Устройства для возбуждения виброакустических колебаний в металлических конструкциях нефтяных скважин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Осипкин, Сергей Владимирович

• Осипкин, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Осипкин, Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ВОЗБУЖДЕНИЯ

НИЗКОЧАСТОТНЫХ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ.

1.1. Анализ существующих способов и оборудования для создания вибрационных колебаний в скважинах.

1.2. Цели и задачи исследований.

Глава 2. СОЗДАНИЕ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В СКВАЖИНЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ.

2.1. Установка преобразователя на устье скважины.

2.2. Кинематическая схема, сравнительный анализ и выбор типа конструкции внешнего резонансного электромеханического преобразователя.

2.3. Методика математического моделирования, определение параметров макромодели МЭВУ.

2.3.1. Обоснование макромодели МЭВУ.

2.3.2. Обоснование и расчет параметров макромодели МЭВУ.

2.3.3. Методы и средства численного анализа электромагнитных полей для расчета параметров макромоделей.

2.4. Расчет рабочих характеристик, анализ динамических режимов магнитоэлектрических вибрационных устройств.

2.4.1. Конструкция преобразователя.

2.4.2. Расчет тяговых характеристик и определение параметров эквивалентных схем.

2.4.3. Анализ динамических характеристик преобразователя.

Глава 3. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕФТЯНЫЕ СКВАЖИНЫ.

3.1. Технологии и оборудование, применяемые при виброакустической обработке скважин резонансным МЭВУ.

3.1.1. Цели и задачи научно-исследовательских и промысловых работ.

3.1.2. Оборудование и описание проведенных работ по виброакустическому воздействию на двух выбранных скважинах.

3.2. Сопоставление полученных результатов в процессе эксперимента с результатами математического моделирования.

Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИХ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ.

4.1. Проектирование и оптимизация конструкции АУВУ.

4.1.1. Выбор конструкции АУВУ.

4.1.2. Методика оптимизации магнитной системы АУВУ.

4.2. Построение тяговых характеристик АУВУ, контроль магнитных параметров.

4.3. Проектирование автономного погружного виброакустического устройства.

4.3.1. Принцип работы и конструкция АПВУ.

4.3.2. Расчет тяговых характеристик в статических и динамических режимах с учетом вихревых токов.

4.4. Математическое моделирование устройств АУВУ, АПВУ и процессов передачи энергии в пласт.

4.4.1. Математическое моделирование усилий создаваемых устройствами АУВУ и АПВУ.

4.4.2. Моделирование процессов передачи энергии по конструкциям скважины.

4.4.3. Методика определения наилучшего местоположения АПВУ в стволе скважины.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Устройства для возбуждения виброакустических колебаний в металлических конструкциях нефтяных скважин»

Актуальность темы. Добыча нефти в скважинах сопровождается рядом технологических и эксплуатационных проблем, которые повышают себестоимость извлекаемого из недр сырья.

Необходимо поддержание или улучшение фильтрационных свойств продуктивных пластов, снижение отложений в глубинном или подземном оборудовании скважины, предупреждение образования водонефтяных эмульсий и др.

Нефтегазовая отрасль динамично развивается в направлении более полного извлечения углеводородов. Появляются и внедряются технологии, использующие специальные электрические аппараты и оборудование.

Применяемые для интенсификации добычи нефти методы теплового и химического воздействия, закачка пара, газа, полимеров и других вытесняющих агентов по-разному способствуют повышению извлечения запасов. Однако общий недостаток этих методов в том, что их применение приводит к необратимым эффектам и нарушениям экологического равновесия. Поэтому актуальна разработка других щадящих способов интенсификации добычи нефти, основанных на воздействии различными физическими полями. Так в последние годы изыскиваются, предлагаются и внедряются различные методы вибрационного воздействия. Одно из существенных преимуществ этого метода - экологическая чистота, что становится все более актуальным по мере выработки продуктивных пластов и ужесточение экологических требований к разработке недр [4]. Таким образом, создание комплексов новых технологий, оптимально адаптированных к спектру возникающих различных технических и эксплутацион-ных проблем, приобретает важное значение.

В работе предлагается безреагентная экологически чистая технология непрерывного стимулирования скважинной добычи нефти на основе упруго-магнитодинамического воздействия на молекулярные связи углеводородных сред.

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное обоснование моделей процессов и создание устройств для эффективного возбуждения виброакустических колебаний в элементах конструкции нефтяных скважин без остановки добычи сырья и без привлечения специальной техники.

