WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

По данным работ О.Л. Кузнецова для дегазации газожидкостной смеси нефти необходима интенсивность ультразвукового воздействия мощностью 810 кВт/м2.

В тоже время значение интенсивности акустического поля, необходимое для воздействия на среду, существенно зависит от его исходного термодинамического состояния.

Согласно результатов исследований И.В. Пригожина, для того чтобы перевести систему из состояния устойчивого термодинамического равновесия в новое стационарное состояние, требуется огромная энергия внешнего воздействия. Если же система находится в состоянии, близком к термодинамической неустойчивости (метастабильном состоянии), то внешнее воздействие даже малой интенсивности способно перевести ее в качественно новое состояние. Система приходит в состояние неустойчивости тогда, когда значение какого-либо характеристического параметра (например, давление, температура) близко к критическому. Поэтому энергетически наиболее выгодно осуществлять воздействие на систему, находящуюся в метастабильном состоянии.

Влияние акустического поля на дегазацию Акустическая дегазация может быть использована для увеличения притоков жидкости из пласта в процессах добычи, освоения и опробования.

Общее количество образующихся в прискважинной зоне пузырьков газа зависит от многих факторов: интенсивности и частоты акустического поля, разницы концентраций газа в нефти и в воде, вязкости нефти, минерализации, газонасыщенности воды и многих других.

Акустическая обработка ПЗП заключается в облучении насыщенной горной породы мощным акустическим полем (> 10 кВт/м2), при распространении которого возникают перечисленные эффекты, способствующие интенсификации притока жидкости из пласта в скважину.

Результаты воздействия в значительной мере определяются соотношением между энергией воздействия и энергией, необходимой для перехода системы в качественно новое состояние.

Несмотря на очевидные достоинства метода, такие как технологическая простота, экологическая чистота, относительно малая стоимость и др., акустический метод до настоящего времени не получил широкого внедрения в нефтедобыче. Основной причиной этого является, по-видимому, сложность акустической аппаратуры по сравнению с аппаратурой, используемой в традиционных способах интенсификации скважин, и одновременно ее недостаточная мощность, энергозатратность, низкий КПД, наличие кабеля, сложность аппаратуры, ограничение во времени воздействия на пласт, повышенные требования к квалификации обслуживающего персонала, обеспечение электробезопасности.

В третьем разделе разработаны теоретические положения для интенсификации притоков нефти с помощью стоячих звуковых волн, создаваемых энергосберегающим резонатором, использующих энергию шумов скважины.

В работе, при разработке новой технологии, использован эффект газлифта существующих газовых методов воздействия на газожидкостную смесь и явление дегазации газожидкостной смеси при акустическом методе воздействия.

Новая технология акустического воздействия основана на явление интерференции бегущей и отраженной ультразвуковых волн в пространстве между акустическим преобразователем шумов скважины и стенкой обсадной колонны, в результате чего возникают стоячие волны ультразвукового диапазона.

В отличие от традиционного акустического воздействия, основанного на преобразовании электрической энергии в ультразвук с помощью специального оборудования, предложено для создания поля стоячих волн использовать энергию шумов скважины и шумов насосного оборудования, т.е. отказаться от электрической энергии, кабеля и специальной аппаратуры.

Для преобразования низкочастотных шумов скважины в волны ультразвукового диапазона в работе предложено использовать преобразователь шумов, работающий по принципу резонатора Гельмгольца.

Резонатор Гельмгольца - это сосуд, соединяющийся с внешней средой через небольшое отверстие или трубку.

Характерной особенностью резонатора является способность совершать низкочастотные собственные колебания, длина которых значительно больше размеров резонатора. Согласно теории, развитой Г.Л. Гельмгольцем и Д.У.

Рэлеем, акустический резонатор рассматривается как колебательная система с одной степенью свободы.

В первом приближении можно считать, что кинетическая энергия сосредоточена в слое среды, движущейся в отверстии, называемой горлом акустического резонатора, подобно жесткому поршню, а потенциальная энергия связана с упругой деформацией среды заключенного в объеме.

Тогда собственная частота f, в Гц, акустического резонатора не зависит от формы сосуда и формы поперечного сечения трубы и выражается формулой (1) c F f =, (1) 2 V h где с – скорость звука в среде, м/с;

F – площадь поперечного сечения отверстия резонатора, м2;

V – объем сосуда (резонатора), м3;

h – длина отверстия, м.

В виду того, что входной импеданс акустического резонатора на частоте f мал, наличие такого резонатора на стенке звуковода (или внутри звуковода) резко изменяет условия распространения звуковой волны с частотой f, вызывая ее эффективное отражение и рассеяние.

Это свойство акустического резонатора, т.е. рассеяние из спектра технологического шума заданной частоты, можно использовать для ультразвуковой дегазации.

