автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Теоретические и экспериментальные исследования работы струйных аппаратов на газожидкостных смесях

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМ. И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи УДК 622.276.53.054.23:621.67-83

ДЕМЬЯНОВА ЛЮБОВЬ АНАТОЛЬЕВНА

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СТРУЙНЫХ АППАРАТОВ НА ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЯХ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.15.06 -Разработка и эксплуатация нефтяных

и газовых месторождений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ДРОЗДОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

МОСКВА -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................6

1. Анализ существующих теорий и практики работы струйных аппаратов и постановка задач исследования...........................................8

1.1. Принципиальная схема струйного аппарата...................................8

1.2. Основные этапы истории развития теории и практики применения струйных аппаратов...........................................................12

1.3. Основные задачи исследования.......................................................20

2. Аналитический расчет характеристик струйного аппарата...................22

2 .1. Расчетная схема...........................................................................22

2.2. Вывод уравнения характеристики высоконапорного струйного аппарата.......................................................................25

2.3. Вывод уравнения характеристики низконапорного струйного аппарата.......................................................................34

2.4. Общая методика расчета характеристик струйных аппаратов..................................................................:.....................37

2.4.1. Методика расчета характеристики высоконапорного струйного аппарата........................................................................37

2.4.2. Методика расчета характеристики низконапорного струйного аппарата........................................................................38

2.5. Расчет распределения давления по длине проточной

части струйного аппарата..............................................................40

2.6. Адаптация полученных зависимостей для случая откачки

газожидкостной смеси струей несжимаемой жидкости...................42

Выводы к главе 2.................................................................................44

3. Разработка стенда для испытания гидравлических машин, применяемых в нефтяной промышленности............................................45

3.1. Общая схема стенда для испытания гидравлических

машин...............................................................................................46

3.2. Схема установки для проведения исследований характеристик струйных аппаратов в условиях,

максимально приближенных к скважинным.....................................60

3.3. Оценка погрешностей измерения.................................................63

Выводы к главе 3..................................................................................68

4. Анализ конструкций струйных аппаратов...............................................70

4.1. Рабочее сопло................................................................................70

4.2. Приемная камера...........................................................................73

4.3. Камера смешения..........................................................................74

4.4. Диффузор........................................................................................76

4.5. Выбор оптимального расстояния от среза активного сопла до

входа в камеру смешения при откачке газожидкостной смеси...........77

Выводы к главе 4...................................................................................86

5. Экспериментальные исследования характеристик струйного аппарата при различной длине его проточной части и откачке газожидкостной смеси струей жидкости и сравнение теоретических

значений и экспериментальных данных.........................................................88

5.1 .Исследование влияния пенообразующих свойств

жидкости на характеристики струйных аппаратов..............................89

5.2. Исследование характеристик струйного аппарата при различной длине его проточной части и откачке газожидкостной смеси струей жидкости и сравнение полученных данных с теоретическими значениями.................................................93

5.3.Исследование влияния давления в приемной камере струйного аппарата на его характеристики и сравнение полученных данных с теоретическими значениями..........................106

5.4. Исследование распределения давления по длине проточной

части струйного аппарата и сравнение полученных данных с теоретическими значениями.............................................................127

5.5. Исследование процесса эжектирования струйного аппарата при истечении через сопло газожидкостной смеси....................................135

5.6. Условия переноса полученных экспериментальных данных

на реальные газожидкостные смеси....................................................138

Выводы к главе 5...................................................................................139

6. Разработка способов эксплуатации насосно-эжекгорных систем.............142

6.1. Общая схема эксплуатации насосно-эжекторной системы...........143

6.2. Откачка газожидкостной смеси из нефтяной скважины...............147

6.3. Откачка газожидкостной смеси из трубопровода.........................152

6.4. Снижение устьевого давления добывающих скважин..................154

6.5. Установки для осуществления способа эксплуатации

насосно-эжекторной системы в нефтяных скважинах........................154

Выводы к главе 6....................................................^..............................160

Основные выводы и рекомендации................................................................162

Список используемой литературы..................................................................165

Приложения.....................................................................................................173

ВВЕДЕНИЕ

Струйные аппараты (эжекторы) благодаря простоте, надежности, уникальным техническим возможностям получили широкое распространение на промыслах. Они используются для нефтедобычи, для поддержания пластового давления, для освоения скважин и вызова притока, а в нефтепереработке - для создания вакуума в сепарационных установках. Как видим, область применения струйных аппаратов достаточно широка. Однако ее дальнейшему расширению препятствует то, что многие вопросы работы струйных аппаратов до настоящего времени остаются открытыми. Это касается как теоретических, так и проблем, связанных с экспериментальными исследованиями. В частности, нет уравнений характеристик, учитывающих сжимаемость перекачиваемых флюидов. До сих пор нет единого мнения об оптимальной конструкции проточной части струйного аппарата, перекачивающего газожидкостные смеси. Этому мешает как отсутствие уравнений, позволяющих рассчитывать распределение давления по длине проточной части струйного аппарата при откачке газожидкостных смесей, так и недостаточный объем необходимого экспериментального материала. Мало данных о влиянии присутствия газа в рабочем потоке на характеристики струйного аппарата. Недостаточно проведено исследований в диапазоне параметров, имеющих место в реальных условиях при совместной откачке жидкости и газа. Для проведения таких экспериментов необходимо оборудование, позволяющее моделировать условия, максимально приближенные к условиям эксплуатации. До недавнего времени такой экспериментальный стенд не был создан.

