Многосекционный вибрационный насос как элемент гидравлической системы, влияющий на реологические свойства добываемой продукции

На сегодняшний день в структуре запасов углеводородов наблюдается динамика увеличения доли трудноизвлекаемых запасов нефти, которая связана с различными факторами. Доля мировых запасов высоковязких нефтей составляет 810 млрд.т. [1]. Во многих странах данные запасы рассматривают в качестве основного базового сырья.

За последние 10 лет технологии, позволяющие извлекать высоковязкие нефти, начали интенсивно развиваться.

Как уже говорилось в статьях [2, 3], вибрационный насос оказывает положительное воздействие на вязкость добываемой нефти, меняя реологические свойства. Принцип работы вибрационного насоса основан на изменении давления воздуха и жидкости во внутренней камере за счет возвратно-поступательных движений штока. Принципиальная схема насоса представлена на рис. 1 а. При пропускании переменного электрического тока по виткам катушки электропривода насоса создается магнитное поле, направление линий которого меняется с периодичностью 50 раз в секунду, благодаря чему якорь насоса начинает то притягиваться к сердечнику катушки, то отталкиваться от него, совершая возвратно-поступательные движения (вибрации). Движения якоря через шток передаются диафрагме, которая также начинает совершать осевые перемещения, тем самым перекачивая жидкость в насосно-компрессорные трубы (НКТ) за счет периодического изменения давления.

а)

б)

к-> диаметр

Рисунок 1. Схема вибрационного насоса: а - устройство вибрационного насоса, б – последовательное соединение двух вибрационных насосов.

Figure 1. Scheme of a vibration pump: a - vibration pump device, b - serial connection of two vibration pumps.

При последовательном соединении нескольких вибрационных насосов можно получить многосекционный насос, как представлено на рис. 1 б. Многосекционный вибрационный насос отличается тем, что каждая секция представлена отдельным модулем и выполнена, как вибрационный насос смешанного типа (динамического/ объемного), и подключаемая последовательно.

Рассмотрим многосекционный вибрационный насос как часть гидравлической системы.

Расчет гидравлической характеристики

Распределение расходов и давлений в моделях гидравлической системы при установившемся движении несжимаемой жидкости описывается:

• -    линейными соотношениями, аналогичными законам Кирхгофа для электрических схем;

• -    нелинейными уравнениями связи между перепадами давления на концах звеньев и расходами в них, которые называются замыкающими соотношениями или полными гидравлическими характеристиками звеньев.

Структура «пласт-скважина-насос-устье»

Рассмотрим гидравлическую систему на рис. 2 со структурой «пласт-скважина-насос-устье», состоящую из т-узлов и n-звеньев, в которой перемещается углеводородная смесь.

На рис. 2 а показана схема добычи углеводородов. Справа на рис. 2 б гидравлическая система представлена четырьмя звеньями (n=4, звенья – 0, 1, 2, 3) и пятью узлами (m=5, узлы – 0, 1, 2, 3, 4).

Закон гидравлического воздействия, связывающий перепад давления р . ' на концах звена n и установившийся расход q . , задан для каждого звена i e [j_ia, j ib ] (где j_b и j ib -начальный и конечный узлы) и представлен в виде (1):

рЧ W (1)

Выражение f (q) зависит от гидравлического сопротивления [4], производительности насосов и других параметров системы и описывает взаимосвязь перепада давления от расхода только в связи с внутренними техническими параметрами объекта - звена i, но не от геометрического положения звена в пространстве, иначе говоря, не зависит от гидростатического перепада между узлами jia и jib, так как гидростатический перепад давления не зависит от величины расхода q .

На рис. 3 представлены зависимости перепада давлений

Рисунок 2. Схема механизированной добычи углеводородов многосекционным вибрационным насосом: а) – принципиальная схема механизированной добычи; б - схема гидравлической системы, представленная в виде узлов и звеньев; Р_пл, Р_заб, Р уст - пластовое, забойное и устьевое давление соответ -ственно, P_пр, P_вык – давление на приеме и выкиде насоса соответственно, L_скв – глубина скважины, L_нкт,l_н – длина НКТ и насоса.

