Бесплатный фрагмент - Очистка технологических скважин эрлифтом

Разработка эрлифтного насоса для
очистки скважин малого диаметра от заиления и восстановления водопритока. Спецификация оборудования

Техническое задание

Прочистки требуют скважины, внутренние диаметры которых составляют: 67 мм. Следует учесть при расчетах, что диаметры скважин в местах стыка труб могут быть меньше указанных не более чем на 5 мм.

Данные по скважине

Внутренний диаметр скважины — 67 мм;

Длина скважины — 25,624 м;

Высота заиления — 5,514 м;

Статический уровень (от устья трубы до уровня воды) — 18,5 м;

Скорость восстановления уровня воды, м/час — 0 м.

Забор проб со дна заиления скважин показал содержание следующего:

— ил;

— песок и твердые частицы, фракцией до 3 мм;

При прочистке скважины на начальном этапе, грунтовая вода в скважину, возможно, не будет попадать, динамический уровень будет близок или равен нулю.

Характер заиления: плотный

Магистральную часть эрлифтной установки рассчитать из резиновых рукавов или металлопластика (пропилена), для удобства монтажа и оперативной разборки.

Рабочий процесс эрлифта в условиях переменных притоков жидкости (гидросмеси)

По данным Заказчика данной разработки насосного оборудования очистки скважины малого диаметра от заиления и его расчета в скважину практически не наблюдается приток воды из водоносного горизонта. Использование воды водоносного горизонта в качестве носителя для эрлифтного подъема взвешенного ила и песка невозможно.

Для успешного выполнения поставленной задачи очистки скважины от заиления потребуется искусственное пополнение воды, как носителя взвешенного ила для эрлифта.

За основу такого расчета принята методика Кононенко А. П., докт. техн. наук, проф., Карпушина М. Ю., магистранта Донецкого национального технического университета.

Для процесса очистки скважины малого диаметра от заиления предлагается эрлифтная установка и разработана модель рабочего процесса эрлифта с подводом дополнительного притока жидкости (гидросмеси) в промежуточное сечение подъемной трубы.

Теория процесса

Востребованность эрлифтов в системах водоотлива и гидроподъема, а также прокачки (осветления) воды обусловлена рядом их известных преимуществ в сравнении с насосным оборудованием, из которых наиболее часто выделяют простоту конструкции и надежность в эксплуатации. Основным недостатком газожидкостного подъемника является его относительно низкая энергетическая эффективность. Особенно ощутимо проявляется высокое энергопотребление эрлифта в условиях отсутствия или переменных притоков жидкости (гидросмеси), что обусловлено, в основном, значительными потерями давления в подающей трубе при увеличении подачи газожидкостного подъемника в сравнении с номинальной.

Однако, малый диаметр скважины заказчика, подлежащей очистке от ила, не позволяет использовать другое насосное оборудование, кроме как эрлифт. Использование эрлифта в данном случае — неизбежно.

Обоснование целесообразного устройства газожидкостного подъемника и энергетически рациональных режимов его эксплуатации требует разработки математической модели рабочего процесса эрлифта с учетом изменяющихся количеств жидкости (гидросмеси), подлежащей транспортированию.

Поэтому моделирование рабочего процесса газожидкостного подъемника ила в условиях переменных притоков жидкости (гидросмеси) является актуальной научной задачей, имеющей практическое приложение.

Существует несколько основных способов повышения подачи эрлифта [1, 2]: использование свойства саморегулирования газожидкостного подъемника, увеличение подачи сжатого воздуха при неизменном геометрическом погружении смесителя эрлифта, применение групповой и батарейной схем установок.

Свойство саморегулирования газожидкостного подъемника заключается в том, что при изменении геометрического погружения смесителя h за счет изменения притока в зумпф происходит соответствующее изменение подачи эрлифта Qэ при постоянном расходе воздуха Qв [1, 2]. Однако создание установки со значительным резервом по величине геометрического погружения смесителя h требует ощутимых капитальных затрат на строительство соответствующих зумпфов и не всегда технологически осуществимо. К тому же в данных условиях необходим источник пневмоэнергии, эффективно работающий в значительном диапазоне степеней сжатия газа. Производимые промышленностью центробежные воздушные нагнетатели, наиболее полно обеспечивающие требуемые параметры газообразного рабочего тела для эрлифтов [3], как правило не соответствуют условиям работы в составе газожидкостных подъемников при переменных притоках жидкостей (гидросмеси) именно по потребному диапазону развиваемых давлений.

Рекомендуемый диапазон изменения подачи эрлифта при постоянном геометрическом погружении смесителя h и изменении расхода воздуха Qв находитcя, как правило, в пределах

Qэ опт <Qэ <Qэ макс

где

Qэ опт — подача эрлифта в оптимальном режиме работы,

Qэ макс — максимальная подача эрлифта),

Qэ макс /Qэ опт ≈ 1,3÷1,4 [1, 2].

