УДК 622.276.53.054.23:621.67-83
Применимость электроцентробежных насосов с кожухом погружного электродвигателя ниже интервала перфорации в скважинах с высоким газовым фактором
> Коллектив авторов, 2009
+
В.А. Еличев, К.В. Литвиненко,
А.А. Пустовских, к.ф.-м.н. (ООО «РН-УфаНИПИнефть»),
Р.А. Хабибуллин, к.т.н. (ОАО «НК «Роснефть»),
А.Г. Михайлов, к.т.н., С.Е. Мезиков (ООО «РН-Пурнефтегаз»)
Applicability of electric centrifugal pumps with submersible electric motor casing below
the perforated interval in wells with high gas-oil ratio
V.A. Yelichev, K.V. Litvinenko, A.A. Pustovskikh (RN-UfaNIPIneft LLC), R.A. Khabibullin (Rosneft Oil Company OJSC), A.G. Mikhailov, S.E. Mezikov (RN-Purneftegaz LLC)
The question of the effectiveness of application of the electric centrifugal pumps with submersible electric motor casing is considered. Various variants of installation of the pump below the perforated interval are presented. Their detailed comparison is carried out. The new mechanistic model, that allows to evaluate the effectiveness of reverse natural separation, is used. A map of the applicability of pumps with submersible motor casing is constructed. Areas of application of the technology of their lowering below the perforated interval are determined. The comparison with traditional technologies is given.
Ключевые слова: электроцентробежный насос (ЭЦН), интервал перфорации, ЭЦН с кожухом погружного электродвигателя (ПЭД), карта применимости ЭЦН. Адрес для связи: r_khabibullin@rosneft.ru
Одним из способов интенсификации добычи нефти из скважин, оборудованных установками электроцентробежных насосов (ЭЦН), является снижение забойного давления. Это достигается увеличением частоты вращения двигателя ЭЦН или установкой насосов большей подачи, обеспечивающих больший напор.
Такой метод интенсификации добычи имеет технологические ограничения. Например, при уменьшении давления на забое скважины снижается динамический уровень скважины. При этом уровень жидкости в затрубном пространстве скважины не должен опускаться ниже приемных отверстий ЭЦН. В противном случае в насос попадет газ из затрубного пространства, что приводит к срыву подачи и аварийному отключению насоса. Кроме того, при снижении давления на приеме ЭЦН в потоке жидкости увеличивается доля свободного газа, что негативно влияет на работу ЭЦН [1]. Для снижения вредного влияния газа на ЭЦН при работе с низкими забойными давлениями применяются: роторные газосепараторы [1]; диспергаторы и предвключенные устройства для обеспечения работы ЭЦН с повышенным содержанием газа [2].
Эти технологические решения получили широкое распространение в скважинах с относительно большими дебитами (более 50 м3/сут) [2]. Однако для низкодебитных скважин их применение не всегда целесообразно, что, по мнению авторов, обусловлено следующими причинами.
1. Для низкодебитных скважин к.п.д. ЭЦН, как правило, ниже, чем для высокодебитных [3]. В совокупности со снижением охлаждающей способности потока жидкости это увеличивает риск перегрева погружного электродвигателя (ПЭД), что в свою очередь повышает требования к точности подбора установки ЭЦН.
2. Для низкодебитных скважин обычно используются ступени ЭЦН радиального типа [3], которые более чувствительны к влиянию газа.
3. Большинство стандартных технологий работы ЭЦН при наличии газа рассчитано на дебиты 50 м3/сут и более (рис. 1).
4. Часто в низкодебитных скважинах ЭЦН не используются. В связи с этим развитию технологий работы ЭЦН в таких скважинах не уделялось должного внимания.
Рис. 1. Карта применимости ЭЦН для различного содержания свободного газа на приеме насоса
Однако во многих низкодебитных скважинах, особенно в глубоких, в которых необходимо создание больших депрессий, применение ЭЦН становится оправданным.
При уменьшении дебита жидкости увеличивается коэффициент естественной сепарации газа [4, 5], а также становятся эффективными технологии пассивной сепарации газа, широко применяемые для скважинных штанговых насосов [6]. Если на естественную сепарацию газа, зависящую в первую очередь от дебита и размеров эксплуатационный колонны, нельзя воздейство-
вать непосредственно, то использование схемы пассивной сепарации для ЭЦН представляет интерес.
Примером технологии пассивной сепарации газа является применение кожухов ПЭД и спуск ЭЦН с кожухом ниже интервала перфорации. Потенциально эти технологии способны увеличить область применения ЭЦН (см. рис. 1).
Существует три основных дизайна установки ЭЦН ниже интервала перфорации (см. таблицу):
- ЭЦН с кожухом ПЭД (рис. 2, а);
- ЭЦН с рециркуляционной линией (рис. 2, б);
- ЭЦН с кожухом ПЭД и хвостовиком (рис. 2, в).
Накоплен довольно большой опыт применения данных установок.
• Более 100 ЭЦН с кожухом ПЭД и хвостовиком использовались в Нижневартовком регионе.
