Агеев Шарифжан Рахимович Заместитель генерального директора по науке ОКБ БН «КОННАС», лауреат Премии правительства РФ

Савельев Константин Владимирович Начальник бюро оптимизации ступеней ДИР АО «Новомет-Пермь»

Мартюшев Данила Николаевич Главный конструктор ДИР АО «Новомет-Пермь»

Островский Виктор Георгиевич Начальник лаборатории надежности и трибологии ИТЦ ДИР АО «Новомет-Пермь», к.т.н.

Конструкторские и исследовательские работы, проведенные специалистами ОКБ БН «КОННАС», привели к созданию ступени с рабочими колесами открытого типа (рис. 1). Ими же были проведены первые испытания ступеней производительностью 700, 250, 160, 40 и 20 м³/сут, в которых применялись специально изготовленные из листовой стали рабочие колеса открытого типа. В этих ступенях открытые плавающие рабочие колеса торцами своих лопастей опирались на опорные поверхности направляющих аппаратов.

Испытания ряда ступеней с рабочими колесами открытого типа с подачами 20-700 м³/сут показали, что их характеристики практически не отличаются от характеристик таких же насосов с обычными рабочими колесами, а КПД не только не снизились, но даже повысились (рис. 2). При этом следует отметить, что высота ступени была уменьшена, следовательно, увеличилась напорность. Хорошие результаты были получены также на ступени с рабочим колесом открытого типа для насоса с подачей 300 м³/сут, выполненной на базе серийной с подачей 250 м³/сут. Здесь при одинаковых подачах ступень с открытым колесом дала существенное (8-10%) повышение напора практически без снижения КПД.

Для подтверждения результатов лабораторных испытаний отдельных ступеней и проверки работоспособности в промысловых условиях были изготовлены и испытаны на стенде и промыслах опытные образцы насосов с рабочими колесами открытого типа с подачами 180 и 300 м³/сут при напоре 800 метров. Характерно, что насос с подачей 180 имел почти в полтора раза меньшую длину, чем насос с обычными ступенями на 160 м³/сут и тот же напор.

После получения положительных результатов предварительных испытаний опыты с рабочими колесами открытого типа были расширены. В частности, было исследовано влияние увеличения зазора между рабочим колесом и направляющим аппаратом на характеристику ступени.

При работе трущиеся поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата изнашиваются, и осевой зазор t между ними увеличивается. В результате испытаний различных ступеней установлено, что с увеличением зазора подача, напор и КПД ступени снижаются [1, 4].

Тем не менее опыты показывают, что отсутствие дисков у рабочего колеса практически не ухудшает характеристики ступени, но существенно уменьшает высоту и вес ступени, а также упрощает изготовление самого колеса.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ В ОСЛОЖНЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Конструкция ступени с открытым рабочим колесом, разработанная в ОКБ БН, по сравнению с традиционным рабочим колесом имеет и некоторые другие преимущества. Так, существенно меньшая площадь дисков рабочего колеса должна снижать влияние вязкости перекачиваемой жидкости. Влияние потока жидкости в каналах рабочего колеса на жидкость, находящуюся в верхней пазухе (в верхнем зазоре) рабочего колеса, должно привести к повышению допустимого газосодержания.

Проведенные в ОКБ БН эксперименты подтвердили эти предположения. Однако в серийное производство ступени с открытыми рабочими колесами не были внедрены, что объяснялось плановой экономикой СССР – нежеланием заводов рисковать срывом планов производства серийно выпускавшихся ступеней. В последнее время в связи с массовым применением технологий интенсификации добычи, а также широким распространением гидроразрыва пластов в составе скважинной жидкости стало существенно повышаться содержание как свободного газа, так и твердых частиц. В то же время перекачивание повышенных объемов этих компонентов обычными центробежными ступенями (особенно при малых подачах) затруднительно. Это связано с риском засорения проточных каналов механическими примесями или их закупорки скоплениями пузырьков газа. Кроме того, нельзя забывать и про еще один важный фактор, который ярко выражен на малодебитном фонде, – засорение каналов отложением солей.

Следует отметить, что в насосах, перекачивающих взвешенные вещества (например, бумажную массу), давно применяются рабочие колеса, у которых часть заднего диска удалена [7]. Такая конструкция способствует уменьшению опасности засорения колес волокнистыми частицами.

В связи с этим специалисты компании «Новомет» в 2007 году разработали и внедрили в серийное производство ступень с рабочим колесом открытого типа ЭЦНО 5-20, конструкция которой представлена на рис. 3.

Для уменьшения вероятности засорения каналов рабочего колеса и уменьшения осевой силы, действующей на рабочее колесо, в ведущем и ведомом дисках между всеми лопастями были выполнены сквозные вырезы, открытые со стороны большого диаметра дисков (рис. 3, 4). Данные вырезы имеют одинаковую форму, но смещены по окружности относительно друг друга, в результате чего границы вырезов, совпадающих со стороны лопасти, размещаются в противоположных концах проточного канала.

Рабочее колесо имеет индивидуальную опорную пяту, состоящую из антифрикционной износостойкой шайбы, опирающуюся на подпятник в направляющем аппарате.

Наружные поверхности ведущего и ведомого дисков рабочего колеса при сборке ступени образуют зазоры с соответствующими стенками направляющего аппарата [2].

