Волновые процессы в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт и способы их устранения
Авторы: д.т.н., X.Н. Низамов; к.т.н., В.Н. Применко, Е.И. Дербуков; (Российский Университет дружбы народов)
Научно-технический журнал «Нефтепромысловое дело», №11, 1996г.
При бурении и ремонте газовых и нефтяных скважин для закачки бурового раствора в пласт используют трубопроводные системы, оснащенные поршневыми насосами, которые являются источником интенсивных волновых процессов, приводящих к разрывам трубопроводов, неравномерному разбуриванию пород различной твердости, отрыву турбобуров и т.п.
Экспериментальные исследования, проведенные в Бухарском управлении буровых работ (Республика Узбекистан), позволили определить амплитудно-частотные характеристики вынужденных колебаний давления и расхода на различных режимах работы бурового насоса УВН-600А.
При стационарном режиме и среднем давлении 5,0 МПа в гидросистеме наблюдались пульсации давления с частотой 18 Гц и амплитудой до 2,0 МПа, при пуске и остановке насоса частота пульсаций оставалась неизменной, а амплитуда изменялась пропорционально среднему давлению.
Полученные результаты свидетельствуют о низкой эффективности используемых для гашения пульсаций традиционных средств защиты трубопроводов — воздушных колпаков.
В последнее время все более широко ведется внедрение в трубопроводные системы различного назначения принципиально новых высокоэффективных средств борьбы с волновыми и вибрационными процессами — стабилизаторов давления (СД) [1—3], действие которых основано на динамическом гашении пульсаций давления и диссипации (рассеянии) энергии колебаний.
Несмотря на многообразие конструктивных решений, СД представляет собой участок основного трубопровода с равномерно распределенной по периметру и длине перфорацией, сообщающейся с упругоподатливой камерой.
Рис. 1. Схема участка гидросистемы
Рассмотрим участок гидросистемы, состоящий из поршневого насоса, установленного в непосредственной близости от источника колебаний, трубопровода длиной l и площадью сечения F (рис. 1), и вынужденные колебания в трубопроводе с СД и без него. В общем случае, (см. источник [4]) скорость потока жидкости в непосредственной близости от насоса можно определить по следующей формуле:
 | (1)где w — угловая скорость вала насоса; |
Ао — средняя скорость жидкости в трубе, которую можно представить в виде:
| (2)где fп — площадь поршня насоса, |
| r, d — соответственно радиус и диаметр кривошипа (r=S/2, где S — ход поршня); |
Значения коэффициентов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Тип насоса (действие цилиндра) | αm | βт | ε | Порядок гармоник |
Насос простого действия (одноцилиндровый с двумя клапанами) | -2/m2-1 | π/2 | 1/π | 2, 4, 6 |
Насос двойного действия (одноцилиндровый с четырьмя клапанами) | -2/m2-1 | 0 | 2/π | 2, 4, 6 |
Насос тройного действия (трехплунжерный с кривошипами под углом 1200) | -2/m2-1 | 0 | 3/π | 6, 12, 18 |
Насос четверного действия (два цилиндра двойного действия) | -2/m2-1 | 0 | 4/π | 4, 8, 12, 16 |
Амплитуду ближайшей гармоники в (1) можно представить в виде:
| (3)где χ=π/2 — для насоса простого действия, |
Амплитуду пульсаций давления на выходе из насоса (ближайшая гармоника) можно определить по формуле
(4)
Частота основного тона вынужденных колебаний определится как wb=mw, где m - номер ближайшей гармоники.
