НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 622.276.53.054
© М.П. Пещеренко, М.О. Перельман, С.Н. Пещеренко, 2014
Мультифазный диспергирующий насос
М.П. Пещеренко, к.ф.-м.н., М.О. Перельман
(АО «Новомет-Пермь»), С.Н. Пещеренко, д.ф.-м.н. (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Адрес для связи: peshcherenkom@novomet.ru
Ключевые слова: нерастворенный газ, газожидкостная смесь, диспергирование, предвключенное устройство, установка электроцентробежного насоса.
Multiphase pump for efficient gas handling
M.P. Peshcherenko, M.O. Perelman (Novomet-Perm JSC, RF, Perm), S.N. Peshcherenko (Perm National Research Polytechnic University, RF, Perm)
E-mail: peshcherenkom@novomet.ru
Key words: undissolved gas, gas-liquid mixture, gas handling, priming device, electrical submersible pump system.
This paper was written as an analysis and attempt to categorize known types of submersible gas handling devices and approaches for gas-liquid mixture bubble refinement. Design principles were formulated and new product line of advanced gas handlers for 272, 319, 362 and 406 (69, 81, 92, 103 mm) series was developed. As an example the results of 362-series advanced gas handler bench testing are described.
При подъеме жидкости по стволу скважины происходит снижение давления, легкие углеводороды и растворенный газ выделяются в виде пузырьков. Если объемная концентрация пузырьков газа Сг достигает критического значения, то напор насоса может скачком стать равным нулю в некоторой области подач.
Одним из способов уменьшения влияния газа на работу насоса, получившим практическое применение, является предварительное диспергирование газожидкостной смеси (ГЖС). Однако первые предложенные устройства [1-3] не получили широкого применения, поскольку:
- диспергация ГЖС достигалась путем хаотичного движения жидкости за счет удаления части стенок проточных каналов в серийных нефтяных ступенях, что существенно ухудшало их гидродинамические характеристики;
- в эксплуатационных испытаниях не всегда учитывалось, что эффективно диспергировать можно только ГЖС, содержащие ПАВ, однако не каждая скважин-ная жидкость соответствует этому критерию, следовательно, применение диспергаторов эффективно не во всех скважинах.
В дальнейшем диспергаторы разрабатывались как устройства, способные не только гомогенизировать, но и прокачивать ГЖС через некоторое число первых ступеней основного насоса, в которых заканчивалась диспергация пузырьков газа. Наиболее успешные конструкции диспергаторов состояли из нескольких десятков ступеней и создавали положительный напор при работе на ГЖС.
Современные серийно выпускаемые диспергаторы можно разделить на следующие три группы.
1. Диспергаторы на основе центробежных ступеней, которые имеют следующие особенности конструкции: угол установки лопастей не совпадает с линиями тока (этим обеспечиваются ударное натекание потока на лопасть и диспергация ГЖС на входе в рабочее колесо); стенки проточных каналов имеют отверстия, способствующие увеличению вихревого течения внутри ступени (что не только диспергирует ГЖС, но и препятствует образованию неподвижных газовых пробок). Например, в диспергаторе AGH компании Schlumberger [4] циркуляция ГЖС внутри ступени создается отверстиями в лопастях и верхней крышке рабочего колеса. В диспергаторе MVP компании Barker Hughes [5] циркуляция ГЖС обеспечивается двухрядной лопастной системой в рабочих колесах.
2. Диспергаторы на основе осевых ступеней, в которых диспергация ГЖС также обеспечивается рассогласованием углов установки и формы лопастей с линиями тока, как в диспергаторах компании «Борец» [6] (предыдущим вариантом этой конструкции можно считать диспергаторы [1]-[2], содержащие осевые ступени с направляющими аппаратами в виде радиально расположенных пластин), а также прорезями, делящими лопасти на части [7], каждую из которых можно рассматривать как отдельную лопасть, являющуюся продолжением предыдущей.
3. Диспергаторы на основе лабиринтных ступеней [8], состоящих из статора-втулки и расположенного в нем ротора-винта, которые выпускаются компанией «Ново-
мет». Прототипом этого диспергатора послужила конструкция лабиринтного насоса (А.И. Голубев, 1981 г.). Передача энергии от винта к жидкости происходит внутри ячеек, ограниченных с одной стороны двумя лопастями ротора, с другой - двумя лопастями статора. На границах ячеек возникают значительные градиенты скорости и, следовательно, происходит диспергация ГЖС.
Общим недостатком диспергаторов на основе центробежных ступеней являются сравнительно низкая предельная концентрация нерастворенного газа и большие объемные утечки.
Осевые ступени более устойчивы при работе с газом. Так, согласно работе [9], допустимое газосодержание для центробежных нефтяных насосов составляет около 25 %, диагональных - около 35 %, осевых -около 75 %. Это вполне объяснимо: в осевой ступени минимальна центробежная сепарация газа, поэтому пузырьки газа реже сталкиваются и укрупняются, меньше вероятность образования газовых пробок. Однако осевые ступени хуже диспергируют пузырьки газа по сравнению с центробежными из-за более широких проточных каналов. В связи с отмеченным дис-пергация ГЖС продолжается в первых ступенях основного центробежного насоса. Кроме того, многие осевые насосы, в частности насос Poseidon компании Schlumberger, имеют немонотонную зависимость напора от подачи, ограничивающую их применение на малых подачах [10].
