18.12.2015 Инженерная практика №12/2015

В настоящее время производители оборудования совместно с нефтяными компаниями и научно-исследовательскими организациями ведут активный поиск замены традиционной технологии эксплуатации малодебитных скважин с помощью установок штангового глубинного насоса (УШГН). Разработка нового надежного и энергоэффективного оборудования позволит не только повысить рентабельность добычи, но и вовлечь в хозяйственный оборот бездействующие и законсервированные скважины, эксплуатация которых традиционными методами неэффективна и нерентабельна.

Одним из таких потенциальных решений стала установка объемно-роторного насоса пластинчатого типа (ОРНП) (рис. 1). Основа его ступени – статор с расположенным внутри него ротором в виде кулачка, к которому с помощью синхронизирующих колец прижаты пластинки. В ходе вращения ротора пространство между ним, статором и пластинками последовательно заполняется перекачиваемой средой, которая при уменьшении объема камеры перемещается от ступени к ступени. К преимуществам ОРНП можно отнести независимость развиваемого напора от подачи; высокую эффективность работы насоса на вязких жидкостях; высокую самовсасывающую способность; прямо пропорциональную зависимость между подачей и частотой вращения вала; а также минимальные пульсации потока.

Кроме того, конструкция ОРНП обеспечивает значительно меньшую длину модуль-секций по сравнению с УЭЦН: для перекачки жидкости вязкостью 50 сСт при напоре 2000 м и подаче 15 м³/сут длина секции ОРНП составляет 2,3 м, тогда как длина секций ВНН5-25-2600 составит 16 м (при подборе насоса по методике П.Д. Ляпкова [2]).

СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА УСТАНОВКИ ОРНП

Для исследования характеристик и подтверждения заявляемых преимуществ были проведены испытания опытного образца установки ОРНП производства АО «Новомет-Пермь» на стендах-скважинах Многофункционального стендового комплекса ОАО «ОКБ БН КОННАС», г. Москва. Испытания полнокомплектной установки проводились на стенде-скважине для испытания и сертификации погружных насосных установок в вертикальном положении (рабочая жидкость – вода) и стенде-скважине для испытаний погружного оборудования при повышенных температурах и на вязких жидкостях (рабочая жидкость – кремнийорганическое масло плотностью 970 кг/м³ и вязкостью 50 сСт при 20°С) [3].

Целью испытаний стали, во-первых, оценка удобства монтажа и демонтажа ОРН; во-вторых, снятие напорно-энергетических характеристик установки на жидкостях разной вязкости и при разных частотах вращения вала; и, в-третьих, проверка работоспособности всех элементов установки, в том числе при длительных испытаниях на ресурс.

В общем случае схема установки при испытаниях представлена на рис. 2. Для испытаний была взята одна секция насоса номинальной производительностью 10 м³/сут с 53 ступенями, гидрозащита типа ГЗНМ, погружной низкооборотный вентильный электродвигатель 117 габарита с частотой вращения 500-1500 об/мин и номинальной мощностью 27 кВт. Также в процессе испытаний установка была снабжена погружным блоком телеметрии, погружными датчиками температуры и вибрации.

НАПОРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Характеристики полнокомплектной установки были сняты на воде вязкостью 1 сСт и на кремнийорганическом масле вязкостью 50 сСт. При этом отклонение вязкости из-за изменения температуры кремнийорганического масла составляло не более ±5 сСт. Характеристики снимались на трех частотах вращения вала: 500, 750 и 1000 об/мин.

Результаты испытаний представлены на рис. 4-6 и в табл. 1. Видно, что насос ОРНП более эффективен при работе с вязкой жидкостью. При перекачке воды обнаруживается снижение подачи насоса с увеличением развиваемого напора, что связано со значительным ростом утечек. Также для воды отмечен максимум функции КПД=f(H), что обусловливается резким возрастанием потребляемой мощности с определенного момента.

Для вязкой жидкости подача насоса в зависимости от развиваемого давления практически не изменяется, что в целом характерно для объемных машин. Кроме того, подача насоса прямо пропорциональна частоте вращения вала:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из данной зависимости вытекает еще одно преимущество ОРНП: его мощность прямо пропорциональна частоте вращения вала при заданном напоре (рис. 7). Благодаря этому возможно применение одного и того же электродвигателя в широком диапазоне подач. В то же время мощность УЭЦН не прямо пропорциональна частоте вращения вала. Для того чтобы увеличить напор УЭЦН путем увеличения частоты, необходимо применение более мощного электродвигателя (рис. 7). После снятия напорно-энергетических характеристик были проведены ресурсные испытания. Установка находилась в работе в течение 10 ч, затем ее отключили на 12 ч, после чего повторно запустили. Снятые после работы характеристики совпали. При этом после длительной работы наблюдалось незначительное снижение потребляемой мощности и, как следствие, рост КПД на 2-3 пункта. Очевидно, это связано с приработкой пар трения рабочих органов насоса.

Также для защиты от максимально допустимого давления было проверено срабатывание защитного клапана КЦПТ. Его открытие на воде происходило при давлении на выходе 15 МПа, на кремнийорганическом масле – при 18 МПа.

РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ

В начале 2016 года румынская компания OMV Petrom сообщила об успешном завершении ОПИ установки ОРН производства АО «Новомет-Пермь» продолжительностью 180 суток. Испытания проходили на месторождении Отешти, отличающемся повышенной вязкостью нефти. На момент подготовки настоящей статьи установка продолжала работать.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты испытаний подтвердили эффективность установки объемно-роторного насоса на вязких средах. Максимальный КПД установки составил 41,9% и был достигнут на кремнийорганической жидкости вязкостью 50 сСт при подаче 10,1 м³/сут, напоре одной ступени 39,4 м и частоте вращения вала 500 об/мин. Можно ожидать, что для более вязкой продукции КПД установки будет выше.

В ходе исследований была подтверждена прямо пропорциональная зависимость между подачей насоса и частотой вращения вала, а также проведены ресурсные испытания в течение 10 ч, в ходе которых была проверена надежность всех элементов установки. Отмечено, что после длительной работы незначительно снижается потребляемая мощность, вследствие чего на 2-3 пункта вырастает КПД. Очевидно, это связано с приработкой пар трения рабочих органов насоса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Статистика по Фонду нефтяных скважин, февраль 2014 г. // Нефтегазовая вертикаль. 2014. № 7. С. 89-92.
2. Ляпков П.Д. О влиянии вязкости жидкости на характеристику погружных центробежных насосов // Тр./ВНИИ. 1964. Вып. XLI. С. 71-107.
3. Малявко Е.А. Многофункциональный стендовый комплекс по исследованию инновационного оборудования для добычи нефти и повышения нефтеотдачи пластов с применением установок погружных насосов// Бурение и нефть. 2014. № 2. С. 52-56.