Глубинный скваженный преобразователь расхода-Курсовая работа

Устройства относятся к области нефтедобывающей промышленности и могут быть использованы в системах поддержания пластового давления при разработке нефтегазовых месторождений.
Для эффективной разработки нефтегазовых месторождений известны устройства [1], реализующие способ поддержания пластового давления пу-тем закачки с поверхности в отдельные точки пласта через нагнетательные скважины определенного количества вытесняющего агента, главным образом воды (пресной, морской, сточной или пластовой). Существующая в настоя-щее время система поддержания пластового давления (ППД) включает в себя: водоисточник, низконапорные (питательные) водоводы, насосную станцию второго подъема, кустовую насосную станцию, нагнетательные скважины, комплекс приборов для измерения объемов закачиваемой воды.
При глубокой разработке нефтяных месторождений для интенсификации добычи нефти возникает потребность ввода в действие дополнительных нагнетательных скважин, а следовательно, и периодической реконструкции систем ППД, являющейся дорогостоящим мероприятием.
Отметим следующие недостатки систем ППД с перечисленной выше тех-нической оснащенностью:
- использование насосов высоких производительности и напора;
- необходимость строительства линий электропередач высокого напряже-ния понижающих подстанций в связи с применением высоковольтных элек-тродвигателей в качестве приводов насосов;
- значительная протяженность наземных высоконапорных водоводов;
- громоздкость системы, высокие металлоемкость и капиталоемкость;
- низкая эксплуатационная надежность системы.
Известны также устройства [2], реализующие способ ППД путем закачки воды в нагнетательную скважину из специально пробуренного рядом с ней шурфа, в который спущен электроцентробежный насос (ЭЦН). К приему ЭЦН через водовод низкого давления подается сточная или пресная вода, а выкид установки ЭЦН соединяется с нагнетательной скважиной. Устройство, реализующее способ ППД путем закачки воды через специально организо-ванный шурф, свободно от большинства недостатков, но тем не менее капи-тальные затраты на строительство шурфа обязательны.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому устройству межпластовой перекачки воды является устройство [3] для под-держания пластового давления путем внутрискважинной перекачки воды с помощью электроцентробежного насоса из полностью обводнившегося (от-работанного) продуктивного пласта и доставки ее в эксплуатируемый нефте-насыщенный пласт, содержащее, согласно описанию, скважину, многосту-пенчатый центробежный насос с погружным электродвигателем, пакер для соответствующего разобщения и герметизации ствола скважины (скважинно-го пространства) и обеспечения приема (поглощения) жидкости принимаю-щим пластом с выхода центробежного насоса, вход которого сообщен со стволом скважины в зоне отдающего воду пласта.
Данное устройство свободно от вышеперечисленных недостатков, но оно не решает проблемы учета перекачиваемой пластовой воды и обеспечения ее качества по содержанию мехпримесей, чего требуют нормативно-технические документы по эксплуатации месторождений углеводородов с применением технологии поддержания пластового давления (ППД).
Таким образом, цель заявляемых объектов (иначе требуемый технический результат) заключается в обеспечении этим объектам более высоких потреби-тельских свойств, а именно: обеспечение им при эксплуатации (межпластовой перекачки воды для поддержания давления нефтяного пласта) обязательного учета объема перекачиваемой воды и содержания мехпримесей.
Как показывают экспериментальные работы, поставленная цель (требуе-мый технический результат) достигается тем, что известное устройство для межпластовой
перекачки пластовой воды, содержащее, согласно прототипу, скважину, колонну насосно-компессорных труб с внутрискважинной насосной установ-кой в виде многоступенчатого центробежного насоса с погружным электро-двигателем, силовой кабель электропитания, наземный блок электроснабже-ния, управления и контроля, пакер для разобщения ствола скважины между отдающим и принимающим воду пластами, причем вход насоса гидравличе-ски сообщен с первым из этих пластов, а выход со вторым, снабжено внут-рискважинным узлом обеспечения минимального содержания мехпримесей, глубинным скважинным преобразователем расхода (то есть расхода воды в последовательность информационных электрических сигналов) и наземным блоком вычисления расхода, содержания мехпримесей и учета количества воды, а также проводного канала электросвязи между ними, при этом назем-ный блок вычисления расхода, содержания мехпримесей и учета количества воды электрически соединен также с блоком электроснабжения, управления и контроля.
Требуемый технический результат обеспечен наличием в обеих совокуп-ностях существенных признаков (характеризующих предлагаемую конструк-цию устройства межпластовой перекачки воды и конструкцию глубинного скважинного преобразователя расхода) вышеуказанных отличительных при-знаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и техниче-ской информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами при несомненной промышленной применимости и новизне предполагает со-ответствие заявляемых объектов критериям "изобретениям".
На чертежах приведены принципиальная (фиг.1) схема устройства меж-пластовой перекачки воды для поддержания давления нефтенасыщенных пластов и конструкция, соответственно фиг.2, глубинного скважинного пре-образователя расхода для этого устройства; на фиг.З приведен фрагмент развертки вращателя потока с радиальными косыми лопатками.

