30 Май

скорость потока для выноса твердых частиц




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:
Авторы:
DOI:

Высокое содержание твердых взвешенных частиц (ТВЧ) в продукции нефтяных и водозаборных скважин вызывает износи засорение рабочих органов погружных насосов. Для успешной защиты установок электроцентробежного насоса (УЭЦН) от вредного воздействия механических примесей проводится целый комплекс технологических и технических мероприятий. К технологическим можно отнестирегулирование депрессии на пласт (отборов), ограничение водопритоков, крепление призабойной зоны пласта специальными крепящими составами на полимерной основе и др.  К техническим относятся работы по разработке и размещению в скважинах различных фильтрующих устройств, уменьшающих концентрацию ТВЧ, попадающих в полость насосного оборудования. Для правильного подбора таких устройств и размера их пор или зазора рабочей поверхности   необходимо знать фракционный состав механических частиц.

Гранулометрический анализ взвешенных частиц, выносимых из пласта и накапливаемых в рабочих колесах УЭЦН, производился по Ванкорскому нефтяному месторождению, а именно по Долганской и Насоновской свитам.

Гранулометрический анализ предусматривает определение количественного содержания в породе частиц  различных  размеров [1]. Для Долганской свиты результаты определения гранулометрического состава пород были получены по 8-ми скважинам, а для Насоновской свиты – по 1-й.

По разведочным скважинам фракционный состав определялся ситовым методом (ГОСТ 12536-79). Высушенный образец дезинтегрировался и обрабатывался 10%-ным раствором соляной кислоты для удаления карбонатов. После этого бескарбонатная порода очищалась от глинистой фракции, затем высушивалась и рассеивалась на ситах.

Кроме этого по эксплуатационным скважинам определение процентного содержания частиц различной крупности, входящих в состав горной породы, проводилось методом светового сканирования с помощью лазерного анализатора размера частиц. Данный метод позволяет регистрировать частицы от 1,408 до 0,000289 мм. Используется эффект рассеивания света от пучков лазера, проходящих через поток частиц. Величина и направление рассеивания света частицами измеряется массивом оптических детекторов и затем анализируется в программном комплексе.Путем обработки 82 проб керна из 8 скважин Долганской свиты и 14 проб керна из 1-й скважины Насоновской свиты были получены распределения частиц по весу.

Данные распределения позволяют определить диапазон размеров частиц керна, а также визуально оценить, какой диаметр щели (сетки) фильтра необходим для задержания основной массы частиц. Получилась существенная дисперсия распределения частиц по размерам. Измерения показали отсутствие корреляции гранулометрического состава с глубиной.

Анализ минерального состава твердых осадков, извлеченных из рабочих колес УЭЦН, также показал, что в проточной части полости насосов количество механических примесей в виде кварцевого песка колеблется в пределах от 10 до 89%. Следует сказать, что состав твердых осадков носит комплексный характер и включает элементы, входящие в различные соли неорганического происхождения.Гранулометрический состав как для каждой из свит, так и для проб одной свиты, отобранных с разной глубины, представлены неоднородным составом. Графически распределения частиц по каждой из свит представляют пучки однообразных кривых. Поэтому приведены усредненные данные характеристик для каждой свиты (рис.1).

Рис.1 –Осредненные кривые распределения частиц для каждой из свит

Наибольший интерес при решения проблем, связанных с высоким пескопроявлением в продукции скважин, представляет комбинированный фильтр, в котором совмещены функции сетчатого (проволочного) и гравитационного фильтров одновременно [2].         Изучение процессов движения жидкости и входящих в нее твердых частиц  в гравитационной части фильтра позволяет находить его оптимальные параметры: длину и диаметр патрубка,  вместимость ловильной камеры (контейнера).

Теоретически, допустив, что все твердые частицы представляют собой шаровидные тела, можно получить для них соответствующие скорости их витания в восходящем потоке жидкости, подобрать геометрические размеры частей гравитационного сепаратора.  Например, опираясь на формулу Стокса для определения скорости витания частицы, можно определить диаметр патрубка гравитационного фильтра (сепаратора).

Рис.2 – Схема движения жидкости в гравитационной части комбинированного фильтра.

Математическое описание движения песчинки, когда скорость её осаждения равна скорости восходящего потока общеизвестно. Такая скорость именуется «скоростью витания частицы» [3]:

                                      (1)

где g — ускорение свободного падения, можно принять g= 9,81 м/с2;

ρТВ и ρж – плотности  песчинки и жидкости соответственно;

CD – коэффициент сопротивления пластовой жидкости перемещению песчинки.

Очевидно, что скорость выноса частицы  вверх должна быть больше скорости (1).

