Генераторы пружинно-клапанного и клапанно-ударного типа

Из исследованных устройств к данному типу гидродинами­
ческих генераторов можно отнести генератор клапанный ГК-2
конструкции БашНИПИнефти, пульсатор вставной ПВ-54 кон­
струкции ТатНИПИнефти, клапанно-ударный вибратор КУВ-
100 конструкции б. МИНГ и ГП. Общий недостаток пружинно-
клапанных устройств, выявленный в результате проведенных
испытаний, - жесткое регламентирование узкой режимной об­
ласти расходов и недостаточная надежность работы, обуслов­
ленная необходимостью точного согласования жесткости пру­
жины и массы клапана. Небольшие изменения напорно-
расходных характеристик

Таблица 7.1.1 Результаты стендовых исследований гидродинамических генераторов различных типов

 

Тип генератора, организация-разработчик	Расход жидко­сти через гене­ратор, м^сут	Давление наг­нетания рабо­чей жидкости, МПа	Потеря напора (перепад давле­ния) на генера­торе, МПа	Среднеквадра­тичное значе­ние амплитуды колебаний, МПа	Размах колеба­ний давления, МПа	Доминирую­щие частоты колебаний, Гц
	Генераторы пружинно-клапанного типа
Пульсатор вставной ПВ-54, Тат-		14,2	1,2	0,04	0,1	10; 1200;
НИПИнефть						3000; 6000
Клапанно-ударный вибратор		1,0	0,4	-	1,0	28; ПО; 650
КУВ-100		1Д	0,4	—	1,2	28; 90; 410
		1,4	0,7	-	1,8	32; 100; 410
		1,6	1,0	—	3,0	38; 100; 420
		2,0	1,4	-	3,6	40; 100; 420
		8,5	7,7	-	4,2	48; 100; 600
		10,0	8,7	-	5,5	50; 100; 200
Генератор клапанный ГК-2, Баш-		5,3	0,5	0,15	0,4	100; 200
НИПИнефть		6,2	1,0	0,10	0,3	100-200
Гидравлические роторные преобразователи-	'сирены"
Гидравлический вибратор золотни-		4,7	0,2	0,07	0,3	50; 4500
кового типа ГВЗ-108, б.		5,2	0,5	0,06	0,2	62; 4700
МИНГиГП		5,1	0,7	0,10	0,4	75; 4500
		4,8	1,2	0,25	0,8	94; 4200
		6,7	2,4	0,47	1,7	130; 800

Продолжение табл. 7.1.1

 

Тип генератора, организация-	Расход жидко­сти через гене-	Давление наг­нетания рабо-	Потеря напора (перепад давле-	Среднеквадра­тичное значе­ние амплитулы	Размах колеба­ний давления,	Доминирую­щие частоты
разработчик	ратор, м^сут	чей жидкости, МПа	ния) на генера­торе, МПа	колебаний, МПа	МПа	колебаний, Гц
Гидродинамические, на основе вихревых усилительных центробежных форсунок
С одной напорной вихревой ступе-
нью:
ГЖ-2		10,5	9,5	0,50	2,5 (4,0*)	30; 60; 150
ГЖ-11		10,5	9,5	0,60	3,0 (5,0*)	25; 75; 150
С двумя напорными вихревыми
ступенями противоположной за-
крутки:
ГД2В-3		8,0	7,5	0,90	4,8 (6,4*)	20; 160
ГД2В-6		8,0	7,0	2,10	8,0 (9,6*)	33; 250
* Для отдельных всплесков.

 

подачи рабочей жидкости, равно как и неизбежные в ходе не­прерывной работы усталостные изменения в конструкционных элементах (пружинах), приводят к срыву генерации. Исследо­ванный экземпляр ПВ-54 показал неустойчивую работу и ма­лую амплитуду колебаний давления. У генератора ГК-2 в об­ласти расходов от 100 до 350 м³/сут после тщательного подбо­ра пружины из числа представленных авторами устройства обнаружилась сравнительно устойчивая работа вибратора на низкой частоте, при малой амплитуде колебаний давления. Из спектрограммы (см. рис. 6.2) видно, что в его спектре частот присутствуют две основные гармоники, кратные между собой, - ПО и 220 Гц. Клапанно-ударный генератор КУВ-100 генери­рует достаточно высокоамплитудные колебания давления, од­нако ресурс его работы весьма мал и исчисляется минутами. Генератор выходит из строя из-за развития в его клапанных узлах ударных напряжений, существенно превышающих пре­делы прочности периодического нагружения конструкцион­ных материалов.

