УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СКВАЖИНЫ МЕТОДОМ ЭЙРЛИФТА

АННОТАЦИЯ

В данной научной статье исследуется метод увеличения производительности водозаборной скважины с использованием технологии эйрлифта. Эйрлифт представляет собой устройство, основанное на принципе гидравлической подъемной силы, которое может эффективно повысить эффективность добычи жидкости из скважины. В работе представлены результаты экспериментов, проведенных на модельной скважине, а также приведены расчеты и графические материалы, подтверждающие эффективность метода эйрлифта для увеличения производительности водозаборных скважин.

ABSTRACT

This scientific article investigates a method of increasing the productivity of a water intake well using airlift technology. The airlift is a device based on the principle of hydraulic lifting force, which can effectively improve the efficiency of liquid extraction from the well. The paper presents the results of experiments conducted on a model well, as well as calculations and graphic materials confirming the effectiveness of the airlift method to increase the productivity of water intake wells.

Ключевые слова: эйрлифт, производительность, водозаборная скважина, гидравлическая подъемная сила, эксперимент, расчеты.

Keywords: airlift, productivity, water intake well, hydraulic lifting force, experiment, calculations.

Введение:

Водозаборные скважины играют ключевую роль в обеспечении пресной водой населения и промышленности. Эффективность их работы напрямую влияет на общую доступность воды и экономическую эффективность добычи. Однако, в некоторых случаях производительность скважин может быть недостаточной, что требует применения инновационных технологий для повышения дебита [1, 2]. В данной работе мы исследуем метод увеличения производительности водозаборных скважин с использованием эйрлифта.

Разновидность устройства по подьему воды из скважины за счет насыщения жидкости воздухом называется эйрлифтом. Насыщение жидкости воздухом снижает его удельный вес. Поэтому облегчается продвижение жидкости в вертикальном направлении. Соответственно, такой поток увлекает различные взвеси.

Схема такого устройства следующая: в скважину подается компрессором сжатый воздух. Вода насыщается воздухом в виде пузырьков, уменьшая вес и увеличивая объём, транспортируется вверх. При этом, водоотдача будет зависеть от давления и количества поступающего воздуха.

Разумеется, нужно иметь ввиду, что максимальную эффективность гидросхемы можно наблюдать при достижении баланса между жидкой и газовой составляющими. Такой баланс будет соответствовать максимальному коэффициенту полезного действия (КПД_max). Т.е., дальнейщее повышение аэризации жидкости за счет повышения давления воздуха, неэффективна.

Материалы и методы:

В экспериментальном исследовании была создана модельная скважина с использованием стандартных компонентов и оборудования. Эйрлифт был установлен внутри скважины для тестирования его эффективности в увеличении производительности. Проводились измерения дебита жидкости, давления и других параметров при различных условиях эксплуатации скважины (см. Рисунок 1).

Для успешной работы эрлифта необходимы задать правильные условия функционирования на основе расчета основных характеристик. При этом определим следующие параметры:

1. Статистический уровень Н₁ - исходная величина, обозначающая глубину верхней водной границы; Н - динамический показатель, показывающий глубину до воды после начала работы системы; H+h – величина, указывающая глубину погружения трубы, которая подает воздух, где h - глубина погружения в водяной столб.

Выбор давления, которое нужно обеспечивать внешним устройством (компрессор) зависят от вышеуказанных параметров.

Также необходимо учитывать размеры элементов конструкции (см. Таблица 1 и рисунок 1):

Диаметр обсадной скважины (Д_с); диаметр водоподъёмной трубы (Д_ж); диаметр воздуховода (Д_в)

Таблица 1.

