Автоколебательный гидравлический привод имплозионного устройства

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 43Следующая ⇒

Повышение нефтеотдачи, автоколебательный гидропривод,

Имплозионное устройство

Oil recovery enhancement, self-oscillating hydraulic drive, implosion device

UDC 624.042.7

Self-oscillating hydraulic drive of the implosion device. Burian Yu.A., Sorokin V.N., Kapelyuhovski A.A.

A self-oscillating hydraulic drive of the vibropercussion implosion borehole source of elastic waves is studied.. Fig. 5, ref. 5.

настоящее время для воздействия на призабойную зону пласта используются различные скважинные гидравлические вибраторы с широким частотным диапазоном создания перепада давления. Одним из энергонасыщенных источников упругих волн может стать виброударный гидравлический вибратор с автоколебательным приводом, в котором для создания перепада давления используется эффект имплозии [1], [2]. Принципиальная схема такого устройства показана на рис. 1.

Давление рабочей жидкости с устья скважины по насосно-компрессорным трубам (НКТ) подаётся в полости гидроцилиндра 4 через поршень-переключатель 5 по полому штоку 2. При движении поршня 5 из нижнего положения вместе с ним перемещается плунжер 7 имплозионной камеры. Клапан 12 при этом закрыт. В имплозионной камере создаётся разрежение.

После перемещения плунжера выше зоны окон шестискважинная жидкость под действием давления  поступает в имплозионную камеру и движется по ней со скоростью 120 ¸ 150 м/с, создавая гидроудар в зоне перфорации 11 с амплитудой 100 ¸ 120 МПа.

При срабатывании переключателя в поршне 5 движение штока 14 и, соответственно, плунжера 13 периодически повторяется. Импульсы давления воздействуют на нефтеносный пласт, что в итоге приводит к увеличению притока нефти в призабойную зону пласта.

Необходимо особо подчеркнуть, что использование автоколебательного гидравлического привода для подъёма и опускания плунжера имплозионного устройства многоразового действия позволит применять имплозионный генератор ударных волн в наклонных и горизонтальных скважинах.

Схемы подачи давления рабочей жидкости и линии слива поршнем-переключателем для двух направлений движения поршня показаны на рис. 2.

Дифференциальные уравнения движения поршня гидроцилиндра с учетом массы подвижных частей и условия равенства расходов рабочей жидкости и в предположении мгновенного переключения линий давления и слива из-за малости хода золотника переключателя по сравнению с ходом поршня будут иметь вид для схем «а» и «б» (см. рис. 2) [4]:

для положения «а»

                            (1)

для положения «б»

                           (2)

где  – масса подвижных частей;  – площадь сечения полого штока; ;  – площадь сечения цилиндра;  – площадь сечения штока        14 (см. рис.1);  – коэффициент вязкого трения при движении поршня и плунжера;  – площадь дросселя на линии слива;  – объем полости гидроцилиндра; – силы сопротивления из-за нагрузки на шток при движении поршня вниз и вверх соответственно;  – модуль объемной упругости жидкости; – коэффициент расхода.

Если полагать, что  – давление превышения над скважинным давлением и принять, что , а также в первом приближении пренебречь сжимаемостью жидкости и учесть, что уравнение движения штока гидроцилиндра при движении вверх и вниз отличается только величинами  и , то после преобразований вместо дифференциальных уравнений (1) и (2) можно записать следующее:

             (3)

или, вводя обозначения,

получим

,                       (4)

где                                

Представляет интерес дать приближенную оценку периода автоколебаний гидравлического привода с учетом того, что подвод жидкости для его работы производится по полому штоку большой длины (~ 4 м) и малого диаметра отверстия в сечении. Если отыскивать решения дифференциального уравнения (4) раздельно для движения поршня вверх и вниз, то вместо (4) в предположении малости коэффициента вязкого трения «в» можно записать

При движении поршня вверх определяется в основном давлением скважинной жидкости :

,

где  – диаметры плунжера 7 и штока 14 (см. рис.1), а

,

где  – диаметр поршня 5.

При ходе вниз  будет определяться трением в уплотнительных устройствах 3 и сопротивлением  при вытеснении жидкости из имплозионной камеры 13 плунжером 7, а

,

где – диаметр полого штока 2.

Сопротивление для ламинарного течения жидкости в имплозионной камере будет определяться

где проводимость ;  – динамическая вязкость;  – длина имплозионной камеры.

Учитывая малую величину скорости , в первом приближении величиной можно пренебречь. Можно ожидать, что параметры движения автоколебательного гидропривода в значительной степени будут зависеть от коэффициента расхода , который может быть определён для чисел Рейнольдса в пределах 2300 <  < 80000 и диаметре труб  > 6 мм по зависимости [5]:

                                         (5)

где – длина и диаметр отверстия в сечении полого штока;  – объёмный вес жидкости;  – ускорение силы тяжести.

