Расчет массы плунжера для лифтовой колонны скважины 623

Ðàñ÷åò ìàññû ïëóíæåðà äëÿ ëèôòîâîé êîëîííû ñêâàæèíû 623
Ìåäâåæüåãî íåôòåãàçîêîíäåíñàòíîãî ìåñòîðîæäåíèÿ
Þðèé Êàøíèöêèé
Ôàêóëüòåò Àýðîìåõàíèêè è Ëåòàòåëüíîé Òåõíèêè
Ìîñêîâñêèé ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò, Ìîñêâà, Ðîññèÿ
[email protected]
Àííîòàöèÿ
Ñòàòüÿ ïîñâÿùåíà ðåøåíèþ çàäà÷è î âûáîðå ìàññû
ïëóíæåðà äëÿ ñêâàæèíû 623 Ìåäâåæüåãî íåôòåãàçîêîíäåíñàòíîãî ìåñòîðîæäåíèÿ íà îñíîâå èñïûòàíèé
íà ñîîòâåòñòâóþùåì ýêñïåðèìåíòàëüíîì ñòåíäå è
ðàçðàáîòêè ãèäðàâëè÷åñêîé ìîäåëè ïðîöåññà ðàáîòû
ïëóíæåðíîãî ëèôòà.
Ïëóíæåðíûé ëèôò ýòî óñòðîéñòâî äëÿ ïîäúåìà
æèäêîñòè ïî ëèôòîâîé êîëîííå ñêâàæèíû çà ñ÷åò ýíåðãèè ãàçà, íàõîäÿùåãîñÿ ïîä äàâëåíèåì, ðåøàþùåå ïðîáëåìó îáâîäíåíèÿ ïðèçàáîéíîé çîíû ñêâàæèíû. Âîäà
ñêàïëèâàåòñÿ â ðåçóëüòàòå êîíäåíñàöèè ïàðîâ, ïîñòóïèâøèõ âìåñòå ñ ãàçîì èç ïëàñòà, è óìåíüøàåò äåáèò (ñêîðîñòü äîáû÷è) ïðèðîäíîãî ãàçà èç ñêâàæèíû.  ðàìêàõ
äàííîé ðàáîòû ðàçðàáîòàíà ãèäðàâëè÷åñêàÿ ìîäåëü ðàáîòû ïëóíæåðíîãî ëèôòà è ïðèâåäåíà ôîðìóëà äëÿ ìàññû
ïëóíæåðà.
Keywords:
ñêâàæèíà, ïëóíæåðíûé ëèôò, ìåñòîðîæ-
äåíèå, íåôòü, ãàç.
1.
ÂÂÅÄÅÍÈÅ
ßìáóðãñêîå, Óðåíãîéñêîå è Ìåäâåæüå ãàçîâûå ìåñòîðîæäåíèÿ îäíè èç êðóïíåéøèõ â ìèðå ñåíîìàíñêèõ
çàëåæåé ïðèðîäíîãî ãàçà, îòêðûòûå â 60-70 ãîäàõ
ÕÕ âåêà. Äî 1990-ûõ ãîäîâ â ñèëó ïðîäóêòèâíîñòè
èõ ãàçîíàñûùåííûõ ïëàñòîâ èç ýòèõ çàëåæåé äîáûâàëîñü îñíîâíîå êîëè÷åñòâî ãàçà â Ðîññèè ñ äåáèòàìè
áîëåå 1 ìëí. êóáîìåòð/ñóòêè. Ñëîæíûå êëèìàòè÷åñêèå
óñëîâèÿ, ãåîãðàôè÷åñêîå ðàñïîëîæåíèå è óíèêàëüíûå
ïðîäóêòèâíûå õàðàêòåðèñòèêè ïîòðåáîâàëè ñîçäàíèÿ
íîâûõ òåõíîëîãèé ðàçðàáîòêè ìåñòîðîæäåíèé è êîíñòðóêöèé ñêâàæèí, îòëè÷íûõ îò ðàíåå èñïîëüçóåìûõ.
Ñêâàæèíû áûëè îáîðóäîâàíû ëèôòîâûìè êîëîííàìè
áîëüøèõ äèàìåòðîâ (D = 114÷168 ìì) è ðàñïîëàãàëèñü
êóñòàìè ïî 3-6 øòóê. Äî íà÷àëà ðàçðàáîòêè óêàçàííûõ
ìåñòîðîæäåíèé â ìèðîâîé è îòå÷åñòâåííîé ïðàêòèêå
îòñóòñòâîâàë îïûò ýêñïëóàòàöèè ãàçîâûõ ñêâàæèí ñ
ëèôòîâûìè êîëîííàìè áîëüøèõ äèàìåòðîâ â óñëîâèÿõ
Êðàéíåãî Ñåâåðà.
 òå÷åíèå íåñêîëüêèõ äåñÿòèëåòèé â ïðîöåññå ýêñïëóàòàöèè ñêâàæèí íà ìåñòîðîæäåíèÿõ ñåâåðà Òþìåíñêîé
îáëàñòè îñîáûõ ïðîáëåì íå âîçíèêàëî. Èçáûòî÷íûå
ýíåðãåòè÷åñêèå âîçìîæíîñòè è äîñòàòî÷íîå êîëè÷åñòâî
ðåçåðâíûõ ñêâàæèí ïîçâîëÿëè äîáûâàòü çàïëàíèðîâàííûå îáúåìû ãàçà çà ñ÷åò èñïîëüçîâàíèÿ òðàäèöèîííûõ
òåõíîëîãèé ýêñïëóàòàöèè ñêâàæèí. Ñ ñåðåäèíû 1990-õ
ãîäîâ ñèòóàöèÿ ðåçêî èçìåíèëàñü: â íàñòîÿùåå âðåìÿ áîëåå ïîëîâèíû äîáûâàåìîãî â Ðîññèè ãàçà ïðèõîäèòñÿ íà
ìåñòîðîæäåíèÿ, âñòóïèâøèå â ïåðèîä ïàäàþùåé äîáû÷è.