Для скорости потока в кольцевом пространстве между стенками контейнера и наружной стенкой патрубка (рис.2) при постоянном расходе G имеем выражение:

Полученная формула позволяет подобрать диаметр патрубка для создания такой скорости потока в кольцевом пространстве, чтобы частицы, размеры  которых больше, чем d , оседали на дно ловильной камеры (контейнера), а более мелкие частицы двигались  с потоком жидкости дальше и через продольные каналы попадали в следующую ступень, где тоже имеется ловильная камера. В следующей секции (ступени) диаметр патрубка подбирается по аналогичной методике, т.е. по формуле (4).

Зная гранулометрический (фракционный) состав механических примесей, можно для частиц каждого класса крупности подобрать параметры секции фильтра для осаждения твердой фракции в соответствующей ловильной камере (контейнере).

В реальных условиях из-за  неправильной формы частиц, разной обтекаемости,  их взаимного влияния друг на друга скорость выноса будет отличаться от теоретической.

Для того, чтобы определить при какой реальной скорости движения жидкости вверх твердые частицы определенного диаметра и массы будут выноситься, а какие оседать, были проведены лабораторные исследования.

Схема лабораторной установки для определения скорости уноса частиц песка для Насоновскойсвиты представлена на рис. 3.

Рис. 3 – Схема лабораторной установки для определения скорости уноса частиц песка для Насоновской свиты: 1-емкость с насосом; 2-трубопровод; 3-расходомер; 4-механические примеси (насыпь); 5-стекляная труба; 6-мерная стеклянная трубка; 7-запорная арматура.

Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. Низ стеклянной трубки был заполнен ТВЧ, через которые подавалась насосом вода с различным расходом, обеспечивающим различные скорости восходящего потока. После каждой промывки трубы водой в течение 1 минуты подача воды прекращалась, и визуально измерялось количество оставшейся  насыпи песка в нижний части стеклянной трубы. Постепенное увеличение скорости прокачки воды приводило к уменьшению высоты насыпи вплоть до полного её исчезновения. При скорости воды в трубе  0,56 м/с  происходил полный вынос твердых взвешенных частиц (ТВЧ) из трубы. Условный диаметр частиц песка  определялся по фракционному составу песка Насоновской свиты месторождения. Весь объём песка состоял из частиц размером от 0 до 350 мкм и составлял  100% (рис.4). После первой промывки песка водой  с минимальной скоростью унеслось, допустим 15% объема песка. По оси ординат находилась отметка, составляющая 85% и проводилась  горизонталь из середины интервала 0…15% до пересечения с кривой на графике. Абсцисса точки пересечения позволяет получить  условный диаметр частиц.   В расчет принималось среднеарифметическое значение диаметра частиц в полученном диапазоне и т.д.

Рис.4 — Распределение веса ТВЧ по диаметру для Насоновской свиты

В результате эксперимента была установлена зависимость  скорости выноса ТВЧ от их крупности на забойных участках водозаборных скважин, показавшая её параболический характер (рис.5):

Расположение точек по заданным значениям размеров частиц показало, что значения скорости возрастают. Апроксимирование координат показало, что это есть квадратичная зависимость между Wи d.

Рис.5 — Зависимость скорости уноса ТВЧ от условного диаметра частиц

         Эксперименты позволили получить  также зависимость  коэффициента сопротивления  ТВЧ при осаждении  в жидкости.

ρ и µ– плотность и динамическая вязкость жидкости.

В (6) числитель 31,5 превышает величину 24, характерную для  сферической формы частицы, что связано с неправильной формой реальных ТВЧ.

Формула (3) позволяет  рассчитать условный диаметр ТВЧ( ) на входе в фильтр в зависимости от средней скорости потока воды в скважины( )   и подбирать ячейки фильтрующего элемента. В соответствие  с известным соотношением, поперечный размер ячейки должен составить около3 .

С учетом всех особенностей эксплуатируемых пластов и добываемой продукции расчет комбинированного фильтра  дает возможность рассчитать и планировать  его параметры: диаметры и длины ловильных камер и соответствующих патрубков, размеры и геометрию пор или щелей наружной сетки и промежуточного каркаса.  Расчет времени заполнения ловильных камер или контейнеров позволит совместить работу по демонтажу и очистке фильтров с проведением различных  геолого-технических мероприятий, предусмотренных в технологических регламентах нефтяных компаний.

