Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методов расчёта центробежных газосепараторов при эксплуатации ЭЦН в условиях высокого газового фактора

ВАК РФ 25.00.17, Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Разработка методов расчёта центробежных газосепараторов при эксплуатации ЭЦН в условиях высокого газового фактора"

На правах рукописи

ВОЛКОВ МАКСИМ ГРИГОРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЁТА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ГАЗОСЕПАРАТОРОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЦП В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГО ГАЗОВОГО ФАКТОРА

Специальность 25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

6 ДЕК 2012

005056627

Уфа-2012

005056627

Работа выполнена в ООО «РН-УфаНИПИнефть» и на кафедре «Химическая кибернетика» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Умергалин Талгат Галеевич, заведующий кафедрой «Химическая кибернетика» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Официальные оппоненты: Хисамутдинов Наиль Исмакзамович,

доктор технических наук, профессор, НПО «Нефтегазтехнология», директор;

Ахтямов Марат Мирзаевич,

кандидат технических наук,

ООО «Башнефть-добыча»,

зам. начальника Туймазинского цеха ППД.

Ведущее предприятие: Государственное унитарное предприятие

«Институт проблем транспорта энергоресурсов» Республики Башкортостан.

Защита состоится 25 декабря 2012 года в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан 24 ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ямалиев Виль Узбекович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время более 70 % нефти месторождений РФ добывается погружными центробежными насосами. Добываемая жидкость представляет собой смесь различных углеводородов (в том числе лёгких, т.е. газообразных) и воды, в которой также растворены газы: азот, диоксид углерода и др. Растворимость газов уменьшается при уменьшении давления, поэтому, когда добываемая жидкость проникает из пласта в скважину, растворённый газ выделяется в виде пузырьков.

Погружные центробежные насосы недостаточно эффективны для перекачивания газожидкостных смесей (ГЖС) с большим содержанием свободного газа, поэтому всё чаще УЭЦН оснащаются газосепараторами (ГС) или мульти-фазными насосами. Однако, использование мультифазных насосов позволяет достигнуть требуемых результатов лишь при малом и среднем газосодержании и невысокой обводнённости добываемой продукции. В этой связи, основным способом повышения эффективности работы центробежных насосов является применение центробежных газосепараторов. Отделение газа от жидкости основано на разности их плотностей. Газ скапливается вблизи оси газосепаратора и выводится в затрубное пространство, жидкие фракции отбрасываются центробежными силами к стенкам корпуса газосепаратора и направляются в нефтяной насос. Рабочий процесс центробежных газосепараторов определяется его рас-ходно-напорными и сепарационными характеристиками, позволяющими определить предельные значения подачи жидкости, превышение которых может привести к ухудшению сепарационных характеристик устройства и скважинно-го насоса.

Сопоставление подачи ЭЦН с расходно-напорной характеристикой газовых сепараторов является основанием, позволяющим подобрать эффективный режим работы системы газосепаратор - ЭЦН, обеспечивающий требуемые эксплуатационные показатели. Сепарационные характеристики в виде зависимостей остаточного содержания нерастворённого газа и коэффициента сепарации

как функции подачи жидкостной фазы или объёмного газосодержания на входе в газосепаратор служат для оценки степени деградации расходно-налорной характеристики ЭЦН по газу.

Определение этих характеристик центробежных газосепараторов путём стендовых испытаний дорого и трудоёмко. В каталогах производителей газовых сепараторов эти показатели отсутствуют. Поэтому разработка методик получения рабочих характеристик центробежных газосепараторов в осложнённых условиях эксплуатации скважин с УЭЦН является актуальной задачей.