Ñ êàæäûì ãîäîì ýòî ñîîòíîøåíèå áóäåò óâåëè÷èâàòüñÿ,
à ñ 2020-25 ãã. çíà÷èòåëüíîå êîëè÷åñòâî äåéñòâóþùèõ
ñêâàæèí áóäåò ñîñðåäîòî÷åíî íà ìåñòîðîæäåíèÿõ,
âñòóïèâøèõ â çàêëþ÷èòåëüíóþ ñòàäèþ ðàçðàáîòêè.
Ïðè÷èíà óìåíüøåíèÿ ðàáî÷èõ äåáèòîâ â êîíäåíñàöèè
âîäû â ïðèçàáîéíîé çîíå ñêâàæèíû. Â ñêâàæèíû ñåíîìàíñêèõ çàëåæåé âìåñòå ñ ãàçîì ïîñòóïàþò ïëàñòîâàÿ
è êîíäåíñàöèîííàÿ âîäû. Êîíäåíñàöèîííàÿ âîäà ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì êîíäåíñàöèè â ëèôòîâîé êîëîííå ïàðîâ
âîäû, ñîäåðæàùèõñÿ â ïðèðîäíîì ãàçå, ïî ìåðå ñíèæåíèÿ òåìïåðàòóðû ãàçà. Âîäà, ñêîïèâøàÿñÿ â òðóáàõ, îêàçûâàåò äîïîëíèòåëüíîå ãèäðàâëè÷åñêîå äàâëåíèå íà çàáîé ñêâàæèíû.  ðåçóëüòàòå ïðèòîê ãàçà èç ïðîäóêòèâíîãî ïëàñòà îãðàíè÷èâàåòñÿ ýòèì äàâëåíèåì, äåáèò ãàçà
óìåíüøàåòñÿ, à ñêâàæèíà, ïðè îïðåäåëåííûõ çíà÷åíèÿõ
äàâëåíèÿ íà óñòüå è ñêîïëåíèè âîäû â òðóáàõ, ìîæåò ïðåêðàòèòü ðàáîòó, ò.å. ïîäà÷ó ãàçà â ãàçîñáîðíûé òðóáîïðîâîä. Ýòîò ýôôåêò ïðèíÿòî íàçûâàòü ñàìîçàäàâëèâàíèåì
ñêâàæèíû.
Âëèÿíèå ñàìîçàäàâëèâàþùèõñÿ ñêâàæèí íà îáùóþ
ñóòî÷íóþ äîáû÷ó ãàçà ïî ìåñòîðîæäåíèþ Ìåäâåæüå äîñòàòî÷íî âåëèêî (Òàáëèöà 1)
D(n),
n− ,
ìì(øò) øò
n+ , øò
α− ,%
89(5)
102(26)
114(79)
127(46)
168(182)
5
25
75
37
104
0
4
5
20
43
0
1
4
9
78
Q− ,
òûñ.
ì3 /ñóò
0
115
368
954
10374
Q− ,
òûñ.
ì3 /ñóò
880
5025
14625
6956
27352
Table 1: Äåáèòû ñêâàæèí Ìåäâåæüåãî ìåñòîðîæäåíèÿ
D - äèàìåòð ëèôòîâûõ êîëîíí,
n - îáùåå êîë-âî ëèôòîâûõ êîëîíí,
n− - êîë-âî ñàìîçàäàâëèâàþùèõñÿ ñêâàæèí,
n+ - êîë-âî ñòàáèëüíî ðàáîòàþùèõ ñêâàæèí,
α− - äîëÿ ñàìîçàäàâëèâàþùèõñÿ ñêâàæèí,
Q− - ñóòî÷íûå îòáîðû ãàçà èç ñàìîçàäàâëèâàþùèõñÿ
ñêâàæèí,
Q+ - ñóòî÷íûå îòáîðû ãàçà èç ñòàáèëüíî ðàáîòàþùèõ
ñêâàæèí
Êîëè÷åñòâî ñêâàæèí, îáîðóäîâàííûõ ëèôòîâûìè êîëîííàìè D = 168 ìì, â êîòîðûõ ñêàïëèâàåòñÿ æèäêîñòü è
ñêâàæèí, äåáèò ãàçà êîòîðûõ îáåñïå÷èâàåò âûíîñ æèäêîñòè èç ëèôòîâûõ êîëîíí (äàëåå ¾ñòàáèëüíî ðàáîòàþùèå
Figure 1: Äåáèòû ñêâàæèí Ìåäâåæüåãî ìåñòîðîæäåíèÿ
ñêâàæèíû¿), ïðàêòè÷åñêè îäèíàêîâî. Ñóììàðíûå îòáîðû èç ýòèõ ñêâàæèí ñîñòàâëÿþò îêîëî 57% ãàçà îò îáùåé äîáû÷è ãàçà ïî ìåñòîðîæäåíèþ. Ïðè ýòîì ñóòî÷íûå
îòáîðû ãàçà èç ñàìîçàäàâëèâàþùèõñÿ ñêâàæèí, îáîðóäîâàííûõ ëèôòîâûìè êîëîííàìè D = 168 ìì, ñîñòàâëÿþò
30% îò ñóòî÷íûõ îòáîðîâ ãàçà èç ñêâàæèí, îáîðóäîâàííûõ òàêèìè êîëîííàìè (Ðèñ.1) [1].