  1. Шашкин М.А. Применяемые в ТПП «Лангепаснефтегаз» методы защиты для снижения негативного влияния механических примесей на работу ГНО. Инженерная практика, №2, 2010. С. 26-30.
  2. Булчаев Н.Д., Минеев А.В. Стендовые испытания комбинированного фильтра для очистки пескосодержащей нефти/ Газовая промышленность. — 2011. — №6 – С.78-80.
  3. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости). Издательство литературы по строительству. М.1965, С 274.
    скорость потока для выноса твердых частиц
    Written by: БулчаевНурдиДжамалайлович
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 03/15/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.05.2015_05(14)
    Available in: Ebook
30 Апр

Скорость потока для выноса твердых частиц




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:
Авторы:
DOI:

Высокое содержание твердых взвешенных частиц (ТВЧ) в продукции нефтяных и водозаборных скважин вызывает износ и засорение рабочих органов погружных насосов. Для успешной защиты установок электроцентробежного насоса (УЭЦН) от вредного воздействия механических примесей проводится целый комплекс технологических и технических мероприятий. К технологическим можно отнести регулирование депрессии на пласт (отборов), ограничение водопритоков, крепление призабойной зоны пласта специальными крепящими составами на полимерной основе и др.  К техническим относятся работы по разработке и размещению в скважинах различных фильтрующих устройств, уменьшающих концентрацию ТВЧ, попадающих в полость насосного оборудования. Для правильного подбора таких устройств и размера их пор или зазора рабочей поверхности необходимо знать фракционный состав механических частиц.

Гранулометрический анализ взвешенных частиц, выносимых из пласта и накапливаемых в рабочих колесах УЭЦН, производился по Ванкорскому нефтяному месторождению, а именно по Долганской и Насоновской свитам.

Гранулометрический анализ предусматривает определение количественного содержания в породе частиц  различных  размеров [1].  Для Долганской свиты результаты определения гранулометрического состава пород были получены по 8-ми скважинам, а для Насоновской свиты – по 1-й.

По разведочным скважинам фракционный состав определялся ситовым методом (ГОСТ 12536-79). Высушенный образец дезинтегрировался и обрабатывался 10%-ным раствором соляной кислоты для удаления карбонатов. После этого бескарбонатная порода очищалась от глинистой фракции, затем высушивалась и рассеивалась на ситах.

Кроме этого по эксплуатационным скважинам определение процентного содержания частиц различной крупности, входящих в состав горной породы, проводилось методом светового сканирования с помощью лазерного анализатора размера частиц. Данный метод позволяет регистрировать частицы от 1,408 до 0,000289 мм. Используется эффект рассеивания света от пучков лазера, проходящих через поток частиц. Величина и направление рассеивания света частицами измеряется массивом оптических детекторов и затем анализируется в программном комплексе.Путем обработки 82 проб керна из 8 скважин Долганской свиты и 14 проб керна из 1-й скважины Насоновской свиты были получены распределения частиц по весу.

Данные распределения позволяют определить диапазон размеров частиц керна, а также визуально оценить, какой диаметр щели (сетки) фильтра необходим для задержания основной массы частиц. Получилась существенная дисперсия распределения частиц по размерам. Измерения показали отсутствие корреляции гранулометрического состава с глубиной.

Анализ минерального состава твердых осадков, извлеченных из рабочих колес УЭЦН, также показал, что в проточной части полости насосов количество механических примесей в виде кварцевого песка колеблется в пределах от 10 до 89%. Следует сказать, что состав твердых осадков носит комплексный характер и включает элементы, входящие в различные соли неорганического происхождения. Гранулометрический состав как для каждой из свит, так и для проб одной свиты, отобранных с разной глубины, представлены неоднородным составом. Графически распределения частиц по каждой из свит представляют пучки однообразных кривых. Поэтому приведены усредненные данные характеристик для каждой свиты (рис.1).

Рис.1 –Осредненные кривые распределения частиц для каждой из свит

Наибольший интерес при решения проблем, связанных с высоким пескопроявлением в продукции скважин, представляет комбинированный фильтр, в котором совмещены функции сетчатого (проволочного) и гравитационного фильтров одновременно [2].           Изучение процессов движения жидкости и входящих в нее твердых частиц  в гравитационной части фильтра позволяет находить его оптимальные параметры: длину и диаметр патрубка,  вместимость ловильной камеры (контейнера).

Теоретически, допустив, что все твердые частицы представляют собой шаровидные тела, можно получить для них соответствующие скорости их витания в восходящем потоке жидкости, подобрать геометрические размеры частей гравитационного сепаратора.  Например, опираясь на формулу Стокса для определения скорости витания частицы, можно определить диаметр патрубка гравитационного фильтра (сепаратора).

Рис.2 – Схема движения жидкости в гравитационной части комбинированного фильтра.