При работе поток жидкости поступает к рабочему колесу со стороны входных кромок, попадает в проточный канал и движется по нему в направлении к выходным кромкам. Благодаря наличию вырезов полости, примыкающие к наружным поверхностям ведущего и ведомого дисков, сообщаются друг с другом, в результате происходит выравнивание сил, действующих на диски, и осевое усилие рабочего колеса уменьшается. При перекачке вязких сред происходит снижение «паразитных» перетечек жидкости и уменьшение дисковых потерь вследствие снижения площади поверхности дисков и увеличения эффективной величины высоты проточных каналов рабочего колеса. Это повышает эффективность работы ступени насоса в целом. При наличии в перекачиваемой среде свободного газа силовое взаимодействие перекачиваемой среды с неподвижными стенками направляющего аппарата способствует образованию мелкомасштабных вихрей (меньших, чем ширина проточного канала), что препятствует укрупнению газовых пузырьков, диспергирует газожидкостную смесь и тем самым уменьшает вероятность срыва подачи, позволяя увеличить допустимое газосодержание [2].

РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА И ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Разработанная конструкция рабочего колеса и направляющего аппарата максимально адаптирована под технологию порошкового прессования, что позволяет минимизировать финишную механическую обработку и тем самым снизить затраты.

Первоначально была спроектирована и начала серийно выпускаться ступень для насосов базового исполнения из материла ЖГР1Д15, которая хорошо себя зарекомендовала. Однако у нефтяников все больший интерес вызывала данная ступень в  коррозионно-стойком исполнении. В 2013-2014 годах специалисты
компании провели ряд работ по модернизации технологии изготовления ступеней, что позволило оптимизировать затраты и изготавливать данную ступень из коррозионно-стойких материалов наряду с серийным производством из обычной порошковой стали.

В настоящее время «Новомет» выпускает ступень ЭЦНО5-20 из трех материалов:

• материал для насосов базового исполнения – ЖГр1Д15;
• коррозионно-стойкий материал SRN;
• нержавеющая сталь Х11Н8Д20.

Напорно-расходная характеристика ступени ЭЦНО5-20 представлена на рис. 5. Ее КПД находится на уровне серийно выпускаемых ступеней компании обычной конструкции (с закрытыми рабочими колесами) ВНН 5-15, ВНН5-20 (табл. 1) [3].

Рабочий диапазон ступени составляет 15-25 м³/сут. Однако, как показывает опыт эксплуатации, ступень хорошо работает и на меньших расходах – 10-12 м³/сут. В 2014 году были успешно проведены ее стендовые испытания на надежность по специально разработанной ускоренной методике. Цель проекта состояла в расширении рабочей области в левой части до 10 м³/сут.

В ходе ресурсных испытаний подтвердилась высокая износостойкость насоса ЭЦНО5-20 при перекачке жидкости с механическими примесями. Насос перекачивал воду с частицами кварцевого песка концентрацией 10 г/л и размером до 1 мм в течение 8 часов, что соответствует двум годам эксплуатации в реальных условиях с КВЧ 1000 мг/л. До и после испытаний были измерены напорно-расходные и энергетические характеристики ступеней (рис. 6). Снижение напора в рабочем диапазоне подач составило 13,6%, снижение КПД при номинальной подаче – 8,1%. Для серийных ступеней в ходе таких испытаний допускается снижение напора на 25% и КПД на 20% от начального значения, поэтому насос ЭЦНО5-20 считается полностью соответствующим требованиям по износостойкости.

Более всего в ступени изнашивается нижний диск рабочего колеса. Максимальная величина износа – 0,11 мм, что не приводит к отказу всей установки, а только к снижению напора ступени, что показано на рис. 7.

ПРОМЫСЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ

В 2010 году были проведены опытно-промысловые испытания пяти УЭЦНО5-20 на одном из месторождений ХМАО, разрабатываемом крупнейшей добывающей компанией региона. После составления акта успешного проведения ОПИ компания-оператор заказала еще 30 установок. Данные по наработкам, запрошенные у компании «Новомет-Сервис», показывают, что диапазон подач составляет от 11 до 28 м3/сут. КВЧ достигает 700 мг/л; глубина спуска 2000 – 2500 м. Средняя наработка составляет 293 сут, максимальная – 1351 сут, минимальная – 47 сут (табл. 2).

В 2013 году еще 10 насосов ЭЦНО5-20 были отправлены в ТПП «Урайнефтегаз» ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь» на ОПИ. Некоторые из них до сих пор находятся в работе.

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОЕКТА

На основе успешного опыта разработки ступеней с рабочими колесами открытого типа, компания «Новомет» запланировала в 2015 году расширение линейки насосов в 5 и 5А габаритах, и в частности разработку таких ступеней, как ЭЦНО5-80, ЭЦНО5А-25. В случае заинтересованности нефтяников мы готовы реализовать техническую возможность проектирования и освоения производства насосов подобной конструкции в габаритах 2А-5А с номинальными подачами от 15 до 200 м³/сут.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти. – М.: Недра, 1968. С. 115-121.
2. Патент RU 2376500 С2. Рабочее колесо ступени погружного центробежного насоса / Агеев Ш.Р., Дружинин Е.Ю. и др.; заявл. 07.03.2008, опубл. 20.12.2009, бюл. №35.
3. Каталог продукции «Новомет» 2014 г.
4. АС СССР №106136. Рабочее колесо для многоступенчатого центробежного насоса / Богданов А.А., Ляпков П.Д., Кузнецов М.А.; заявл. 3.12.1951.
5. Нефтяные ступени с открытыми рабочими колесами // Территория Нефтегаз, 2013. №12. С. 76-79.
6. Патент РФ №133215. Ступень погружного многоступенчатого насоса с рабочими колесами открытого типа / Абахри С.Д, Пещеренко С.Н. и др; заявл. 1104.12. опубл. 10.102013, бюл. №28.
7. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. – М.: Машгиз, 1960.