Підвищення ефективності очищення вибоїв нафтогазових свердловин пристроями на основі постійних магнітів

Abstract

У роботі проведено аналіз стану вибоїв та аварійності у процесі спорудження і ремонту свердловин, аналіз існуючих конструкцій магнітних ловильних пристроїв. Встановлено вимоги до магнітних систем пристроїв та визначено основні критерії їх ефективності. Розроблено нові конструкції магнітних систем броньового типу на основі рідкісноземельних неодимових магнітів. Досліджено за допомогою методу скінченних елементів процес перерозподілу магнітних потоків у взаємодії магнітної системи з феромагнітним предметом. Встановлено раціональні геометричні розміри елементів систем з мінімальними потоками розсіювання та досліджено вплив високих температур на силові характеристики систем. Експериментально підтверджено достовірність теоретичних досліджень і методики проектування магнітних систем з високими силовими та магнітними характеристиками. Розроблено конструкції магнітних пристроїв дев'яти типорозмірів і проведено їх дослідно-промислові випробування.

В результате анализа состояния забоев при бурение обнаружено, что практически во всех скважинах присутствует технологический осадок или разрушенные элементы бурового инструмента. Одним из эффективных способов очистки забоев скважин от постороннего металла является применение магнитных ловильных устройств. В результате анализа существующих конструкций устройств на основе постоянных магнитов осуществлена их классификация по основным признакам и обнаружены их основные недостатки: невысокая грузоподъемная сила, нерациональные конструкции магнитных систем и невысокий ресурс работы. Учитывая условия эксплуатации и факторы, влияющие на процесс улавливания металлических предметов, установлены требования к магнитным ловильным устройствам, выполнение которых позволит разработать новые конструкции устройств. Определено, что основными показателями эффективности ловильных устройств является общая и удельная грузоподъемная сила, на базе которых предложен силовой критерий, позволяющий в полной мере оценить совершенство разработанных магнитных систем. В результате анализа свойств магнитотвердых материалов установлено, что редкоземельные неодимовые магниты обладают самыми высокими характеристиками и наиболее подходящие для магнитных систем. Установлено, что использование таких магнитов в конструкциях магнитных систем броневого типа позволит получить высокие параметры ловильных устройств. Учитывая это, усовершенствованы конструктивные схемы магнитных систем диаметром до 150 мм путем введения дополнительного магнитопровода - ферромагнитной обоймы для выравнивания площадей полюсов разноименной полярности, а также разработаны принципиально новые конструкции броневых многополюсных систем с вспомогательными магнитами, сводящие к минимуму рассеивание магнитного поля. На основе анализа существующих методов расчета магнитных полей установлено, что наиболее применимыми для проектирования магнитных систем являются численные методы, а именно метод конечных элементов, который дает возможность рассчитывать магнитные системы со сложной геометрией и нелинейными свойствами материалов. С помощью программного комплекса ANSYS Maxwell определены оптимальные геометрические размеры элементов систем с минимальными потоками рассеяния, что позволяет максимально использовать энергию постоянных магнитов. Разработаны магнитные системы на редкоземельных неодимовых магнитах, которые обладают высокими силовыми характеристиками: общей условной и удельной грузоподъемной силой. По предложенному силовому критерию проектируемые системы в три раза превосходят известные аналоги на феррито-бариевых магнитах. В результате моделирования процесса взаимодействия вспомогательной системы с корпусом определены оптимальные соотношения кольцевых элементов систем, при которых достигается необходимое усилие перемещения. Исследовано влияние высоких температур на силовые характеристики систем на неодимовых магнитах различной температурной стабильности. Установлена возможность эксплуатации разработанных магнитных систем при температуре до 150 °С. Экспериментальные исследования силовых и магнитных характеристик разработанных магнитных систем подтвердили результаты расчетов (расхождение не превышает 15 %). Разработан лабораторный стенд для определения удельных силовых показателей магнитных систем и предложен новый метод исследования тяговых характеристик с использованием ЭВМ. Анализ тяговых характеристик систем позволил отнести их к классу удерживающих. Экспериментально исследовано влияние материала улавливаемых предметов на усилие притяжения к системе. Определен характер распределения магнитной индукции на рабочих поверхностях систем различных конструкций, что позволило оценить их совершенство с точки зрения равномерности насыщения магнитопроводов. Системы на редкоземельных магнитах обладают индукцией превышающей в 2-3 раза аналогичные системы на феррито-бариевых магнитах. Разработаны новые конструкции магнитных ловильных устройств ПМЛ диаметрами 88 мм, 103 мм, 115 мм, 118 мм, 146 мм, 195 мм, 270 мм и устройств ФУМ диаметрами 112 мм, 136 мм, которые по основному показателю назначения - грузоподъемной силе в 1,5-6 раз превышают аналоги из России и США. Новые технические решения на уровне изобретений, реализованы в конструкциях ПМЛ и ФУМ. Способность системы оставаться неподвижной во время вращения корпуса и магнитный способ ее фиксации в любом положении позволили повысить на 30% ресурс работы устройств. Опытно-промышленные испытания в глубоких нефтегазовых скважинах различного назначения подтвердили высокую эффективность работы устройств во время извлечения различных по форме и массе ферромагнитных предметов.

The thesis deals with the analyses of the bottom holes conditions and questions of emergencies by construction and repairs of oil and gas wells as well as the construction of the magnetic fishing tools used in boreholes. The requirements for the tools magnetic systems are determined and the main criteria of their effectiveness are explored. The new constructions of armor magnetic systems based on rare-earth neodymium magnets are developed. The process of redistribution of magnetic fluxes during the interaction of the magnetic system with ferromagnetic object using the finite element method is explored. The rational geometric dimensions of the systems elements with minimum scattering of magnetic fluxes are determined and the action of high temperatures on the power characteristics of the magnetic systems is established. The reliability of researches and design techniques of the magnetic systems with high power and magnetic features are experimentally confirmed. The constructions of the magnetic tools with nine dimension-types are developed and their industrial testing is conducted.