Figure 2. Scheme of mechanized production of hydrocarbons by a multi-sectional vibration pump: a) - schematic diagram of the mechanized production; b – diagram of the hydraulic system, presented in the form of nodes and links; Pпл, Pзаб, Pуст – reservoir, bottomhole and wellhead pressure, respectively; Pпр, Pвык – pressure at the intake and discharge of the pump, respectively; Lскв – well depth, Lнкт,lн – tubing and pump length.

Рисунок 3. Некоторые формы функций f(q) для различных объектов технических гидросистем (ТГС): а - объект «труба»; б - объект «насос», электропитание включено; в – объекте «насос», электропитание выключено.

Figure 3. Some forms of functions f(q) for various objects of technical hydraulic systems (THS): a – «pipe» object; b – «pump» object, power supply is on; c –«pump» object, power is off.

и расхода жидкости для различных объектов технических гидросистем.

Гидравлическую характеристику структуры можно представить в виде нелинейного уравнения (2):

^Po^- AP o-r Ap_M ^- AP 2-3^- AP 3-4^- AzPg=P c =P₄-           ⁽²⁾

где Δp2-3– перепад давления, создаваемый вибрационным насосом, состоящим из определенного количества секций вибрационного насоса - z, которых должно быть достаточно, чтобы поднять углеводородную смесь до устья скважины.

Δp_2-3= ∑ Δp_сек =f_н (q).                       (3)

Z

Подставим (3) в выражение (2):

^PO^-A P o-Г^A P_И ^- £ z^A P сек^-A P з-4^-AZ Pg=P c =P₄.        ⁽⁴⁾

Иначе говоря, перепад давления, создаваемый вибрационным насосом в выражении (4), можно сравнить с установкой электроцентробежного насоса (УЭЦН), который состоит из множества секций. Чем больше секций, тем больше перепад давления, создаваемый насосом. Методика определения необходимого количества ступеней вибрационного насоса аналогична подбору ступеней для УЭЦН.

Скоростной напор

На эффективность насоса влияет скоростной напор. Данный параметр, согласно закону Бернули, создает дополнительное давление (за счет большого количества хода диафрагмы) и рассчитывается по формуле (5):

,                                 (5)

где α – коэффициент распределения скоростей от 0,8 до 1,5, который учитывает неравномерности распределения скоростей по сечению на удельную кинетическую энергию потока, вычисленного по средней скорости, v – скорость течения жидкости, выражаемая в виде (6):

I p = ^g ₌ ⁴^ = 4(360_Jrd²I_nnn_lmJJ =

5_ШТ Trd²           nd²

= 1440i 71

.                               (6)

Из формулы (6) видно, что скорость жидкости прямо пропорциональна количеству колебаний установки (nкол=3000

колебаний в минуту при частоте 50 Гц). Исходя из этого, добавим параметр скоростного напора в выражение (2).

^0 - АРо-1 - АР1-2 - (Zz АРсек + “ У ”

,                (7)

Вибрационный насос является насосом объемного действия. Однако учитывая тот факт, что его эксплуатация может осуществляться при высоких частотах (как и с УЭЦН), то насос можно отнести и к насосам динамического действия.

Потери давления на преодоление гидравлического со- противления

Учтем в выражении (7) давление на преодоление трения - ДРтр для трубы круглого сечения. Параметр будет зависеть от длины трубопровода - L, скорости потока жидкости в системе – v и внутреннего диаметра – d.

,                           (8)

где X - коэффициент гидравлических сопротивлений (гидравлического трения) потока жидкости, оказывающий противодавление со стороны трубопроводной системы.

