Диссертационная работа посвящена решению задачи повышения энергетической эффективности теплотехнологических систем предприятий нефтяной промышленности за счет использования технологии и средств комбинированного воздействия на продуктивный пласт.
Актуальность работы. Анализ современного состояния и перспектив развития экономики свидетельствуют о том, что объемы потребления энергии будут неуклонно возрастать, несмотря на меры по энергосбережению и ограничения, обусловленные экологическими последствиями ее производства и преобразования. Многочисленные прогнозы свидетельствуют также, что в течение ближайших десятилетий нефть сохранит роль основы развития энергетики и экономики. В то же время прогнозируемый в ближайшее время большинством аналитиков дальнейший экономический рост неизбежно потребует не только поддержания на достигнутом уровне добычи нефти и газа, но и значительного его увеличения.
Существенной экономии материальных и, прежде всего, энергетических ресурсов на нефтедобывающих предприятиях можно добиться несколькими подходами [24, 64, 115], и в первую очередь разработкой и внедрением энергосберегающих технологий и средств увеличения нефтеотдачи пластов.
Несмотря на то, что большинство крупнейших месторождений страны находятся на поздней стадии разработки, потенциал увеличения добычи по-прежнему имеется: Россия занимает одну из лидирующих позиций по разведанным запасам углеводородного сырья. Вместе с тем, следует отметить постоянное ухудшение структуры этих запасов — большинство их относятся к трудноизвлекаемым.
Эффективная разработка таких объектов не может быть обеспечена традиционными технологиями добычи и эксплуатацией скважин. Для этого требуется широкомасштабное применение новых энергосберегающих методов и средств добычи нефти, способных обеспечить повышенную производительность скважин, интенсивные темпы отбора и высокую конечную нефтеотдачу при приемлемой рентабельности производства.
Применяемые в настоящее время методы интенсификации добычи и увеличения коэффициента нефтеотдачи пластов базируются на следующем:
1) увеличении перепада давления;
2) снижении сопротивления фильтрации;
3) увеличении коэффициента замещения нефти вытесняющим агентом;
4) увеличении охвата пласта.
Повышение перепада давления, очевидно, — наиболее простой способ интенсификации добычи. Однако его применение ограничивается возможностями существующего нефтепромыслового и внутрискважинного оборудования, да и эффективность его ограничена.
Методы, снижающие сопротивление фильтрации и увеличивающие коэффициент замещения, более трудоемки, но и значительно более результативны. Это и гидроразрыв пласта, и закачка полимерных композиций, физико-химическое воздействие, тепловое воздействие, и многие другие. Среди существующих методов выделяется воздействие на призабойную зону и продуктивный пласт упругими волнами различной частоты. Так как для его реализации не требуется существенное изменение средств добычи нефти — существующие технические устройства успешно согласуются со стандартным нефтепромысловым оборудованием и положительный эффект наблюдается в более чем 90% случаев.
Большой вклад в развитие волновых методов воздействия и исследование механизма влияния упругих волн на процесс фильтрации внесли Г. Г. Вахитов, С. М. Гадиев, Р. Ф. Ганиев, В. П. Дыбленко, О. Л. Кузнецов, Р. Я. Кучумов, Г. П. Лопухов, А. А. Попов, Э. М. Симкин, М. Л. Сургучев, И. А. Туфанов, В. П. Царев, Н. В. Черенский, Дж. Чилингар, Р. Я. Шарифуллин и ряд других исследователей.
В последнее время большое внимание уделяется комбинированным методам, позволяющим коренным образом повысить эффективность применяемых технологий за счет совмещения их с волновым воздействием. Достигается это применением устройств генерации упругих волн, в основе которых — возбуждение колебаний давления за счет различных физических эффектов, проявляющихся при определенных условиях в потоке жидкости.
Применяемые в настоящее время устройства базируются, главным образом, на использовании подвижных элементов конструкции. В рассматриваемой работе исследуется возможность их исключения. Поскольку объект воздействия — продуктивный пласт — характеризуется сложной структурой (неоднородностью коллектора, флюида), для достижения высокого эффекта воздействия необходимо вполне определенное сочетание частоты и амплитуды колебаний давления. В связи с этим необходимо определить, при каких режимных и параметрических характеристиках устройства такое сочетание может быть достигнуто. Решение этой задачи и является предметом исследования.
Объектом исследования в данной диссертационной работе является излучатель упругих волн в потоке несжимаемой жидкости. Подобные устройства широко используется в нефтедобывающей промышленности для повышения степени извлечения углеводородов из недр и интенсификации процесса добычи.
Положительный эффект применения излучателей обусловлен тем, что формируемое ими в продуктивных пластах волновое поле приводит к интенсификации внутрипластовых процессов, в том числе — фильтрации.
В то же время, используемые сегодня излучатели имеют недостатки в плане надежности, регулярности и стабильности генерации колебаний, точности достижения заданных параметров колебаний. Кроме этого, применяемые сегодня устройства требуют подвода дополнительной энергии [10] и их работа возможна в условиях остановки процесса добычи. Это, в свою очередь, делает невозможным непрерывное — в процессе добычи нефти.
