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

УЭЦН с широкими каналами в проточной части для малодебитных скважин с высоким содержанием механических примесей

В последние годы наметилась устойчивая тенденция к ухудшению условий эксплуатации скважин на месторождениях Российской Федерации. Это происходит вследствие вступления залежей с благоприятными геолого-промысловыми параметрами в позднюю стадию разработки при соответствующем увеличении относительной доли добычи нефти из месторождений с трудноизвлекаемыми запасами, характеризующихся большим числом малодебитных скважин. Доля малодебитных скважин в РФ составляет около 30-40%, и большинство из них осложнены следующими факторами: высокое содержание свободного газа и механических примесей, коррозия, солеотложение. Серийное погружное насосное оборудование для добычи пластовой жидкости из малодебитных скважин с высоким содержанием механических примесей зачастую просто не способно надежно работать в таких сложных условиях. Отрасли требуются эффективные технологии эксплуатации таких скважин со средней наработкой не менее 600 суток. В связи с этим актуальной задачей становится разработка, исследование и опытно-промышленные внедрения инновационных технологий добычи нефти в осложненных условиях с применением погружных насосных систем. Предприятия, входящие в Группу компаний «Римера», разработали ряд технических решений, обеспечивающих высокий ресурс оборудования даже в самых сложных условиях эксплуатации в рамках проекта «Белая скважина».

02.05.2017 Инженерная практика №01-02/2017
Трулев Алексей Владимирович Начальник отдела разработки ЦИиР ЗАО «Римера», к.т.н.
Сабиров Альгинат Азгарович Начальник отдела технического маркетинга ЦИиР ЗАО «Римера»
Сибирев Сергей Владимирович Директор ЦИиР ЗАО «Римера»
Вербицкий Владимир Сергеевич Заместитель заведующего кафедрой РиЭНМ, ФГБОУВО РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, доцент, к.т.н.
Тимушев Сергей Федорович Заведующий кафедрой «Ракетные двигатели» МАИ, д.т.н.

В рамках проекта «Белая скважина» предлагается концептуальная разработка специалистов ЗАО «Римера» и РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина – установка погружного многоступенчатого центробежного насоса с особой конструкцией ступеней, насоса и элементов установки. Разработанные технические решения защищены патентами на изобретения [1, 2].

Рис. 1. Насосы 5-20 с широкими каналами проточной части
Рис. 1. Насосы 5-20 с широкими каналами проточной части

НОВЫЕ УСТАНОВКИ 5-20 С ШИРОКИМИ КАНАЛАМИ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ЭЦН

Следует отметить, что засорение механическими примесями и солеотложение снижают межремонтный период работы скважин (МРП), отрицательно влияют на добычу, требуют значительных вложений в ремонт скважин и проведение технологических обработок. Применяемые методы предотвращения отказов и защиты не всегда эффективны. Специалисты ЗАО «Римера» разработали ступень 5-20 на номинальную подачу 20 м3/сут с шириной каналов проточной части как у ступени на 125 м3/сут (рис. 1.).

Ступень отличают высокие показатели энергоэффективности и оптимальная подача в заданном рабочем диапазоне. Насосы с широкими каналами, например, на 80 м3/сут и, тем более 125 м3/сут, эффективно работают при высокой концентрации механических примесей, в условиях отложения солей, большого со-держания свободного газа. Ступени изготовлены из литого нирезиста, который качественно превосходит традиционный порошковый материал по совокупности коррозионной стойкости и износостойкости.

Насосы с расширенными каналами успешно прошли ОПИ.

Согласно API 610 (стандарт надежности и безопасности, разработанный Американским институтом нефти для насосов с торцевыми уплотнениями для нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности), рекомендованная зона работы насоса лежит в пределах от 0,7 до 1,1 от оптимальной подачи. Допускается лишь кратковременная работа на подаче 0,5-0,7 от оптимальной. При работе за пределами рекомендуемой зоны возникают обратные токи, которые приводят к пульсациям давления и вибрации, увеличению осевой и радиальной силы, которая действует на рабочее колесо каждой ступени. Кроме того, при работе на подаче менее 0,5 от оптимальной происходит деформация напорной характеристики характеристика, возникает вероятность помпажа, образования газовой пробки и срыва подачи при наличии даже небольшого количества свободного газа на входе в насос [3].