Задачи исследования:

1. Анализ известных способов и устройств возбуждения виброакустических полей в продуктивных пластах и элементах оборудования скважин.

2. Обоснование применения электромеханических и магнитомеханических преобразователей для виброакустической обработки скважин без остановки добычи нефти.

3. Разработка и обоснование математических моделей для анализа процессов возбуждения и распространения виброакустических колебаний в элементах конструкции скважин.

4. Разработка математических моделей для проектирования электромеханических и магнитомеханических виброакустических преобразователей.

5. Проведение цикла оптимизационных расчетов, исследований параметров и динамических характеристик конкретных конструкций предлагаемых устройств.

6. Экспериментальные исследования виброакустических преобразователей для подтверждения их технических характеристик.

Методы решения поставленных задач. В работе использованы численные методы анализа стационарных и нестационарных электромагнитных полей, основанные на пространственных интегральных уравнениях для источников поля. Значительная часть результатов получена с использованием этих алгоритмов, программно реализованных в комплексе JUMP, разработанном в Московском энергетическом институте.

Для анализа процессов возбуждения и распространения виброакустических колебаний применены методы макро-моделирования и средства системы сквозного проектирования ОгСас! 9.2.

Экспериментальные исследования на скважинах, выполнены при помощи компьютерной системы сбора и обработки электрических и механических параметров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны новые математические модели для проектирования электромеханических и магнитомеханических виброакустических преобразователей без макетных исследований. Данные модели позволяют проводить анализ не только рабочих характеристик преобразователя, но и процессов возбуждения и распространения колебаний в элементах конструкции скважины. При расчете динамических тяговых характеристик магнитомеханических преобразователей учитывается влияние вихревых токов.

2. Впервые получены, теоретически и экспериментально подтверждены характеристики виброакустических процессов в скважинном оборудовании при различных способах возбуждения колебаний.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием при решении модельных задач строго обоснованных вычислительных методов и соответствием выводов диссертации результатам экспериментальных исследований полученным, как в лабораторных условиях, так и на различных нефтяных месторождениях.

Практическая значимость

1. В результате исследований обоснована новая технология возбуждения виброакустических колебаний в подземном оборудовании нефтяных скважин, разработаны технические требования к устройствам возбуждения колебаний.

2. Экспериментальные партии новых образцов виброакустического оборудования для ремонтно-профилактических работ на скважинах, внедряются на нефтяных месторождениях Татарии, Удмуртии и КНР.

Личный вклад автора. Разработка методики моделирования магнитоэлектрических вибрационных устройств (МЭВУ), проведение расчетных и экспериментальных исследований, анализ результатов испытаний, уточнение параметров математических моделей. Участие в проектировании и конструировании новых магнитомеханических виброакустических излучателей для промышленного использования на скважинах.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

XIV Международная конференция по постоянным магнитам. 22-26 сентября 2003 г. - Суздаль, 2003 г.;

XV Международная конференция по постоянным магнитам. 19-23 сентября 2005 г. - Суздаль, 2005 г.;

Пять международных научно-технических конференций студентов и аспирантов. «Радиоэлектроника электротехника и энергетика» г. Москва: МКРЭЭ- 2003, МКРЭЭ- 2004, МКРЭЭ- 2005, МКРЭЭ- 2006.

Работа была отмечена грантом НИР конкурса 2004 года для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования, находящихся в ведении Федерального агентства по образованию (грант № А04-3.14-293).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ: из них 1 статья, 7 полных тезисов докладов в сборниках трудов международных научных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 102 наименований. Основная часть работы изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 83 рисунка и 7 таблиц. Приложения изложены на 12 страницах машинописного текста.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Осипкин, Сергей Владимирович

выводы

1. Предложены новые магнитомеханические источники генерации низкочастотных виброакустических колебаний для нефтедобывающей промышленности. Представленные конструкции устройств позволяют постоянно поддерживать полученные на скважине положительные эффекты, являясь при этом полностью автономными и не требующими обслуживания высококвалифицированного персонала. Опытная партия устройств применена в промышленных испытаниях на различных нефтяных месторождениях.

2. Осуществлено оптимизационное проектирование автономного устьевого виброакустического устройства, рассчитаны тяговые характеристики. Проведено математическое моделирование процессов передачи энергии в пласт.