 òàáëèöå 1 ïðåäñòàâëåíà äèàãðàììà ðàñïðåäåëåíèÿ ñðåäíèõ ñóòî÷íûõ è ñðåäíèõ áàçîâûõ äåáèòîâ ãàçà ñàìîçàäàâëèâàþùèõñÿ è ñòàáèëüíî ðàáîòàþùèõ ñêâàæèí (ñîîòâåòñòâåííî) ïî ðàçëè÷íûì äèàìåòðàì ëèôòîâûõ êîëîíí. Ñðåäíåñóòî÷íûå äåáèòû ãàçà ñòàáèëüíîðàáîòàþùèõ ñêâàæèí, îáîðóäîâàííûõ ëèôòîâûìè êîëîííàìè D = 89, 102, 114 è 127 ìì, ïðåâûøàþò áàçîâûå äåáèòû ãàçà äëÿ ýòèõ ñêâàæèí, ïðè ýòîì ñðåäíåñóòî÷íûé
äåáèò ãàçà èç ñàìîçàäàâëèâàþùèõñÿ ñêâàæèí, îáîðóäîâàííûõ ëèôòîâûìè êîëîííàìè D = 168 ìì, â 2 ðàçà íèæå çíà÷åíèÿ ñðåäíåãî áàçîâîãî äåáèòà ãàçà äëÿ ýòèõ ñêâàæèí. Òàêæå íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ñðåäíèé áàçîâûé
äåáèò ñêâàæèí (D = 168 ìì) ðàâåí ñðåäíåìó ñóòî÷íîìó
äåáèòó ñòàáèëüíî-ðàáîòàþùèõ ñêâàæèí.
Äëÿ óäàëåíèÿ æèäêîñòè èç ñêâàæèí ñåíîìàíñêèõ çàëåæåé íàðÿäó ñ ïðîäóâàíèåì ñêâàæèíû ïðèìåíÿåòñÿ
ïëóíæåðíûé ëèôò óñòðîéñòâî äëÿ ïîäúåìà æèäêîñòè
ïî ëèôòîâîé êîëîííå ñêâàæèíû çà ñ÷åò ýíåðãèè ãàçà,
íàõîäÿùåãîñÿ ïîä äàâëåíèåì, ðåøàþùåå ïðîáëåìó îáâîäíåíèÿ ïðèçàáîéíîé çîíû ñêâàæèíû. Äàííàÿ ðàáîòà
ïîñâÿùåíà ðåøåíèþ çàäà÷è î âûáîðå ìàññû ïëóíæåðà
äëÿ ñêâàæèíû 623 Ìåäâåæüåãî íåôòåãàçîêîíäåíñàòíîãî ìåñòîðîæäåíèÿ.
2.
ÐÀÁÎÒÀ ÏËÓÍÆÅÐÍÎÃÎ ËÈÔÒÀ
Ïî õàðàêòåðó ïðîöåññà ïîäúåìà æèäêîñòè ïëóíæåðíûå ëèôòû äåëÿòñÿ íà äâå ãðóïïû ïåðèîäè÷åñêîãî è
íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ [2]. Èñïîëüçîâàâøèåñÿ â íà÷àëå
ÕÕ âåêà ïëóíæåðíûå ëèôòû ïåðèîäè÷åñêîãî äåéñòâèÿ
òðåáîâàëè ïîñòîÿííûõ ïåðåêðûâàíèé òðóáîïðîâîäà äëÿ
íàêîïëåíèÿ ãàçà, äàâëåíèå êîòîðîãî èñïîëüçîâàëîñü äëÿ
ïîäíÿòèÿ æèäêîñòè èç ïðèçàáîéíîé çîíû ñêâàæèíû. Ñ
1963 ã. äëÿ ðàáîòû â ãàçîâûõ ñêâàæèíàõ èñïîëüçóþòñÿ
êîíñòðóêöèè ïëóíæåðîâ òèïà ¾ëåòàþùèé êëàïàí¿.
Îñîáåííîñòü êîíñòðóêöèè äàííîãî ïëóíæåðà ñîñòîèò
â òîì, ÷òî öèëèíäðè÷åñêèé êîðïóñ è øàð ìåõàíè÷åñêè
íå ñêðåïëåíû ìåæäó ñîáîé (Ðèñ. 2). Ïëóíæåðû òàêîãî
òèïà, äâóõñåêöèîííûå, èñïîëüçóþò â óñòàíîâêàõ ïëóíæåðíîãî ëèôòà íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ. Â îñòàíîâëåííîé
Figure 2: Ñîñòàâëÿþùèå äâóõñåêöèîííîãî ïëóíæåðà êîðïóñ è øàð
ñêâàæèíå êîðïóñ è øàð, îòäåëüíî, îäèí çà äðóãèì îïóñêàþòñÿ äî íèæíåãî îãðàíè÷èòåëÿ (âî âðåìÿ ïîäãîòîâêè
ñêâàæèíû åãî ðàçìåùàþò íèæå âîçìîæíîãî îáðàçîâàíèÿ
ñêîïëåíèÿ âîäû) (Ðèñ. 3,4, ñòàäèè 1-4). Íà íèæíåì îãðàíè÷èòåëå, ïîä óðîâíåì æèäêîñòè, êîðïóñ è øàð ñîåäèíÿþòñÿ (Ðèñ. 3,4, ñòàäèÿ 5). Ïîñëå ïóñêà ñêâàæèíû â ýêñïëóàòàöèþ ãàç, ïîñòóïàþùèé â ëèôòîâóþ êîëîííó, ïîäíèìàåò ïëóíæåð (êîðïóñ è øàð) ê óñòüþ (Ðèñ. 3,4, ñòàäèè
6-11).