Западные производители ЭЦН предлагают эксплуатировать скважины с дебитом жидкости 25 м3/сут насосами с оптимальной подачей 125 м3/сут, например, УЭЦН Schlumberger – REDA Continuum. При этом номинальная подача будет составлять 0,2 от оптимальной. Следует отметить, что эта западная разработка с необоснованно широким рабочим диапазоном по всем параметрам, таким как эффективность, КПД и надежность, уступает предлагаемой нами установке 5-20 с широкими каналами проточной части.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ СТУПЕНЕЙ

Рабочие колеса насоса укомплектованы дополнительным лопаточным венцом особой конструкции, который позволяет снижать действующую на рабочее колесо осевую силу почти в три раза. За счет сочетания ячеек и каналов в дополнительном лопаточном венце происходит эффективное диспергирование газожидкостной смеси, поэтому допустимое содержание свободного газа увеличено на 10%.

Ступени изготовлены из литого нирезиста, который превосходит традиционный низколегированный порошок, из которого делают ступени наши конкуренты, по совокупности таких параметров, как коррозионная стойкость и износостойкость [4].

Испытания материалов в абразивной среде показали, что при воздействии на поверхность только абразива, скорость изнашивания образцов материалов принимает близкие значения. Однако у образца направляющего аппарата из ЖГР, который предварительно испытывали в коррозионноактивной среде (1,5%-ная соляная кислота), скорость изнашивания увеличилась почти в три раза. То есть, если рабочие органы из ЖГР предварительно подвергались воздействию раствора кислоты, их износостойкость в абразивной среде снижалась.

В этом случае особо ярко показывают себя преимущества нирезиста как материала более стойкого к воздействию «промывов» [4].

НОВЫЙ КОМПРЕССИОННЫЙ ЭЦН ДЛЯ МАЛЫХ ПОДАЧ

Радиально-стабилизированные насосы компрессионной схемы сборки относятся к самому высокому классу оборудования по износоустойчивости [5]. Это самое надежное погружное оборудование УЭЦН. Традиционно ЭЦН данного типа делают на высокие подачи (от 200 м3/сут), поскольку на меньших номинальных подачах заметно снижаются энергетические параметры насоса.

Нам удалось усовершенствовать конструкцию, сделав линейку ЭЦН на весь диапазон подач. Исходя из опыта эксплуатации, мы считаем, что малорасходные насосы следует делать в компрессионном исполнении. Компрессионные насосы надежно работают в левой зоне НРХ, с высоким содержанием свободного газа, так как осевая нагрузка воспринимается осевой опорой в ГЗ. В правой зоне всплытие не наблюдается. Поэтому можно расширить рабочую зону насоса.

Недостаток компрессионных насосов состоит в сложности сборки: при сборке на скважине необходимо обеспечивать точную стыковку валов, иначе все преимущества конструкции обратятся в ее недостатки. В нашей конструкции предельно упрощена сборка компрессионного насоса, исключена сложная операция шимсования, для точного выставления валов используется приспособление, которое исключает необходимость использования мерительного инструмента, субъективной ошибки.

Можно отметить надежную работу насосов на 15 и 25 м3/сут в ОАО «Сургутнефтегаз» (текущая наработка составляет 4,5 года), в ОАО «Томскнефть» ВНК (три года). Наработка более чем в три раза превышает наработку насосов, которые ранее применялись в данных скважинах. Способность компрессионных насосов работать непрерывно от 3 до 5 лет без извлечения из скважины позволяет значительно экономить на ремонте и монтаже насосных установок.

После приработки опорных шайб вся осевая сила воспринимается осевой опорой в гидрозащите. В результате КПД у компрессионных насосов может быть на 10-15% выше, чем у погружных ЭЦН в традиционном исполнении [6].

Производство гидродинамических подшипников для ГЗ освоено ОАО «АЛНАС», в настоящий момент изделия проходят ОПИ. Сегменты подпятника гидрозащиты покрыты полимерным антифрикционным материалом РЕЕК. За счет этого гидрозащита способна воспринимать осевую нагрузку до 35 кН (3500 кгс).

Компрессионные насосы разработаны в габаритах 3, 4, 5, 5А, 6 в диапазоне подач от 15 до 1500 м3/сут.

СТУПЕНЬ 5-160

Ступень обеспечивает работу в зоне оптимума КПД на соответствующих подачах, поскольку насосы ЭЦН5-125 и ЭЦН5-200 работают на этой подаче за пределами зоны оптимума, что приводит к повышенному износу опорных шайб и снижению ресурса насосов из-за повышенной осевой силы или циклического всплытия. Специалисты ООО «АЛНАС» успешно завершили опытно-промысловые испытания насосной установки на скважинах Игольского, Тагайского месторождения ОАО «Томскнефть» и Ишуевского месторождения ПАО «Оренбургнефть». Новая техника рекомендована к серийному производству.