3. Рассчитаны тяговые характеристики автономного погружного виброакустического устройства, в том числе в динамических режимах с учетом вихревых токов. Проведено моделирование и определена методика поиска наилучшего расположения устройства в стволе скважины, исходя из наиболее выгодных условий передачи энергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований получен ряд научных и практических результатов, позволяющих оптимизировать процессы виброакустической обработки нефтяных скважин. Основные результаты и выводы:

1. Предложена универсальная методика математического моделирования электромеханических систем магнитоэлектрических вибрационных устройств для нефтяных скважин, использующая численный анализ электромагнитных полей на основе интегральных уравнений для точного определения параметров макромоделей.

2. Разработана математическая модель для анализа динамических процессов, включающая виброакустический излучатель и механическую нагрузку в виде протяженного подземного и наземного оборудования нефтяных скважин. Выполнен подробный анализ установившихся и переходных режимов магнитоэлектрических и магнитомеханических вибрационных устройств.

3. По предложенной методике выполнены оптимизационные расчеты, по результатам которых спроектированы и изготовлены низкочастотные магнитоэлектрические устройства с резонансной частотой 36 Гц.

4. Теоретические выводы и данные расчетов подтверждены результатами экспериментальных исследований, послужившими основой для разработки технологии возбуждения виброакустических колебаний в подземных конструкциях скважины и проектирования нового оборудования для промышленного внедрения.

5. Теоретические методы предложенных методик и полученные практические результаты обсуждались на семи международных научных конференциях и получили положительную оценку.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Осипкин, Сергей Владимирович, 2006 год

1. Герштанский О.С., Шерстнев Н.М. Влияние физических полей на технологические процессы нефтедобычи. - М.: ОАО "ВНИИЩЭНГ", 2001. -236 с.

2. Доманский A.B. Исследование методов повышения нефтегазоотдачи: Монография. Южно-Сахалинск: Изд-во СахГУ, 2000. - 152 с.

3. Кузнецов O.JL, Симкин Э.М., Чилингар Дж. Физические основы вибрационного и акустического воздействия на нефтегазовые пласты. -М.: Мир, 2001.-260 с.

4. Дыбленко В.П., Камалов Р.Н., Шарифуллин Р.Я. и др. Повышение продуктивности и реанимация скважин с применением виброволнового воздействия. -М.: ООО " Недра-Бизнесцентр 2000. -381 с.

5. Молчанова Е.А., Сорина Ф.С., Мельникова Т.В. Методы повышения нефте- и газоотдачи пластов при эксплуатации скважин (патентные исследования). -М.: ИНИЦ Роспатента, 2002. -102 с.

6. Кисин И.Г. О вероятном механизме вибрационных эффектов и виброчувствительности насыщенных сред. В сб.: Физические основы сейсмического метода. Нетрадиционная геофизика. -М.: Наука, 1991. -210 с.

7. Симикин Э.М., Лопухов Г.П. Виброволновые и вибросейсмические методы воздействия на нефтяные пласты. -М.: ВНИИОЭНГ, 1989. (Обзор, информ. Сер. "Нефтепромысловое дело").

8. Ибрагимов Л.Х., Мищенко И.Т., Челоянтц Д.К. Интенсификация добычи нефти. -М.: Наука, 2000. -414 с.

9. Кузнецов О.Л., Семикин Э.М. Преобразование и взаимодействие геофизических полей в литосфере. Недра, 1990, -140 с.

10. Николаевский В.Н. Вибрации горных массивов и конечная нефтеотдача пласта // Механика жидкости и газа. -1992. №5. - С. 72-75.

11. Войтов Г.И., Кузнецов В.В., Николаев А.В и др. Резонансный эффект геохимического отклика пласта на сейсмическое воздействие // ДАН. -1989. -Т.308. №4.-С 120-122.

12. Боголюбов Б.Н., Бриллиант JI.C., Лобанов и др. Интенсификация добычи нефти низкочастотным акустическим воздействием // В сб.: Нефтяное хозяйство №9. -2000.

13. Николаевский В.Н. Механизм вибровоздействия на нефтеотдачу месторождений и доминантные частоты // ДАН. -1989.-№11- с. 40-43.

14. Вахитов Г.Г., Семкин Э.М. Использование физических полей для извлечения нефти из пластов. М.: Недра, 1985. -231 с.

15. Неволин В.Г., Поздеев О.В. Акустическое воздействие в технологических процессах при добычи нефти. ПермНИПИнефть, Пермь, 1991. -80 с.

16. Кузнецов O.JL, Ефремова С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. -М.: Недра, 1983. -192 с.