Figure 3: Ïðèíöèï ðàáîòû äâóõñåêöèîííîãî ïëóíæåðíîãî ëèôòà íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ
×àñòü ãàçà âî âðåìÿ ïîäúåìà ïðîõîäèò â êîëüöåâîì çàçîðå, îáðàçîâàííîì ìåæäó íàðóæíîé ïîâåðõíîñòüþ êîðïóñà è òðóáîé. Âî âðåìÿ ïîäúåìà, ýòîò ãàç âûäóâàåò èç êîëüöåâîãî çàçîðà æèäêîñòü, êîòîðàÿ ñòðåìèòüñÿ
ñòå÷ü ïî çàçîðó ê íèçó ëèôòîâîé êîëîííû. Äëÿ ðàáîòû
ïëóíæåðà íåîáõîäèìî, ÷òîáû êîëè÷åñòâî ãàçà, ïîñòóïàþùåãî â ëèôòîâóþ êîëîííó, ïðåâûøàëî êîëè÷åñòâî ãàçà
óòå÷êè, ïðîõîäÿùåãî îòíîñèòåëüíî ïëóíæåðà â êîëüöåâîì çàçîðå âî âðåìÿ âñåãî öèêëà åãî ïîäúåìà. Ïëóíæåð
ñ æèäêîñòüþ ïîäíèìàåòñÿ äî óñòüÿ ñêâàæèíû. Â êîíöå
ïîäúåìà ïëóíæåð äîñòèãàåò âåðõíåãî îãðàíè÷èòåëÿ õîäà. (Ðèñ. 3,4, ñòàäèÿ 11). Øàð óïèðàåòñÿ â øòîê âåðõíåãî îãðàíè÷èòåëÿ, îñòàíàâëèâàåòñÿ, à çàòåì íà÷èíàåò äâèãàòüñÿ âíèç. (Ðèñ. 3,4, ñòàäèÿ 12).
Öèëèíäðè÷åñêèé êîðïóñ, îñòàíàâëèâàåòñÿ, à çàòåì íà÷èíàåò äâèãàòüñÿ âíèç. Ðàçäåëèâøèñü íà äâå ìåõàíè÷å-
êîâ ÷åðåç êîðîòêèå ñóæåíèÿ, ðàçìåùåííûå â òðóáå [2].
Ýòî ýìïèðè÷åñêàÿ ôîðìóëà, ñâÿçûâàþùàÿ ïîòåðè íàïîðà (èëè äàâëåíèÿ) ïðè ðàçâèòîì òóðáóëåíòíîì äâèæåíèè
íåñæèìàåìîé æèäêîñòè (ãàçà) íà ãèäðàâëè÷åñêîì ñîïðîòèâëåíèè.
ρω 2
∆P = ξ
(1)
2
∆P - ïîòåðè äàâëåíèÿ,
ξ - ãèäðàâëè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå (èëè êîýôôèöèåíò
ïîòåðü Äàðñè),
ρ - ïëîòíîñòü ñðåäû,
ω - ñðåäíÿÿ ñêîðîñòü òå÷åíèÿ æèäêîñòè
Figure 4: Öèêëîãðàììà ðàáîòû ïëóíæåðíîãî ëèôòà
íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ
ñêè íå ñêðåïëåííûå ñåêöèè, êîðïóñ è øàð, çà ñ÷åò èçáûòî÷íîé ìàññû, ñïóñêàþòñÿ â âîñõîäÿùåì ïîòîêå ãàçà.
(Ðèñ. 3,4, ñòàäèè 13-15, 1-4). Ïðîöåññû ñïóñêà è ïîäúåìà ïîâòîðÿþòñÿ äî òåõ ïîð, ïîêà íå ïîòðåáóåòñÿ èçâëå÷ü
ïëóíæåð èç ñêâàæèíû. ×òîáû ïëóíæåð íå îïóñòèëñÿ ïîñëå î÷åðåäíîãî öèêëà ïîäúåìà, à îñòàëñÿ íà óñòüå ñêâàæèíû, äîñòàòî÷íî óäàëèòü ñòåðæåíü âåðõíåãî îãðàíè÷èòåëÿ õîäà ïëóíæåðà.  ýòîì ñëó÷àå øàð íå îòäåëèòñÿ îò
êîðïóñà, è ïëóíæåð çàâèñíåò â êðåñòîâèíå (òðîéíèêå),
ïîääåðæèâàåìûé ïîòîêîì ãàçà.