Недостатком диспергаторов на основе лабиринтных ступеней является малая предельная подача. Допустимое газосодержание в лабиринтных ступенях сохраняется примерно на том же уровне, что и в осевых (А.А. Ан-кудинов, 2003 г.). Дисперсность ГЖС на выходе из дис-пергатора достаточна для устойчивой работы основного центробежного насоса, так как ширина проточных каналов в лабиринтных и центробежных насосах примерно одинаковая.
Исходя из изложенного были определены следующие принципы конструирования новых диспергаторов [11].
1. Дисперсность ГЖС должен обеспечивать блок лабиринтных ступеней, который необходимо расположить на выходе из диспергатора.
2. При больших подачах этот блок создает гидравлическое сопротивление, поэтому перед ним следует поместить напорный блок, способный устойчиво работать на недиспергированной ГЖС.
3. Напорный блок должен состоять из осевых ступеней, спроектированных так, чтобы их напорно-расход-ная характеристика была монотонно падающей во всем диапазоне подач, что обеспечит устойчивую работу на ГЖС [12].
4. Повысить устойчивость работы осевых ступеней напорного блока на ГЖС можно, выполнив сквозные отверстия вдоль входной кромки лопастей их рабочих колес [13].
Для подбора числа ступеней в диспергирующем и напорном блоках были проведены испытания различных компоновок. В статье представлено несколько типичных примеров таких испытаний для диспергатора 5 габарита. Испытания осуществляли с использованием предложенной в работах [14, 15] модельной жидкости: вода + ПАВ
(объемная концетрация «Диссолвана 4411» в воде равна 0,05 %) + воздух, - имитирующей малообводненную нефть. Давление на входе составляло 0,3 МПа, частота вращения вала - 2910 мин-1.
На рис. 1 приведен пример влияния числа лабиринтных ступеней диспергирующего блока на характеристику устройства при работе с ГЖС и разной концентрацией нерастворенного газа. Из него видно, что при увеличении числа ступеней улучшается работа с ГЖС: кроме давления, развиваемого устройством, значительно возрастает предельно допустимая концентрация газа. На рис. 2 приведен пример влияния длины напорного блока, состоящего из пакета осевых ступеней, на рабочую характеристику диспергатора. Из него следует, что с увеличением числа ступеней
0,6
0,4
_ о,г
§
\Ü к \ \ 30 Ч\ i \ > \ \ \
Д v чV4 \л V т > \ \ t \ \ 1 \ Ц V 4 \ 4 \ \ \ X v
1 1 \ 1 ^ V L_ 1 ■ 1 u= \ N ч \ \ \ ¿L \ = 25% 15 \ X \ v \ * •WL
100 200 300
Подача по жидкости, м3/сут
400
Рис. 1. Зависимость давления, развиваемого диспергирующим насосом, состоящим из 4 (черные кривые) и 15 (красные кривые) лабиринтных ступеней, от подачи (Сг - предельно допустимая концентрация газа)
0,6
£
о
0,4
^ 0.2
0 \
30 VV \\ Cr = 45 % V
X50 ^ ■30
100 200 300
Подача по жидкости, м3/сут
400
Рис. 2. Зависимость давления, развиваемого диспергирующим насосом, состоящим из 2 осевых + 7 лабиринтных ступеней (черные кривые), 4 осевых + 7 лабиринтных ступеней (красные кривые), от подачи
а
0 У»
уГ 1 * ' 55
• у' - = 55 46
40 80
Номер ступени
120
Рис. 3. Распределение давления вдоль насосной секции ЭЦНБ-200 без предварительно включенных устройств (черные кривые) и с предвключенным диспергирующим насосом ГСН5-200 (красная кривая)
Рис. 4. Зависимость давления, развиваемого насосом ЭЦН5-200 (черные кривые) и компоновкой ЭЦН5-200 + ГСН5-200 (красные кривые), от подачи ГЖС на выходе
Рис. 5. Зависимость давления, развиваемого насосом ГСН5-200, до (черные кривые) и после (красные кривые) испытаний на жидкости с песком, от подачи смеси на выходе
напорного блока возрастает максимальная подача устройства при всех концентрациях нерастворенного газа.
Характеристики диспергаторов улучшаются при увеличении числа ступеней как диспергирующего, так и напорного блоков, но при этом возрастают длина и стоимость диспергатора, поэтому длину диспергатора подбирали так, чтобы его рабочий диапазон подач полностью перекрывал диапазоны подач всех насосов центробежного типа данного габарита. Поскольку из всех применяемых в настоящее время ступеней именно центробежные ступени, проточный канал которых перпендикулярен оси вращения, имеют наименьшее критическое газосодержание, они более других подвержены влиянию нерастворенного газа и требуют тщательной подготовки ГЖС для устойчивой работы насосной секции.
Для того, чтобы не путать разработанные дисперга-торы, состоящие из блоков напорных и диспергирующих ступеней, с давно выпускаемыми диспергаторами лабиринтного типа для нового устройства было предложено название газостабилизатор (ГСН). На рис. 3-5 приведены зависимости, отражающие эффективность прим
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.