Цель работы. Повышение эффективности эксплуатации системы ЭЦН -газосепаратор за счёт регулирования условий формирования ГЖС в соответствии с разработанными методиками расчётов. - В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка математической модели расчёта напорных характеристик нагнетателей центробежных газовых сепараторов, позволяющих уточнить технологический потенциал добычи ГЖС механизированным фондом скважин, путём оценки степени деградации напора УЭЦН при работе с высоким газосодержанием;

- уточнение газосодержания на приёме ЭЦН и коэффициента сепарации центробежного газосепаратора путём моделирования траектории пузырьков газа в поле центробежных сил лопаточной центрифуги, с последующим сопоставлением расчётных характеристик центробежных газосепараторов с известными результатами стендовых испытаний;

- разработка математической модели и методики расчёта процесса искусственного укрупнения пузырьков газа в лопастном колесе УЭЦН, уточнение коэффициента сепарации ГС;

- разработка и апробация компьютерной программы для мониторинга параметров работы механизированного фонда скважин в рамках информационной системы «11о5пеЙ:-\Уе11'У1е\у».

Научная новизна

1 Уточнены границы перехода газожидкостных структур в межлопаточном канале импеллера, используемого в виде ступени центробежного насоса, от «пузырькового» режима течения к «переходному» и от «переходного» к режиму течения с «устойчивой газовой каверной». Впервые предложен метод расчёта гидравлических потерь в межлопаточных каналах пшекового колеса и уточнён алгоритм, позволяющий оценить деградацию расходно-напорных характеристик ЭЦН вследствие наличия в добываемой продукции газа.

2 Уточнён коэффициент сепарации газа из жидкости в УЭЦН и остаточного объёмного содержания газа в ЭЦН моделированием движения пузырьков газа в поле центробежных сил с учётом вязкости и дисперсности ГЖС.

3 Впервые разработана математическая модель и методика расчёта процесса генерирования и искусственного укрупнения пузырьков газа за каверно-образующим колесом центробежных газосепараторов, позволяющие количественно оценить степень дисперсности ГЖС перед лопаточной центрифугой УЭЦН.

Практическая ценность

Создан и апробирован на месторождениях нефти, эксплуатируемых ОАО «НК «Роснефть», программный комплекс «Rosneft-WellView», реализующий разработанные методики расчёта эксплуатационных параметров центробежных насосов, оснащённых сепараторами (Роспатент, свидетельство № 2011610974 от 21.01.11 г.). Это позволило повысить эффективность процессов мониторинга и оптимизации режимов работы фонда скважин с УЭЦН на месторождениях ООО «РН-Юганскнефтегаз».

Апробация работы

Содержание диссертации докладывалось на «Intelligent Energy Conference and Exhibition held in Amsterdam, the Netherlands, 02.2008, 4-ой всероссийской научной конференции «Теория и практика массообменных процессов химической технологии (Марушюшские чтения)» (Уфа, 2011), пятой научно-практической конференции «Математическое моделирование и компьютерные

технологии в процессах разработки месторождений, добычи и переработки нефти» (Уфа, 2012).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 работы в рецензируемых изданиях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и списка использованных источников из 85 наименований. Изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 95 рисунков, 3 таблицы и 2 приложения общим объёмом 2 страницы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность, приведены научная и практическая ценность диссертационной работы, цель и задачи исследований.

В первой главе показано, что в процессе эксплуатации УЭЦН зачастую возникают нестабильные режимы их работы, следствием чего являются сбои в добыче нефти. Существуют три основных подхода к диагностике состояния погружного насосного оборудования: моделирование работы УЭЦН; анализ закономерностей динамических эксплуатационных данных (токовые сигналы, показания погружной телеметрии, анализ типичного поведения УЭЦН в различных ситуациях); определение статистических корреляций прогноза состояния УЭЦН. На основании анализа значений входного тока погружных электродвигателей (ПЭД) выделяют пять режимов работы УЭЦН: нормальный, влияние газа, периодический со срывами подачи, подклинка, режим нестабильного питания.

Анализ проблемных областей эксплуатации УЭЦН свидетельствует, в частности, о существенной роли влияния на нестабильность работы УЭЦН процесса сепарации газа в скважинах, в связи с чем актуальны вопросы исследования применения газосепараторов УЭЦН, методов расчёта протекающих в них гидродинамических процессов.