Вычисляется по формуле Колбрука-Уайта [5], представля- ющей собой соотношение между коэффициентом трения

– λ, числом Рейнольдса – Re, шероховатостью трубы – Δ¯.

Потери давления могут быть по длине трубопровода, которые вызваны силами вязкого трения – ΔPтр, а также местными гидравлическими сопротивлениями ДРмс, которые вызваны изменением формы или размера проходного сечения трубопровода.

Ниже на рис. 4 представлены различные зависимости для трубы круглого сечения.

Подставим ΔPтр и ΔPмсв в выражение (7):

^0 - Аро-1 - АР1-2 - ^^АРсек + «У -

. (10)

Представленное нелинейное уравнение связи между перепадами давления и расходами описывает полную гидравлическую характеристику звеньев и позволяет согласовать гидравлические показатели технической гидросистемы и гидросистемы продуктивных пластов. Для решения задач, связанных, например, с согласованием работы скважинного оборудования, наземной сети сбора и/или ППД и гидросистем продуктивного пласта, требуется уже решение системы уравнений.

Воздействие вибрационного насосана вязкость нефти

Рассмотрим такой важный параметр, как вязкость жидкости. Данный параметр очень важен при расчете гидросистем. Для работы с жидкостями с повышенной вязкостью к оборудованию предоставляются особые требования, так как на подъем такой продукции тратится больше энергии.

а

Коэффициент 1 гидравлического сопротивпення

б

Рисунок 4. Различные зависимости параметров, описывающих потери давления на преодоление гидравлического сопротивления для трубы круглого сечения: а – типовая зависимость Δpтр=f(q), б – расчетная зависимость коэффициента сопротивления λ(Re, Δ ) для неравномерно-зернистой шероховатости. L – длина трубопровода, D – диаметр трубопрово-да,Δ – шероховатость трубы.

Figure 4. Different dependences of parameters describing pressure losses to overcome hydraulic resistance for a round pipe: a – typical dependence Δpтр=f(q), b – calculated dependence of the drag coefficient λ(Re, Δ) ) for uneven-grained roughness. L – pipeline length, D – pipeline diameter, Δ – pipe roughness.

Реологические свойства дисперсных систем

Нефть можно представить в виде модели дисперсионной системы, которая характеризуется коллоидно-химическими и структурно-механическими свойствами. Причинами образования дисперсной фазы служат межмолекулярные соединения.

Свойства, геометрия и структура частиц дисперсионной фазы нефтяной дисперсионной системы напрямую зависят от содержания структурообразующих компонентов, таких как смолы, асфальтены и парафины [6]. Данные среды имеют структурно-механические свойства. Структурно-механическую прочность можно описать понятием сложная структурная единица, введенным З.И. Сюняевым [7]. Сложная структурная единица имеет преимущественно сферическую форму и представляет собой две области:

• -    внутренняя область (ядра), которая образована высокомолекулярными алифатическими и полеареновыми углеводородами, смолисто-асфальтеновыми компонентами,

• -    сольватная оболочка.

В своих работах [8, 9] А.Н. Ратов сделал предположение, что принципом структурообразования в высоковязких нефтях служат межмолекулярные взаимодействия высокомолекулярных фрагментов смолисто-асфальтеновых компонентов. Взаимодействие осуществляется сильным парамагнетизмом полиароматических структур.

Рассмотрим агрегативную устойчивость нефтяных дисперсных систем.

Суспензии, в частности парафина в нефти, характеризуются такими параметрами, как кинетическая и агрегативная устойчивость, или способность суспензии сохранять степень дисперсности взвешенных в жидкой фазе частиц во времени.

Алифатические углеводороды образовывают цепные молекулы (большой длины), связь между которыми осуществляется за счет дисперсионных сил Ван-Дер-Ваальса между метиленовыми группами или концевыми метильными группами. В растворах молекулы существуют как в виде прямолинейных цепей, и имея сетку зацеплений, но в данном случае кристаллическая структура будет многообразной.