Ïðè èñïîëüçîâàíèè ïëóíæåðíîãî ëèôòà íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ ãàç èç ñêâàæèíû ðàâíîìåðíî ïîñòóïàåò â
ñèñòåìó ñáîðà ãàçà, ïëóíæåð ïåðåìåùàåòñÿ â ñêâàæèíå
â ðåæèìå ñàìîðåãóëèðîâàíèÿ. Âîäà ïîñòîÿííî óäàëÿåòñÿ ïëóíæåðîì. Ñòåêàíèå âîäû, ñêîíäåíñèðîâàâøåéñÿ çà
ñ÷åò îõëàæäåíèÿ ïîòîêà ãàçà, íà çàáîé ñêâàæèíû ïðè
ðàáîòå ïëóíæåðíîãî ëèôòà, èñêëþ÷àåòñÿ. Ñêîðîñòü ñïóñêà øàðà è êîðïóñà ïëóíæåðà ïðåâûøàåò ñêîðîñòü ñòåêàíèÿ âîäû ïî ëèôòîâîé êîëîííå. Íà çàáîé ñêâàæèíû è â
ïðîäóêòèâíûé ïëàñò êîíäåíñàöèîííàÿ âîäà íå ïîñòóïàåò.
Ïëàñòîâàÿ âîäà óäàëÿåòñÿ èç ñêâàæèíû ïî ìåðå ïîñòóïëåíèÿ èç ïëàñòà.
3.
ÌÎÄÅËÜ ÐÀÁÎÒÛ ÏËÓÍÆÅÐÍÎÃÎ ËÈÔÒÀ ÍÅÏÐÅÐÛÂÍÎÃÎ ÄÅÉÑÒÂÈß
Çàäà÷à íàøåãî èññëåäîâàíèÿ - îïðåäåëåíèå ìàññû ïëóíæåðà, ïðåäíàçíà÷åííîãî äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â
ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ ãàçîâûõ ìåñòîðîæäåíèé. Îíà ðàññ÷èòûâàåòñÿ íà îñíîâàíèè ãèäðàâëè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê
ïëóíæåðà, ïîëó÷åííûõ â ðåçóëüòàòå åãî èñïûòàíèé
íà ýêñïåðèìåíòàëüíîì ñòåíäå. Èñõîäíîé èíôîðìàöèåé
ÿâëÿþòñÿ èçìåðåííûå õàðàêòåðèñòèêè ïîòîêà ñðåäû,
åå äåáèò è äàâëåíèå, ðàçìåðû êàíàëà, ïî êîòîðîìó
ïåðåìåùàåòñÿ ïëóíæåð, êîýôôèöèåíòû ãèäðàâëè÷åñêîãî
ñîïðîòèâëåíèÿ è ñêîðîñòè äâèæåíèÿ ïëóíæåðà è åãî
ñåêöèé.
Äëÿ ýòîãî ðàññìîòðèì çàäà÷ó ðàâíîìåðíîãî äâèæåíèÿ ââåðõ ïëóíæåðà â âîñõîäÿùåì ïîòîêå ãàçà. Ïðè îáòåêàíèè ïëóíæåðà èëè åãî ñåêöèé ãàçîì ðàçíèöà äàâëåíèé ñíèçó è ñâåðõó ïëóíæåðà íå ïðåâûøàåò 50 ñì âîäÿíîãî ñòîëáà, ïîýòîìó ïëîòíîñòü ãàçà ïîä ïëóíæåðîì
è íàä íèì ðàçëè÷àåòñÿ íåçíà÷èòåëüíî, è ãàç ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê íåñæèìàåìóþ ñðåäó [1]. Âîñïîëüçóåìñÿ
ôîðìóëîé Äàðñè-Âåéñáàõà äëÿ îïèñàíèÿ äâèæåíèÿ ïîòî-
Ðàçíîñòü äàâëåíèé íà êîíöàõ ïëóíæåðà èëè åãî ñåêöèé âî âðåìÿ åãî ïîäúåìà îïðåäåëÿåòñÿ óñëîâèåì ðàâíîâåñèÿ â ïåðèîä ðàâíîìåðíîãî äâèæåíèÿ èëè çàâèñàíèÿ â
òðóáàõ. Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî ìàññà óðàâíîâåøèâàåòñÿ åãî
ãèäðàâëè÷åñêèì ñîïðîòèâëåíèåì (1)
(m − V ρ)g = f ξ
2
ρωgap
2
(2)
m - ìàññà ïëóíæåðà,
V - åãî îáúåì,
g - óñêîðåíèå ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ,
ρ - ïëîòíîñòü ñðåäû, îìûâàþùåé äâèæóùèéñÿ ýëåìåíò,
â ðàáî÷èõ óñëîâèÿõ,
f - ýôôåêòèâíàÿ ïëîùàäü ñå÷åíèÿ, ïåðåêðûâàåìàÿ
ýëåìåíòîì, ê êîòîðîé îòíîñèòñÿ ξ ,
ωgap - ñêîðîñòü (ôèêòèâíàÿ, ñðåäíÿÿ) ïîòîêà ñðåäû,
îìûâàþùåé ýëåìåíò, ïðèâåäåííàÿ ê ïëîùàäè çàçîðîâ
ìåæäó òðóáîé è ïëóíæåðîì, êîðïóñîì è øàðîì, (öåíòðàëüíîãî ïðîõîäíîãî êàíàëà êîðïóñà) â íàèáîëåå óçêèõ
ñå÷åíèÿõ - F
Íàéäåì ωgap èç óñëîâèÿ íåðàçðûâíîñòè ñðåäû èëè,
÷òî òî æå ñàìîå, ñîõðàíåíèÿ äåáèòà ãàçà ïðè ïðîõîæäåíèè ÷åðåç çàçîðû ìåæäó òðóáîé è ïëóíæåðîì:
ωS = ωgap F
ω - ñðåäíÿÿ ñêîðîñòü ïîòîêà ñðåäû ïîä ïëóíæåðîì,
S - ïëîùàäü ïðîõîäíîãî ñå÷åíèÿ òðóá ëèôòîâîé êîëîííû,
F = S − f - ïëîùàäü ïðîõîäíîãî ñå÷åíèÿ êàíàëà (çàçîðà
â íàèáîëåå óçêîé ÷àñòè), ïî êîòîðîìó ïðîòåêàåò ñðåäà âî
âðåìÿ ïîäúåìà èëè çàâèñàíèÿ ïëóíæåðà.