Представлен аналитический обзор известных конструктивных схем погружных газосепараторов отечественных и зарубежных производителей. Отме-

чена перспективность конструктивной схемы газосепаратора нового поколения, разработанная сотрудниками РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, направленной на повышение эффективности сепарации газа в скважинах с мелкодисперсной структурой ГЖС. Повышение коэффициента сепарации у центробежного газосепаратора нового поколения достигается за счёт введения в его конструктивную схему кавернообразующего колеса. Кавернообразующее колесо позволяет искусственным путём увеличить размер пузырьков газа в ГЖС перед центробежной камерой сепарации. Кроме того, представлен обзор методов расчёта параметров основных конструктивных элементов погружных газосепараторов: в лопаточном нагнетателе шнекового или центробежного типов и в центробежном фазовом разделителе.

Значительный вклад в развитие концепции центробежного фазоразделе-ния и разработку расчётных методик газожидкостных течений в лопаточных нагнетателях и в центробежном фазовом разделителе ранее был внесён Грянко Л.П., Дроздовым А. Н., Игревским В. И., Ломакиным A.A., Ляпковым П.Д., Петровым В.И., Пфлейдерером К., Степановым А.И., Чебаевским В.Ф., Alhanati F.J.S., Harun A.F., Sun D., и другими исследователями.

Подводя итог аналитическому обзору существующих подходов в моделировании газожидкостных течений в рабочих узлах центробежных газовых сепараторов можно утверждать, что методики расчёта процесса укрупнения пузырьков газа в кавернообразующем колесе на сегодняшний день отсутствуют, а методики расчёта расходно-напорных характеристик шнековых и центробежных нагнетателей требуют дальнейшей разработки и совершенствования.

Во второй главе приведены двухфазные гидродинамические модели шнекового и центробежного нагнетателей газосепараторов, позволяющие рассчитать не только их расходно-напорные характеристики, но и оценить степень деградации под влиянием газа.

Математическая модель шнекового нагнетателя включает в себя уравнение для расчёта его расходно-напорной характеристики в виде:

Нт=1-М т«т ~ ЪНуЬарн.т ~ АКР.т , . (1)

где ц. - коэффициент Пфлейдерера для осевых насосов, учитывающий потери напора от «недокрутки» потока в межлопаточном канале шнека из-за инерционных свойств жидкости; Н^ют - теоретический напор, м; АИу^арИт -

ударные потери напора, м; АЬтр т - гидравлические потери напора, м.

Теоретический напор шнека определяется по модифицированному для двухфазного течения уравнению:

-л-2 г>2 И - Р п2 Гсот_3600^

п, (2)

где Рт - площадь межлопаточных каналов шнека в меридиональном сечении, м2; £>р - расчётный диаметр, м; и - обороты входного вала газосепарато-

о л йь

ра, об/мин; р2 - У1™1 наклона лопатки на выходе из шнека, ; а£ = —-——

6ь +

объёмное содержание жидкости в ГЖС без учёта проскальзывания фаз; - объёмные расходы жидкости и газа, соответственно, м3/с; - окружная составляющая абсолютной скорости у передних кромок лопаток шнека, рассчитанная по эмпирической зависимости Чебаевского В.Ф.

Ударные потери напора в шнековом колесе, работающем на ГЖС, определяются как:

А=у

таФ,

60

_б0& Ъ. (3)

где у - коэффициент Пфлейдерера, учитывающий потери напора от удара жидкости о передние кромки лопаток; Rf - коэффициент, учитывающий сжимаемость газа, А - высота лопатки шнека, м.

Снижение напора шнекового колеса за счёт гидравлических потерь определяется соотношением:

f ГШ2

г Jmpm'-", т , .

и=(4)

где /трт - коэффициент гидравлического трения ГЖС, учитывающий влияние геометрии проточного канала и его вращение; Ь - длина проточного канала, м; с!^ - гидравлический диаметр, м; Жт - средняя скорость ГЖС, м/с.

В разработанной математической модели шнекового нагнетателя потери напора рассчитываются для гомогенного двухфазного течения, а не задаются в виде эмпирических коэффициентов как в расчётах Чебаевского В.Ф. Предложенный подход позволил перейти от эмпирической к механистической двухфазной модели шнекового нагнетателя. Математическая модель центробежного нагнетателя включает в себя также известные дифференциальные уравнения неразрывности и количества движения для жидкой и газообразной фаз, вид которых был получен в рамках проекта по механизированной добыче ГЖС 71/-АЬР, университета г. Талса (США).