Связь между скоростью и давлением жидкости в каком-либо сечении трубопровода можно представить следующей линеаризованной системой уравнений:
| (5)где P(x,t), w(x,t) — соответственно средние в сечении давление и скорость движения жидкости в трубопроводе (0<х≤l); |
Так как для определения функций Р и W одной системы уравнений (5) недостаточно, то к ней в общем случае следует дополнительно добавить граничные и начальные условия. Для периодического изменения расхода в случае работы поршневого насоса начальные условия неважны, а граничные могут быть сформулированы в виде:
| (6)где П — массовая податливость стабилизатора давления (СД), характеризующая изменение массы жидкости (газа) в СД при изменении давления в трубопроводе. |
Функцию f(t) можно представить как | где Q(t) — объемный расход жидкости, создаваемый насосом. |
Решение системы (5) с граничными условиями (6) имеет следующий вид: | (7) |
Подставляя в (7) и разделяя действительную и мнимую части, получим: | (8) |
Амплитуда колебаний определяется формулой | (9) |
Обычно частота вынужденных колебаний значительно превосходит величину a, | (10) |
При отсутствии стабилизатора h=0, следовательно, |
Коэффициент сглаживания пульсаций давления при установке СД в гидросистему насоса можно определить по формуле
| (11) |
При движении маловязкой жидкости в сравнительно коротком трубопроводе можно принять a=0. В этом случае | |
| (12) |
Задаваясь величиной Кст и учитывая, что h=Пc2/F из выражений (11) и (12) можно определить требуемую податливость стабилизатора для обеспечения заданного уровня снижения пульсаций давления.
Для решения задачи эффективного гашения колебаний давления в гидросистеме закачки глинистого раствора разработано два варианта конструктивного исполнения СД, схемы которых приведены на рис. 2.
Рис.2 Конструктивные схемы стабилизаторов давления
На рис. 2а изображен СД, выполненный в виде перфорированного участка трубопровода l, установленного коаксиально в корпусе 2 с крышками 3. Между перфорированным трубопроводом l и корпусом 2 установлены цилиндрические упругие элементы 4, обладающие высокой податливостью. Корпус 2 в верхней части имеет патрубки 5, на которые установлены цилиндрические камеры 6 с крышками 7. Внутри цилиндрических камер 6 на опорных плитах 8 установлены упругие элементы 9 в виде эллиптических трубок из высокопрочной стали, обладающей упругими свойствами.
В целях уменьшения выпадения осадка из бурового раствора, перфорация на трубопроводе l выполнена только в верхней части.
Принцип работы стабилизатора заключается в следующем. Глинистый раствор, протекая по трубопроводу 1, проходит через перфорацию и воздействует на упругие элементы 4 и 9. Гашение колебаний давления жидкости происходит за счет диссипации энергии при прохождении глинистого раствора через перфорацию и за счет податливости упругих элементов.
На рис 2б представлен СД, состоящий из перфорированного участка трубопровода 1 закрепленного коаксиально внутри корпуса 2. Перфорированный трубопровод 1 снабжен сужающимся соплом 3, размещенным в полости патрубка 4. Внутри корпуса 2 между подвижным кольцом 5 и патрубком 4 установлены цилиндрические упругие элементы 6. Входная часть трубопровода 1 посредством равномерно расположенных по окружности трубок 7 сообщена через торцевые отверстия в корпусе 2 с демпфирующей полостью. Для перетекания жидкости между корпусом 2 и подвижным кольцом 5 образован кольцевой зазор.
Испытания опытного образца СД, выполненного по первой конструктивной схеме (см. рис. 2а), показали, что амплитуда пульсаций уменьшается в 5—7 раз в зависимости от среднего давления.
Литература
1. «Пульсации давления в трубопроводах и способы их устранения» X.Н. Низамов, В.Н. Применко, А.Г. Чукаев — М.: ВНИИОЭНГ, 1991г.
2. «Стабилизация колебаний давления в трубопроводных системах энергетических установок» Р.Ф. Ганиев, X.Н. Низамов, А.И. Чучеров и др. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1993г.
3. «Проектирование стабилизаторов давления для безрасходных магистралей» X.Н. Низамов, В.Н. Применко, В.Н. Зименков — Транспорт и хранение нефти. —1993г. — Вып. № 3.
4. «Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах» Чарный И.А. — М.: Недра, 1975г.