• Imperial Company вела добычу из пяти скважин, оборудованных ЭЦН с кожухом ПЭД и
Рис. 2. Варианты установки ЭЦН ниже интервала перфорации: хв°ст°виком [7]. Оборудование было Установ- а. 1 _ ЭЦН; 2 - кожух; 3 - ПЭД; б: 1 - рециркуляционная линия; 2 - ЭЦН; 3 - приемный модуль; 4 - ПЭД; лено на 10 м выше интервала перфорации, в: 1 - отверстия; 2 - пакер; 3 - кожух; 4 - хвостовик хвостовик спущен на 20-30 м ниже нижних отверстий перфорации.
• В компании Total эксплуатировалось 25 ЭЦН ниже интервала перфорации. Забойное давление составило 0,5 МПа; наработка оборудования на отказ сравнима с наработкой традиционной компоновки ЭЦН [7].
• В компании EnCana эксплуатировались ЭЦН ниже интервала перфорации с сепаратором воды на забое скважины [7].
• Установки Centrilift эксплуатировались на месторождениях США [8], в результате дебит нефти увеличился в 1,5 раза.
В связи с тем, что по данным работ [7-9] отсутствует единый подход к установлению необходимости применения кожухов ПЭД, была разработана методика на основе созданных моделей реверсивной естественной сепарации газа, охлаждения ПЭД и модели работы ЭЦН при наличии газа [2].
Модель реверсивной естественной сепарации
Модель естественной сепарации Marquez and Prado [4] использовалась для получения новой корелляционной зависимости для расчета реверсивной естественной сепарации. Эта модель включает механистическую модель определения режима течения газожидкостной смеси в затрубном пространстве и механистичес-
кую модель расчета траектории движения пузырька газа в зоне интервала перфорации скважины. Механистическая модель основана на эффекте радиального проскальзывания пузырька газа в потоке жидкости. Форма линии тока жидкой фазы в области перфорированного участка скважины задается, что позволяет рассчитать поле скоростей жидкой фазы, по которому можно определить радиальную составляющую ускорения жидкости. В дальнейшем эта составляющая используется при написании уравнения баланса сил, действующих на пузырек газа. Построение траектории одного пузырька газа в затрубном пространстве в области перфорации позволяет получить простое геометрическое соотношение для расчета коэффициента естественной сепарации.
Приемный модуль насоса или хвостовик располагается ниже отверстий перфорации, и жидкость, вытекающая из перфорационных отверстий, двигается в направлении забоя скважины. Таким образом, скорость жидкости в нижней части перфорационных отверстий больше, чем в верхней части вдоль кожуха ПЭД. В данной статье предполагалось, что в случае непузырькового режима течения газа эффективность естественной сепарации стремится к нулю, и область пузырькового режима течения
Дизайн установки ЭЦН Производитель Описание Преимущества Недостатки Риски
ЭЦН с кожухом ПЭД Практически все производители ЭЦН ЭЦН ниже интервала перфорации. Жидкость попадает на прием ЭЦН через приемное отверстие кожуха ПЭД. Достижимы низкие значения забойного давления. Улучшенное охлаждение ПЭД. Необходим большой диаметр эксплуатационных колонн. Низкая эффективность сепарации из-за малой разницы диаметров кожуха и эксплуатационной колонны. Наличие механических примесей. Солеотложения внутри кожуха ПЭД.
ЭЦН с рециркуляционной линией Centrilift ЭЦН ниже интервала перфорации. Дополнительная линия с выкида ЭЦН к ПЭД, циркуляция жидкости обеспечивает дополнительное охлаждение ПЭД. Достижимы низкие значения забойного давления. Отсутствие кожуха ПЭД, нет ограничений по диаметру эксплуатационной колонны. Более низкий риск солеотложений. Сложный дизайн ЭЦН (отвод части поток под насос). Сложность настройки и подбора оборудования. Ограниченное предложение на рынке, высокая стоимость. Наличие механических примесей. Сложный дизайн ЭЦН.
ЭЦН с кожухом ПЭД и хвостовиком «Новомет», «Борец», «Алнас» ЭЦН выше интервала перфорации. Жидкость попадает на прием ЭЦН через хвостовик, спущенный ниже перфорации. Применим для горизонтальных скважин. Достижимы низкие значения забойного давления. Высокий коэффициент естественной сепарации. Высокая эффективность использования в горизонтальных скважинах. Необходим большой диаметр эксплуатационных колонн. Наличие механических примесей. Солеотложения внутри кожуха ПЭД.
больше, чем области течения других режимов. Таким образом была рассчитана общая эффективность сепарации в интервале перфорации и проведена оценка эффективности реверсивной сепарации для всех режимов течения.
Охлаждение ПЭД
При эксплуатации ЭЦН с кожухом ПЭД уменьшается кольцевой зазор течения жидкости и увеличивается скорость течения жидкости, что позволяет за счет повышения скорости теплообмена улучшить характеристики охлаждения двигателя. Это особенно важно при эксплуатации ЭЦН в низкодебитных скважинах. В статье данный фактор принимался во внимание при построении карты применимости ЭЦН с кожухом ПЭД.
Эффективность применения кожуха ПЭД для охлаждения двигателя может быть оценена путем сравнения скорости жидкости вдоль двигателя и минимальной скорости жидкости, необходимой для охлаждения ПЭД. Скорость жидкости, требуемая для обеспечения необходимой эффективности охлаждения, определялась по рекомендуемым различными заводами-изготовителями значениям для различных мощностей ПЭД.
Разработанная методика была реализована в вид
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.