В уравнении количества движения данных уравнений сила трения между жидкой и газовой фазой определяется из выражения:

(5)

° гмео/сфаэ

где гмежфт - межфазовая характеристическая длина, м; Сй - коэффициент гидравлического сопротивления пузырька газа; - истинное объёмное содержание газовой фазы; - действительные скорости жидкости и газа, соответственно, м/сек; р£ - плотность жидкости, кг/м3.

Существенным отличием предложенной модели от прототипа является то, что при расчёте величины Са / гмежфаз границы режимов течения определяются не по эмпирическим значениям, справедливым только для узкого диапазона типоразмеров центробежного колеса, а по уравнению, полученному из ба-

ланса сил, действующих на пузырёк газа в межлопаточном канале рабочего колёса любой геометрии.

Согласно принятому допущению, в качестве основных сил, действующих на пузырёк газа в межлопаточном канале центробежного рабочего колеса рассмотрены сила инерции и сила от радиального градиента давления (рисунок 1).

, г

Линия тока 5

Рисунок 1- Схема баланса сил, действующих на пузырёк газа в межлопаточном канале радиального рабочего колеса

Проекция силы инерции на линию тока имеет вид:

т„02г

(6)

31п(/?) '

где тр — р^ор - масса пузырька газа, кг; г — радиальная координата траектории пузырька газа, м; ор - объём пузырька газа, м3; р = агссоз(соз(рА)соБ(у)) -угол наклона лопатки, р - угол наклона лопатки в радиальном направлении, у - угол наклона лопатки к оси вращения колеса, а - угловая скорость вращения рабочего колеса, с"1; р^ - плотность газа, кг/м3.

Проекция силы от радиального градиента давления жидкости на линию

тока (—, Па/м) представлена в виде: Л•

г **

2 5ш(/0 {¡г '

Тогда с учетом следующих допущений:

- рабочее колесо вращается с постоянной угловой скоростью со = const;

- жидкость движется от центра к периферии рабочего колеса;

- жидкость несжимаемая;

- пузырёк газа имеет правильную сферическую форму,

функция объемного газосодержания из уравнения баланса сил (Fj = F2 ), действующих на пузырёк газа в межлопаточном канале рабочего колеса, будет иметь вид:

Г i*> \<1D'V v'-V Vм 5/6 12

п 171-Л11 I tr \ n 1 i

18д,

Я" UJ 1

Pg

4Re)2(l-as,)sk(/?J

Pl\ Tfit j-Pgr,a? -fL

5/6

1

— а ■ —

Ъ

(8)

где - объемное газосодержание, м3/м3; а,Ь - соотношения, полученные эмпирически; ^(Яе)- эмпирическая функция от числа Рейнольдса; коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; цт - динамическая вязкость ГЖС, Па с; fL - коэффициент гидравлического трения, учитывающий влияние поперечной кривизны, формы поперечного сечения канала и его вращения; йн гидравлический диаметр по жидкой фазе, м; рт - плотность ГЖС, кг/м3.

Относительная подача жидкости, О^т» А Эксперимент —Предложенная модель.......Модель Дюрана |

Рисунок 2 - Сопоставление расчётных (по разработанной методике и по Дюра-ну) и экспериментальных данных на 1ранице «пузырькового» и «переходного» режимов течения (СЬ. и (Зтах - расход через газосепаратор текущий и максимальный, соответственно)

Для расчёта границы между пузырьковым и переходным режимами течения в межлопаточном канале центробежного рабочего колеса необходимо в уравнении (8) задать следующие граничные условия: а^ = =0,15; г,- = г2 и

Д = Р2, которые соответствуют балансу сил, действующих на пузырёк газа, при котором в области периферии рабочего колеса скорость проскальзывания газа становится равной скорости течения жидкости (рисунок 2).

