Основным методом механизированной добычи нефти на сегодняшний день является применение погружных центробежных установок. В нашей стране добывается приблизительно 75% нефти с помощю УЭЦН.
Поскольку напоры насосов определяются сотнями и тысячами метров, а напоры, развиваемые отдельными ступенями, находятся в интервале 3,2 — 6,5 м, количество ступеней, собираемых в одном насосе, исчисляется сотнями штук.
Большое количество ступеней обуславливает значительную длину насоса и в ряде случаев приводит к использованию насосов, состоящих из 2, 3 и в отдельных случаях 4 корпусов длиной от 2000 до 5000 мм каждый.
Большая длина насосов, значительный вес и металлоемкость, большое количество ступеней, необходимых для из-
Длину, массу, металлоемкость и стоимость изготовления погружного электронасоса при заданных рабочих параметрах определяет его рабочий орган — ступень.
Стремление к уменьшению высоты ступени и упрощению ее конструкции привело к разработке ступеней с открытыми рабочими колесами.
При эксплуатации нефтяных скважин погружными центробежными насосами часть свободного газа, содержащегося в извлекаемой из скважины жидкости, вместе с последней попадает в насос. Вследствие этого уменьшаются подача и напор насоса, снижается его КПД. Если количество попавшего в насос свободного газа достигает некоторой предельной величины, насос прекращает подачу жидкости.
А.В. ДЕНЬГАЕВ
РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОТКРЫТОЛОПАСТНЫХ СТУПЕНЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ПРИ ОТКАЧКЕ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ
готовления новых электронасосных агрегатов, а также запчастей к эксплуатирующимся насосам, ставят перед конструкторами одну из важнейших задач — усовершенствование этих насосов с целью уменьшения их длины и массы, снижение количества необходимого для их изготовления металла, уменьшение стоимости изготовления путем усовершенствования технологических процессов и маскималь-ной автоматизации производства.чс автоматизации производства.
Поэтому становится актуальным изучение влияния свободного газа на работу открытолопастных ступеней.
УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ СБОРОК СТУПЕНЕЙ ПОГРУЖНЫХ НАСОСОВ
Для исследований ступеней была использована установка кафедры разработки и эксплуатации нефтяных месторождений РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина (рис. 1). Испыта-
Рис. 1.
Схема стенда
Рис. 2.
Открытолопастная ступень ЭНО5А-250
Фото А.Аншелевича
тельный стенд, реализующим данный метод исследовании, защищен авторским свидетельством СССР №1521918. Кроме того, на предложенным способ испытании и стенд для его осуществления получен Патент РФ №2075654.
ОбъемныИ расход жидкости, проходящеИ через насос 4, замеряли тарированноИ диафрагмоИ 3, установленном во всасывающем трубопроводе. Мощность, потребляемую насосом, замеряли путем определения крутящего момента статора мотора-весов 5 и числа оборотов ротора электродвигателя 26. Газ подавали компрессором 25, он поступал в насос 4 с помощью редуктора 23. Для замера объемного расхода, поступающего в приемную камеру насоса, использовали реометр 13.
После сборки экспериментального насоса 4 установку пускали в работу, при этом вентиль на нагнетательноИ линии 11 полностью открывали. Снимали показатели работы насоса на чистоИ воде без подвода газа. Затем снимали ряд показателеИ при том же положении вентиля и работе насоса на газированноИ жидкости различных газосодержаниИ. Воздух подводился к насосу, начиная с самых незначительных количеств до максимально возможного, при котором происходил срыв подачи. По такоИ же схеме снимались и остальные точки при различном значении Р
г г вых
(давлание на выходе).
На основании полученных данных были построены кривые, каждая из которых соответствует газосодержанию, равному 1,2% и т.д. Под газосодержанием понимается отношение:
в =0/(0 + б ),
'вх. *-г.вх/ ^ ^г.вх. '
где бгвх — объемныИ расход газа при термодинамических условиях у входа в насос; бж — объемныИ расход жидкости.
Применяемая модельная жидкость
В качестве модельноИ жидкости в экспериментах используется следующая смесь: мелкодисперсная смесь «во-да-ПАВ-воздух» (дисолван 4411, концентрация — 0,05%), приготовленная с помощью эжектора. Используется для моделирования газонефтяноИ смеси с обводненностью менее 50%.
СТУПЕНИ С ОТКРЫТЫМИ РАБОЧИМИ КОЛЕСАМИ
Открытые колеса погружных электроцентробежных насосов отличаются от закрытых колес полным отсутствием ведомого диска и частичным или полным отсутствием ведущего диска (рис. 2).
Принципиально конструкция ступени с открытым колесом принята такою же, как и с закрытым. И в том, и в другом случае габарит ступени максимально используется рабочим колесом, применена та же конструкция направляющего аппарата и те же плавающие колеса, лежащие на опорных поверхностях аппаратов.
Испытания проводились на многоцелевом стенде, созданном на кафедре разработки и эксплуатации нефтяных месторождениИ РГУ им. И.М. Губкина с участием автора, была проведена серия экспериментальных работ с целью изучения влияния некоторых технологических параметров на их эксплуатационные качества.