Практически всегда струйный аппарат работает в составе насосно-эжекторной системы. Имеющиеся насосно-эжекторные системы обладают

рядом недостатков. Они либо имеют низкую производительность, либо при высокой производительности не обеспечивают высоких КПД, так как в зоне высоких производигельностей КПД насосно-эжекторных систем минимален. Поэтому весьма актуальным является разработка насосно-эжекторной системы, лишенной вышеперечисленных недостатков.

Учитывая изложенное выше, целью данной диссертации являются теоретические и экспериментальные исследования работы струйных аппаратов на газожидкостных смесях, оптимизация проточной части струйного аппарата для получения высоких КПД на газожидкостных смесях и разработка способов эксплуатации насосно-эжекторной системы, обеспечивающих максимальный КПД ее работы.

Для решения указанных проблем автором получены уравнения характеристик струйного аппарата, учитывающие сжимаемость перекачиваемых флюидов и позволяющих рассчитывать распределение давления по длине его проточной части. Проведены экспериментальные исследования работы струйных аппаратов в различных условиях, а для того чтобы осуществление таких исследований стало возможным, разработан и запатентован стенд для испытания гидравлических машин, применяемых в нефтяной промышленности. Стенд внедрен на ОАО «Лебедянский машиностроительный завод». Теоретические характеристики струйного аппарата, откачивающего газожидкостную смесь, подтверждены экспериментально. Результаты диссертационных исследований приняты к внедрению в НГДУ «Азнакаевскнефть» для утилизации попутного газа с применением насосно-эжекторной установки на ГЗНУ-69 в системе нефтесбора с Чеканского и Ромашкинского месторождений.

Проведенные исследования работы струйного аппарата при откачке газожидкостных смесей позволили установить целый ряд неизвестных ранее закономерностей. На основе обнаруженных эффектов разработаны новые

технические решения, которые та данный момент находятся в стадии патентования и реализации.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕОРИЙ И ПРАКТИКИ РАБОТЫ СТРУЙНЫХ АППАРАТОВ НА ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЯХ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Прежде чем излагать существо проделанной работы, остановимся на основных понятиях, используемых автором по аналогии с предыдущими исследователями.

1.1. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СТРУЙНОГО АППАРАТА

Струйными аппаратами (эжекторами) называются аппараты, в которых происходит смешение и обмен энергии двух потоков разных давлений с образованием смешанного потока.

Среда, находящаяся перед аппаратом при более высоком давлении, называется рабочей средой. Рабочим потоком называется поток рабочей среды. Рабочий поток выходит из сопла в приемную камеру струйного аппарата и увлекает среду, имеющую перед аппаратом более низкое давление и называемую инжектируемой (пассивной). Увлеченный поток называется инжектируемым (пассивным). Как правило, в струйных аппаратах происходит сначала преобразование потенциальной энергии рабочего потока в кинетическую. Кинетическая энергия рабочего потока частично передается инжектируемому потоку. При протекании по струйному аппарату происходит выравнивание скоростей смешиваемых потоков и обратное преобразование кинетической энергии смешанного потока в потенциальную.

Принципиальная схема струйного аппарата представлена на рис.1.1. Основные элементы аппарата: рабочее (активное) сопло 1, приемная камера 2У камера смешения 3, диффузор 4.

Рабочее сопло служит для преобразования потенциальной энергии давления в кинетическую энергию рабочего потока и создания определенной завихренности в струе. Приемная камера служит для подвода инжектируемого потока к струе рабочей среды. Потоки рабочей и инжектируемой сред поступают в камеру смешения, где происходит выравнивание скоростей, сопровождающееся, как правило, повышением давления. Из камеры смешения поток поступает в диффузор, где происходит дальнейший рост давления. Давление смешанного потока на выходе из диффузора выше давления смешанного потока, поступающего в приемную камеру.

Повышение давления инжектируемого потока без непосредственной затраты механической энергии является основным, принципиальным качеством струйного аппарата. Благодаря этому качеству использование струйных аппаратов во многих отраслях техники позволяет получить более простые и надежные технические решения по сравнению с применением механических нагнетателей.

Наибольший интерес для нефтяной промышленности представляют струйные аппараты, предназначенные для эжектирования потока пассивной среды струей рабочей жидкости и последующего их совместного транспортирования. Откачиваемая среда может быть жидкостью, газом, твердым (сыпучим) телом или газожидкостной смесью.

