научная статья по теме Исследования характеристик насосов при откачке газожидкостных смесей и применение полученных результатов для разработки технологий водогазового воздействия Геофизика

Текст научной статьи на тему «Исследования характеристик насосов при откачке газожидкостных смесей и применение полученных результатов для разработки технологий водогазового воздействия»

УДК 622.276.53.054.23:621.67-83 © А.Н. Дроздов, 2011

Исследования характеристик насосов при откачке газожидкостных смесей и применение полученных результатов для разработки технологий водогазового воздействия1

А.Н. Дроздов, д.т.н. (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина)

Investigations of the submersible pumps characteristics when gas-liquid mixtures delivering and application of the results for SWAG technologies development

A.N. Drozdov (Gubkin Russian State University of Oil and Gas)

One of the complicating factors in artificial lift by submersible centrifugal pumps (ESP's) is the effect of free gas at the pump performance. Bench study of the submersible system's characteristics for gas-liquid mixtures pumping have shown that the rise of liquid foaminess and the pressure at the pump's intake, as well as the dispersion of gas bubbles, substantially reduce the harmful effects of gas on the ESP's characteristics due to the increase in the stability of this mixture and difficulties merging of gas bubbles in the large cavities. These results were used to develop new SWAG technology for enhanced oil recovery. The pump-ejecting systems usage was proposed for water-gas mixtures injection. This application can significantly reduce the cost of equipment and increase its reliability at a sufficiently high efficiency of gas-liquid mixture injection, all of the energy loss goes into heating the mixture, which prevents the formation of gas hydrates.

Ключевые слова: погружной насос, газожидкостная смесь, механизированная добыча нефти, водогазовое воздействие, увеличение нефтеотдачи. Адрес для связи: Drozdov_AN@mail.ru

Наличие свободного газа в откачиваемой продукции может заметно повлиять на работу электроцентробежных насосов (ЭЦН), поэтому важное практическое значение имеют исследования характеристик насосов при откачке газожидкостных смесей (ГЖС). Одним из основных факторов, определяющих влияние газа на работу ЭЦН, является объемное газосодержание у входа в насос |вх, рассчитываемое по формуле

^Г.вх

b

I вх

Q + Q

-^г.вх

(1)

где 2Евх, 2ж - соответственно объемный расход свободного газа и объемная подача жидкости при термодинамических условиях у входа в насос.

Исследования влияния различных факторов на характеристики ЭЦН и газосепараторов при откачке ГЖС с переменными значениями газосодержания были проведены на специальном лабораторном стенде [1]. При этом обеспечивалось достаточно полное моделирование скважинных условий. Использованные модельные смеси (вода - газ, вода - ПАВ - газ, индустриальное масло - газ с вязкостью жидкости до 17,4 мм2/с) в достаточной степени соответствовали реальным скважинным смесям как по влиянию газа на работу ЭЦН, так и по дисперсности газовой фазы.

При проведении исследований определяли также пенистость модельных жидкостей по методу, рассмотренному в работе [2]. В соответствии с ним склонность жидкости к пенооб-разованию определяется наибольшим (критическим) диаметром проволочного кольца dкp, вынутого из исследуемой жидкости и помещенного в газовую среду, на котором пленка этой жидкости может существовать не менее 1 с. Чем больше dкp, тем лучше пенообразующие свойства жидкости. Все нефти и

эмульсии в той или иной степени содержат пенообразующие ПАВ и различаются по своим пенообразующим свойствам. Поэтому в лабораторных условиях при исследовании характеристик погружных насосов с откачкой ГЖС необходимо применять флюиды, имеющие различную пенистость и моделирующие разные нефти.

На стенде исследовали работу 76-ступенчатого насоса ЭЦН5-80, перекачивающего ГЖС с абсолютным давлением на его приеме (у входа в насос) рвх, составляющим 0,1; 0,3; 0,6; 1,1; 2,1 и 3,1 МПа. Частота вращения вала насоса в зависимости от нагрузки изменялась от 2940 до 2970 мин-1. По данным исследований сначала строили характеристики насоса в координатах: зависимости давления, создаваемого насосом, рн, мощности и к.п.д. от подачи жидкости 2ж при различных Ьвх. При некоторых режимах также фиксировали распределение давления по длине насоса.

Исследования показали, что пенистость жидкости является одним из основных факторов, определяющих степень влияния газа на работу ЭЦН. Рост пенистости и давления у входа в насос, а также диспергирование газа существенно снижают вредное влияние газа на характеристику ЭЦН вследствие повышения при этом стабильности смеси и затруднения слияния пузырьков газа. Впоследствии по результатам большинства экспериментов были рассчитаны также среднеинтегральные показатели работы насосов на ГЖС.

При откачке лопастными машинами сжимаемых сред необходимо учитывать изменение плотности перекачиваемой среды с ростом давления. На основании этого для ЭЦН, работающих на ГЖС, А.А. Брискман и А.Н. Кезь [3], а затем ПД. Ляпков [4] предложили рассчитывать среднеинтегральный напор насоса Нср и соответствующую ему среднеинтегральную подачу ßGp смеси путем интегрирования подачи от давления у входа в насос рвх до давле-

1 Статья подготовлена по материалам доклада, сделанного на 2-й Международной конференции по актуальным вопросам инновационного развития

нефтегазовой отрасли «Энеркон-2011» 22-24 июля 2011 г.