Устройство межпластовой перекачки воды по фиг.1 содержит скважину 1, подвешенную в ее стволе колону 2 насосно-компресорных труб (НКТ), в со-ставе этой колонны размещен многоступенчатый центробежный насос 3 с по-гружным электродвигателем 4, который обеспечен электроэнергией посред-ством силового кабеля 5 от наземного блока 6 электроснабжения, управления и контроля. В составе внутрискважинной подвески оборудования имеется па-кер 7 для разобщения ствола скважины 1 между ее стенкой и колонной 2 НКТ, то есть для разрыва гидравлической

связи между отдающим и принимающим воду пластами (последние на фиг.1 изображены, но отдельными позициями не обозначены). Вход 8 насоса 3 гидравлически сообщен с подающим (водоносным) пластом, а выход 9 это-го насоса сообщен с пластом, в который осуществляют перекачку воды, то есть с принимающим (поглощающим). Перед входом насоса на некотором расстоянии от него (по высоте) в составе колонны НКТ размещены узел 10 обеспечения минимального содержания мехпримесей и глубинный скважин-ный преобразователь 11 расхода воды. В составе объекта имеется наземный блок 12 вычисления расхода, содержания мехпримесей и учета количества воды, электрически, посредством проводного канала 13, связанный сдатчи-ками 14 узла 10 обеспечения минимального содержания мехпримесей и со скважинным глубинным преобразователем расхода, при этом блок 12 элек-трически связан также и с блоком 6 электроснабжения, управления и кон-троля погружного электродвигателя 4 каналом 15 связи для обесточивания двигателя 4 в нештатных ситуациях по команде с блока 6.
Устройство межпластовой перекачки воды работает следующим образом. В выбранном в качестве источника водоснабжения водоносном пласте или в полностью обводнившемся отработанном продуктивном (нефтяном) пласте проводят работы по обеспечению достаточного водопритока. Сборку внут-рискважинного оборудования (включая колонну НКТ, многоступенчатый центробежный насос с погружным электродвигателем, узел 10 для обеспече-ния минимального содержания мехпримесей (пескоуловитель) сдатчиками 14 его заполнения песком, глубинный преобразователь расхода воды и пакер) размещают в стволе скважины, обеспечивая при этом электрическую провод-ную связь и электропитание датчиков, преобразователя расхода и погружно-го электродвигателя с наземными блоками 6 и 12. Пакером 7 герметизируют кольцевое пространство ствола скважины между стенкой обсадной колонны и колонной НКТ над принимающим воду пластом и начинают перекачку воды. При этом поступающая в скважину вода с механическими примесями в виде, преимущественно, мелких частиц породы пласта изначально попадает в пес-коуловитель [5] общеизвестной конструкции, где и накапливается, а вода че-рез глубинный преобразователь расхода по колонне НКТ перекачивается в подпакерное пространство скважины и поглощается (под давлением много-ступенчатого центробежного насоса) принимающим пластом. Поскольку по-лость пескоуловителя контролируется датчиками наполнения его песком по высоте, а объемы этого заполнения изначально известны, то (при постоянном учете перекачанной воды за какое-то время) определить содержание мехпри-месей в исходной воде не составляет труда, при допущении, что пескоулови-тель работает с максимальной эффективностью. При этом, если фактическое содержание мехпримесей превышает норму (норма 0,1 г/л), то необходимы или дополнительные меры и средства внутрискважинной очистки воды, или снижение темпов ее отбора из пласта; последнее снижает механическое раз-рушение горной породы, слагающей водоносный пласт. При получении сиг-нала о предельном заполнении пескоуловителя мехпримесями необходима его замена, то есть технологическая остановка скважины. Электрическая связь блока 6 и 12 предусматривает автоматическую остановку закачки воды для защиты насосной установки от нештатного режима работы и для защиты продуктивного принимающего пласта от засорения мехпримесями путем от-ключения двигателя и выдачи соответствующего сигнала операторской службе.