При граничных условиях в виде а^ = а^ = 0,2; ^ = г, и Д = Д, уравнение (8) позволяет рассчитать границу между «переходным» режимом течения газожидкостной смеси и течением с «устойчивой газовой каверной». Данные граничные условия получены из уравнения баланса сил, действующих на пузырёк газа, когда на входе в рабочее колесо скорость проскальзывания фаз становится равной скорости течения жидкости (рисунок 3).

0,5

| А Эксперимент-Предложенная модель...... Модель Дюрана

Рисунок 3 - Сопоставление расчётных (по разработанной методике и по Дюра-ну) и экспериментальных данных на границе «переходного» режима течения и режима «с устойчивой газовой каверной»

На рисунках 2 и 3 показана степень согласованности расчётных кривых, полученных по усовершенствованной механистической методике в виде функции "к? = /('•,(3,а,и,а,()я,()1/б,шх,,рг,,а?) и по эмпирической методике Дюрана = /(б£/бтах), с экспериментальными данными для центробежной ступени марки «СептНй».

Для анализа точности построенных расходно-напорных характеристик шнекового нагнетателя центробежного газосепаратора на рисунках 4 и 5 приведено их сравнение с экспериментальными характеристиками шнекового нагнетателя газосепаратора фирмы «Сеп1:гШй» и двухступенчатого (центробежная ступень с предвключенным шнеком) нагнетателя газосепаратора ГСА5-4 при различном объёмном содержании газа на входе Рвх. Установлено, что погрешность определения не превышает 5 %.

Относительная подача жидкости, 0,/ат„

Подача жидкости, м3/сут

—♦— Эксперимент- Ьейа вх=0 -Ьейа вх=0,1

---Ьейа вх=0,2-- ■ Ьейа вх=0,3 -Ьейа вх=0,4

Рисунок 4 - Расчётные расходно-напорные характеристики шнекового нагнетателя газосепаратора фирмы «СегйгШй» при различном объёмном содержанием

газа на входе Рет

Подача жидкости, м/сут

-Ьейа вх=0 ■ Эксперимент

--Ьейа вх=0,1 ---Ьейа вх=0,2

-—ЬеИа вх=0,3

Рисунок 5- Расчётные расходно-напорные характеристики первой и второй ступени нагнетателя газосепаратора ГСА5-4 при различном объемным содержанием газа на входе

В третьей главе представлены результаты исследования гидродинамических процессов в сепарационной секции газового сепаратора. Приведён обзор известных конструктивных схем лопаточных центрифуг центробежного газово-

го сепаратора, численное исследование гидродинамической структуры течения жидкой фазы в межлопаточных каналах цешрифуг.

Для расчёта поля скоростей в межлопаточном канале центрифуги (продольной и и радиальной V скорости жидкости) используются уравнения количества движения Навье-Стокса в двухмерной постановке в криволинейной системе координат. Поля продольных скоростей и = /(х,у), поперечных V - /(х,у) и давлений Р = /(х,у) рассчитываются с использованием метода конечно-разностной аппроксимации.

Разработанная методика расчёта коэффициента сепарации газового сепаратора Кс основана на принципе математического моделирования траекторий движения пузырьков газа в поле центробежных сил, создаваемых лопаточной центрифугой.

Считая, что в межлопаточном канале центрифуги течение установившееся, уравнение баланса сил, действующих на пузырёк газа, будет иметь вид:

0, (9)

где - сила гидродинамического сопротивления в ради-

„ „ п ¿Р

альном направлении, Н; = -Ва ---сила, вызванная воздействием центро-

4у

бежных сил, Н; объём пузырька газа, м3; А, - площадь поперечного сечения пузырька газа, м2; вектор скорости проскальзывания, м/с; — - гради-

4У

ент давления от центробежных сил, Па/м.

Из уравнения (9), с учётом выражения Стокса для расчёта С^ получается уравнение поперечной скорости проскальзывания пузырька газа в виде:

V

" 18 Ц£ф'

где с1р - диаметр пузырька газа, м; ц£- динамическая вязкость жидкости,

Па-с.

