Производственно-технический нефтегазовый журнал
+7 (903) 580-85-63 +7 (495) 371-01-74 info@glavteh.ru

Опыт успешного применения объемных винтовых насосов в механизированной добыче

История успеха объемного винтового насоса началась более 80 лет назад с создания инновационного насоса Moineau, названного в честь французского изобретателя Рене Муано (René Moineau). В 1932 году Рене Муано с помощью компании Gevelot основал новую компанию, известную сегодня как PCM. Сегодня системы объемных винтовых насосов используются по всему миру в самых разнообразных условиях как для добычи нефти (в том числе с содержанием газа, воды и мехпримесей), так и для осушки газовых скважин, в том числе при добыче метана из угольных пластов.

В данном материале Вашему вниманию предлагается обзор разработанных компанией PCM технических решений в области установок винтовых насосов (УВН), включая цельнометаллические ВН, гидравлические регуляторы для выравнивания профиля давлений и температур, УВН для добычи жидкости с высоким содержанием твердых взвешенных частиц, УВН с вентильными приводами для применения в наклонно-направленных скважинах с высокой интенсивностью набора кривизны.

27.04.2017 Инженерная практика №01-02/2017
Пле Луи-Этьенн Генеральный директор ООО «ПСМ Рус»

В 80-е годы ХХ века объемные винтовые насосы начали применяться для добычи нефти из скважин в Канаде и Южной Америке, после чего постепенно распространились по всему миру.

Винтовые насосы представляют собой разновидность объемного насоса, состоящую из однозаходного спиралевидного стального ротора, вращающегося внутри двухзаходного спиралевидного статора из эластомера. При вращении ротора внутри статора образуется цепочка двойных водонепроницаемых полостей, которые перемещаются вдоль оси без изменения формы и объема. Таким образом жидкость перекачивается от входа к выходу насоса, не повреждая при этом перекачиваемый продукт (рис. 1).

Рис. 1. Насос PCM Vulcain в продольном и поперечном разрезе
Рис. 1. Насос PCM Vulcain™ в продольном и поперечном разрезе

Основные преимущества объемных винтовых насосов перед другими насосными системами для механизированной добычи состоят в низких эксплуатационных затратах, простоте эксплуатации, высокой гибкости режимов добычи в изменяющихся условиях эксплуатации и притока скважины, а также в способности справляться со «сложными» жидкостями (высокое газосодержание, вязкие и абразивсодержащие жидкости).

Благодаря этим преимуществам за последние три десятилетия системы объемных винтовых насосов стали распространенным способом механизированной добычи: на данный момент около 80 тыс. скважин по всему миру оснащены УВН. С 90-х годов прошлого века и до настоящего времени винтовой насос чаще всего применяется в Канаде для добычи холодной тяжелой нефти с мехпримесями, известной как CHOPS (низкотемпературная добыча тяжелой нефти с мехпримесями). Кроме того, они применяются с целью осушения газовых скважин (CSG), в том числе при добыче метана из угольных пластов, в качестве способа механизированной добычи используются именно установки винтовых насосов.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ДОБЫЧА ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ

В 2005 году PCM Vulcain™ становится первым запатентованным цельнометаллическим объемным винтовым насосом, который совмещает преимущества традиционного винтового насоса с устранением температурных ограничений эластомера и возможностью подачи пара через статор, позволяя тем самым избежать сложных монтажных операций на скважине. Это открывает новые горизонты для освоения трудноизвлекаемых запасов тяжелой нефти с помощью закачки пара. Технология цельнометаллических объемных винтовых насосов все чаще используются в крупных проектах с применением теплового воздействия на пласт – циклического паротеплового воздействия, заводнения с закачкой пара, парогравитационного дренажа (SAGD).