Îòñþäà
ωF
ωgap =
S
×èñëåííîå çíà÷åíèå V ρ â ãàçîâîé ñðåäå íè÷òîæíî ïî
ñðàâíåíèþ ñ ìàññîé ïëóíæåðà, ïîýòîìó ïðè âûïîëíåíèè
ïðàêòè÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ ýòîò ÷ëåí ìîæíî èñêëþ÷èòü èç
óðàâíåíèÿ (2), à äëÿ ðàñ÷åòà ìàññû ïëóíæåðà èñïîëüçîâàòü ñîîòíîøåíèå (3):
m = fξ
ρω 2 S 2
2g(S − f )2
(3)
 ïðîöåññå ïîäúåìà öåíòðàëüíîå îòâåðñòèå êîðïóñà
ïëóíæåðà ïåðåêðûòî øàðîì, ãàç ïðîõîäèò ÷åðåç çàçîðû
ìåæäó êîðïóñîì è òðóáîé, øàðîì è êîðïóñîì. Ïðè ñïóñêå êîðïóñ è øàð îïóñêàþòñÿ îòäåëüíî, à ãàç ïðîõîäèò
÷åðåç öåíòðàëüíîå îòâåðñòèå êîðïóñà è â çàçîðàõ ìåæäó
êîðïóñîì è òðóáîé, øàðîì è òðóáîé. Êîýôôèöèåíò
ãèäðàâëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ äëÿ ïëóíæåðà ξ îïðåäåëÿþò íà ýêñïåðèìåíòàëüíîì ñòåíäå [3].
Ïëîòíîñòü ñðåäû ρ äëÿ ðàáî÷èõ óñëîâèé ðàññ÷èòûâàåòñÿ ïî ôîðìóëå:
P Tc
ρ = ρc
(4)
zPc T
T òåìïåðàòóðà ãàçà â ðàáî÷åé îáëàñòè [Ê],
P äàâëåíèå àáñîëþòíîå â ðàáî÷åé îáëàñòè [ÌÏà],
z êîýôôèöèåíò ñâåðõñæèìàåìîñòè ãàçà ïðè äàâëåíèè
P è òåìïåðàòóðå T , ρc - ïëîòíîñòü ãàçà ïðè ñòàíäàðòíûõ
óñëîâèÿõ (Tc = 293,16 Ê, Pc = 0,1013 ÌÏà), ñîãëàñíî
ÃÎÑÒ 2939-63.
Ââåäåì B êîìïëåêñíûé êîýôôèöèåíò, ó÷èòûâàþùèé ñîîòíîøåíèå òåìïåðàòóðû, äàâëåíèå è êîýôôèöèåíò
ñâåðõñæèìàåìîñòè ãàçà â ðàáî÷èõ óñëîâèÿõ,
r
B=
zPc T
P Tc
(5)
Çäåñü Tc = 293,16 Ê, Pc = 0,1013 ÌÏà òåìïåðàòóðà
è äàâëåíèå ïðè ñòàíäàðòíûõ óñëîâèÿõ, T , P òåìïåðàòóðà è äàâëåíèå â ðàáî÷èõ óñëîâèÿõ, z - êîýôôèöèåíò
ñâåðõñæèìàåìîñòè ãàçà â ðàáî÷èõ óñëîâèÿõ, ÿâëÿþùèéñÿ ôóíêöèåé T è P .
Ñðåäíþþ ñêîðîñòü ñðåäû, îìûâàþùóþ äâèæóùåéñÿ
â íåé ýëåìåíò, ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê ðàçíîñòü ñêîðîñòè
ïîòîêà ãàçà ïî òðóáå V è ñêîðîñòè ñàìîãî äâèæóùåãîñÿ
ýëåìåíòà:
ω =V −ν
(6)
Ïîëó÷àåì
m = fξ
ρc S 2
(V − ν)2
2g(S − f )2 B 2
(7)
Ñêîðîñòü ïîòîêà ãàçà ïî òðóáå îïðåäåëÿþò ïî ôîðìóëå
V =
B 2 Qc
zT Pc Qc
=
Tc P S
S
(8)
Qc äåáèò ãàçà ïî ëèôòîâîé êîëîííå â ñòàíäàðòíûõ
óñëîâèÿõ.
m = fξ
B 2 Qc
ρc S 2
(
− ν)2
2
2
2g(S − f ) B
S
(9)
Ïóñòü D äèàìåòð ïðîõîäíîãî ñå÷åíèÿ òðóá ëèôòîâîé
êîëîííû, d äèàìåòð äâèæóùåãîñÿ ýëåìåíòà. Òîãäà ïëîùàäü ïðîõîäíîãî ñå÷åíèÿ òðóá ëèôòîâîé êîëîííû
S=
πD2
4
(10)
À ýôôåêòèâíàÿ ïëîùàäü ñå÷åíèÿ, ïåðåêðûâàåìàÿ ïëóíæåðîì
πd2
f=
(11)
4
Îêîí÷àòåëüíî äëÿ ìàññû ïëóíæåðà è åãî ñîñòàâëÿþùèõ
ýëåìåíòîâ ïîëó÷èì:
m=
d2 D 4
ξρc 4B 2 Qc
π
(
− ν)2
2
2
2
8 (D − d ) gB 2 πD2
(12)
4.