Преимущества применения ступеней с открытыми колесами
Применение ступенеИ с открытыми колесами дает возможность уменьшить высоту ступени на 25 — 55% в результате отсутствия у этих колес покрывных дисков опорноИ пяты и снизить высоту рабочеИ камеры, в котороИ расположено колесо. При этом уменьшается высота всеИ сборки ступенеИ, определяющая длину всего насоса. Это, в свою очередь, позволяет существенно упростить конструкцию высоконапорных насосов. Так, в ряде случаев применение ступени с открытым колесом позволит переИ-ти от насоса со сдвоенным корпусом к насосу с одинарным корпусом.
Доступные каналы открытых рабочих колес позволяют упростить технологию их изготовления и зачастую переИти к штамповке колес.
Все это резко сокращает стоимость изготовления, количество потребного металла, вес насоса.
Упрощение технологии изготовления и особенно переход к штамповке колес облегчает автоматизацию производства, ускоряет изготовление рабочих колес, облегчает снабжение промыслов запчастями.
Уменьшение длины насоса делает его более транспортабельным, более удобным в эксплуатации, облегчает монтаж насоса на скважине и спуско-подъемные операции, уменьшает опасность заклинивания насосов из-за кривизны скважины и т.д.
Сравнения напорно-энергетических характеристик на воде
Экспериментальные работы с целью сопоставления характеристик ступенеИ с открытыми рабочими колесами (ЭНО-250) и с закрытыми (ЭЦН-250) проводились на рабочих ступенях с номинальноИ подачеИ 250 м3/сут. Исследования на воде показали следующие результаты (рис. 3).
Напор в номинальном режиме для открытолопастных ступенеИ меньше на 1 м, чем у ступенеИ традиционноИ конструкции. Это связано с гидравлическими потерями.
При переходе от закрытого колеса к открытому КПД практически не снижается, КПД для ЭЦН-250 составляет 56%, а для ЭНО-250 — 51%.
Потребляемая мощность у насосов с открытолопастны-ми ступенями на 12% ниже, чем у насосов с закрытыми ступенями. Это связано с уменьшением дискового трения в результате устранения ведомого диска. Исследование влияния свободного газа на характеристику открытолопастных ступеней В ходе эксперимента было получено высокое значение срывного газосодержания (рис. 4), причем максимальное, полученное в ходе эксперимента газосодержание у ЭН05А-250, составляющее 33%, не является максимальным из-за ограничениИ стенда (в ряде режимов срыв подачи не наблюдался).
При сравнительном анализе результатов на закрытых рабочих ступенях было получено меньшее значение срыв-ного газосодержания 28%. Также открытолопастные колеса показывают более стабильную работу при высоких зна-
30
9/ 2003
чениях входного газосодержания. Это связано, вероятно, с противотоком в открытолопастном рабочем колесе, который оказывает своего рода диспергирующий эффект, разбивая газовые каверны и увлекая за собой свободный газ с рабочих органов ступени.
По полученным в ходе экспериментов результатам, можно сделать вывод об успешной работе открытых рабочих колес для погружного центробежного насоса при откачке газожидкостной смеси. Открытолопастные ступени имеют большой диапазон их использования. Сравнительный анализ испытаний Качественную оценку влияния свободного газа на характеристику сборки ступеней погружного центробежного насоса удобно проводить по зависимостям снижения подачи по ГЖС относительно начальной подачи по жидкости от газосодержания на входе в насос.
С целью сопоставления работы погружных центробежных насосов разного типоразмера и количеств ступеней в сборке насоса на ГЖС были построены зависимости коэффициентов подачи жидкости этих насосов на работу в режиме нулевого напора Кд от входного газосодержания. Величины Кд определяли по формуле:
к„=(д в>уд в-0х)г
где
Г>0Ж — подача жидкости при Рк = 0 и газосодержаниях у входа, больших нуля; дв=0Ж — подача жидкости при Рн = 0 и отсутствии газа у входа в насос.
При работе насоса в режиме нулевого напора газосодержание по его длине остается неизменным, что позволяет оценивать степень влияния свободного газа на работу различных насосов в одинаковых условиях.
Если подача насоса по смеси с повышением газосодержания не изменяется, что соответствует бескавитационной работе, то выполняется следующее условие:
кд = 1 - Р^
где Кд и ввх выражены в долях единицы.
В случае соответствия при работе на ГЖС параметров насоса зависимости Кд = 1 — Рвх такой насос называют «идеальным».
По результатам исследований можно сделать вывод о том, что на работу открытолопастных колес вредное влияние свободного газа сказывается меньше.
Исследовательские работы показали ряд преимуществ
открытолопастных ступеней:
— изготовление таких ступеней будет значительно дешевле традиционных;
— применение открытолопастных ступеней позволит сократить длину насосной секции на 25-40%, что является значительным фактором в искривленных скважинах;
— вредное влияние свободного газа на работу откры-толопастных ступеней сказывается меньше, чем на ступени традиционной конструкции;
— открытолопастные ступени затр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.