Усовершенствования, внедренные компанией PCM за последние 10 лет в сфере инноваций, производства, разработки, проектирования, эксплуатации, контроля и анализа неисправностей, постепенно способствовали достижению высоких показателей эффективности PCM Vulcain™, продолжительности срока эксплуатации (до 4,5 лет), а также надежности работы при высоких температурах (до 350°C), добыче нефти с содержанием H2S, CO2, ароматических углеводородов, добыче легкой нефти с содержанием газа.

Однако до сих пор сохраняется ряд важных проблем и вопросов, в том числе способность колонны насосных штанг справляться с крутящим моментом при увеличении вязкости жидкости или при высокой скорости потока, а также способность работать с флюидом с большим содержанием мехпримесей.

Конструкция цельнометаллических объемных винтовых насосов геометрически схожа с таковой традиционных объемных винтовых насосов. Главное отличие заключается в том, что традиционный для объемного винтового насоса эластомерный статор заменяется металлическим. При этом выверенный зазор между ротором и статором – основной фактор высокой производительности насоса, особенно в условиях низкой вязкости продукции скважины (высокая степень обводненности, очень горячая нефть).

При равномерном коэффициенте теплового расширения все цельнометаллические объемные винтовые насосы с одной и той же парой ротор/статор могут работать в широком диапазоне температур среды (от температуры паростимуляции до условий коллектора, и наоборот) и вязкостей. Данные характеристики делают технологию цельнометаллических объемных винтовых насосов универсальной и не подверженной влиянию переходного периода (период нагрева в методе парогравитационного дренажа; начало или конец цикла при циклическом паротепловом воздействии; распространение рассеянного теплового фронта или его колебание во время паростимуляции). Вдобавок к этому цельнометаллические объемные винтовые насосы доказали свою эффективность для снижения паронефтяного соотношения, что принципиально при тепловых методах добычи.

Комплект высокотемпературного винтового насоса состоит из запатентованного цельнометаллического ВН с металлическим статором (AMPCP), устанавливаемого в скважину, наземного привода, укомплектованного высокотемпературным уплотнением, исключающим утечку, и высокотемпературным превентором на поверхности (рис. 2).

Рис. 2. Установка PCM Vulcain
Рис. 2. Установка PCM Vulcain

Компания PCM разработала приводы, полностью соответствующие требованиям наземных стандартов ISO 15136-2, а также Европейской директиве по оборудованию 2006/42/CE для безопасной и надежной эксплуатации. Для тепловых методов добычи привод PCM DriverTM B-100 может быть оснащен инновационной самосмазывающейся вращающейся высокотемпературной системой уплотнений, которая обеспечит чистую и долгосрочную добычу.

ДОБЫЧА ПРИ ВЫСОКОМ СОДЕРЖАНИИ ГАЗА

Истощенные скважины обладают определенной тенденцией к повышенному газообразованию, что может вызвать известные проблемы в случае использования насосной системы механизированной добычи.

Объемный винтовой насос не подвержен воздействию газовых пробок и способен перекачивать свободный газ вместе с жидкостью. Однако содержание свободного газа, при рабочем давлении на входе насоса превышающее 20%, отражается на сроке эксплуатации объемного винтового насоса и может привести к выходу из строя статора.

Значительное содержание газа на входе насоса приводит к неравномерному распределению давления вдоль насоса, при этом основное нарастание давления наступает на последних ступенях статора, находящихся на выходе насоса. Это способствует увеличению напряжения и температуры в эластомере статора. Данный феномен известен как гестерезис и характеризуется сжатием газа, сосредоточенным на выходе насоса.

В 2007 году была разработана и успешно внедрена по всему миру технология насоса PCM Moineau™ HR (рис. 3), которая позволяет перекачивать нефть с особенно высоким содержанием свободного газа (до 90%).