— его использование, препятствует дальнейшему развитию технологии комбинированного воздействия на пласт.
Цель диссертационной работы. Разработать и научно обосновать принципы построения излучателя упругих волн на основе резонатора Гельмгольца, предназначенного для реализации энергосберегающей технологии комбинированного воздействия на пласт.
Направления исследований, исследование динамических характеристик устройства на основе резонатора Гельмгольца в широком диапазоне скорости потока и условиях, приближенных к промысловым;
— исследование процессов преобразования энергии при генерации колебаний давления;
— исследование частотных характеристик излучателя и определяющих их факторов;
— разработка математической модели процесса генерации колебаний;
— разработка методики определения геометрических параметров излучателя с учетом условий его эксплуатации.
Методы исследований, обоснованность и достоверность результатов. В работе использованы экспериментальные и теоретические методы исследования. Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными, полученными автором, и не противоречат известным положениям термодинамики, гидродинамики, теории колебаний. Достоверность полученных результатов обусловлена корректностью разработанных математических моделей, адекватностью их реальным процессам, подтверждается высокой сходимостью полученных теоретических результатов с экспериментальными данными, а также с результатами исследований других авторов.
В первой главе дан обзор основных работ в области теоретических и экспериментальных исследований механизма формирования волнового поля в продуктивных пластах с помощью излучателей упругих волн. Обоснован выбор технических средств для осуществления энергосберегающей технологии комбинированного воздействия на нефтяные пласты.
Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию динамических и амплитудно-частотных характеристик излучателя на основе резонатора Гельмгольца. Сформулированы задачи экспериментального исследования. Дано описание испытательных стендов, приборной базы, методики проведения исследований и обработки экспериментальных данных.
В третьей главе диссертации выполнено теоретическое исследование течения жидкости по тракту излучателя. Установлены зависимости коэффициента расхода сопел в излучателе от его геометрических характеристик. На основе метода электроакустических аналогий получены аналитические выражения зависимости для частоты собственных колебаний и добротности излучателя. Предложена математическая модель процесса возбуждения колебаний в излучателе с резонатором Гельмгольца.
В четвертой главе представлены результаты промысловых испытаний опытного образца излучателя на основе резонатора Гельмгольца, целью которых является проверка динамических характеристик и работоспособности устройства в промысловых условиях.
Пятая глава посвящена определению оптимальных конструктивных параметров излучателя и оценке эффективности его работы. Представлен разработанный алгоритм выбора основных геометрических параметров устройства применительно к заданному режиму его работы.
На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментального исследования динамических характеристик излучателя упругих волн в потоках несжимаемой жидкости.
2. Установленная зависимость числа Струхаля от геометрических характеристик резонансной камеры.
3. Выявленный механизм процесса возбуждения колебаний давления.
4. Методика исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) излучателя и выявленная взаимосвязь частоты собственных колебаний и добротности устройства с его геометрическими параметрами.
5. Математическая модель процесса возбуждения колебаний давления в потоке несжимаемой жидкости излучателем на основе резонатора Гельмгольца.
6. Методика определения оптимальных параметрических и геометрических характеристик излучателя с учетом условий его эксплуатации.
Автором опубликовано 25 научных трудов. Основные результаты диссертации опубликованы в 22 работах [9−15, 65, 78−88, 95, 108, 109], в том числе в центральных изданиях [87, 95] и в трудах международных и всероссийских симпозиумов и конференций.
Личный вклад автора в работу: автор участвовал в разработке экспериментальных стендов и проведении исследований излучателей, им обобщены полученные результаты, разработаны математическая модель процесса генерации колебаний давления и алгоритм определения оптимальных геометрических характеристик и параметров устройства.
Работа выполнена в Исследовательском центре проблем энергетики Казанского научного центра РАН в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002;2006 годы (работа № 41.003.11.2903), в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований (№№ 03−02−96 253, 03−02−17 279, 04−02−8 096 «офиа») и грантов Президента РФ по поддержке ведущих научных школ (№№НШ-746.2003.8, 02.445.11.7195), а также в рамках «Программы геологического изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы по Республике Татарстан на 2001 год» (работы №№А.6.2−11/01, А.6.2−12/01) и Территориальной программы геологического изучения недр по Республике Татарстан на 2002 и 2005 год (работы №№А.7.2−3/02,1.5.4.1/05).
Соискатель считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность коллегам по лаборатории «Основ энергоэффективных технологий восполнения природных топлив», с которыми он работал над решением рассматриваемых проблем — Э. А. Буторину, Л. И. Самбуровой, Л. Н. Секачеву, Р. Б. Шаихову, а также Ю. Ф. Гортышову, Ф. С. Занько, Ю. А. Кирсанову, С. А. Лившицу, Н. И. Михееву, В. М. Молочникову, Ю. Г. Назмееву, М. Н. Овчинникову, Э. Я. Ходыревой, Э. В. Шамсутдинову и В. Н. Шлянникову оказавшим помощь при решении рассмотренных задач. Отдельную благодарность автор выражает разработчикам программного комплекса FlowVision ООО «Тесис» и лично В. В. Шмелеву. Автор высоко ценит свою принадлежность к ведущей научной школе академика В. Е. Алемасова и выражает ему признательность за всестороннюю поддержку исследований по теме диссертаций. Особую признательность автор выражает неизменному на протяжении всего своего творческого пути учителюЯ.И.Кравцову.