Математическое описание движения песчинки, когда скорость её осаждения равна скорости восходящего потока общеизвестно. Такая скорость именуется «скоростью витания частицы» [3]:

Полученная формула позволяет подобрать диаметр патрубка для создания такой скорости потока в кольцевом пространстве, чтобы частицы, размеры  которых больше, чем d , оседали на дно ловильной камеры (контейнера), а более мелкие частицы двигались  с потоком жидкости дальше и через продольные каналы попадали в следующую ступень, где тоже имеется ловильная камера. В следующей секции (ступени) диаметр патрубка подбирается по аналогичной методике, т.е. по формуле (4).

Зная гранулометрический (фракционный) состав механических примесей, можно для частиц каждого класса крупности подобрать параметры секции фильтра для осаждения твердой фракции в соответствующей ловильной камере (контейнере).

В реальных условиях из-за  неправильной формы частиц, разной обтекаемости,  их взаимного влияния друг на друга скорость выноса будет отличаться от теоретической.

Для того, чтобы определить при какой реальной скорости движения жидкости вверх твердые частицы определенного диаметра и массы будут выноситься, а какие оседать, были проведены лабораторные исследования.

Схема лабораторной установки для определения скорости уноса частиц песка для Насоновской свиты представлена на рис. 3.

Рис. 3 – Схема лабораторной установки для определения скорости уноса частиц песка для Насоновской свиты: 1-емкость с насосом; 2-трубопровод; 3-расходомер; 4-механические примеси (насыпь); 5-стекляная труба; 6-мерная стеклянная трубка; 7-запорная арматура.

Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. Низ стеклянной трубки был заполнен ТВЧ, через которые подавалась насосом вода с различным расходом, обеспечивающим различные скорости восходящего потока. После каждой промывки трубы водой в течение 1 минуты подача воды прекращалась, и визуально измерялось количество оставшейся  насыпи песка в нижний части стеклянной трубы. Постепенное увеличение скорости прокачки воды приводило к уменьшению высоты насыпи вплоть до полного её исчезновения. При скорости воды в трубе            0,56 м/с  происходил полный вынос твердых взвешенных частиц (ТВЧ) из трубы. Условный диаметр частиц песка  определялся по фракционному составу песка Насоновской свиты месторождения. Весь объём песка состоял из частиц размером от 0 до 350 мкм и составлял  100% (рис.4). После первой промывки песка водой  с минимальной скоростью унеслось, допустим 15% объема песка. По оси ординат находилась отметка, составляющая 85% и проводилась  горизонталь из середины интервала 0…15% до пересечения с кривой на графике. Абсцисса точки пересечения позволяет получить  условный диаметр частиц.   В расчет принималось среднеарифметическое значение диаметра частиц в полученном диапазоне и т.д.

Рис.4 — Распределение веса ТВЧ по диаметру для Насоновской свиты

В результате эксперимента была установлена зависимость  скорости выноса ТВЧ от их крупности на забойных участках водозаборных скважин, показавшая её параболический характер (рис.4):

Расположение точек по заданным значениям размеров частиц показало, что значения скорости возрастают. Апроксимирование координат показало, что это есть квадратичная зависимость между W и d.

ρ  и µ – плотность и динамическая вязкость жидкости.

В (3) числитель 31,5 превышает величину 24, характерную для  сферической формы частицы, что связано с неправильной формой реальных ТВЧ.

Формула (3) позволяет  рассчитать условный диаметр ТВЧ  ( )  на входе в фильтр в зависимости от средней скорости потока воды в скважины ( )   и подбирать ячейки фильтрующего элемента. В соответствие  с известным соотношением, поперечный размер ячейки должен составить около 3 .

С учетом всех особенностей эксплуатируемых пластов и добываемой продукции расчет комбинированного фильтра  дает возможность рассчитать и планировать  его параметры: диаметры и длины ловильных  камер и соответствующих патрубков, размеры и геометрию пор или щелей наружной сетки и промежуточного каркаса.  Расчет времени заполнения ловильных камер или контейнеров позволит совместить работу по демонтажу и очистке фильтров с проведением различных  геолого-технических мероприятий, предусмотренных в технологических регламентах нефтяных компаний.

  1. Шашкин М.А. Применяемые в ТПП «Лангепаснефтегаз» методы защиты для снижения негативного влияния механических примесей на работу ГНО. Инженерная практика, №2, 2010. С. 26-30.
  2. Булчаев Н.Д., Минеев А.В. Стендовые испытания комбинированного фильтра для очистки пескосодержащей нефти/ Газовая промышленность. — 2011. — №6 – С.78-80.
  3. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости). Издательство литературы по строительству. М.1965, С 274.
    Скорость потока для выноса твердых частиц
    Written by: Булчаев Нурди Джамалайлович
    Published by: басаранович екатрина
    Date Published: 04/13/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_4(13)
    Available in: Ebook