Гидравлические прсобразоватсли-"свистки"

К данному типу генераторов относятся испытанные гидрав­лические активаторы потока, такие как генераторы ГАП, ГД108-УНИ конструкции УГНТУ [127], скважинные генера­торы СГГК конструкции Института машиноведения РАН [128]. К подобным гидравлическим устройствам относится также генератор [116].

Подобные гидродинамические устройства являются высо­кочастотными генераторами. Они генерируют колебания низ­кой амплитуды с низким значением среднеквадратичного дав­ления и в то же время создают высокие потери напора нагне­таемой жидкости за счет существенного штуцирования потока.

Функционирование данных генераторов сопровождается существенным кавитационным износом как тангенциальных отверстий, так и поверхности вихревой камеры, что ведет к изменению во времени параметров этих генераторов и срыву режима их устойчивой работы. Низкая надежность, неустой­чивость автоколебательного режима и узость рабочего диапа­зона расходов ограничивают возможности использования по­добных конструкций без соответствующих мер по обеспече­нию автоматического вывода на автоколебательный режим и его настройки во время работы.

а

ПВ-54 ТатНИПИнефть

 

о.	_
s;
	_
а
s	1 1	...ll	1 1

О 0,4 0,8 1,2 1,4 у; кГц м³/сут; /=1330Гц; А=0,1 МПа; Ар=1,9МПя

гк БашНИПИнефть

0,2 0,4 0,6 0,8 /кГц 0=400 м³/сут; /=110 Гц; А=0,24МПя; Ар=1,ЗМПа

Рис. 7.1.3. Осциллограммы и спектрограммы сигналов с датчиков при работе пружинно-клапанных (а, б) и золотниково-роторного (в) генераторов коле­баний давления

Гидравлические роторные преобразователи-"сирены"

Вибратор золотникового типа ГВЗ-108 конструкции б. МИНГ и ГП по типу относится к самодвижущимся реактив­ным "сиренам". Частота пульсаций давления подобного пре­образователя определяется количеством прорезей и линейно зависит от расхода рабочей жидкости. Испытания показали устойчивую работу генератора на всех исследованных расхо­дах. Обнаружено (см. рис. 7.1.3, в), что наряду с достаточно вы­сокими амплитудами колебаний давления в области низких

ГВЗ-108

 

уровет
>а
<е
Omiiocumej	и	.1...

0,2

0,6 0,#/кГц

Q=400 м³1сут; /=57 Гц; Л=0,5МПа; Д/>=0,¥ МПа

частот в спектре присутствуют и низкоамплитудные высоко­частотные составляющие в области 4,2—4,8 кГц. При возраста­нии расхода {Q > 600 м³/сут) эти составляющие исчезают и увеличиваются составляющие в области 600-1000 Гц. Форма сигналов представляет собой сложение двух основных доми­нирующих частот и ряда низкоамплитудных гармонических составляющих.

Из приведенных в табл. 7.1.1 данных видно, что работа ге­нератора вызывает сравнительно небольшие потери напора при довольно высоком среднеквадратичном давлении. При осмотре технического состояния вибратора после продолжи­тельных (в течение 5 ч) испытаний существенных следов из­носа обнаружено не было.

Из всех исследованных конструкций вибратор ГВЗ-108 по­лучил в свое время наиболее широкое применение для обрабо­ток призабойных зон скважин. Тем не менее, несмотря на не­сомненные положительные моменты данной конструкции: дос­таточно высокую амплитуду колебаний, возможность опреде­ленного регулирования частоты заданием расхода, ей присущи существенные недостатки, которые наиболее заметно прояв­ляются при работе в условиях сильной загрязненности и аг­рессивности среды, а также при циклическом режиме работы генератора в скважине. Стремление уменьшить кольцевой за­зор между ротором и статором, тем самым повысив эффектив­ность генерации колебаний, и желание увеличить надежность работы в загрязненных средах для данных конструкций несо-