17. Электродинамический вибровозбудитель.; Elektrodynami-czny wzbudnik drgan.: Патент 158283, МКИ 5 В 06 В 1/04, G 01 Н 11/02/ Krzymien, Wieslaw; Instytut Lotnictwa, Warszawa.- N 273817; Заявлено 19.07.88. Опубликовано 31.08.92.

18. Электромагнитный привод.; а.с. 1731018, МКИ 6 Н 02 Р 7/62, Кадышев А.И., Симонов Б.Ф., Ряшенцев Н.П.; Специальное КБ прикладной Геофизики СО АН СССР, Заявлено 16.01.89. Опубликовано 20.09.95, Бюллетень # 26.

19. Вибропривод Шумихина.; Патент 2025891, МКИ 5 Н 02 Р 7/62, Шумихин Б.Г.; Заявлено 09.01.92, Опубликовано 30.12.94, Бюллетень # 24.

20. Электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения.; а.с. 909768, МКИ Н 02 К 33/12, Баев В.А., Казаков В.А.; Заявлено 11.07.80, Опубликовано 28.02.82, Бюллетень # 08.

21. Линейные двигатели.; Linearmotoren vermeiden Unzulan-glichkeitet konventioneller Antriebe.; Maschinenmarkt.-1995.-T.101,N 17.-C. C. 64-66, 68-69.-ISSN 0341-5775.

22. Курбатов П.А. Анализ силовых взаимодействий в электромагнитных системах электрических аппаратов., -М., Изд-во МЭИ, 1994, 28 с.

23. Дмитриев Д.О., Курбатов П.А. Методы анализа динамических характеристик магнитоэлектрических линейных приводов // "Электротехника" №1, 1998, -С. 13-17.

24. Курбатов П.А., Рябинин С.Б., Терехов Ю.Н. и др. Магнитоэлектрические приводы. Применение и проектирование // Тезисы докладов XI Всесоюзной конференции по постоянным магнитам, Суздаль, 1991г.,-131с.

25. Дмитриев Д.О., Курбатов П.А., Рябинин С.Б. и др. Магнитоэлектрические вибрационные приводы. Применение и проектирование // "Электотехника" № 6, 1995, -С. 28-31.

26. Курбатов П.А., Осипкин C.B. Применение линейных электромеханических преобразователей для возбуждения колебаний в массивных конструкциях // Вестник МЭИ. -М., 2003. №4. С. 68-73.

27. Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов / Под ред. Ю.К. Розанова. -2-е изд., испр. и доп. -М.: Информэлектро, 2001. -420 с.

28. Иванов-Смоленский A.B. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование. -М.: Энергия, 1969. -304 с.

29. Веников В.А. Теория подобия и моделирования применительно к заначам электроэнергетики. -М.: Госэнергоиздат, 1949. -168с.

30. Постоянные магниты. Справочник. Под ред. Ю.М. Пятина. -М.: Энергия, 1980.- 488 с.

31. Буль Б.К., Буткевич Г. В, Годжелло А. Г. и др. Основы теории электрических аппаратов./ Под ред. Г.В. Буткевича. М.: Высш. шк., 1970. - 600 с.

32. Чунихин A.A. Электрические аппараты. Учебник для энергетических и электротехнических институтов и факультетов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1975.-648 с.

33. Мишин Д.Д. Магнитные материалы: учеб. пособие. М.: Высш. школа, 1981.-335 с.

34. Справочник по электротехническим материалам /Под ред. Ю. В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. Т.З. - 3-е изд. - JL: Энергоатомиздат, 1988. -728 с.

35. Сергеев В. Г., Шихин А. Я. Магнитоизмерительные приборы и установки. -М.: Энергоатомиздат, 1982. 152 с.

36. Вагнер Г. Основы исследования операций. -М.: Мир, 1972. Т.1 335с., т.2 -480с., т.З-501 с.

37. Иванов-Смоленский А.В, Кузнецов В.А. Универсальный численный метод моделирования электромеханических преобразователей и сис-тем.//Электричество. -2000. -№ 7. -С. 24.

38. Носач В.В., Решение задач аппроксимации с помощью персональных компьютеров., -М., 1994. -382 с.

39. Иванов А.З., Круг Г.К., Филаретов Г.Ф. Статистические методы в инженерных исследованиях. Построение регрессионных моделей. -М.: МЭИ. 1979. -104 с.

40. Нейман J1.P., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. В 2-х томах. 2-е изд. -JL: Энергия, 1975. -522 и 407 с.

41. Шимони К. Теоретическая электротехника. -М.: Мир, 1964. -774 с.