Рис. 3. Преимущества HRPCP по сравнению с классическим винтовым насосом
Рис. 3. Преимущества HRPCP по сравнению с классическим винтовым насосом

В основе технологии PCM Moineau™ HR лежит изменение конструкции традиционного объемного винтового насоса путем добавления гидравлических регуляторов. Регуляторы обеспечивают наилучшее распределение наращиваемого давления по гидравлическому профилю, что приводит к равномерному распределению градиента давления и, следовательно, градиента температуры вдоль насоса. Несмотря на беспорядочные мультифазные структуры потока, объемный винтовой насос с гидравлическими регуляторами показывает стабильную работу и длительные сроки эксплуатации даже при высоком содержании свободного газа (высоком газовом факторе).

В качестве полностью интегрированного решения компания PCM также может предложить автономный гидравлический привод для газовых скважин с первичным двигателем, работающим на добываемом газе, что позволяет снизить эксплуатационные расходы и обеспечить автономность скважины.

ДОБЫЧА НЕФТИ С ПОВЫШЕННОЙ КВЧ

Повышенная концентрация твердых взвешенных частиц (КВЧ) в добываемой жидкости часто становится причиной высокого крутящего момента и преждевременного выхода из строя насосной системы механизированной добычи. Накопление твердых частиц или мехпримесей может повредить входную часть насоса и привести к неисправности рабочих органов.

Объемный винтовой насос способен работать с жидкостями с высоким содержанием твердых частиц, и для каждого набора условий применения используется соответствующий эластомер. Особое внимание уделяется подбору геометрии обкладки ротора для обеспечения наилучшего прохождения твердых частиц (мехпримесей) через насос и предотвращения их дробления в насосе.

Двухфутовое удлинение ротора, известное как «лопастной ротор», может применяться для рыхления плотных отложений твердых частиц, оседающих на входе насоса. Технология широко применяется в Канаде и Австралии.

Еще один элемент – верхняя упорная втулка – обеспечивает свободное всасывание на входе любых потоков без каких-либо ограничений, сопряженных с использованием стопорных пальцев или классического упорного ниппеля. Верхняя упорная втулка – это встроенный в отверстие выхода статора инструмент, обеспечивающий простую процедуру подгонки ротора. Таким образом нагрузка на головку ротора снижается, что способствует более эффективной эксплуатации и долговечности насоса.

Для случаев добычи жидкости с особенно высокой КВЧ мы предлагаем использовать систему винтовых насосов реверсивного потока, состоящую из двух последовательно соединенных насосов: верхнего (добывающего) и нижнего (рециркуляционного). Это позволяет создавать циркуляцию жидкости на достаточно протяженном интервале вокруг насосной системы.

В процессе эксплуатации добывающий насос подает жидкость на поверхность, в то время как рециркуляционный насос с обратным геометрическим строением обеспечивает рециркуляцию потока на входе насоса, предотвращая оседание мехпримесей и твердых частиц.

Добывающий и рециркуляционный насосы соединены при помощи перфорированного патрубка, который служит главным входным отверстием для обоих насосов, тогда как гибкий вал используется для соединения роторов рециркуляционного и добывающего насосов. Гибкий вал был специально спроектирован с применением высокопрочных материалов, позволяющих справляться с совмещенным эксцентрическим движением двух роторов, и располагается внутри перфорированного патрубка.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ СКВАЖИН С ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТЬЮ КРИВИЗНЫ (DLS)

Бесштанговые установки винтового насоса с погружным электродвигателем (УЭВН) служат эффективной альтернативой винтовым насосным системам с верхним приводом и электроцентробежным насосным установкам при добыче нефти из скважин с высокой интенсивностью кривизны ствола. Высокая интенсивность набора кривизны повышает риск обрыва штанг и возникновения негерметичности НКТ при добыче нефти установками с верхним приводом. В свою очередь, наработки УЭЦН на отказ в таких условиях часто оказываются низкими вследствие возникновения газовых пробок, абразивного износа или срыва подачи.