Влияние размеров элементов конструкции на объём воды

Рисунок 1. Зависимость производительности скважины от размеров элементов конструкции

Здесь:

1 - Д_с = 100 мм; Д_ж = 40 мм; Д_в = 12 мм

2 - Д_с = 100 мм; Д_ж = 50 мм; Д_в = 20 мм

3 -Д_с = 200 мм; Д_ж = 85-90 мм; Д_в = 30 мм

4 - Д_с = 250 мм; Д_ж = 120-126 мм; Д_в = 40-50 мм

Статический уровень Н₁ соответствует давлению в начале работы компрессора и может быть снижена до динамического уровня Н. Уровень Н ниже уровня Н₁

Согласно закону сообщающихся сосудов, глубина погружения Н_п будет уравновешиваться со столбом смеси в трубе, который более легок. В этом случае глубину погружения можно подобрать так, чтобы она превышала необходимую высоту столба смеси Н_п = Н.

Рисунок 2. Схема модельной скважины с использованием стандартных компонентов

Если жидкость перемещается при помощи воздуха, то такой подъемник носит название эйрлифт. Если при помощи технического газа – то название меняется на газлифт.

Укажем ρ, как плотность жидкости, а плотность смешанной составляющей (жидкость + газ или воздух), как ρ_см. Формула, приведенная ниже, отражает условие равновесия жидкости, которая окружает трубу 1, ниже уровня А и смеси в трубе:

ρ · Н_п = ρ_см · (Н + Н_п)

тогда как формула:

отражает высоту подачи жидкости эрлифтом.

Таким образом, «высота подачи эйрлифтом жидкости заданного удельного веса пропорциональна глубине погружения и зависит от концентрации воздуха в смеси» [3].

Рисунок 3. График зависимости плотности жидкости от высоты водного столба

При графическом рассмотрении уравнения можно увидеть следующее. Если Н_п = const, то приближение ρ_см к нулю вызывает стремление подачи к бесконечности.

«Этот факт в действительности не подтверждается (вытекающий из уравнения равновесия жидкости в сообщающихся сосудах, применительно к движущейся смеси)» [4].

Эйрлифт функционирует, затрачивая энергию на передвижение жидкости на разные уровни. Также энергия тратится на преодоление сопротивления при перемещении и придание жидкости кинетической энергии.

Уменьшение плотности смеси за счет повышения содержания воздуха приводит к Н > 0. При этом, если ρ_см = ρ, то воздуха в смеси нет и Н=0.

Снижение плотности смеси, а именно, до критического состояния (ρ_см)_кр и ниже приведет к уменьшению высоты подъема, так как гидравлические сопротивления будут быстро расти. График на рисунке 4 пунктирной линией показывает действительную зависимость высоты подъема от плотности смеси. От значения(ρ_см)_кр  он резко отдаляется от расчетной.

Глубина погружения выражается в процентах полной высоты трубы эрлифта

Следующая формула выражает абсолютную глубину погружения:

Глубина погружения, которая необходима, чтобы подать жидкость на определенную высоту Н, может быть рассчитана согласно теории и при коррекции на практике [5].

 «Если эйрлифт подает жидкость с плотностью ρ (кг/м³) на высоту Н (м) в количестве Q (м³/с), то полезная мощность, развиваемая им равна Дж/с:

N_п = ρ · Q · g · H

Коэффициент полезного действия эрлифта зависит от погружения и в среднем равен 0,5» [6].

Рисунок 4. Зависимость количества воздуха от обьема подачи воздуха для расчета КПД эрлифта

Диаграмма V-Q отражает работу эрлифта. Если нагнетать в камеры эрлифта незначительное количество воздуха, то подача отсутствует, так как ρ_см имеет низкое значение.

Рисунок 3 показывает, что если увеличивать подачу воздуха V_1, можно увидеть поднятие столба смеси до верхнего выходного окончания трубы. Последующее увеличение V эйрлифта способствует подаче. Можно наблюдать перманентное повышение подачи до момента, когда количество подаваемого воздуха сделается равным V₂.

При этом Q = Q_макс.

Последующее повышение V будет способствовать уменьшению подачи эрлифта. Гидравлическое сопротивление трубы эрлифта и повышение содержания воздуха в смеси объясняют это явление.