Проблема выбора расходомера для целей осуществления контроля (из-мерения) за объемом перекачиваемой жидкости (воды) без извлечения ее на поверхность далеко нетривиальна и обусловлена тем, что такие расходомеры должны соответствовать следующим критериям.
1. Наработка на отказ расходомера должна быть не менее наработки на отказ скважинного оборудования (насоса и электродвигателя).
2. Максимально простая схема съема электрического сигнала с выхода первичного преобразователя и его обработки для получения информации на поверхности об объеме перекачиваемой жидкости.
Этим двум критериям в той или иной мере удовлетворяют тахометриче-ские расходомеры, общим для которых является измерение скорости движе-ния подвижного элемента, по которой судят о расходе, а по числу оборотов или ходов судят о количестве (объем или масса) прошедшего вещества. К та-хометрическим расходомерам относятся в первую очередь турбинные и ша-риковые расходомеры [4].
Чувствительным элементом турбинного счетчика является аксиальная (осевая) турбинка с лопастями, расположенными под углом к направлению потока жидкости, и свободно вращающаяся на подшипниках. Скорость вра-щения турбинки прямо пропорциональна скорости потока и, следовательно, расходу проходящей жидкости, а число оборотов ее за определенный период - объему жидкости, прошедшей за этот период [4].
Главный недостаток первичных преобразователей турбинных расходо-меров состоит в том, что турбинки преобразователей перекрывают проход-ное сечение трубопровода, вследствие чего тяжело воспринимают гидравли-ческие удары, которые, в свою очередь, ускоряют разрушение лопаток тур-бинок и износ подшипников. Кроме того, лопатки турбинок, являясь прегра-дой движущегося потока, могут забиваться инородными телами, что также сказывается на надежности турбинок, вплоть до их заклинивания.
Подвижным элементом шарикового расходомера служит шарик, который вращается под действием закручиваемого специальным образом потока из-меряемого вещества. Частота вращения шарика, прямо пропорциональная расходу, преобразуется в информационный электрический сигнал или ин-дукционным или индуктивным, или магнитоуправляемым контактом (герко-ном) и т.п.
Шариковые расходомеры свободны от вышеперечисленных недостатков, присущих первичным преобразователям (датчикам) турбинных расходоме-ров и полностью удовлетворяют критериям: повышенной надежности (нара-ботка на отказ) и максимальной простоты съема и обработки информацион-ного электрического сигнала, пропорционального расходу.
Сравнение турбинных и шариковых расходомеров однозначно показыва-ет превосходство шариковых расходомеров над турбинными.
Таким образом, именно преобразователи расхода шариковых расходо-меров более других предпочтительны для работы в скважине в паре с электроцентробежным насосом, однако существующие конструкции наземно-го применения, безусловно, требуют существенной доработки их для адапта-ции к скважинным условиям эксплуатации в составе устройства межпласто-вой перекачки воды.
В части глубинного скважинного преобразователя расхода для устрой-ства межпластовой перекачки воды требуемый технический результат обес-печивается тем, что в глубинном скважинном преобразователе расхода устройства межпластовой перекачки воды, содержащем составной проточ-ный корпус с центральным осевым и кольцевым коаксиальным измеритель-ным каналами, причем на входе измерительного канала установлен враща-тель потока с радиальными косыми лопатками, расположенными под углом к набегающему потоку воды, на выходе этого канала установлен выпрямитель потока с радиальными прямыми лопатками, между вращателем и выпрями-телем потока выполнена торообразная кольцевая канавка, в которой с воз-можностью качения по ее поверхности размещен шар, а также узел контроля за круговыми движениями шара по этой кольцевой канавке, корпус выпол-нен в виде, как минимум, двух частей, наружная из которых содержит поса-дочное седло под вставную, с возможностью установки и съема, центральную часть корпуса, в теле наружной части корпуса размещен фиксатор взаимно-сопряженного состояния обеих частей, вращатель и выпрямитель потока жестко закреплены на вставной части корпуса, а кольцевая канавка выполне-на в теле наружной части непосредственно над посадочным седлом, при этом геометрическая образующая поверхности кольцевой канавки является поло-виной дуги окружности с концами этой дуги, лежащими на прямой, не па-раллельной оси корпуса и пересекающейся с этой осью за выпрямителем по-тока.
Глубинный скважинный преобразователь расхода (см. фиг.2) для устрой-ства межпластовой перекачки воды содержит составной проточный корпус 16 с центральным осевым (позиция 17) и кольцевым коаксиальным измери-тельным (позиция 18) каналами. На входе измерительного канала 18 уста-новлен вращатель 19 потока с радиальными косыми лопатками 20, располо-женными под углом к набегающему потоку воды (как это изображено на фиг.З), а на выходе этого канала установлен выпрямитель 21 потока с ради-альными прямыми лопатками 22. Между вращателем 19 и выпрямителем 21 потока выполнена торообразная кольцевая канавка 23, в которой размещен шар 24, а за канавкой, в теле корпуса 1, размещен узел 25 контроля за кру-говыми движениями шара, соединенный электрической связью с наземным блоком 12 вычисления расхода, содержания
мехпримесей и учета количества перекачиваемой воды. Проточный кор-пус 16 выполнен, как минимум, из двух частей, наружная часть 26 из кото-рых содержит посадочное седло 27 под вставную, с возможностью установки и съема, центральную часть 28 корпуса 16. В теле наружной части 26 разме-щен фиксатор 29 взаимно-сопряженного состояния обеих частей. Вращатель 19 и выпрямитель 21 потока жестко закреплены на вставной центральной ча-сти 28 корпуса, а кольцевая канавка 23 выполнена в теле наружной части 26 непосредственно над посадочным седлом 27, при этом геометрическая обра-зующая поверхности кольцевой канавки является половиной дуги окружно-сти с концами этой дуги (точки А и Б на фиг.2), лежащими на прямой "а-б", не параллельной оси 0-0 корпуса и пересекающейся (там же, точка К) с этой осью за выпрямителем 21 потока.
Глубинный скважинный преобразователь расхода работает следующим образом. Поскольку скважина над пакером 7 заполнена водой из отдающего пласта и вода на