вместимы. Из-за наличия в конструкции вращающихся меха­нических узлов не обеспечивается достаточная надежность и моторесурс: после одной-трех обработок увеличивается расход и снижается амплитуда колебаний давления, ряд узлов генера­тора разрушается. При работе в скважинах происходят силь­ный износ подшипниковых узлов конструкции, заклинивание, абразивный износ ротора и кавитационное разрушение стато­ра, часто из-за заклинивания невозможно обеспечить после­дующий запуск генератора после временной остановки подачи рабочей жидкости. Кроме того, вследствие малого КПД боль­шие расходы жидкости при функционировании генератора требуют привлечения добавочных мощностей устьевых насос­ных агрегатов и сильно затрудняют его использование в ком­плексе с другими техническими средствами, например сква-жинными струйными аппаратами. Весьма проблематично так­же эффективное использование данного генератора для осу­ществления вибропенных обработок с применением штатного устьевого компрессора.

Проведенные испытания показали, что генераторы пружин­но-клапанного и клапанно-ударного типов, гидравлические преобразователи-"сирены" и гидравлические преобразователи-" свистки" или их комбинации не удовлетворяют требованиям высокоэффективного осуществления виброволновой обработ­ки скважин, хотя подобными конструкциями и исчерпываются все известные ранее типы скважинных генераторов.

Во-первых, они не надежны в работе. Колебания давления возбуждаются непосредственно внутри самого устройства, при этом создаются ударные нагрузки, превышающие пределы прочности материалов. Эти материалы, к тому же, находятся в контакте с агрессивными и абразивными средами. Генераторы быстро выходят из строя либо из-за поломок подвижных ме­ханических узлов (генераторы первого и второго типов), либо из-за существенного кавитационного износа (генераторы третьего типа).

Во-вторых, амплитуды колебаний давления при их работе в стволе скважины недостаточно высоки, что не обеспечивает необходимый для проявления заметного эффекта воздействия охват ПЗП плотностью потока колебательной энергии. А уве­личение мощности генерации сопровождается добавочным снижением надежности (резко возрастает вероятность поло­мок) и к тому же ограничивается габаритами скважины. В до­полнение генераторы третьего типа (гидравлические свистки)

продуцируют высокочастотные колебания, которые, как показа­ли вышеприведенные исследования, незначительно влияют на развитие в ПЗП фильтрационных явлений и процессов деколь-матации (см. гл. 3) и вдобавок испытывают сильное поглощение в пористой среде.

В-третьих, у данных генераторов отсутствует возможность регуляции (без существенного изменения конструктивных па­раметров) частоты колебаний, что не позволяет осуществлять обработку конкретного объекта-скважины в оптимальном для него режиме.

При обобщении представленных выше результатов и выво­дов авторами были впервые определены конструктивные и технологические требования к гидродинамическим генерато­рам, предназначенным для виброволнового воздействия на ПЗП и обеспечивающим максимальную эффективность, а так­же рентабельность обработок скважин.

Генератор должен возбуждать на забое заполненной жид­костью скважины достаточно высокоамплитудные колебания давления в диапазоне частот 20-300 Гц с возможностью регу­ляции частоты и настройки на избирательные частоты объек­та. Частоты и амплитудный режим генерации должны быть стабильными и мало зависеть от внешних условий и степени износа узлов генератора. В конструкциях генераторов необхо­димо исключить подвижные механические узлы, как наиболее подверженные износу, в особенности в условиях загрязненно­сти и агрессивности жидкой среды, сильно уменьшающие их общий моторесурс.

Генераторы не должны при работе создавать чрезмерные ударные нагрузки внутри конструкций. Колебательные удар­ные явления должны создаваться непосредственно в перфора­ционных отверстиях скважины и ПЗП, при условии использо­вания резонансных свойств скважинных и пластовых систем и настройки частоты пульсаций расхода на избирательные час­тоты объекта. Это условие может обеспечиваться при генера­ции устройством колебаний расхода и преобразовании их в колебания давления. Подобный режим генерации обеспечива­ет и высокую надежность работы устройства, и высокий КПД, и энергетическую эффективность виброволнового воздейст­вия. При этом не существует заметных ограничений на увели­чение мощности генерации колебаний при использовании реаль­ных скважинных гидродинамических генераторов.