В продольном (вертикальном) направлении на пузырёк газа было учтено действие следующих сил:

^+Р6+Ре+Рр= О, (И)

где = ~)^Сс!р1Ари!2\91\ - сила гидродинамического сопротивления, Н;

Ръ = В- выталкивающая сила, Н; Fg = -Ва- сила тяжести, Н;

т? в аР и г. = —Ва--сила, вызванная наличием продольного градиента давления, Н.

* ах

Ар -площадь поперечного сечения пузырька газа.

После ряда преобразований уравнения (11) было получено уравнение для продольной составляющей скорости проскальзывания пузырька газа:

=

. ,, , ар

(12)

12 А^

Таким образом, уравнение для расчёта траектории движения пузырька газа имеет вид:

4у _ у+Уу (13)

{¿С и +

В качестве примера на рисунке 6 представлены расчётные траектории движения пузырьков газа в межлопаточных каналах лопаточной центрифуги для мелкодисперсной ГЖС. Из представленных данных следует, что существует чёткая граница разделения пузырьков газа на сепарируемые и несепарируе-мые, в зависимости от расстояния между точкой входа пузырька газа и оси вращения центрифуги газосепаратора.

0,018 0,016 0,014

I 0,012

I 0,01

о

г о,оо8

о

| 0,006 0,004 0,002 0

0,0005 0,013 0,0255 0,038 0,0505 0,063 0,0755 0,088 0,1005 Длина лопатки, м

Рисунок 6 - Расчётные траектории движения пузырьков газа в межлопаточном канале центрифуги при с1р~ 6 мкм, Qн - ()ж =0,00063 м3/с и = 0,2

Если допустить, что пузырьки газа равномерно распределены на входе в лопаточную центрифугу (рисунок 7), а траектории движения пузырьков газа определены расчётным путём, то известное выражение для определения коэффициента сепарации газа Кс может быть представлено в усовершенствованном (второй многочлен равенства) виде:

2_ _ А] -б?,2

г '

(14)

где -вез объемный расход отсепарированного газа (в затруб), м /с; + объемный расход всего газа, м3/с; - диаметр определяющий в начальном сечении центрифуги границу области пузырьков газа, сепарируемых в затрубное пространство, м; - диаметр ступицы центрифуги, м; с12 - диаметр внешних кромок лопаток центрифуг, м.

В насос В зпруб

О о

Торцевой распределите»

Ротор лопаточной центрифуги

Рисунок 7- Расчётная схема сил действующих на пузырёк газа в межлопаточном канале центрифуги в вертикальном и горизонтальном направлении

Анализ расчётных траекторий движения пузырьков газа в межлопаточном канале лопаточной центрифуги позволил выявить следующую зависимость для аналитического расчёта уравнения (14):

Ш71

(071

г

«Ни

(15)

где г - число лопаток центрифуги, ед.

Полученная аналитическая зависимость для расчёта коэффициента сепарации центробежного газосепаратора Кс зависит не только от дебита жидкости, частоты вращения вала, объёмного содержания газа на входе, но и от степени дисперсности ГЖС.

Для качественной и количественной оценки погрешности предложенной методики было проведено сравнение расчётных и экспериментальных характеристик на примере газосепаратора марки ГСА5-1 (рисунок 8). Из представлен-

ных на рисунке 8 данных очевидна удовлетворительная сходимость расчётных рабочих характеристик центробежного газосепаратора (ГСА5-1) с известными результатами стендовых испытаний.

Рисунок 8 - Сравнение расчётных и экспериментальных значений коэффициента сепарации Кс в зависимости от входного газосодержания для мелкодисперсной {йр = 6 мкм) и грубодисперсной ГЖС (с1р = 106 мкм)

В четвёртой главе представлены результаты исследования процесса образования газовых каверн при добыче жидкости скважин УЭЦН с применением известных конструктивных схем кавернообразующего колеса центробежных газосепараторов.

