научная статья по теме Применение акустических преобразователей шумов для снижения влияния механических примесей на работу скважинного оборудования Геофизика

Текст научной статьи на тему «Применение акустических преобразователей шумов для снижения влияния механических примесей на работу скважинного оборудования»

УДК 622.276 © Ю.А. Савиных, Х.Н. Музипов, 2006

Применение акустических преобразователей шумов для снижения влияния механических примесей на работу скважинного оборудования

Ю.А. Савиных (ТюмГНГУ), Х.Н. Музипов (ТННЦ)

Применение акустических преобразователей шумов обеспечивает эффективную эксплуатацию скважин, оборудованных центробежными электронасосами, при добыче жидкости с высокой концентрацией взвешенных частиц [1]. Известны способы защиты скважинного насосного оборудования, основанные на сепарации песка от жидкости до ее поступления в насос, например, использование песочных якорей [2]. Недостаток этого способа - быстрое засорение и отказ песочных якорей в условиях интенсивного выноса механических примесей, особенно при форсированном отборе.

Известен также способ акустического воздействия на жидкость с целью коагуляции частиц [3]. Широкое его применение сдерживается необходимостью использования генератора ультразвуковых колебаний, подачи на него электроэнергии по отдельному кабелю, т.е. способ сложен и имеет высокую стоимость.

В предлагаемом в данной статье способе генератором ультразвука служит четвертьволновой резонатор, преобразующий звуковые колебания технологических шумов насосного оборудования в ультразвуковые. Шумы, создаваемые насосным оборудованием, являющиеся по сути бесполезными и вредными, преобразуются в полезный сигнал ультразвука, т.е. появляется источник ультразвука без дополнительного подвода электроэнергии.

Давно известно, что под влиянием звуковых колебаний между частицами могут возникать силы притяжения и отталкивания. Для сферических частиц данный процесс был экспериментально и теоретически исследован Кенигом [4] в связи с работами Бьер-кнеса [5]. На этом явлении основано отчасти возникновение пылевых фигур в трубках Кундта. Брандт и Фройнд [6], Брандт и Гидеман [7] показали, что под действием ультразвуковых волн в аэрозолях мгновенно происходят коагуляция и осаждение частиц. Брандт и Фройнд изучили подробности процесса оседания частиц микрофотографированием при освещении по методу темного поля. На основании этих опытов они различали две стадии коагуляции. На первой стадии частицы участвуют в колебательном процессе и следуют за движением жидкости между пучностями и узлами колебаний. При этом в результате столкновений и под действием сил взаимного притяжения они слипаются и увеличиваются в размерах. На второй стадии частицы не следуют за звуковыми колебаниями, а совершают хаотические движения, причем в результате новых соударений и столкновений с меньшими частицами они продолжают укрупняться, а затем выпадают в осадок.

Application of acoustic noise converters for decrease of mechanical impurities effect on downhole equipment operation

Yu.A. Savinykh (Tyumen State Oil and Gas University),

Kh.N. Muzipov (TNNTs)

The scheme of placement of the compound acoustic converter of quarter wave resonators under the centrifugal electropump is given. Theoretical proofs of results of Brandt and Gideman experiments, shown, that under action of ultrasonic waves in aerosols instantly there is a coagulation and sedimentation of particles, are presented.

В качестве подтверждения результатов опытов Брандта и Гидема-на приведем теоретические доказательства. Пусть в жидкости с динамической вязкостью п, колеблющейся с амплитудой и.ж и частотой £ находится частица примеси радиусом К и плотностью р. Согласно закону Стокса [3] сила трения, действующая на частицу,

FTp = 6п-п' р • Av,

(1)

где Ар - разность скоростей частиц механической примеси и жидкости.

В соответствии с формулой (1) скорость частиц жидкости

= М- иж-C0s(2n -Dl

(2)

Движение частицы механической примеси описывается дифференциальным уравнением

т • ^Хмл/Л2 = 6пп К[2п £ иж-со8(2п £) - йХ^Щ. (3)

Общее решение этого уравнения имеет вид

Хм.п = Цк/[1+(2я /т/6пп К)2]1/2 • 8т(2п/- Ф)+^. (4) Периодический член ' не отображает переходной процесс. Им можно пренебречь, так как коагуляция происходит через такое время, когда переходной процесс не оказывает никакого влияния. Амплитуда колебания частицы механической примеси

*м.п = иж/[(4я • р •R2 f/9 • п)2+ 1]1/2

(5)

НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО 10'2006 131

Отношение амплитуд Хмп/иж тем меньше, чем больше радиус частицы и выше частота.

Таким образом, степень участия частицы механической примеси в колебаниях жидкости определяется произведением К2-/.

Если принять Хмп/и.ж = 0,8 за границу, до которой частицы механической примеси еще увлекаются звуковыми колебаниями, то из соотношения

0,8 = [1/(0,44 я!)2 + 1)]1/2

получим

2=р-К2-!/Ц-

(7)

(8)

жина (обсадная колонна); 5 - погружной центробежный электронасос; 6 - распространение от центробежного электронасоса низкочастотного шума (звука) в пространстве между скважиной (обсадной колонной) и акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов;

Рис. 1. Схема работы акустического преобразователя:

1 - скважина (обсадная колонна); 2 -НКТ, на которой подвешен центробежный электронасос; 3 - погружной центробежный электронасос; 4 -составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов; 5 - распространение низкочастотного шума (звука) в пространстве между скважиной (обсадной колонной) и акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов; 6 - скважинная продукция

Степень участия частицы в звуковых колебаниях среды (так называемый коэффициент увлечения) в стоячей звуковой волне определяется соотношением

Хмл/и. = 1/[(4п - Р -К2//9 - п)2 + 1]1/2.