Следует отметить, что в подавляющем большинстве условий эксплуатации, встречающихся на практике, в том числе и в нефтяной промышленности, для работы струйного аппарата необходим насос, нагнетающий жидкость под давлением в сопло струйного аппарата

Рис. 1.1. Принципиальная схема струйного аппарата 1 - рабочее сопло, 2 — приемная камера, 3 - камера смешения, 4 - диффузор.

При этом струйный аппарат и насос, работающие совместно, будут образовывать насосно-эжекторную систему. При всем многообразии существующих сегодня насосно-эжекторных систем можно выделить три группы принципиальных схем их компоновки, различающиеся по степени использования потока рабочей жидкости /21/. К первой группе относятся системы, в которых полезно используется лишь пассивный поток. Ко второй - те, в которых помимо пассивного потока частично используется и рабочий поток. К третьей - те, в которых рабочий поток используется полностью.

В зависимости от того, в какой степени используется потребителем рабочий поток, КПД струйного аппарата в составе насосно-эжекторной системы 7 будет иметь различные значения. Согласно /21/ величина т] определяется как

П = (Кас + гЫакт) /Ллолн 0■ I)

где N„00- мощность, полученная пассивным потоком,

- остаточная мощность рабочего потока на выходе из струйного аппарата,

Лин - полная мощность, затраченная рабочим потоком, г - коэффициент использования рабочего потока.

Значения г могут меняться от 0 до 1. Очевидно, что наивысшие значения КПД насосно-эжекторной системы достигаются в тех случаях, когда полезно используется весь рабочий поток, т.е. г - 1. При частичном использовании рабочего потока значения КПД снижаются, а при полезном использовании только пассивного потока величины 77 будут самыми низкими. Согласно оценке /21/ КПД струйного аппарата, работающего на однородной жидкости при полезном использовании только пассивного потока составляет 27.5%, тогда как в составе системы может достигать 52.5% при том же самом коэффициенте инжекции. Таким образом, за счет

полного использования потока рабочей среды КПД струйного аппарата увеличивается почти в два раза.

1Л. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРИМЕНЕНИЯ СТРУЙНЫХ АППАРАТОВ.

Еще в 60-х годах 18-го века Ж.Б.Вентури был создан первый струйный аппарат для осушки болот вблизи г. Модена в Северной Италии /58/. Спустя век англичанином Джеффером была разработана технологическая схема подачи вода в паровой котел с помощью инжектора, где рабочим агентом была часть пара, производимая паровым котлом. Аналогичная идея была высказана и Ренкиным (Глазго) примерно в это же время.

Однако теоретическое обоснование процессов струйных аппаратов различного назначения было дано Г.Цейнером /87, 88/ в начале нашего века. Его работы стали основой последующих исследований. Им были получены зависимости для определения приращения давления в камере смешения, используя уравнения количества движения и зависимости для определения полной потери энергии при смешивании двух потоков с известными параметрами. Однако отсутствие рекомендаций по выбору оптимальных геометрических параметров струйных аппаратов и расчету их энергетических характеристик не позволило применить данные зависимости для практических целей.

Л.Бержерон /70/ и НЛ.Тиме /59/ в 80-х гг. 19 века получили зависимости для параметров смешивающихся потоков, позволяющие определять условия, при которых потери в струйном аппарате будут минимальны. Н.А. Тиме впервые изучал процесс смешения двух потоков в предположении его аналогии удару двух неупругих тел. Им же впервые было отмечено существенное влияние положения активного сопла относительно

камеры смешения на режимные параметры струйного аппарата. Однако результаты экспериментов имели заметное расхождение с теоретическими значениями в сторону уменьшения, что автор объяснял как следствие влияния сил трения жидкости в камере смешения.

Эжекторные насадки для увеличения тяги реактивного сопла впервые предложил русский ученый Готвенд в 1886 г. Примерно в это же время в России начали применять гидроэлеваторы при добыче золота (автор МА.Шестак). Отметим, что все применяемые конструкции струйных аппаратов основывались на принципиальной схеме, предполагающей наличие трех обязательных элементов: активного сопла, конфузора и диффузора. При этом оставалось противоречие между расчетами по методикам, основанным на теории Г.Цейнера, рассматривающим процесс смешения потоков в цилиндрическом канале и конструкциями рассчитываемых струйных аппаратов, в которых отсутствовали цилиндрические камеры смешения.

В 40-гг. нашего века в СССР появляется значительное количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению струйных аппаратов. В 1930 г. выходит работа В.МГончарова /8/, в которой впервые дано объяснение процессов, происходящих в струйных аппаратах, основанное на теории свободной турбулентной струи. В данном направлении проводились также исследования К.М.Леонтовичем /34/ и Н.А.Ржанициным /52/.

В 1931 г. К.К.Баулиным /4/ была предложена схема струйного аппарата, дополнительно снабженного цилиндрическим участком, размещенным между конфузором и диффузором. Данное усовершенствование было вызвано необходимостью выравнивания скоростей н