Теоретичні основи побудови узагальнених гідравлічних моделей свердловинних струменних насосів

Abstract

Дисертацію присвячено проблемі розробки узагальнених гідравлічних моделей свердловинних струминних насосів, які використовуються під час буріння та освоєння свердловин. В- дисертації розроблена загальна концепція побудови математичних моделей та досліджено робочий процес свердловинного струминного насоса на основі моделювання гідравлічних зв’язків між елементами ежекційної системи з врахуванням граничних режимів її роботи. До побудови математичних моделей залучено банк даних, який дозволив підвищити точність оцінки геометричних, гідродинамічних та режимних параметрів струминного насоса на 6,9-75 %. На основі узагальнення, класифікації та систематизації характеристик струминного насоса розроблено методи вибору конструктивних та режимних параметрів для 15 основних випадків його застосування в свердловині, що призвело до підвищення ККД ежекційної системи в 1,33 - 1,35 разів. Основні результати роботи реалізовані при проектуванні свердловинних ежекційних систем з покращеними технічними характеристиками провідними (в галузі використання струминних насосів) підприємствами.

Диссертация посвящена вопросам разработки обобщенных гидравлических моделей скважинных струйных насосов, используемых при бурении и освоении скважин. В диссертации разработана обобщенная концепция построения математических моделей рабочего процесса скважинного струйного насоса на основе моделирования гидравлических связей между элементами эжекционной системы с учетом предельных режимов ее работы. В работе приведена математическая модель смешивания потоков в виде системы потенциальных струй и расположенного между ними пограничного турбулентного слоя с неравномерными профилями скоростей и давлений. Получены уравнения характеристики насоса и стабилизации его гидродинамических параметров, а также обобщенные уравнения характеристики эжекционной системы и предельных режимов ее работы. Путем использования для построения математических моделей более представительного исходного материала (дополнительно учитывалась взаимная ориентация и конструкция элементов насоса и эжекционной системы) повышена точность оценки геометрических, гидродинамических и режимных параметров струйного насоса на 6,9 - 75%. На основе обобщения, классификации и систематизации характеристик струйного насоса разработаны методы выбора конструктивных и режимных параметров для 15 основных вариантов его использования в скважине, которые позволяют в 1,33 - 1,35 раз повысить КПД эжекционной системы. В работе дано теоретическое обоснование и определено поле характеристик скважинного струйного насоса, которое определяет границы его применимости. На основе использования разработанных математических моделей предельных режимов работы сформулированы принципы оценки границ применимости различных типов струйных насосов в скважине. Благодаря систематизации характерных параметров скважинных струйных насосов установлена степень их зависимости от конструкции эжекционной системы. Полученные при этом закономерности позволяют прогнозировать вид характеристик (расходных, кавитационных, предельного напора, максимального КПД) струйного насоса на стадии их проектирования с последующим уточнением при эксплуатации. Путем классификации и обобщения основных схем использования струйного насоса сформулированы принципы унификации и стандартизации его элементов, реализованные в разработке универсального блочного метода синтеза конструкций ежекционных систем. Результаты проведенных исследований позволили разработать новые элементы конструкций струйных насосов, защищенных авторскими свидетельствами на патенты. Разработанная концепция построения математических моделей, принципы оценки границ применимости, обобщение, классификация и систематизация характерных параметров, методы выбора рациональных геометрических и режимных соотношений, основы унификации й стандартизации элементов эжекционных систем, новые элементы конструкций и отдельные технические решения в совокупности определяют развитие перспективного направления по повышению технического уровня скважинных струйных насосов. Основные результаты работы использованы при проектировании скважинных эжекционных систем с улучшенными техническими характеристиками ведущими (в области использования струйных насосов) предприятиями.

The thesis focuses on the elaboration of versatile hydraulic models of well jet pumps used in the process of drilling and completing wells. The elaboration of the general concept of creating mathematical models and investigation of the process of operation of well jet pumps on the basis of mathematical simulation of hydraulic links between the elements of ejection system taking into consideration the boundary conditions of its operation are done in the thesis. Due to the use of a more representative initial material in the process of creating mathematical models the certainty of estimation of geometric, hydrodynamic and regime parameters of the jet pump was increased by 6.9-75%. On the basis of generalization, classification and systematization of the characteristics of jet pumps the techniques for choosing design and regime parameters for their 15 major uses in wells have been elaborated in the thesis, which will enable to increase the efficiency of the ejection system 1.33-1.35 times. The basic data obtained have been implemented by the leading (in the field of using jet pumps) enterprises when designing well ejection systems with improved technical characteristics.