Насосы со ступенями 5-280 по энергетическим параметрам не уступают известным аналогам и также успешно прошли ОПИ на скважинах Южно-Тарасовского месторождения ООО «РН-Пурнефтегаз» и Долговского месторождения ПАО «Оренбургнефть», после чего были переданы в серийное производство.

УСТАНОВКИ В ГАБАРИТЕ 3

Комплектные установки включают высокооборотный насос в компрессионном исполнении, в том числе вентильный двигатель, специальную гидрозащиту, скважинный центратор, блок смещения.

УЭЦН СО СТУПЕНЯМИ ДВУХОПОРНОЙ КОНСТРУКЦИИ ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА

На внутреннем диаметре ступицы направляющего аппарата со стороны ступицы рабочего колеса выполнена проточка, диаметр которой заведомо больше наружного диаметра ступицы рабочего колеса. На валу для каждой ступени установлена уплотнительная бронзовая или бронзографитовая втулка, длина которой составляет не менее 50% длины ступицы направляющего аппарата. Цельнолитые рабочие колеса изготавливаются с дополнительным лопаточным венцом на ведущем диске.

Новая геометрия проточной части позволила увеличить напор в среднем на 20-30%, КПД на 5-7%.

За счет второй опоры и полноразмерной ступицы ресурс увеличен в среднем на 30% за счет снижения удельной нагрузки в осевом и радиальном направлении, а также за счет того, что устраняется попадание механических примесей в радиальную пару трения в каждой ступени.

При эксплуатации УЭЦН эрозионный износ происходит при действии абразивных частиц и механических примесей, движущихся с потоком пластовой жидкости. Механические примеси и пыль, состоящая из кварцевых и других твердых частиц, по твердости превосходящих металл рабочих поверхностей ступени, вызывают истирание элементов проточной части.

Разрушению подвергаются детали и их поверхности, не вступающие в механический контакт с другими деталями («промывы»). Физическая природа «промыва» заключается в воздействии на поверхность детали вихреобразного потока жидкости. Кроме того, процесс разрушения усиливается наличием в жидкости абразивных частиц и химически активных веществ [4]. Заметное увеличение гидравлического КПД в новых ступенях произошло за счет снижения потерь на вихреобразование, соответственно, исходя из вышесказанного, это привело к снижению эрозийного износа элементов проточной части.

Повышение КПД существенно снижает затраты на электроэнергию, высокие энергетические параметры новых ступеней позволяют отнести насосы к классу энергоэффективного оборудования.

Увеличенный напор при той же монтажной высоте ступени, увеличивает напорность УЭЦН. Соответственно, длину насоса при том же напоре можно уменьшить на 20-30% (количество секций). Более короткие установки можно спускать в искривленные скважины с меньшим риском повреждения кабеля при спуске и подъеме.

Экономическая привлекательность для потребителя заключается в снижении первоначальных затрат на приобретение оборудования, затрат на транспортировку, хранение, ремонт и обслуживание. Существенно снижена совокупная стоимость владения оборудованием. В условиях снижения цен на нефть это позволит заметно увеличить маржинальную рентабельность добычи пластовой жидкости.

В ОАО «АЛНАС» ступени из серого чугуна отливаются по тем же прессформам, что и ступени из нирезиста, благодаря чему сокращены затраты на литейную оснастку. Практически не требуется перестраивать станки для механической обработки. Унификация литья и механической обработки позволяет снизить стоимость оборудования и сократить сроки его поставки.

В насосе увеличено число промежуточных подшипников, которые установлены не через один метр, а через полметра. Это позволяет снизить скорость износа радиальных пар трения ротора.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СКВАЖИН С ВЫСОКИМ ГАЗОВЫМ ФАКТОРОМ

Газосепаратор считается ненадежным элементом насосной установки из-за частого гидроабразивного перерезания корпуса. Причина – обратные токи, возникающие на входе в осевое колесо, если подача более чем в два раза меньше расчетной.

Например, ранее шнек рассчитывался на подачу свыше 200 м3/сут, тогда как наиболее востребованная подача насоса составляет от 25 до 80 м3/сут. Обратные токи становятся ловушкой для механических примесей, концентрация которых быстро возрастает. Вращающееся абразивное кольцо начинает перерезать корпус.

Специалисты ЗАО «Римера» разработали газосепараторы со сменными шнеками на входе. Следует отметить, что традиционное решение – уменьшение угла лопастей на входе в шнек нецелесообразно, так как излишне увеличивает диффузорность проточной части и снижает эффективность работы шнека. Наши новые технические решения, на уровне патента на изобретение, позволяют избежать этого недостатка. Разработанные совместно со специалистами РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина сепараторы по сепарирующим свойствам и износостойкости превышают известные аналоги [5].