Параметр I определяет степень участия частиц

механической примеси в колебаниях жидкости.

Таким образом, соотношение (8) позволяет

рассчитать частоты, необходимые для создания

о.,,, о стоячих волн с целью коагуляции частиц механи-

Рис. 2. Схема расположения ультразвуковых м ' м м

стоячих волн в кольцевом пространстве ческой примеси перед погружным центробежным

между скважиной (обсадной колонной) и аку- электронасосом с последующим их осаждением.

с_ГиЧк11сжии,нн,а,Я<про,д:уко.в.ателIм, ГГ™^^ в Согласно приведенным выше положениям физи-1 - скважинная продукция; 2 - звуковое давление в * п ^

ультразвуковой стоячей волне; 3 - колебательная ческой сущности способа достигается акустиче-ск°рость в ультразвуковой стоячей волне;4 - сква- ская коагуляция частиц механической примеси.

Преобразование низкочастотного шума в скважине осуществляется составным акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов, размещенных под центробежным 7 - составной акустический преобразователь электронасосом [8]. Затем составной акустический шума из четвертьволновых резонаторов преобразователь шума из четвертьволновых резо-

наторов 4 опускают вместе с центробежным электронасосом 3 на НКТ 2 (рис. 1) в скважину (обсадную трубу) 1 и включают центробежный электронасос 3. При работе насоса 3 создается низкочастотный спектр шума (звук) 5.

Составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов из низкочастотного шума (звука), генерируемого центробежным электронасосом (рис. 2), создает ульт-(6) развуковые стоячие волны (с колебательной скоростью 3 и зву-

/

Рис. 3. Схема распределения давления в ультразвуковой стоячей волне и движения частиц механической примеси от пучности к узлу:

1 - звуковое давление в ультразвуковой стоячей волне; 2 - движение частиц механической примеси к узлу давления в ультразвуковой стоячей волне; 3 - составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов; 4 - частицы механической примеси; 5 - скважинная продукция; 6 - скважина (обсадная колонна)

Рис. 4. Схема распределения колебательной скорости в ультразвуковой стоячей волне и начало коагуляции частиц механической примеси в пучности колебательной скорости:

1 - колебательная скорость в ультразвуковой стоячей волне; 2 -начальная стадия коагуляции частиц механической примеси; 3 -составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов; 4 - скважина (обсадная колонна); 5 - скважинная продукция

132 10'2006

НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Рис. 5. Схема осаждения частиц механической примеси из пучностей колебательной скорости на забой скважины после акустической коагуляции:

1 - направление осаждения укрупненных частиц механической примеси на забой скважины после коагуляционного процесса; 2 - укрупненные взвешенные частицы механической примеси после акустической коагуляции; 3 - составной акустический преобразователь шума из четвертьволновых резонаторов; 4 - скважина (обсадная колонна); 5 -скважинная продукция

ковым давлением 2) на длине участка, равной длине составного акустического преобразователя шума из четвертьволновых резонаторов 7- При движении частиц механической примеси 4 (рис. 3) в кольцевом зазоре между обсадной колонной (обсадной трубой) и акустическим преобразователем шума из четвертьволновых резонаторов возникает звуковое давление стоячей волны. Происходят укрупнение частиц механической примеси 2 (рис. 4) в сгусток 2 (рис. 5) в пучности стоячей волны с колебательной скоростью и осаждение 1 (см. рис. 5) коагулированных частиц механической примеси 4 (см. рис. 3) в сгустке 2 (см. рис. 5) из пучностей колебательной скорости 2 (см. рис. 4) стоячей волны под действием собственного веса на забой скважины.

Список литературы

1. Патент RU 2260117, кл. E 21 В 43/38. Способ снижения влияния механических примесей на работу внутрискважинного оборудова-ния/Ю.А. Савиных, Р.И. Савиных, Х.Н. Музипов и др.//Б.И. -2005. - № 25.

2. Справочник инженера по бурению. Т.1./В.И. Мищевич, Н.А. Сидоров. - М.: Недра, 1973. - С. 369-374.

3. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИЛ, 1957. - С. 23-25, 489-491, 495-497 [ПРОТОТИП].

4. Konig S.W. Hydrodynamisch-akustische Untersuchungen, Ann. d. Phys. (3), 42,353,549 (1891).

5. Bjerknes C.A. Remarques historiques sur la theori du mouvement d'un ou de plusieurs corps, de formes constantes ou variables, dans un fluide incompfessible; sur lesforces apparentes, qui en resultent et sur les experiences qui s'y rattachent. Compt. Rent., 84, 1222, 1309, 1375, 1446, 1493 (1867).

6. Brandt. Uber das Ve

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком