЩЕГО ПЕРФОРАТОРА. 104

4.1. Моделирование рабочих процессов контура фиксации сверлящего перфоратора............................................................................... 107

4.2. Моделирование рабочих процессов контура подачи бура сверлящего перфоратора............................................................................... 117

4.3. Моделирование рабочих процессов контура перфорации сверлящего перфоратора............................................................................... 126

4.4. Рекомендации по моделированию рабочих процессов сверлящих перфораторов............................................................................. 135

Выводы по IV главе..........................................................................................................................................137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................139

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 143

Основные сокращения.......................................................................................................................143

Условные обозначения параметров..........................................................................................................144

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................................................................................151

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................................162

ВВЕДЕНИЕ

Потенциальный объем трудноизвлекаемых запасов нефти в России по экспертным оценкам составляет более 60% отечественной сырьевой базы, и их доля непрерывно растет.

Для действующих нефтегазовых месторождений повышение добычи трудноизвлекаемой нефти возможно как за счет наращивания работающего фонда скважин, так и за счет применения эффективных передовых технологий повышения нефтеотдачи пластов. Одним из наиболее перспективных направлений повышения продуктивности нефтегазовых месторождений является совершенствование методов перфорации скважин и технических средств для вторичного вскрытия пластов.

Главной задачей вторичного вскрытия нефтегазоносных пластов является формирование качественной гидродинамической связи между продуктивным пластом и самой скважиной, без негативного воздействия на коллекторские качества призабойной зоны пласта, без нарушения целостности обсадных колонн и цементного кольца. С этой позиции наиболее продуктивно использование сверлящей перфорации. Однако, такой способ перфорации скважин не нашел широкого применения вследствие больших затрат времени на перфорацию каналов и малой глубины перфорационных каналов, что не позволяет обеспечить высокую производительность и ухудшает качество гидродинамической связи пласта-коллектора со скважиной.

Современный этап разработки и совершенствования техники для нефтегазового комплекса сопровождается все большим распространением в составе скважинной

аппаратуры гидроагрегатов, что обуславливается надежностью и компактностью гидрооборудования. Точность прогнозирования параметров рабочих процессов гидравлических машин определяется не только применением передовых конструкторских и технологических решений, но и обоснованностью используемой методики расчета параметров и характеристик гидросистемы на этапе моделирования новой аппаратуры.

Все это определяет актуальность работ в области разработки перспективных электрогидравлических сверлящих перфораторов для вторичного вскрытия нефте-и газоносных пластов и методики расчета параметров и характеристик гидроагрегатов, входящих в состав сверлящих перфораторов.

Степень разработанности темы исследования

Вопросами разработки аппаратуры для вторичного вскрытия продуктивных пластов занимались Андреев В. Е., Батурин Ю. Е., Вадецкий Ю. В., ГноевыхА. Н., Зозуля Г. П., Мищенко И. Т., Филиди Г. Н., Хайрединов Н. III., Щелкачев В. Н., Яруллин Р. К., Douglas Е., Harris М.Н., MeddesR. V., Hinton M.J. и др. Заметный вклад в развитие теории проектирования гидравлических машин и гидрофицированной техники внесли Баранов В. Н., Барышев В. И., Грибков А. М., Захаров Ю. Е., Каверзин С. В., Караханьян В. К., Попов Д. Н., Спиридонов Е. К., Фомичев В. М., Шумилов И. С., Brian R., Keith Е., Kenric Rose, и др.

Цель и задачи работы

Цель работы - разработка и исследование перспективного ЭГСП для вторичного вскрытия нефтегазоносных пластов.

Исходя из цели работы, для ее реализации были определены и решены следующие задачи:

4. Разработка методики моделирования рабочих процессов ЭГСП.

Научной новизной работы являются:

- математическая модель электрогидравлического сверлящего перфоратора, заключающаяся в моделировании статических и динамических характеристик гидроагрегатов, входящих в состав сверлящего перфоратора, учитывающая нагрузку на буровом инструменте, люфты в силовой проводке подачи бурового инструмента, силы трения в элементах гидросистемы перфоратора, позволяющая обеспечивать при разработке необходимые требования к энергетическим характеристикам, к качеству переходных процессов;

- новая принципиальная схема электрогидравлического сверлящего перфоратора по патентам № 2465443, № 2466269, отличающаяся наличием электрогидравлической системы фиксации и подачи бурового инструмента, энергонезависимой системы расфиксации аппаратуры в скважине, модульной конструкцией, позволяющая обеспечить высокую производительность и надежность работы электрогидравлического сверлящего перфоратора в скважине.

Теоретическая и практическая значимость работы

Результаты исследований, разработанная методика моделирования рабочих процессов ЭГСП внедрены в промышленности - Уфимское управление геофизических работ ОАО «Башнефтегеофизика» (г. Уфа), ОАО «УАП «Гидравлика» (г. Уфа), ООО Hl III «Керн» (Уфа) и в учебный процесс УГАТУ (Уфа). Разработанные методика моделирования рабочих процессов сверлящих перфораторов и программные продукты для ее реализации позволяют повысить эффективность этапов проектирования ЭГСП и снизить временные затраты на их доводку и имеют практическую ценность, а именно позволяют:

• определять конструктивные параметры, статические и динамические характеристики ЭГСП при моделировании, проектировании и доводке с целью

повышения качественных и количественных показателей при вторичном вскрытии продуктивных пластов ЭГСП;

Методология и методы исследования

Работа основывается на использовании общепринятых методов исследования гидравлических машин, проведении стендовых испытаний, определении параметров и характеристик гидроагрегатов. Теоретические исследования базируются на научных основах теории гидро- и машиностроения, положений классической и экспериментальной гидромеханики. Использованы численные методы, методы дифференциального, и интегрального исчислений, методы математической статистики и теории вероятностей.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся:

1. Новые принципиальная и компоновочная схемы ЭГСП.

3. Результаты идентификации характеристик ЭГСП и верификации математической модели ЭГСП.

4. Методика моделирования рабочих процессов ЭГСП.

Степень достоверности результатов работы

Степень достоверности научных положений, результатов и выводов, содержащихся в данной работе, подтверждается корректным использованием общепринятых методов исследования гидравлических машин, использованием признанных научных положений, апробированных методов исследования, применением математического аппарата, отвечающего современному уровню, обработкой, обобщением и сравнением результатов экспериментальных исследований с результатами теоретических исследований, апробацией основных положений работы в научных публикациях автора и на научно-технических конференциях.

Апробация результатов работы

Результаты исследований, проводимых при выполнении данной работы, докладывались и обсуждались в ходе выполнении НИОКР по программе Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «У.М.Н.И.К.-2010», на семинарах и конференциях различного уровня: на III Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты» (МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, 2010 г.), на международном инновационном форуме «Селигер-2010», на Всероссийских молодежных научных конференциях «Мавлютовские чтения» (УГАТУ, Уфа, 2010 - 2012 гг.), на молодежной научно-практической всероссийской конференции «Современные исследования в области естественных и технических наук: междисциплинарный поиск и интеграция» (ТГУ, Тольятти, 2012 г.), на 2-й научно-практической школе-семинаре молодых ученых «Поддержка развития внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путем выполнения научных исследований молодыми учеными и преподавателями в научно-образовательных центрах» (ТГУ, Тольятти, 2012 г.).

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ

1.1. Аналитический обзор методов перфорации скважин и технических средств для вторичного вскрытия пластов

Освоение скважины - это особый технологический цикл, который завершает ее строительство. Качество освоения и результаты последующей эксплуатации скважин зависят от того, насколько удается восстановить фильтрационные характеристики продуктивных пластов-коллекторов на стадии первичного и вторичного вскрытия пласта, вызова притока, применения различных методов интенсификации притока из пласта [7].

Задача вторичного вскрытия - создание максимально возможной гидродинамической связи между скважиной и продуктивным пластом без отрицательного воздействия на коллекторские свойства призабойной зоны пласта, без деформаций обсадных колонн и цементной оболочки [21].

Метод перфорации обсадной колонны должен обеспечивать создание перфорационных каналов, позволяющих длительное время и с полной отдачей эксплуатировать продуктивный пласт [11].

По принципу действия технических средств и технологий все методы перфорации скважин можно условно разделить на четыре группы (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Методы перфорации скважин

Одним из первых взрывных методов вскрытия продуктивных пластов была пулевая перфорация, запатентованная в США в 1926 году. Пулевые перфораторы - это короткоствольные пушечные системы, в которых пули разгоняются по стволу п

Похожие работы

Энергетическое, металлургическое и химическое машиностроение
05.04.00