Основные результаты диссертационной работы.
1. В результате анализа способов возбуждения упругих волн в потоке несжимаемой жидкости выявлено наиболее перспективное направление совершенствования излучателей колебаний, открывающее большие возможности энергосбережения в теплотехно логических системах нефтедобывающих предприятий — создание струйных излучателей на основе резонатора Гельмгольца.
2. Исследованием динамических характеристик устройства установлена зависимость амплитуды и частоты генерируемых колебаний давления от скорости потока жидкости и внешних условий. Определены условия и область устойчивой генерации колебаний. В частности, показано, что с увеличением противодавления на выходе излучателя амплитуда колебаний повышается.
Установлена зависимость числа Струхаля, характеризующего степень нестационарности течения жидкости, от геометрических характеристик резонансной камеры излучателя.
3. Методом численного моделирования течения жидкости выявлена структура потока в проточном тракте излучателя. Установлено, что в основе механизма преобразования энергии при генерации колебаний лежит взаимодействие вихревых структур потока.
4. На основе применения метода электроакустических аналогий установлена взаимосвязь частотных и геометрических характеристик излучателя. Впервые предложена система уравнений, описывающая эту взаимосвязь. Экспериментально подтверждена ее адекватность реальным процессам.
5. Разработана математическая модель процесса генерации, позволяющая рассчитать характеристики генерируемых колебаний в различных вариантах конструкции и применительно к различным режимам его работы. Полученные данные подтверждены экспериментом.
6. Разработана методика определения оптимальных геометрических параметров излучателя при осуществлении комбинированного воздействия на продуктивные пласты с учетом условий его эксплуатации.
7. Произведена оценка экономической эффективности внедрения предлагаемого оборудования. Показано, что даже при применении его на малом нефтяном месторождении (54 добывающих скважин) достигаемый эффект значителен и составляет 32 тыс. т.у.т./год. Срок окупаемости оборудования — менее 6 месяцев.
Научная новизна.
1. Предложены и научно обоснованы новые конструктивные решения устройств возбуждения колебаний давления, предназначенных для повышения энергетической эффективности теплотехнических систем предприятий нефтяной промышленности.
2. Впервые выявлены закономерности изменения амплитуды и частоты колебаний давления, возбуждаемых излучателем, в зависимости от скорости потока жидкости и величины внешнего давления.
3. Выявлены соотношения, характеризующие взаимосвязь частоты собственных колебаний и добротности излучателя с геометрическими параметрами.
4. Впервые предложено аналитическое описание зависимости числа Струхаля от геометрических характеристик камеры.
5. Впервые исследована численным методом структура потока несжимаемой жидкости по тракту излучателя.
6. Разработана математическая модель процесса возбуждения колебаний давления в излучателе, позволяющая учесть влияние режимных характеристик и свойств среды воздействия.
Практическая значимость. Результаты проведенных исследований рекомендованы к применению при решении задач совершенствования процессов генерации, преобразования и передачи энергии и ее рационального использования при освоении трудноизвлекаемых запасов нефти, а также при решении вопросов энергосбережения и повышения эффективности в других энергоемких отраслях промышленности.
На основе проведенных автором исследований разработан и изготовлен новый тип струйного излучателя колебаний, предназначенный для повышения энергетической эффективности теплотехнологических систем предприятий нефтяной промышленности. Внедрение его предусмотрено в 2006;2007 г. г.
Использование созданных устройств позволит снизить удельные энергетические затраты на добычу нефти, повысить коэффициент нефтеотдачи и рентабельность разработки нефтяных месторождений.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:
— II, III, IV Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В. Е. Алемасова: «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2000,2002,2004);
— XIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Внутрикамерные процессы, акустика, диагностика, экология» (Казань, 2001);
— научно-практическая конференция «Новейшие методы увеличения нефтеотдачи пластов — теория и практика их применения», в рамках VIII Международной специализированной выставки «Нефть, газ. Нефтехимия-2001» (Казань, 2001);
— Российский национальный симпозиум по энергетике (Казань, 2001);
— I Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение — теория и практика» (Москва, 2002);
— VII Всероссийская конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2002);
— XIV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2003);
— XII Европейский симпозиум «Повышение нефтеотдачи пластов» (Казань, 2003);
— IV, V Международный симпозиум «Ресурсоэффективность и энергосбережение в современных условиях хозяйствования» (Казань, 20 032 004);
— V Республиканская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Наука. Инновации. Бизнес» (Казань, 2005);
— Международная молодёжная научная конференция, посвященная 1000-летию города Казани «Туполевские чтения» (Казань, 2005).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