Основные преимущества УЭВН для названных условий эксплуатации в сравнении с установками других типов следующие:

  • пониженная вероятность возникновения неисправностей;
  • возможность использования установок более высокой производительности ввиду отсутствия штанг;
  • более низкие эксплуатационные затраты благодаря более низкому удельному энергопотреблению и меньшими затратами на ремонт скважины;
  • возможность применять винтовые насосы на шельфовых месторождениях (в сочетании с забойным предохранительным клапаном SSSV).

Стандартные приводы погружных винтовых насосов включают индуктивные электродвигатели ЭЦН в сочетании с редуктором. Чаще всего это индукционные (асинхронные) погружные электродвигатели (ПЭД), разработанные для эксплуатации на скорости 3000 об/мин (50 Гц) с номинальной мощностью от 10 до 2000 л.с. Также возможны альтернативные решения с четырех- или шестиполюсными двигателями, номинальная скорость вращения которых ниже в два или три раза, соответственно. Однако увеличение количества полюсов требует увеличения длины двигателя для обеспечения той же мощности (так как увеличивается количество электрических обмоток), что может послужить ограничением для наклонно-направленных скважин.

В качестве энергоэффективного решения вместо асинхронных ПЭД могут использоваться вентильные (синхронные) электродвигатели (ВЭД) на постоянных магнитах, не требующие применения редукторов. ВЭД создают мощный крутящий момент при низкой скорости вращения вала.

С момента появления винтового насоса с погружным электродвигателем для применения в механизированной добыче основным препятствием для освоения рынка оставалась низкая надежность гибкого вала и редуктора. Однако за последние несколько лет быстрое развитие математического моделирования гибкого вала и применения вентильных двигателей сделало УЭВН весьма привлекательным решением для механизированной добычи (рис. 4).

Рис. 4. Комплектация PCM ESPCP
Рис. 4. Комплектация PCM ESPCP
Реклама Дисковый фильтр производства АО «Новомет-Пермь» помог увеличить наработку УЭЦН в семь раз!
Комментарии

Эту публикацию еще никто не прокомментировал. Станьте первым, поделитесь своим мнением.

Написать комментарий
Комментировать
Читайте далее
Оценка энергоэффективности погружных асинхронных и вентильных электродвигателей с повышенным напряжением
Решения ООО «ПК «Борец» для повышения эффективности эксплуатации механизированного фонда скважин
Реклама
Свежий выпуск
Инженерная практика №05/2017

Инженерная практика

Выпуск №05/2017

Повышение энергоэффективности добычи нефти.Одновременно-раздельная эксплуатация
Организационные мероприятияИспытания СУ ЧРП УЭЦН с обводным контактором (байпасом) для прямого пускаВентильные двигатели повышенного напряженияКомпоновки для ОРЭ (ОРД, ОРДиЗ, ОРЗ, ВСП)Компоновки с резервной УЭЦН«Виртуальный расходомер» для систем ОРЭСтупени ЭЦН двухопорной конструкцииВыявление высокопродуктивных объектов
Ближайшее совещание
Капитальный ремонт скважин, Разработка месторождений
ОВП — 2017
Производственно-технический семинар-совещание

Ограничение водопритока ‘2017

27-28 июня 2017 г., г. г. Москва, МВЦ «Крокус Эскпо», Павильон 3, конференц–зал 2
Обмен опытом и анализ эффективности методов и технологий предотвращения и снижения обводнения продукции скважин на всех этапах разработки месторождения — начиная с проектирования системы разработки месторождений с учетом геологических условий и обеспечения качественного цементирования строящихся скважин и заканчивая технологиями РИР.
Ближайший тренинг
Капитальный ремонт скважин
Ловильный сервис — июнь 2017
Тренинг-курс

Ловильный сервис на нефтяных и газовых скважинах

26 - 30 июня 2017 г., г. Москва
ООО «Инженерная практика» от имени журнала «Инженерная практика» проводит набор группы специалистов для прохождения производственно-технического тренинга по программе «Ловильный сервис на нефтяных и газовых скважинах». Пятидневный тренинг - курс будет проводиться в г. Москве в рамках авторского курса С. Балянова.