CC BY
0
УДК 622.276.53
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-596-597
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОТОКООТКЛОНЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УЭЦН В ПЕРИОДИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ
К.Р. Уразаков, М.В. Рукин
В работе на основе численного моделирования исследуются тепловые процессы в системе «погружной двигатель - скважинный флюид» при работе электроцентробежной насосной установки в периодическом кратковременном режиме. Для улучшения условий теплоотвода от погружного двигателя используется специальное потокоотклоняющее устройство, позволяющее перенаправить поток жидкости из затрубного пространства скважины к погружному двигателю с целью его дополнительного охлаждения. Показано, что применение предлагаемого устройства предлагает значительно снизить величину разогрева погружного двигателя и повысить надежность его работы.
Ключевые слова: установка электроцентробежного насоса, погружной электродвигатель, температура, моделирование, потокоотклоняющее устройство
В последние годы фонд низкодебитных скважин в России закономерно растет [1, 2]. Значительная доля скважин эксплуатируется механизированным способом с использованием погружных электроцентробежных насосов (ЭЦН), эффективность работы которых максимальна в высокодебитных скважинах [3, 4]. Однако при работе электроцентробежных насосов в низкодебитных скважинах значительно возрастает риск перегрева узлов насоса и погружного электродвигателя (ПЭД) вследствие низкой скорости потока откачиваемой жидкости. Перспективным методом повышения эффективности электроцентробежных установок в низкодебитных скважинах является реализация периодического кратковременного режима (ПКР) [5, 6].
При ПКР насос работает в нестационарном режиме, в котором рабочий полуцикл откачки (насос включен) чередуется с полуциклом накопления (насос выключен), причем длительность полуциклов откачки и накопления достаточно небольшая, порядка нескольких минут. Достоинством периодической кратковременной эксплуатации является возможность применения стандартных компоновок установок электроцентробежных насосов (УЭЦН) с средней и высокой подачей в низкодебитных скважинах. Благодаря высокой подаче насоса в полуцикле откачки достигается оптимальный режим его работы и обеспечивается высокий коэффициент полезного действия (КПД) УЭЦН. Периодическое отключение УЭЦН позволяет избежать перегрева ПЭД и кабельной линии. Таким образом, режим ПКР позволяет сохранить преимущества УЭЦН при эксплуатации низкодебитных скважин.
Одним из перспективных путей совершенствования компоновки УЭЦН при периодическом режиме эксплуатации является применение защитных устройств (кожухов, обтекателей потока), обеспечивающих повышение надежности УЭЦН за счёт обеспечения охлаждения ПЭД потоком жидкости, откачиваемой из затрубного пространства скважины. Дело в том, что в полуцикле откачки при максимальном режиме загрузки ПЭД подача ЭЦН, как правило, значительно превышает приток пластовой жидкости в скважину, в этой связи большая часть жидкости откачивается из затрубного пространства скважины, не обтекая погружной двигатель (рис. 1, а). Применение пото-коотклоняющего устройства позволяет добиться принудительного отвода тепла от ПЭД в полуцикле откачки и значительно снизить риски перегрева узлов погружного двигателя (рис. 1, б).
Эффективность и надежность работы УЭЦН во многом определяется тепловым режимом работы системы ПЭД - обтекающий флюид. Опубликованные на сегодняш-
ний день работы [7-10] в недостаточной степени затрагивают вопросы формирования теплового режима погружного двигателя при периодической кратковременной эксплуатации УЭЦН. Целью данной работы является исследование теплового режима погружного электродвигателя УЭЦН в периодическом кратковременном режиме работы применительно к изучению влияния потокоотклоняющего устройства на эффективность работы насосной установки. Исследование выполняется на основе математической модели, описывающей теплообмен погружного двигателя и обтекающего его флюида. Для определения температуры ПЭД решается уравнение теплопроводности с учетом тепловыделения в погружном двигателе [11]:
дТ Л д ( дТ"] (1)
ре-=--\ г-1 + q (г), (1)
дг г дг \ дг ) у '
где р, с - эффективная плотность и удельная теплоемкость ПЭД соответственно; X -теплопроводность; q(г) - удельная мощность тепловыделения в погружном двигателе, отличающаяся от нуля в полуцикле откачки.
т ▼
1
111111
ими
• •
а б
Рис. 1. Схема потоков в скважине в полуцикле откачки (а — УЭЦН без потокоотклоняющего устройства; б — УЭЦН с потокоотклоняющим устройством): 1 — ЭЦН, 2 — гидрозащита, 3 — ПЭД, 4 — насосно-компрессорные трубы (НКТ), 5 — продуктивный пласт, 6 — потокоотклоняющееустройство
Уравнение конвективного теплообмена для омывающего погружной двигатель скважинного флюида записывается в виде
дТ дТ
Р*е&+ Рге/^-д^Г = И(Т - Т/) + Ие ( - ТГ ) (2)
где Т/ - температура флюида, К; Tg - естественная температура горных пород на глубине ПЭД, К; р/ - эффективная плотность флюида, кг/м3; с/-удельная теплоемкость флюида, Дж/(кг-К); 8/ - площадь кольцевого сечения между ПЭД и обсадной колонной,
м
-2.