Экспериментальные исследования гидродинамического звукообразования в скважине позволили определить три частотные полосы спектра шума потока скважины. Поток жидкости в трубах (колонна, НКТ), создает шум в полосе частот до 100 Гц. При движении потока по кавернозным и трещиноватым средам спектр шумов имеет максимум в пределах от 100 до 2000 Гц. Спектр шума фильтрационного потока лежит в полосе 1-20 кГц.

Указанный спектр частот предложено использовать в качестве источника энергии для акустического преобразователя шумов, трансформирующий шумы низких частот в частоты ультразвукового диапазона.

Рассмотрим условия трансформация волн низких частот в волны высоких частот ультразвукового диапазона. Пусть в волноводе распространяется нормальная волна (P0) номера q с частотой. Для волновода с жесткими стенками эта волна имеет вид, описывающим уравнением g P0(x, z)= A ci cos(kq, z), (2) где х, z - координаты плоскости, м;

kq =q·/h - компонента волнового числа k, м-1;

q = - kq 2 - компонента волнового числа k, м-1;

c k = /c - волновое число, м-1;

с - скорость звука в среде, м/с.

Под действием волны (2) резонатор возбуждается и создает рассеянное поле Р(х, z) описывающим уравнением k c Vn P(x, z) = e±i x cos(kn, z), (3) n n d n=где kn = /с - волновое число n- волны, м-1;

р - плотность среды, кг/м3;

V0 - объемная скорость, создаваемая резонатором при воздействии на него падающего поля Р0, м3/с;

d - диаметр волновода, м;

2 при n = n - числа Кронекера n =.

1 при n Величину V0 и, следовательно, поле Р (х, z) находят, используя уравнение вынужденных колебаний резонатора под действием поля Р0 (х, z). Это уравнение имеет вид Mж z" + (r0 + r) z' + z = -d A e-it, (4) где Мж- эффективная масса (масса жидкости в отверстии резонатора), кг;

z- координата плоскости, м;

rо - сопротивление трения в отверстии резонатора, кг/с;

r - сопротивление излучения среды, кг/с;

- гибкость среды, с2/кг;

d - диаметр отверстия, м.

Величина r определяется по формуле (5) d d2 N k r = Re P(0,0) = c, (5) n h n=V0 n где N - число нормальных волн, распространяющихся в волноводе (кроме нулевой волны).

Решение уравнения (4) представляется в виде (6) (a A ei( -t)) z =, (6) - 2 M + (R ) ж где R=(r0+r) - полное волновое сопротивление, кг/с;

R = arctg =.

- 2 Mж Следовательно, объемная скорость V0 запишется в виде (7) i + d2 A e V0 = d z' eit = 2. (7) - 2 Mж + (R ) Если частота звука совпадает с собственной частотой резонатора = 0 = и сопротивление трения мало по сравнению с сопротивлением Mж излучения (r0 « r), то эта формула принимает вид (8) A h V0 = N. (8) k c n n n =Решая уравнения (2) и (8), получим уравнение для рассеянного поля (9) x n P(x, z) = A e±i cos(knz), (9) n n=где амплитуды Аn - нормальных волн вычисляются по формуле (10) -N n An = -A n (10) m.

n= m Частоты рассеянного звука при движении рассеивателя (массы жидкости в отверстии резонатора) рассчитываются по формуле эффекта Доплера 1- M cos f = f(11) 1- М cos', где f – частота рассеянной волны, Гц;

f0 – частота первичной волны, Гц;

M = v/c – число Маха при движении препятствия;

v – скорость препятствия, м/с;

c – скорость волны, м/с;

– угол между скоростью препятствия V и первичной волной, град;

' – угол между V и трансформированной волной, град.

Из формул (8-11) следует:

1. Амплитуда рассеянных вперед и назад нормальных волн одинаковы.

2. Возбуждение нормальных волн в волноводе не зависит от номера q падающей волны [формула (10)]. Это объясняется тем, что резонатор реагирует лишь на волновое давление, а волновое давление, создаваемое падающей волной на жесткой стенке волновода, зависит только от амплитуды этой волны.

3. Степень возбуждения нормальной волны возрастает при увеличении номера, т.к. амплитуда Аn обратно пропорциональна величине n,.

4. Происходит доплеровский эффект сдвига частоты трансформированного звука при движении рассеивателя (массы жидкости в отверстии резонатора).

Согласно данным выводам акустическое преобразование шумов скважины в волны ультразвукового диапазона для создания поля стоячих волн вполне реально.

Рассмотрим необходимые условия для создания поля стоячих волн.

Из теории образования стоячих волн известно, что для любой ограниченной области среды существует бесконечный дискретный набор стоячих волн, различающихся частотой и характерным расположением узлов и пучностей. Любые свободные колебания в ограниченной области (между жесткими границами) можно представить в виде суперпозиции стоячих волн в данной области с соответственно подобранными амплитудами и фазами.

В скважинных подъемниках жесткой границей, где скорость колебания частиц равна нулю, можно считать стенку трубы. На стенке трубы будут фиксироваться узлы волн. В пучностях стоячих волн будет отмечаться максимальная колебательная скорость.