Конструктивный узел центробежного газового сепаратора, обеспечивающий искусственное укрупнение пузырьков газа, чаще всего представляет собой ступень насоса осевого типа. Лопатки осевого колеса профилируются для создания «срыва потока». Такое лопастное колесо на малых подачах и при больших углах атаки набегающего потока создаёт за задней кромкой лопаточного профиля зону пониженного давления (разрежения) - осевое колесо суперкави-тирующего типа. Пузырьки газа, проходя через межлопаточный канал осевого колеса и попадая на выходе в зону разрежения, расширяются. К задней кромке лопастного профиля кавернообразующего колеса присоединяется лопастная центрифуга. Укрупнённые за счёт расширения в зоне низкого давления пузырь-

ки газа попадают в центробежное поле лопаточной центрифуги и отжимаются к поверхности ступицы лопаточного барабана. Далее, двигаясь по межлопаточному каналу центрифуги, и попадая в зону повышенного давления, пузырьки газа сжимаются и приобретают свои первоначальные размеры. Центробежные силы не позволяют мелким пузырькам газа изменить траекторию, поэтому весь газ, сконцентрированный вдоль поверхности ступицы лопастной центрифуги, поступает в затрубное пространство через торцевые отверстия.

Перепад давления на кавернообразующем колесе определяется как разность теоретического напора и потерь давления на удар и сужение потока:

дР = Р2= р£1Г2и-1Г2и)~ АРу^ - АРссуж, (16)

где окружные составляющие относительной скорости на входе и

Г тг. Л

1-Га

. Ки

Рь

~ - ударные потери

выходе из лопастного колеса, м/с; ЛР^щ, =

„ АО (1-а1/й])р£Ж12" давления, Па; АРссуж - --^— 2--потеРи давления на сужение потока

на входе в межлопаточный канал, Па; ах - ширина канала, м; \ - высота канала, м; - теоретическая осевая составляющая скорости, м/с; 171 - окружная составляющая скорости на входе в колесо, м/с; ' - фактическая осевая составляющая скорости, м/с; Щ " - фактическая относительная скорость на входе в колесо, м/с.

Для определения радиуса пузырька газа Кп2 на выходе из кавернообра-зующего осевого колеса нами предложено уравнение статического равновесия пузырька газа в виде:

где Рх - давление на входе в кавернообразующее колесо, Па; радиус пузырька газа на входе в кавернообразующее колесо, м; 2х,2г-Ъ — фактор на

входе и выходе из колеса; - относительная плотность газа; ст^ - коэффициент поверхностного натяжения на границе жидкость-газ, Н/м.

Разработанные методики позволяют получить не только качественную характеристику процесса искусственного укрупнения пузырьков газа, но и проводить предварительную оптимизацию геометрических параметров кавернооб-разующего осевого колеса. Как отмечено выше, сопоставление расчётных и экспериментальных данных газосепараторов ГСА5-4 и фирмы «СепЫНЙ» показало удовлетворительную сходимость для производственных расчётов.

Логическим завершением диссертационной работы стала разработка программного комплекса «11о5пей-\Уе11\Че\у», включающего в себя разработанные математические модели и алгоритмы. Комплекс позволяет осуществлять удалённую диагностику оборудования, оценку рисков проведения мероприятий по увеличению дебетов добывающих скважин с использованием алгоритмов искусственного интеллекта в составе системы удалённого мониторинга и управления УЭЦН.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Разработаны математическая модель и методика расчёта расходно-напорной характеристики для различных моделей ступени ЭЦН для системы газ-жидкость, заменой коэффициентов эмпирического типа на новое феноменологическое выражение в виде многопараметрической функции для расчёта границ перехода газожидкостных структур в межлопаточном канале импеллера от «пузырькового» режима течения к «переходному» и от «переходного» к режиму течения с «устойчивой газовой каверной».

2 Проведено численное моделирование процесса сепарации пузырьков газа в поле центробежных сил лопаточной центрифуги газосепаратора. Анализ расчётных траекторий движения пузырьков газа в межлопаточном канале позволил получить аналитическую зависимость для оценки коэффициента сепарации центробежного газосепаратора с учётом дисперсности ГЖС (размеры пузырьков от 10 до 100 мкм).