После преобразования выражения (5) величину расхода можно выразить через перепад давления :

                                            (6)

где                            – плотность жидкости.                             (7)

Если ввести обозначения:

то уравнение (4) примет вид

                                               (8)

Интегрирование этого уравнения при  дает зависимость [3], [4]:

                                             (9)

где  – постоянная интегрирования.

Если учесть, что при движении поршня вверх или вниз с значения  то  и для скорости  получим

                                                 (10)

Можно видеть, что при  то есть величина имеет смысл предельной скорости :

                                       (11)

Время  достижения предельной скорости  с точностью 0,5 % [3] можно определить, если учесть, что гиперболический тангенс достаточно быстро стремится к единице (например, th 3 = 0,995):

Легко видеть, что  очень мало (~ 10^-3 с).

По выражениям (7) и (11) можно определить скорость движения плунжера имплозионного устройства  и  соответственно период колебаний:

                       (12)

где   – параметры гидропривода при движении поршня вверх и вниз.

Например, для следующих параметров имплозионного устройства с автоколебательным приводом = 4 м, = 6·10^{-3 м,  = 3,64·10-3 м2},  = 4,9·10^{-4 м2},  = 15 МПа,  = 3·10⁴ H,  = 3·10² H,  = 10 кг, период колебаний  » 19 с.

Решение нелинейного дифференциального уравнения (4) выполнено численным методом с помощью пакета прикладных программ “ Matlab ” с расширением Simulink для тех же, что и вышеперечисленных параметров.

Схема набора в Simulink представлена на рис. 3.

Результат численного решения уравнения (4) с начальным условием  представлен на рис. 4.

Для отладки автоколебательного гидравлического привода спроектирован и изготовлен испытательный стенд, принципиальная схема которого приведена на рис.5.

Результаты длительных испытаний гидравлического привода на стенде при работе на водопроводной воде без очистки показали хорошее (5%) совпадение параметров автоколебаний с теоретическими расчетами и устойчивую работу автоколебательного привода.

Вывод

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что предложенный принцип и конструктивное решение автоколебательного гидравлического привода для скважинных имплозионных устройств может с успехом использоваться в практике повышения нефтеотдачи для вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин.

1. Попов А.А. Ударные воздействия на призабойную зону скважин. – М.: Недра, 1990. – 136 с.

2. Патент RU 2320866. С.2.

3. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики. – М.: Наука, 1983. – Т.2. – 640 с.

4. Бурьян Ю.А., Сорокин В.Н., Капелюховский А.А., Бекшенев А.С. Виброударный автоколебательный генератор. Омский научный вестник № 3(70). – Омск, 2008. – С. 75-78.

5. Бакшта Т.М. Машиностроительная гидравлика. – М.: Машиностроение, 1971. – 771 с.

Сведения об авторах

Бурьян Ю.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Основы теории механики и автоматического управления», Омский государственный технический университет,                  тел.: (3812) 629-092

Сорокин В.Н., д.т.н., профессор, кафедра «Основы теории механики и автоматического управления», Омский государственный технический университет, тел.: (3812) 629-092

Капелюховский А.А., к.т.н., доцент, кафедра «Основы теории механики и автоматического управления», Омский государственный технический университет, тел.: (3812) 629-092

Burian Yu.A., DPhil, professor, Head of Department “Fundamentals of Mechanics Theory and Automatic Control, Omsk State Engineering University, phone: +7(3812)629-092

Sorokin V.N., DPhil, professor, Head of Department “Fundamentals of Mechanics Theory and Automated Control”, Omsk State Engineering University, Omsk, phone: +7 (3812) 629-092

Kapelyuhovslki A.A., Candidate of Technical; Sciences, associate professor, Chair          “Fundamentals of Mechanics Theory and Automated Control”, Omsk State Engineering University, Omsk, phone: +7 (3812) 629-092

(8) Тема 2009-6-102 ДП. Математическое моделирование механизма образования кристаллизационных трещин.

Игнатов А.П., Макаренко В.Д., Шатило С.П., Беляев О.В.

Механизм образования кристаллизационных трещин при центробежном электрошлаковом литье фасонных деталей // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2009. № 6. С. 102 – 108

УДК 659.187.56.001.3

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫХ ТРЕЩИН ПРИ ЦЕНТРОБЕЖНОМ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОМ ЛИТЬЕ ФАСОННЫХ ДЕТАЛЕЙ

Познавательные статьи:



Алгоритмические операторы Matlab

Конструирование и порядок расчёта дорожной одежды

Исследования учёных: почему помогают молитвы?

Почему терпят неудачу многие предприниматели?