Из вышеперечисленного можно сделать вывод, что высоковязкие нефти имеют в составе сложные молекулы. Любой вид физического влияния на нефтяную дисперсную среду может привести к трансформации структурно-реологических свойств [10].

Вибрационное воздействие снижает механическое сопротивление, увеличивает массообмен и теплообмен, ускоряет процесс химических реакций, позволяет добиться снижения показателя вязкости за счет уменьшения агрегирующей связи высокомолекулярных соединений и приводит к уменьшению мицеллярных частиц.

При течении жидкости в ламинарном режиме слои жидкости имеют разные скорости течения. Отношение разности движения двух слоев характеризуется скоростью сдвига. Другими словами, градиент скорости сдвига характеризует изменение скорости в направлении, перпендикулярном течению.

Для ньютоновской жидкости имеется зависимость между касательным напряжением (τ), вызываемым жидкостью, и градиентом скорости сдвига (dγ/dt) или градиента скорости (du/dh), как показано на рис. 5.

Скорость подвижного тела - u - равна (dx/dt), а градиент скорости можно представить в виде:

zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzza

//////////////////////////////////// V

Рисунок 5. Схема Куэтта (схема течения жидкости). U – скорость движения пластины, h – расстояние между подвижной пластиной и неподвижной поверхностью, dh – расстояние между слоями жидкости, du – разность скоростей между слоями жидкости

Figure 5. Couette scheme (liquid flow diagram). U – plate speed, h – distance between moving plate and fixed surface, dh – distance between the liquid layers, du – velocity difference between fluid layers.

где отношение (dx/dh) описывает сдвиг слоев жидкости или деформацию γ.

Подставив ее в (11), получим (12):

Рисунок 6. Реологические линии.

Figure 6. Rheological lines.

du dy

.

Нагрузки, вызывающие деформацию, при которой начинается течение жидкости, обуславливают напряжение сдвига. Отношение напряжения сдвига к скорости сдвига характеризует вязкость жидкости.

Для ньютоновских жидкостей выражение будет выгля- деть так (13):

du dv

Т = Д^Г = ^ -

,

где μ – коэффициент пропорциональности, или вязкость, которая не зависит от градиента скорости или сдвига.

Зависимость касательного напряжения в функции градиента скорости или сдвига течения жидкости называют реологическими линиями. И.Т. Мищенко в своей работе [5] представил их в виде графика (рис. 6).

Универсальную формулу для расчета скоростей сдвига реологической линии можно описать уравнением (14):

/ п

т = ^ж

где n – индекс течения (для ньютоновских жидкостей n = 1), K - показатель вязкости, или характеристика конси-стентности.

Зависимость вязкости (μ) от скорости сдвига (du/dh) связывают с процессом разрушения структуры при повышении cкoрocти и ее восстановления при снижении (du/dh).

Влияние кавитационного процесса на вязкость

В установке многосекционного вибрационного насоса наблюдается процесс кавитации. Данный процесс прослеживается образованием и последующим схлопыванием в жидкости пузырьков газа. На интенсивность и развитие кавитации оказывают влияние множество факторов, таких как внешнее давление и температура, вязкость и поверхностное натяжение, содержание воздуха и других газов в потоке жидкости, а также масштабные эффекты. Как пра- вило, данное явление негативно сказывается на процессы добычи углеводородного сырья, так как способствует эрозийным процессам системы. Однако при правильном проектировании рабочих областей насоса (через которые происходит движение жидкости) и подборе необходимого металла для его изготовления можно добиться положительного эффекта для снижения вязкости добываемой продукции за счет локального роста температуры на микроуровне.

Кавитация нашла свое место во всех отраслях промышленности, для которых необходимо ускорение химических реакций, очистка, дегазация жидкости, эмульгирование и др.

Рассмотрим теоретические основы процесса кавитации.