При этом смещение текущего рабочего режима по направлению от режима с оптимальной подачей к режиму с максимальной подачей подъемника сопровождается существенным снижением КПД эрлифта за счет, в основном, увеличения потерь давления в подающей трубе и такого изменения структуры водовоздушного потока в подъемной трубе, которое приводит к увеличению энергоемкости рабочего процесса [4].

К тому же, первые два указанных способа увеличения подачи эрлифта наиболее приемлемы либо в случае транспортирования жидкостей без включения твердых частиц, либо в случае незначительных диапазонов изменения расходов гидросмеси.

В первом случае отсутствует жесткая необходимость в обеспечении скоростей жидкости на входе в смеситель не ниже транспорной, а во втором случае незначительное изменение расходов гидросмеси не приводит к ощутимому увеличению потерь давления в подающей трубе [1, 2].

Назначение подающей трубы в составе эрлифта обусловлено необходимостью обеспечения транспортных скоростей несущего потока на входе в смеситель при транспортировании твердых частиц [5] и предотвращении выброса сжатого воздуха в зумпф [6, 7]. В условиях переменных притоков диаметр подающей трубы определяется из условия обеспечения надежного «уноса» твердого материала при минимально возможных расходах гидросмеси. Увеличение ее расхода приводит к увеличению скорости в подающей трубе и, следовательно, к значительному увеличению потерь давления в ней [4].

Повышение потерь давления в подающей трубе приводят к уменьшению так называемого динамического относительного погружения смесителя αд [8], что при прочих равных условиях приводит к снижению подачи эрлифта. Компенсировать снижение подачи Qэ из-за уменьшения величины αд возможно, опять же, либо за счет увеличения геометрического погружения смесителя h, либо за счет увеличения расхода сжатого воздуха Qв.

Применение групповых и батарейных эрлифтных установок при практически неограниченной возможности по увеличению подачи предполагает значительное увеличение капитальных затрат и снижает надежность установки. Реализация данных схем требует расширения зумпфа (батарейная схема), наличия нескольких зумпфов (групповая схема), увеличения числа подъемников и, соответственно, усложнения и удорожания сети воздухоподающих трубопроводов. При применении групповых и батарейных установок повышается вероятность заиливания резервных эрлифтов, в том числе из-за низкой надежности работы запорных устройств в потоке, как правило, абразивной гидросмеси [1—3].

Кроме этого, в рассмотренных схемах установок расширение воздуха в эрлифте приводит к увеличению истинного газосодержания водовоздушного потока по высоте подъемной трубы и изменению структуры газожидкостного потока. Обеспечение снарядной структуры водовоздушной смеси, как наиболее энергетически эффективной в эрлифте [9], по всей длине подъемной трубы в этих условиях проблематично. Это также снижает энергетическую эффективность эрлифта.

Таким образом, использование перечисленных схем и способов работы газожидкостных подъемников в условиях переменных притоков жидкости (гидросмеси) во многих случаях энергетически и технологически неэффективно.

Постановка задачи

Разработать и предложить заказчику рабочую модель эрлифтной установки, обеспечивающую очистку скважины малого диаметра от заиления и восстановление водопритока до первоначального дебита, учитывая, что в настоящее время водоприток в скважину через фильтровую часть равен нулю.

Изложение материала и результаты работы

Выше изложенный анализ состояния научной задачи позволяет сформулировать следующие требования к разрабатываемой эрлифтной установке:

а) возможность эксплуатации установки в широком диапазоне подач без существенного увеличения потерь давления в подающей трубе;

б) возможность эксплуатации воздушного нагнетателя при

блочной схеме воздухоснабжения газожидкостного подъемника при давлениях, близких к номинальным, в широком диапазоне изменения подач эрлифта;

в) исключение использования запорных устройств в потоке абразивной гидросмеси;

г) обеспечение снарядной структуры водовоздушного потока в эрлифте и поддержание ее вида близким к неизменному по всей длине подъемной трубы.

В НАШЕМ СЛУЧАЕ соответствовать изложенным требованиям может эрлифтная установка с возможностью подвода дополнительного притока жидкости (гидросмеси) в промежуточное сечение подъемной трубы эрлифта (рис. 2).

Жидкость (гидросмесь), подлежащая транспортированию эрлифтом, направляется в приемную емкость 1, которая основным подводящим трубопроводом 2 соединена с зумпфом 3. Причем, гидравлическое сопротивление основного подводящего трубопровода 2 имеет такое значение, при котором величина уровня жидкости (гидросмеси) в приемной емкости l ≤ lmax обеспечивает расход в данном трубопроводе, не превышающий базовое значение Qпр1. Базовый приток Qпр1 поступает в подающую трубу 4 и смешивается в смесителе 5 с воздухом, подаваемым в количестве Qв1 по основному воздухопроводу 6. Обеспечивается подача эрлифта Qэ = Qпр1.