ÐÅÇÓËÜÒÀÒÛ ÈÑÏÛÒÀÍÈÉ ÍÀ ÝÊÑÏÅÐÈÌÅÍÒÀËÜÍÎÌ ÑÒÅÍÄÅ
Q,
ì3 /c
2,367
2,22
1,985
1,787
1,6
1,416
1,244
0,909
P,
ÌÏà
1,76
1,738
1,68
1,6
1,548
1,497
1,456
1,388
V,
ì/ñåê
7,1
6,73
6,22
5,86
5,41
4,95
4,46
3,41
t, c
0,5
0,6
0,8
0,95
1
1,3
1,5
4,1
ν,
ì/ñåê
6
5
3,75
3,16
3
2,31
2
0,73
Qgap ,
ì3 /c
0,02
0,032
0,046
0,045
0,045
0,045
0,045
0,045
ωgap ,
ì/c
13
20,6
29,33
32,1
28,61
31,36
29,21
31,79
ξ
0,014
0,012
0,011
0,01
0,013
0,011
0,013
0,011
Table 2: Ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé ïëóíæåðîâ íà ýêñïåðèìåíòàëüíîì ñòåíäå
Q - ðàñõîä ãàçà,
P - åãî äàâëåíèå,
V - ñêîðîñòü,
t - âðåìÿ ïîäúåìà ïëóíæåðà,
ν - ñêîðîñòü ïîäúåìà ïëóíæåðà,
Qgap - ðàñõîä óòå÷êè ãàçà â çàçîðàõ ìåæäó ïëóíæåðîì è
ñòåíàìè ëèôòîâîé êîëîííû ñêâàæèíû,
ωgap - ñêîðîñòü óòå÷êè ãàçà â çàçîðàõ,
ξ - êîýôôèöèåíò ãèäðàâëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ïëóíæåðà
 òàáëèöå 2 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé ïëóíæåðà ìàññîé 4,5 êã íà ýêñïåðèìåíòàëüíîì ñòåíäå "168"íà
ïðîìûñëå ÃÏ-1 Ìåäâåæèíñêîãî ÃÏÓ (ãàçîïðîìûøëåííîãî óïðàâëåíèÿ) [2],[3].
5.
ÐÀÑ×ÅÒ ÌÀÑÑÛ ÏËÓÍÆÅÐÀ
Q, ì3 /c
2,367
2,22
1,985
1,787
1,6
1,416
1,244
0,909
P, ÌÏà
1,76
1,74
1,68
1,6
1,55
1,5
1,456
1,388
ν , ì/ñ
6
5
3,75
3,16
3
2,31
2
0,73
B
0,245
0,2474
0,2517
0,258
0,262
0,266
0,27
0,277
m, êã
4,5612
4,7896
4,7247
4,3587
4,7452
4,5214
4,642
4,5278
Table 3: Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà ìàññû ïëóíæåðà
Q - ðàñõîä ãàçà,
P - åãî äàâëåíèå,
ν - ñêîðîñòü ïîäúåìà ïëóíæåðà,
B - êîìïëåêñíûé ïàðàìåòð ãàçà, ó÷èòûâàþùèé åãî òåìïåðàòóðó, äàâëåíèå è êîýôôèöèåíò ñâåðõñæèìàåìîñòè,
m - ìàññà ïëóíæåðà
 òàáëèöå 3 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà ìàññû
ïëóíæåðà, èñïûòàíèÿ êîòîðîãî ïðîâîäèëèëñü íà ýêñïåðèìåíòàëüíîì ñòåíäå "168". Ðàñ÷åò ìàññû ïðîèçâåäåí
ïî ôîðìóëå (12), ãäå êîýôôèöèåíò ãèäðàâëè÷åñêîãî
ñîïðîòèâëåíèÿ ξ = 0,012 êàê ñðåäíåå èç ïîëó÷åííûõ
ýêñïåðèìåíòàëüíî çíà÷åíèé (ñì. òàáëèöó 2).
Êàê âèäíî, îòêëîíåíèÿ ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ îò
ðåàëüíîé âåëè÷èíû (m = 4,5 êã) íåâåëèêî, ñðåäíåå
îòêëîíåíèå ñîñòàâëÿåò 3% â ñòîðîíó çàâûøåíèÿ ìàññû
ïëóíæåðà, ÷òî ìîæåò áûòü âûçâàíî òåì, ÷òî â ìîäåëè íå
ó÷èòûâàåòñÿ ìàññà ïîäíèìàåìîãî ïëóíæåðîì ñëîÿ âîäû
(ïî äàííûì èñïûòàíèé ïëóíæåðîâ â ñêâàæèíå 623
Ìåäâåæüåãî íåôòåãàçîêîíäåíñàòíîãî ìåñòîðîæäåíèÿ
îáúåì ïîäíèìàåìîé æèäêîñòè ñ ñóòêè áûë 18 ë, òî åñòü
âñåãî îêîëî 125 ãð çà öèêë).
