Substantiation of the methodology for modeling and calculating the optimal operating modes of a tandem pumping installation when mining uranium

Abstract

Purpose. The purpose of the research is to develop a mathematical model of the jet pump (JP) working process and a calculation methodology for modeling, as well as to determine the optimal operating modes of a combined pumping installation in downhole conditions. Methods. When conducting research, the coordinated operation of an electric-centrifugal pump (ECP), a jet pump and a reservoir is determined as the initial compulsory condition for the effective exploitation of extraction wells using a tandem pumping installation (TPI). Theoretical studies describing the joint operation of a jet pump and an electric-centrifugal pump were conducted, in the course of which mathematical modeling of the “productive reservoir – electric-centrifugal pump – jet pump” system operation in a coordinated mode was used. Specific data from the Khorasan-2 deposit (Republic of Kazakhstan) mines are accepted as the initial data during the modelling. When modelling the jet pump operating modes, special attention is paid to determining the boundary parameters of the pumped-out productive solution, at which cavitation can occur. The modelling is performed using the Maple software package from Waterloo Maple Inc. Findings. To assess the efficiency of pumping-out the productive uranium solutions from wells using tandem pumping installations, a mathematical model of the jet pump working process has been developed. On its basis, a calculation methodology for modeling the operating modes of a combined pumping installation with imitation of actual downhole conditions has been compiled. Originality. As a result of computational modeling, the high sensitivity of the cavitation modes of the jet pump operation to the design parameters of the jet pump main elements has been revealed, while the tandem installation itself as a whole has a lower sensitivity to changes in dynamic conditions. It has been substantiated that the use of a tandem pumping scheme for pumping-out a productive uranium solution can increase the productivity and energy efficiency of the process. Practical implications. The calculation methodology and algorithm make possible, with sufficient accuracy for practical use, to quickly calculate the required geometric parameters of the jet pump to ensure rational and cavitation-free modes of the tandem pumping installation depending on the specific downhole conditions in the “reservoir – electrical centrifugal pump – jet pump” system. In addition, it is possible to develop some practical recommendations for the design of jet pumps, working in tandem with submersible electric-centrifugal pumps.

Мета. Розробка математичної моделі робочого процесу струминного насоса і розрахункової методики для моделювання та визначення оптимальних режимів роботи комбінованої насосної установки у свердловинних умовах. Методика. При проведенні досліджень вихідною обов’язковою умовою ефективної експлуатації відкочувальних свердловин тандемних насосних установок (ТНУ) було визначення необхідності узгодженої роботи електровідцентрових насосів (ЕВН), струминного насоса (СН) і пласта. Були проведені теоретичні дослідження, що описують роботу СН спільно з ЕВН, використовувалося математичне моделювання роботи системи “продуктивний пласт – ЕВН – СН” в узгодженому режимі. Як вихідні дані при моделюванні були прийняті конкретні дані рудників родовища “Хорасан-2” (Республіка Казахстан). При моделюванні режимів роботи СН особливу увагу було приділено визначенню граничних параметрів відкачуваного продуктивного розчину, при якому може наступити кавітація. При моделюванні використувався програмний пакет Maple компанії Waterloo Maple Inc. Результати. Для оцінки ефективності відкачування зі свердловин продуктивних розчинів урану тандемними насосними установками розроблена математична модель робочого процесу струминного насоса і на його основі складена розрахункова методика моделювання режимів роботи комбінованої насосної установки з імітацією реальних свердловинних умов. Наукова новизна. В результаті розрахункового моделювання встановлена висока чутливість кавітаційних режимів роботи струминного насоса до конструктивних параметрів основних елементів струминного насоса, тоді як сама тандемна установка, в цілому, має меншу чутливість до зміни динамічних умов. Показано, що застосування тандемної схеми насосів при відкачуванні продуктивного розчину урану може підвищити продуктивність та енергоефективність процесу. Практична значимість. Методика та алгоритм розрахунку дозволяють з достатньою точністю для практичного застосування оперативно розрахувати необхідні геометричні параметри струминного насоса для забезпечення раціональних і безкавітаційних режимів тандемної насосної установки для конкретних свердловинних умов у системі “пласт – електровідцентровий насос – струменевий насос”, створити деякі практичні рекомендації з проектування струменевих насосів, що працюють в тандемі із зануреними електровідцентровими насосами.

Цель. Разработка математической модели рабочего процесса струйного насоса и расчетной методики для моделирования и определения оптимальных режимов работы комбинированной насосной установки в скважинных условиях. Методика. При проведении исследований исходным обязательным условием эффективной эксплуатации откачных скважин тандемных насосных установок (ТНУ) было определение необходимости согласованной работы электроцентробежных насосов (ЭЦН), струйного насоса (СН) и пласта. Были проведены теоретические исследования, описывающие работу СН совместно с ЭЦН, использовалось математическое моделирование работы системы “продуктивный пласт – ЭЦН – СН” в согласованном режиме. В качестве исходных данных при моделировании были приняты конкретные данные рудников месторождения “Хорасан-2” (Республика Казахстан). При моделировании режимов работы СН особое внимание было уделено определению предельных параметров откачиваемого продуктивного раствора, при котором может наступить кавитация. При моделировании использовался программный пакет Maple компании Waterloo Maple Inc. Результаты. Для оценки эффективности откачки из скважин продуктивных растворов урана тандемными насосными установками разработана математическая модель рабочего процесса струйного насоса и на его основе составлена расчетная методика моделирования режимов работы комбинированной насосной установки с имитацией реальных скважинных условий. Научная новизна. В результате расчетного моделирования установлена высокая чувствительность кавитационных режимов работы струйного насоса к конструктивным параметрам основных элементов струйного насоса, тогда как сама тандемная установка, в целом, имеет меньшую чувствительность к изменению динамических условий. Показано, что применение тандемной схемы насосов при откачке продуктивного раствора урана может повысить производительность и энергоэффективность процесса. Практическая значимость. Методика и алгоритм расчета позволяют с достаточной точностью для практического применения оперативно рассчитать требуемые геометрические параметры струйного насоса для обеспечения рациональных и бескавитационных режимов тандемной насосной установки для конкретных скважинных условий в системе “пласт – электроцентробежный насос – струйный насос”, выработать некоторые практические рекомендации по проектированию струйных насосов, работающих в тандеме с погружными электроцентробежными насосами.