Процесс изменения V сопровождает изменение коэффициента полезного действия эрлифта η. Его значение становится максимальным раньше, чем значение Q достигнет своей наивысшей точки.

Рисунок 5. Технологическая схема разработанного проекта повышения производительности скважины с помощью эйрлифта

Рисунок 6. Зависимость производительности скважины от давления сжатого воздуха

Результаты исследования:

Результаты экспериментального исследования показали, что применение эйлифта может значительно увеличить производительность водозаборной скважины. Графики зависимости дебита жидкости от времени показывают, что при использовании эйлифта дебит значительно выше по сравнению с обычной работой скважины. Расчеты также подтверждают, что эйлифт обеспечивает значительное увеличение производительности и экономическую эффективность добычи воды.

График увеличения производительности скважины с учетом давления воздуха на забой скважины может быть сложным и зависит от множества факторов, таких как геологические условия, характеристики скважины, состав пластовой жидкости и другие параметры (см. Рисунок 4).

При бурении и эксплуатации скважины, давление воздуха на забое играет важную роль в процессе добычи. Увеличение давления воздуха на забое может привести к следующим эффектам:

1. Увеличение дебита скважины: Повышение давления воздуха на забое может способствовать увеличению дебита скважины. Это происходит благодаря увеличению эффективной дифференциальной глубины залегания пласта и улучшению проницаемости пласта, что позволяет большему объему жидкости поступать в скважину.
2. Снижение забойного давления: Повышение давления воздуха на забое может способствовать снижению забойного давления, что уменьшает сопротивление потоку жидкости из пласта в скважину. Это может улучшить производительность скважины и способствовать более эффективной добыче.
3. Уменьшение обводненности: Повышение давления воздуха на забое может помочь снизить обводненность скважины. Увеличение давления может препятствовать проникновению воды из окружающих пластов и способствовать добыче более чистой нефти или газа.

Важно отметить, что эффекты повышения давления воздуха на забое могут иметь пределы, связанные с физическими свойствами пласта и скважины. Поэтому оптимальное давление воздуха на забое должно определяться на основе специфических условий каждой скважины.

Заключение:

Метод эйрлифта представляет собой перспективную технологию для увеличения производительности водозаборных скважин. Экспериментальные исследования и расчеты показали его эффективность в повышении дебита жидкости из скважины. Дальнейшие исследования и оптимизация метода могут привести к еще более значительному увеличению производительности скважин и повышению доступности пресной воды для населения и промышленности.

Список литературы:

1. Romanov Andrey Aleksandrovich Use of unplasticized polyvinyl chloride (uPVC) casing pipes in water supply well construction // European science review. 2016. №5-6.
2. Романов А. А. Обсадные трубы из непластифицированного поливинилхлорида (НПВХ) - эффективный путь снижения капитальных затрат при строительстве водозаборных скважин // Современные инновации. 2016. №8 (10). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obsadnye-truby-iz-neplastifitsirovannogo-polivinilhlorida-npvh-effektivnyy-put-snizheniya-kapitalnyh-zatrat-pri-stroitelstve (дата обращения: 26.06.2023).
3. Прокачка скважины эрлифтом ‒ эффективный способ удаления песка. - 2023 [Электронный ресурс] URL: https://zpu-tmb.ru/metalloprokat/erlift-chto-eto-takoe.html (дата обращения 26.06. 2023)
4. Движущаяся смесь // Большая энциклопедия нефти и газа  [Электронный ресурс] URL:  https://www.ngpedia.ru/id442233p3.html (дата обращения 26.06. 2023)
5. Hu, Dong & Guo, Jingzhi & Deng, Ling & Yang, Fengling. (2022). Critical characteristics of an airlift pump for dredging. Frontiers in Earth Science. 10. 993782. 10.3389/feart.2022.993782.
6. Эрлифт: описание, принцип действия и изготовление [Электронный ресурс] URL: https://www.nektonnasos.ru/articles/erlift (дата обращения 26.06. 2023)