3 Установлена удовлетворительная сходимость расчётных рабочих характеристик центробежного газосепаратора (ГСА5-1) с известными результатами стендовых испытаний, что подтверждает возможность применения разработанного метода для проведения инженерных расчётов при работе с различной степенью дисперсности ГЖС - как для грубодисперсной (средний замеренный диаметр пузырьков газа составлял dp= 106 мкм), так и мелкодисперсной (dp-

6 мкм).

4 Разработаны математическая модель и методика расчёта изменения давления на лопаточном профиле кавернообразующего колеса в зависимости от расхода жидкости через газовый сепаратор и угла атаки набегающего потока и диаметров пузырьков газа за суперкавитирующим осевым колесом.

5 Разработанные методы расчётов рабочих характеристик центробежных газовых сепараторов включены в состав программного комплекса «Rosneft-WellView», введённого в промышленную эксплуатацию, для мониторинга и оптимизации работы УЭЦН, в том числе уточнения технологического потенциала добычи ГЖС механизированным фондом скважин посредством оценки степени деградации напора УЭЦН при работе с высоким газовым фактором, в частности, на месторождениях ООО «РН-Юганскнефтегаз».

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях: 1 SPE 112238. Zdolnik S. Real Time Optimisation Approach for 15,000 ESP Wells /Zdolnik S., Pashali A., Markelov D., Volkov M. // SPE Intelligent Energy Conference and Exhibition held in Amsterdam, The Netherlands. - 02.2008.

2 Малышев A.C. Удалённый мониторинг механизированного фонда скважин в ОАО «НК «Роснефть» / Малышев A.C., Пашали A.A., Здолышк С.Е., Волков М.Г. // Научно-технический вестник ОАО «НК «Роснефть». - 2009. - № 1.-С. 22-26.

3 Пашали A.A. Экспертная система диагностики электроцентробежных насосов / Пашали A.A., Волков М.Г., Жонин A.B. //Нефтегазовое дело. - 2009. -Т.7-№1.-С. 117-120.

4 Жонин A.B. Диагностика нестабильной работы погружного электроцентробежного насоса /Жонин A.B., Волков М.Г. // Научно-технический вестник ОАО «НК «Роснефть». - 2009. - № 3. - С. 6 - 9.

5 Малышев A.C. Применение элементов искусственного интеллекта для диагностирования неисправностей электроцентробежных насосов в системе мониторинга Rosneft-WellView / Малышев A.C., Пашали A.A., Маркелов Д.В., Волков М.Г., Халфин P.C., Жонин A.B. // Нефтепромысловое оборудование, -2009 - № 11. - С.80 - 83.

6 Ставский М.Е., Хасанов М.М., Волков М.Г. и др. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011610974 Rosneft-Well Wiev (RN-Well Wiev).

7 Волков М.Г. Исследование процесса образования газовых каверн в проточных каналах центробежного газосепаратора / Волков М.Г., Умергалин ТТЛ Башкирский химический журнал, - Уфа. - 2011.- Т. 18. - № 2. - С. 85 - 89.

8 Волков М.Г. Образование газовых каверн в каналах центробежного газосепаратора / Волков М.Г., Умергалин Т.Г. // Материалы IV-й всероссийской научной конференции «Теория и практика массообменных процессов химической технологии (Марушкинские чтения)» (Уфа, 2011), - 17-20 октября 2011.-С.151 - 152.

9 Волков М.Г. Анализ режимов течения в поточных каналах кавернообра-зующего колеса центробежного газосепаратора / Волков М.Г., Михайлов В.Г., Петров П.В. // Вестник УГАТУ. - 2012. - т.18. - № 1(46). - С. 38 - 50.

10 Волков М.Г. Методика расчёта рабочих характеристик центробежного газосепаратора с учётом влияния дисперсности газожидкостной смеси / Волков М.Г., Михайлов В.Г., Халфин P.C. // Материалы 5-ой научно-практической конференции «Математическое моделирование и компьютерные технологии в процессах разработки месторождений, добычи и переработки нефти» - Уфа, 17-19.04.2012.-С. 17.

Подписано, в печать 15.11.2012. Бумага офсетная. Формат 60x84 '/i6 Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1 Тираж 90. Заказ 141

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес издательства и типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1