ния на выходе из него рвых. Среднеинтегральная подача определяется по формуле

я —— р р - р

-Г вых .г в:

■/ Я(р)Ф,

(2)

где Q(p) - зависимость объемного расхода ГЖС Q от давления р на пути движения от входа в насос до выхода из него. Средняя плотность смеси составит

М

Рср "я

(3)

где Мсм - массовый расход ГЖС, проходящей через насос. Исходя из этого среднеинтегральный напор насоса на ГЖС рассчитывается по формуле

рн _((х- Рвх ))

н _

ср

Рср • 8

М • 8

см

Средний к.п.д. насоса вычисляется по формуле

(4)

(Р - Р ) Я

вых вх ср

N

(5)

где - мощность, потребляемая насосом.

Кривые в координатах Яср - Qср при работе насоса на однородных жидкостях и ГЖС не зависят от плотности откачиваемой среды [3, 4] и, следовательно, совпадают в случае бескави-тационной работы при условии, что вязкости сред равны или настолько малы, что несущественно влияют на характеристику насоса. Если кривые Яср - Qср насоса, работающего на ГЖС, располагаются ниже характеристики насоса, работающего на однородной жидкости, то это свидетельствует о развитии в части ступеней насоса искусственной кавитации. Инвариантность кривых Яср - Qср относительно плотности смеси позволяет сравнивать характеристики насосов с различным числом ступеней на ГЖС с неодинаковыми коэффициентами растворимости газа и с единых позиций рассмотреть работу насосов на ГЖС разной средней плотности.

С увеличением рвх границы существования бескавитационного режима на ГЖС в рабочей области характеристики насоса на смеси вода - ПАВ - газ расширяются до |вх » 30 % при рвх = 3,1 МПа (рис. 1). Небольшое снижение характеристик наблюдается лишь при |вх = 35 %, что связано с появлением на входном участке насоса группы кавитирующих ступеней, не развивающих напора, но способствующих образованию квазигомогенной смеси.

Полученные результаты имеют важное практическое значение не только для повышения эффективности эксплуатации скважин установками ЭЦН, но и для создания устройств перекачки водонефтегазовых смесей в промысловых трубопроводах и разработки насосно-эжекторных систем для нагнетания водогазовых смесей в пласт с целью повышения нефтеотдачи. Водогазовое воздействие (ВГВ) является эффективным методом увеличения нефте- и конденсатоотдачи пластов [5 - 9]. При этом также можно использовать нефтяной газ, который во многих случаях бесполезно сжигается в факелах. Фильтрационные исследования, проведенные различными специалистами на насыпных моделях и кернах, показали, что при вытеснении углеводородных жидкостей и нефтей, в том числе высоковязких,

Рис. 1. Среднеинтегральные характеристики насоса ЭЦН5-80 при работе на смеси вода - ПАВ - газ, рвх = 3,1 МПа, с(кр = 66 мм:

1, 2, 3, 4, 5, 6 - | составляет соответственно 0, 53,10, 20, 30 и 35 %

Рис. 2. Зависимости коэффициента вытеснения маловязкой нефти Бит-ковского месторождения (1) по данным работы [5], керосина (2) по данным работы [6] и высоковязкой нефти Москудьинского месторождения (3) по данным работы [8] от газосодержания водогазовой смеси

водогазовыми смесями достигается существенный прирост коэффициента вытеснения и нефтеотдачи (рис. 2).

Перспективной технологией для подготовки и закачки водога-зовой смеси в нагнетательные скважины является использование насосно-эжекторных систем. Они позволяют готовить на поверхности водогазовую смесь и закачивать ее в пласт с помощью эффективного, надежного и простого в обслуживании оборудования, которое может успешно эксплуатироваться в промысловых условиях. При этом для достижения наибольшей эффектив-

ности насосы и эжекторы в составе системы компонуются таким образом, чтобы каждый тип оборудования эксплуатировался с наибольшим к.п.д.

Исследования и расчеты показали, что целесообразно применять многоступенчатое сжатие водогазовой смеси. Например, в первых двух ступенях сжатие смеси осуществляется с помощью жидкоструйных компрессоров (эжекторов), а в третьей ступени смесь с добавкой пенообразующих ПАВ дожимается до необходимого давления с помощью многоступенчатого центробежного насоса. Как показали экспериментальные исследования, он не испытывает вредного влияния газа при высоких значениях пенистости и давления у входа в широком диапазоне изменения газосодержания. Это обеспечивает достижение высоких давлений нагнетания смеси.

При работе насосно-эжекторной системы (рис. 3) насос 2 нагнетает воду в рабочее сопло эжектора 1 первой ступени сжатия, который откачивает газ низкого давления и нагнетает водогазо-вую смесь в гравитационный сепаратор 4 под некоторым повышенным давлением. В сепаратор 4 также подается вода насосом 3. В сепараторе 4 происходит разделение газа и воды, которая поступает на прием насосов 2 и 5, а газ - на прием эжектора 6 второй ступени сжатия. В первой ступени сжатия газа жидкость циркулирует по замкнутому контуру с расходом, равным подаче насоса 2. При этом циркулирующая вода нагревается за счет перехода потерь энергии в насосе 2 и эжекторе 1 в тепл

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»