Вследствие пониженного давления в зонах пучностей волн (что вытекает из механики описанного процесса) зародыши газовых пузырьков перемещаются от узлов волны (стенок трубы) к центру, что неизбежно вызывает процесс локальной концентрации и их росту. Распределение стоячих волн вдоль потока за счет работы секций акустического преобразователя шума вызывает коалесценцию пузырьков в каждой зоне стоячей волны, носящую дискретно - непрерывный характер.

Процессы, происходящие в стоячих волнах ультразвукового поля, увеличивают концентрацию газовых глобул газожидкостной смеси (ГЖС), что приводит к раннему разгазированию по отношению к исходному состоянию ГЖС. Жидкостным потоком пузырьки будут увлекаться из зоны стоячей волны до следующей зоны. Таким образом проявляется эффект газлифтного подъемника (рисунок 1).

При наложении акустического поля, генерируемого акустическим преобразователем шума (АПШ), на движущийся в вертикальных трубах поток возникают условия для образования бегущей и стоячей волн.

В поле плоской бегущей волны действует сила F1 (Па) F1=0,22Rч2(k·Rч)4·1·2(a1+a1·a2+0,75a22), (12) где Rч- радиус пузырька (газового зародыша), м;

a1 = 1 – 1·С12/2·C22; 1- плотность жидкости, кг/м3 ; С1 – скорость звука в жидкости, м/с;

a2 = 2(2 - 1)/(22 + 1); 2- плотность газового зародыша, кг/м3; С2 – скорость звука в газе, м/с;

k – волновое число, м-1;

- колебательная скорость пузырька (газового зародыша), м/с.

Сила, действующая на частицу в поле стоячей волны F2 определяется по формуле (13) F2 = Rч2(kRч)12{[2 + 0,67(2 – 1)]/(22 + 1) – 1C12/32C22}. (13) Расчеты по формулам (12) и (13) показывают, что RЧ= 1мкм, и f=Гц, сила действующая на частицу в стоячей волне, значительно превосходит силу в бегущей волне (примерно в 1013 раз).

Согласно закону Стокса сила трения FТР, действующая на частицу определяется по формуле (14) FТР = 6, (14) где – разность скоростей частиц (газовых глобул) и жидкости.

Измененная структура ТРЕТИЙ ЭТАП смеси Пучность волны колебательной скорости Коалесцированные газовые частиц ВТОРОЙ ЭТАП Концентрация газовых частиц Концентрация газовых частиц Узел в пучностях волны колебательной волны давления Пучность ПЕРВЫЙ ЭТАП волны давления Движение газовых частиц Движение к узлу волны давления газовых частиц Рисунок 1 - Схема изменения структуры газожидкостной смеси в стоячей волне Скорость частиц жидкости Ж определяется по формуле (15) Ж = 2 f UЖ Соs 2 f t. (15) Движение газовых глобул в жидкости определяется по формуле (16) m·d2XMП /dt2 = 6 Rч [ 2 f UЖ Сos(2f) – d XМП/dt]. (16) Решая дифференциальное уравнение (16) получаем выражение амплитуды колебания газовых глобул XМП (17) XМП = UЖ /[1+(2fm/6Rч)2]1/2 Sin(2f – )+kebt. (17) Непериодический член kebt отображает переходной процесс. Им можно пренебречь, так как коалесценция происходит через такое время, когда переходной процесс не оказывает уже никакого влияния.

Амплитуда колебания газовых глобул примет следующий вид (18) XМП = UЖ /[(4Rч2f/9)2 + 1 ]1/2. (18) Степень участия газовых глобул в звуковых колебаниях среды (так называемый коэффициент увлечения) в случае стоячей звуковой волны определяем по формуле (19) XМП / UЖ = 1 /[(4Rч2f/9)2 + 1 ]1/2. (19) Степень участия газовых глобул в колебаниях жидкости является величина = Rч2 f.

Если принять значение XМП/UЖ = 0,8 за границу, до которой газовые глобулы еще увлекаются звуковыми колебаниями, то из соотношения 0,8 = [1/(0,44 ·)2 + 1)]1/2, степень участия газовых глобул в колебаниях жидкости выразится формулой (20) R2 f =. (20) На рисунке 2 приведена зависимость между величиной радиуса газовых глобул и частотой ультразвукового излучения при процессах коалеcценции частиц для указанных коэффициентов увлечения (линии 1 и 2 соответственно для значений XМП/UЖ равных 0,8 и 0,2). Тогда в области (А) практически все частицы (газовые зародыши) увлекаются в поле пучностей стоячей волны. В области (С) они практически неподвижны. В промежуточной области (В) частицы газовых зародышей колеблются в соответствии со своими размерами, но с различными амплитудами. Например, для флюида с радиусом частиц- зародышей Rч= 0,01-16,0 мкм интенсивную коалеcценцию будут обеспечивать ультразвуковые волны с частотой в 18 кГц.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»