42. Бухгольц Г. Расчет электрических и магнитных полей. -М.: Изд-во иностр. лит., 1961. -712с.

43. Никикитенко А.Г., Левченко И.И., Гринченков В.П. и др. Информатика и компьютерное моделирование в электроапаратостроении: Учебн. Пособие для вузов по спец. "Электрические и электронные аппараты" М.: Высш. шк., 1999. -375с.

44. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров-электриков: Пер. с англ. М.: Мир, 1986. - 229с.

45. Громадка П.Т., Лей Ч. Комплексный метод граничных элементов в инженерных задачах: Пер. с англ. М.: Мир, 1980. - 303 с.

46. Ковалев О.Ф. Комбинированные методы моделирования магнитных полей в электромагнитных устройствах. Ростов н/Д.: СКНЦ ВШ, 2001. - 220 с.

47. Вишняков С.В., Гордюхина Н.М., Федорова Е.М. Расчет электромагнитных полей с помощью программного комплекса ANSIS: Учеб. Пособие / Под ред. Ю.А. Казанцева -М: МЭИ, 2003. 100с.

48. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферова М.А., ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едитореал УРСС, 2003. - 272с.

49. Кулаев Ю.В., Курбатов П.А. Программный комплекс JUMP для моделирования электромагнитных процессов.// Электротехника, 2002. - №2. — С. 52-55.

50. Lab VIEW User Manual, Copyright 1992,1996 National Instruments Corporation. All Rights Reserved, January 1996, Edition Part Number 320999A-01.

51. Lab VIEW Data Acquisition Basics Manual, Copyright 1996 National Instruments Corporation. All Rights Reserved, January 1996, Edition Part Number 320997A-01.

52. Lab VIEW Data Acquisition VI Reference Manual, Copyright 1990, 1996 National Instruments Corporation. All Rights Reserved, January 1996, Edition Part Number 321000A-01.

53. Lab VIEW Analysis VI Reference Manual, Copyright 1992, 1996 National Instruments Corporation. All Rights Reserved, January 1996, Edition Part Number 320538C-01.

54. Lab VIEW Code Interface Reference Manual, Copyright 1992, 1996 National Instruments Corporation. All Rights Reserved, January 1996, Edition Part Number 320539C-01.

55. Тамм И.Е., Основы теории электричества, -М.; Наука, 1976, 616 с.

56. Курбатов П.А., Аринчин С.А., Численный расчет электромагнитных полей, -М.: Энергоатомиздат, 1994г., -168 с.

57. Математическая энциклопедия., глав. ред. Виноградов И.М., -М, Советская Энциклопедия, Т.1,1977, -1152 с.

58. Курбатов П.А., Анализ силовых взаимодействий в электромагнитных системах электрических аппаратов., М., Изд-во МЭИ, 1994, -28 с.

59. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.О., М., "Солон", 2000, - 159 с.

60. Курбатов П.А., Осипкин C.B. Система акустической передачи данных по колонне бурильных труб // Радиоэлектроника электротехника и энергетика. Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл.- Москва, 2002 г. С. 72.

61. Lab VIEW User Manual, Copyright 1992,1996 National Instruments Corporation. 1996. All rights reserved. Edition Part Number 320999A-01.

62. Lab VIEW Data Acquisition Basic Manual, Copyright 1996, National Instruments Corporation. 1996. All rights reserved. Edition Part Number 321997A-01.

63. Иванов A.3., Круг Г.К., Филаретов Г.Ф. Статистические методы в инженерных исследованиях. Построение регрессионных моделей.-М.: МЭИ. 1979. 104 с.

64. Курбатов П.А., Осипкин C.B. Фролов М.Г. Электромагнитные силы в движущихся периодических структурах с постоянными магнитами // XV Международная конференция по постоянным магнитам: Тез. докл. Суздаль, 2005 г. -С. 192-193.

65. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1970. 720 с.

66. Курбатов П.А., Осипкин C.B. Фролов М.Г. Высокотемпературное миниатюрное вибрационное устройство на постоянных магнитах // XIV Международная конференция по постоянным магнитам: Тез. докл. Суздаль, 2003 г. - С. 176-177.

67. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., М.: 1956. - 726 с.

68. Красильников В.А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах, 2-е, перераб. -М.: 1954. 440 с.

69. Физическая акустика./ Под ред. У.Мезона, пер, с анг. Т.1-7, -М. 1967-70.

70. Ультразвуковая технология. / Под ред. д.т.н. Б.А. Аграната, М.: Металлургия, 1974.