Новая концепция работы компрессионных диспергирующих ступеней (КДС) – циркуляция жидкости в рабочем колесе. При работе в каждой ступени происходит диспергирование газожидкостной смеси на входе в рабочее колесо, сжатие ГЖС в проточной части, частичная сепарация газа на выходе из колеса. Газ с основным потоком направляется на вход в следующую ступень, а часть жидкости направляется на вход в это же рабочее колесо.

Это позволяет более чем в два раза снизить содержание свободного газа в проточной части рабочего колеса, устранить газовые пробки на нерасчетных режимах работы. КДС измельчают, диспергируют пузыри газожидкостной смеси ГЖС, осуществляют подготовку однородной, мелкодисперсной газожидкостной среды, предварительное ее сжатие и подачу к основным ступеням насоса. При совместной работе насоса с КДС максимальное объемное содержание свободного газа на входе на 15% выше по сравнению с применением насоса без КДС.

ДРУГИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПРОЕКТА «БЕЛАЯ СКВАЖИНА»

Другие предлагаемые в рамках проекта технические решения включают также погружной проволочный фильтр, особенность которого состоит в наличии устройства для принудительного охлаждения подшипников, а также расширенная линейка электродвигателей с повышенным напряжением.

Рис. 2. Эскиз верхней части гидрозащиты с динамическим лабиринтом
Рис. 2. Эскиз верхней части гидрозащиты с динамическим лабиринтом

Следует отметить и еще одну разработку – новое поколение гидрозащит поршневого и диафрагменного типа с динамическим лабиринтом (рис. 2). Преимущества разработки по сравнению с известными аналогами связаны с заменой гравитационного лабиринта на динамический лабиринт, что позволяет уменьшить монтажную высоту по сравнению с серийными аналогами гидрозащит российских и зарубежных производителей на 30-40% и, соответственно, снизить себестоимость изготовления и ремонта за счет меньшего числа деталей. При этом расчетная эффективность сепарации механических примесей увеличилась в 300 раз. Более эффективная защита позволит увеличить ресурс работы погружных электродвигателей.

Впервые разработано насосное устройство, которое обеспечивает положительный перепад давления между маслом и пластовой жидкостью в районе торцевого уплотнения, что входит в число обязательных требований для защиты погружного двигателя от проникновения в масло пластовой жидкости [4].

Также специалисты ОАО «Ижнефтемаш» разработали установку для одновременно-раздельной эксплуатации скважин ЭЦН-ШГН.

Для подбора материала специалисты ОАО «ПНТЗ» разработали систему, учитывающую содержание коррозионно-агрессивных компонентов в пластовом флюиде, а также специальные резьбовые соединения премиум класса.

ВЫВОД

Еще раз отметим, что интеграционный проект «Белая скважина» включает особую конструкцию ступеней, насоса, элементов установки, а также подбор всей подвески и ЭПО под конкретные условия эксплуатации. Технические решения являются уникальными и защищены патентами на изобретения. SПат. №2449176 на изобретение: «Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса». Дата подачи заявки 12.07.2010, опубликовано 27.04.2012 г.

ЛИТЕРАТУРА

1.    Пат. № 2564742 РФ. Погружной многоступенчатый центробежный насос». Дата подачи заявки 12.03.2014, опубликовано 10.10.2015.

2.    Трулев А.В., Сабиров А.А., Сибирев С.В., Вербицкий В.С. Новое оборудование ЗАО «Римера» для скважин с осложненными условиями эксплуатации // Нефтегазовая вертикаль. 2015. № 17-18. С. 118-121.

3.    Логинов В.Ф. Компрессионные насосы для нефтедобычи в осложненных условиях // Oil and gas journal. 2016, № 6. С. 54-56.

4.    Смирнов Н.И., Смирнов Н.Н., Горланов С.Ф. Научные основы повышения ресурса УЭЦН для малодебитных скважин // Инженерная практика. 2010. № 7. С. 18-21.

5.    Дроздов А.Н. Разработка методики расчета характеристики погружного центробежного насоса при эксплуатации скважин с низким давлением у входа в насос. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. 1982.

6.    Голубев А.И. Уплотнения и уплотнительная техника», М., 1986. С. 449.

7.    Якимов С.Б. О перспективах использования радиально стабилизированных компрессионных электроцентробежных насосов для повышения эффективности эксплуатации скважин пластов группы АВ Самотлорского месторождения // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 6. С. 78–86.

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
Решения ООО «ПК «Борец» для повышения эффективности эксплуатации механизированного фонда скважин
Интеллектуальная станция управления ШГН БМС-3 и фильтры для ЭЦН и ШГН
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.