Çíà÷èò, ïîëó÷åííàÿ ôîðìóëà ìîæåò ïðèìåíÿòüñÿ äëÿ
îöåíêè ìàññû ïëóíæåðà èñïîëüçóåìîãî â ðåàëüíîé ñêâàæèíå ïëóíæåðíîãî ëèôòà. Ïîäòâåðæäåíèåì ñëóæàò äàííûå î ñåðèè ïðîìûñëîâûõ èñïûòàíèé ïëóíæåðíîãî ëèôòà íà ñêâàæèíå 623 Ìåäâåæüåãî íåôòåãàçîêîíäåíñàòíîãî ìåñòîðîæäåíèÿ, íà÷àòûå â ôåâðàëå 2006 ã. Ìàññû
òåñòèðîâàííûõ ïëóíæåðîâ: 4,91 êã, 4,53 êã, 4,6 êã, 4,17 êã,
5,12 êã, 5,18 êã [1].
6.
ÇÀÊËÞ×ÅÍÈÅ
 äàííîé ñòàòüå îïèñàíà ïðîáëåìà îáâîäíåíèÿ ñêâàæèí ãàçîâûõ ìåñòîðîæäåíèé è ïðèíöèï óñòðîéñòâà è ðàáîòû ïëóíæåðíîãî ëèôòà íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ, ðåøàþùåãî ýòó ïðîáëåìó. Ðàçðàáîòàíà ïðîñòàÿ ãèäðàâëè÷åñêàÿ ìîäåëü ïðîöåññà óäàëåíèÿ æèäêîñòè ïëóíæåðíûì
ëèôòîì è âûâåäåíà îöåíî÷íàÿ ôîðìóëà äëÿ ìàññû ïëóíæåðà. Ýòà ìàññà âû÷èñëåíà äëÿ ïëóíæåðíîãî ëèôòà, ðàáîòàþùåãî íà ýêñïåðèìåíòàëüíîì ñòåíäå. Òàêæå ïðîâåäåíî ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ ñ ìàññàìè ðåàëüíûõ ïëóíæåðîâ, èñïîëüçóåìûõ â ñêâàæèíå 623 Ìåäâåæüåãî íåôòåãàçîêîíäåíñàòíîãî ìåñòîðîæäåíèÿ.
7.
ÁËÀÃÎÄÀÐÍÎÑÒÈ
Àâòîð âûðàæàåò áëàãîäàðíîñòü íàó÷íûì ñîòðóäíèêàì ëàáîðàòîðèè ýêñïëóàòàöèè è ðåìîíòà ñêâàæèí ÎÎÎ
¾Ãàçïðîì ÂÍÈÈÃÀÇ¿ ä. ò. í. Øóëÿòèêîâó Âëàäèìèðó
Èãîðåâè÷ó è ê. ò. í. Øóëÿòèêîâó Èãîðþ Âëàäèìèðîâè÷ó,
ä. ô-ì. í. ïðîôåññîðó, çàâåäóþùåìó Êàôåäðîé ñèñòåìíîé
èíòåãðàöèè è ìåíåäæìåíòà ÌÔÒÈ Êëèìåíêî Ñòàíèñëàâó Âëàäèìèðîâè÷ó è àñïèðàíòó Êàôåäðû ñèñòåìíîé èíòåãðàöèè è ìåíåäæìåíòà ÌÔÒÈ Áîáêîâó Àëåêñàíäðó çà
ïîìîùü â äàííîé ðàáîòå è ñâîåâðåìåííûå ñîâåòû.
8.
[1]
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
Â.Â. Ìåäêî
¾Òåõíîëîãèÿ óäàëåíèÿ æèäêîñòè èç
ãàçîâûõ ñêâàæèí ñ ëèôòîâûìè êîëîííàìè áîëü-
. Äèññåðòàöèÿ íà ñîèñêàíèå ó÷åíîé ñòåïåíè êàíäèäàòà òåõíè÷åñêèõ íàóê. Ìîñêâà,
2007
Â.È. Øóëÿòèêîâ ¾Èñïîëüçîâàíèå ïëóíæåðíîãî
ëèôòà äëÿ óäàëåíèÿ æèäêîñòè èç ñêâàæèí¿.
Äèññåðòàöèÿ íà ñîèñêàíèå ó÷åíîé ñòåïåíè êàíäèäàòà òåõíè÷åñêèõ íàóê. Ì, ÂÍÈÈÃÀÇ (4657).1977ã
Ð.Ì. Òåð-Ñàðêèñîâ, Ñ.Í. Áóçèíîâ, È.Â. Øóëÿòèêîâ, Â.È. Øóëÿòèêîâ, À.Í. Õàðèòîíîâ, Ñ.À. Êóçíåöîâ, Â. Ìåäêî, Å.Â. Áîíäàðåâ ¾Óñòàíîâêà äëÿ
øèõ äèàìåòðîâ¿
[2]
[3]
ìîäåëèðîâàíèÿ íàòóðíûõ óñëîâèé ðàáîòû ñêâàæèí ãàçîâûõ, ãàçîêîíäåíñàòíûõ è íåôòÿíûõ ìå-
. Ïàòåíò (ïì)  485581, ÁÈ  30 îò
ñòîðîæäåíèé¿
27.10.2005
9.
ÎÁ ÀÂÒÎÐÅ
Þðèé Êàøíèöêèé - ñòóäåíò 4 êóðñà Ìîñêîâñêîãî Ôèçèêî-Òåõíè÷åñêîãî Èíñòèòóòà êàôåäðû ôóíäàìåíòàëüíûõ ðñíîâ ãàçîâîãî äåëà.
E-mail: [email protected]