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; /=57Гц; 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.