Есть предположение, что процесс кавитации возникает при условиях, когда давление на некоторых участках потока жидкости снижается до давления насыщенных паров. Если перекачиваемая жидкость содержит большое количество растворенных в ней газов, уменьшение давления приводит к выделению этих газов и образованию газовых полостей (каверн), давление в которых выше давления насыщенных паров [11]. В тех случаях, когда жидкость содержит микроскопическое количество пузырьков, кавитация может возникать при давлениях, превышающих давление насыщенного пара. Образовавшийся из ядра кавитации пузырек растет до конечных размеров, после чего схлопывается. Предполагается, что весь процесс жизни пузырька занимает нескольких миллисекунд.

Исходя из закона Бернули, энергия жидкости без трения вдоль ее направления постоянна и представляется выражением (15):

, (15)

где P 1 , V 1 и P 2 , V 1 - давление и скорость текущей жидкости при переходе из участка трубы с большим диаметром (большей площадью поперечного сечения) в участок с меньшим диаметром, ρ – плотность жидкости.

Согласно данному выражению, можно сделать вывод, что при увеличении скорости движения частиц жидкости в трубе (v 1 2) давление потока понижается (P 1 >P 2 ) пропорционально квадрату скорости жидкости и, наоборот (рис. 7). При рассмотрении жидкости, текущей по трубе, согласно уравнению неразрывности, в местах сужения трубы скорость жидкости возрастает и, следовательно, возможен процесс кавитации (рис. 8).

В работах [11,12] авторы сформулировали классификацию кавитационных процессов, которая включает в себя:

• -    механический метод;

• -    акустический, или ультразвуковой метод;

• -    электрический метод;

• -    теплофизический метод;

• -    физический метод;

Создание вибрационным насосом кавитационных процессов относится к механическому методу, так как данный метод способствует высокоскоростному движению тел, при котором кавитационная зона образуется за движущим телом, а также представляет собой создание пониженного давления в жидкости в процессе хода диафрагмы или поршня вверх, при этом кавитация происходит во всем

Рисунок 7. Схема потока жидкости в трубе разного диаметра.

Figure 7. Scheme of fluid flow in a pipe of different diameters.

Рисунок 8. Схема образования процесса гидродинамической кавитации в трубе разного диаметра.

Figure 8. Scheme of the formation of the process of hydrodynamic cavitation in a pipe of different diameters.

могут изменяться физико-химические характеристики жидкости, к которым относится вязкость.

Вывод

• 1.    Представлено нелинейное уравнение гидравлической характеристики структуры «пласт-сква-жина-насос-устье», где перепад давления вибрационного насоса можно представить суммой перепадов давлений, создаваемых секциями вибрационных насосов - Др 2—з =Е₂ДР сек =f_H(q).

• 2.    В физических растворах при ин-фра- и ультразвуковом воздействии разрушаются их мицеллярные связи, а также слабые

• 3.    Кавитационные процессы, создаваемые вибрационным насосом, приводят к локальному росту температуры на микроуровне и разрушают связи длинномолекулярных соединений, уменьшая вязкость жидкости.

Рисунок 9. Эпюра распределения скоростей потока жидкости в вибрационном насосе.

Figure 9. Plot of the distribution of fluid flow rates in a vibration pump.

объеме жидкости. В качестве примера можно рассмотреть эпюру распределения скоростей в вибрационном насосе, предназначенном для перекачивания технической воды (рис. 9).

Резюмируя вышеперечисленное, можно сказать, что процесс кавитации способствует механохимической активации, выраженной в том, что в зоне схлопывания пузырьков газа происходит резкое увеличение температуры и возникает перепад давления. Посредством механохимической активации химические связи высокомолекулярных соединений АСПО, которые существенно увеличивают вязкость перекачиваемой нефти. Таким образом, виброзвуковое воздействие описываемого насоса положительным образом будет влиять на снижение вязкости в жидкостях, не насыщенных газом.