Q - объемный расход жидкости, м3/сут; Яе - внутренний радиус обсадной колонны, м; И -коэффициент теплообмена между флюидом и ПЭД, Вт/(м2-К); Не - коэффициент теплообмена между флюидом и окружающей внешней средой, Вт/(м2-К). Начальные и граничные условия:
Т\,=0 = Т0.
ТЛ=0=То;
дТ_
дг
= 0;
г=0
лдТ
дг
= а
г=Я
(Т/ - Т*>)
где То - начальная температура в модели, К; Тн - температура внешней поверхности погружного двигателя, К.
Теплофизические свойства жидкости рассчитываются как средневзвешенные величины с учетом обводненности продукции:
р/ = рнв+Ра 0 - в);
ег = о^в + Со (1 - в); (4)
= ЯКВ + Я0 (1 - В),
где индекс о соответствует нефти, индекс н - воде; В - обводненность продукции, д. ед.
Система уравнений (1)-(4) решается численно. На первом этапе выполняется дискретизация расчетной области методом контрольных объемов. Дискретный аналог уравнения (1) решается методом прогонки, уравнения (3) - маршевым алгоритмом, подробное описание алгоритма численного решения уравнений приведено в работе [12].
Моделирование теплового режима ПЭД в периодическом кратковременном режиме работы проводится при следующих значениях параметров: мощность тепловыделения в ПЭД 16.5 кВт (что соответствует мощности ПЭД 110 кВт при КПД 85%), внешний диаметр - 117 мм, длина - 6 м, длительности периодов откачки и накопления 5 и 10 мин соответственно, производительность насоса в установившемся режиме откачки 90 м3/сут, дебит (объемный расход) жидкости из пласта 30 м3/сут, начальная температура флюида, омывающего ПЭД, 80 °С, температура горных пород в интервале спуска ПЭД 75 °С, обводненность жидкости 80%, теплопроводность воды, нефти, цементного кольца / горных пород 0.6, 0.2 и 1.2 Вт/(м • К) соответственно, плотность воды и нефти 1000 и 850 кг/м3 соответственно, удельная теплоемкость воды и нефти 4200 и 2000 Дж/(кг • К) соответственно, внутренний и внешний диаметр обсадной колонны 148 и 168 мм соответственно, внутренний диаметр потокоотклоняющего устройства 127 мм.
Динамика температуры погружного двигателя во времени при наличии и отсутствии потокоотклоняющего устройства показана на рис. 2. При наличии потокоот-клоняющего устройства в полуцикле откачки жидкость из затрубного пространства не поступает сразу на прием ЭЦН, а обтекает погружную установку с наружной стороны потокоотклоняющего устройства, затем поступает внутрь устройства, омывает погружной двигатель и только после этого поступает на прием погружного насоса (рис. 1, б). Вследствие улучшений условий теплоотвода от ПЭД благодаря перенаправлению к погружному двигателю потока из затрубного пространства его максимальная температура в течение цикла периодической откачки существенно снижается - со 142 до 102 °С, при этом нагрев ПЭД относительно начальной температуры жидкости Т0 снижается с 62 до 22 °С (практически в 3 раза). Небольшое изменение температуры между циклами откачки связано с неустановившимся характером тепловых процессов.
0 5 10 15 30 35 10
Бремя, мин
Рис. 2. Влияние потокоотклоняющего устройства на температуру погружного двигателя
Динамика температуры жидкости во времени на выходе из ПЭД показана на
рис. 3.
—ПЭД без потокоотклонигеля — ПЭД с потокоотклонителем
О 5 10 15 20 2$ 30 35 40 Время, мин
Рис. 3. Динамика во времени температуры жидкости на выходе из области погружного двигателя
При наличии потокоотклоняющего устройства максимальная температура жидкости снижается с 85.7 до 85.0 С, при этом существенно снижается минимальная температура жидкости - с 84.0 до 81.4 С. Поскольку при наличии потокоотклоняющего устройства теплоотвод от погружного двигателя интенсифицируется, максимальный нагрев жидкости при наличии и отсутствии потокоотклоняющего устройства близок по величине.
Положительная роль потокоотклоняющего устройства с точки зрения оптимизации теплового режима ПЭД достигается не только за счет перенаправления потока жидкости из затрубного пространства к ПЭД в полуцикле откачки, но также благодаря снижению эффективной площади сечения потока и, как следствие, росту скорости движения жидкости, омывающей ПЭД, числа Рейнольдса (Де), определяющего степень турбулентности потока и интенсивность теплоотвода от ПЭД омывающей его жидкостью (рис. 4).
4000 3500 3000 2500 £ 2000 1500 1000 500
Число
\Скорость потока
3
2.7
2.4
2.1
1.8
1.5
>
1.2
0.9
0.5
0.3
0
0,117 0.121 0,125 0,129 0.133 0.137 0.141 0.145 Диаметр, м
Рис. 4. Влияние внутреннего диаметра потокоотклоняющего устройства на скорость потока и число Рейнольдса
В частности, при отсутствии потокоотклоняющего устройства внешний диаметр потока равен внутреннему диаметру обсадной колонны (148 мм), в этом случае скорость потока и число Рейнольдса равны около 0.15 м/с и 3200 соответственно. При наличии потокоотклоняющего устройства (диаметром 127 мм) скорость потока и число Рейнольдса равны уже 0.5 м/с и 3500 соответственно.