прием (вход) многоступенчатого центробежного насоса поступает через проточный корпус 16 глубинного скважинного преобразователя, то часть потока всасываемой насосом воды идет по центральному осевому каналу 17, а некоторая часть потока воды, закручиваясь вращателем 19 потока, идет по измерительному коаксиальному кольцевому каналу 18, увлекая шар 24 в круговое движение качения по горообразной кольцевой канавке 23, тем бо-лее интенсивное, чем выше (больше) расход потока. Угловая скорость (часто-та вращения) шара является мерой расхода воды по измерительному каналу, а общий (суммарный) расход воды через преобразователь 11 определяется из соотношения пропускной способности обоих каналов, расход в одном из которых измеряется по общеизвестному для тахометрических шариковых расходомеров принципу. Особенность заявляемой конструкции является то, что шар в горообразной кольцевой канавке всегда находится в точечном контакте с ее поверхностью, чем обеспечивается высокая чувствительность преобразователя к наличию потока через корпус, отсутствие нежелательных соударений и контактов шара при его качении с поверхностями, имеющими-ся, например, в известных конструкциях шариковых расходомеров, а также то, что при необходимости возможно с минимальными затратами средств и времени технологической остановки скважины провести извлечение и замену вставной центральной части корпуса на аналогичную с вращателем потока, имеющим другие параметры угла закрутки потока или другое сечение изме-рительного канала; возможна замена и шара 24 на другой такой же, или бо-лее массивный, или легкий, или из других материалов.
Следует отметить, что приведенная на фиг.2 конструкция предназначена для измерения потока воды (или какой-либо другой жидкости) при ее движе-нии сверху вниз, и шар выполняют из износостойкого материала с плотно-стью, близкой или несколько большей, чем плотность жидкости; для измере-ния же потока жидкости с направлением "снизу вверх" плотность материала шара должна быть несколько меньшей, чем плотность жидкости, а корпус преобразователя расхода, естественно, должен быть перевернут на 180 гра-дусов.

6.Расчет расходомера.

В качестве расчетного рассматривается вариант расходомера в сборе с НКТ 114 с гладкими концами ГОСТ 633-63. В целях уменьшения гидросопро-тивления и технологичности изделия входная часть расходомера выполнена аналогично конструкции НКТ 114 с гладкими концами и толщиной стенки δ=7 мм. Материал деталей расходомера должен кроме условий прочности и долго-вечности изделия отвечать требованиям стандартизации и унификации. Поэтому в качестве расчетных будем использовать марки сталей, широко применяющих-ся при добыче, разработке и бурении нефтегазоносных скважин, конкретно – стали групп прочности Д, Е, К, Л, М, которые используются при производстве насосно-компрессорных труб.