Выводы. На основании результатов численного математического моделирования изучено влияние потокоотклоняющего устройства в составе УЭЦН на тепловой режим погружного двигателя в процессе периодической кратковременной эксплуатации насосной установки. Установлено, что максимальный разогрев ПЭД в течение цикла откачки при наличии потокоотклоняющего устройства снижается практически в 3 раза, с 62 до 22 С. Отмечено, что положительная роль потокоотклоняющего устройства при оптимизации теплового режима ПЭД достигается не только за счет перенаправления потока жидкости из затрубного пространства к погружному двигателю, но и благодаря интенсификации теплообмена ПЭД с флюидом за счет роста степени турбулентности потока, определяемой ростом числа Рейнольдса. Наличие специальных конструктивных элементов, способствующих завихрению жидкости внутри потокооткло-няющего устройства, позволит еще больше повысить его эффективность. Результаты выполненных исследований обосновывают перспективность потокоотклоняющего устройства с точки зрения повышения эффективности и надежности работы УЭЦН в периодическом режиме.
Список литературы
1. Справочник по добыче нефти / К.Р. Уразаков, Э.О. Тимашев, В.А. Молчанова, М.Г. Волков. Пермь: Астер Плюс, 2020. 600 с.
2. Тимашев Э.О., Халфин Р.С., Волков М.Г. Статистический анализ наработок на отказ и коэффициентов подачи скважинного насосного оборудования в диапазонах параметров эксплуатации скважины // Нефтяное хозяйство. 2020. № 2. С. 46-49.
3. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти. М: Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2015. 448 с.
4. О некоторых перспективных путях развития УЭЦН / В.Н. Ивановский, Ю.А. Сазонов, А.А. Сабиров, Н.Н. Соколов, Ю.А. Донской // Территория Нефтегаз. 2008. №5. С. 24-33.
5. Гребенников А.Г. Работа установки погружных электроцентробежных насосов в кратковременном периодическом режиме - эффективная технология добычи нефти // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2014. № 5. С. 15-21.
6. Видинеев А.С. Определение оптимального режима кратковременной периодической эксплуатации малодебитных скважин с помощью установки электроцентробежного насоса // Нефтепромысловое дело. 2022. № 3 (639). С. 41-45.
7. Купцов С.М. Температурное поле погружного электродвигателя скважин-ных насосных установок // Территория Нефтегаз. 2010. № 4. С. 36-39.
8. Москвина Е.Ю., Пивень В.В. Расчет температуры обмотки погружного электродвигателя УЭЦН // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2020. № 5. С. 64-73.
9. Язьков А.В. Исследование влияния изменения технологических параметров на охлаждение погружного электродвигателя // Нефтяное хозяйство. 2007. № 11. С. 125-128.
10. Диагностирование технического состояния электроцентробежных насосных установок по уровню их вибрации / К.Р. Уразаков, Е.Б. Думлер, А.С. Топольников, Р.И. Вахитова // Нефтегазовое дело. 2017. Т. 15. № 1. С. 103-107.
11. Тепловое поле в скважине при индукционном нагреве обсадной колонны в условиях низкой скорости потока / Р.З. Акчурин, Ф.Ф. Давлетшин, А.Ш. Рамазанов, Р.Ф. Шарафутдинов // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2023. Т. 334. № 2. С. 87-98.
12. Уразаков К.Р., Рукин М.В., Борисов А.О. Моделирование тепловых процессов в погружном двигателе электроцентробежного насоса, работающего в периодическом режиме // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2023. Т. 334. № 4. С. 62-71.
Уразаков Камил Рахматуллович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
Рукин Михаил Валерьевич, старший преподаватель, [email protected], Россия, Нижневартовск, Нижневартовский государственный университет
INVESTIGATION OF THE EFFECTIVENESS OF THE FLOW-DEFLECTING DEVICE DURING OPERATION OF THE ESP IN A PERIODIC MODE
K.R Urazakov, M.V. Rukin
Based on numerical modeling, thermal processes in the "submersible motor - borehole fluid" system are investigated during operation of an electric centrifugal pumping unit in a periodic short-term mode. To improve the conditions of heat removal from the submersible motor, a special flow-deflecting device is used, which allows redirecting the flow of liquid from the annulus of the well to the submersible motor for the purpose of additional cooling. It is shown that the application of the proposed device offers to significantly reduce the amount of heating of the submersible motor and increase the reliability of its operation.
Key words: installation of an electric centrifugal pump, submersible electric motor, temperature, modeling, flow-deflecting device
Urazakov Kamil Rakhmatullovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Ufa, Ufa state petroleum technical university,
Rukin Mikhail Valerievich, senior lecturer, [email protected], Russia, Nizhnevartovsk, Nizhnevartovsk state university
