CC BY
20НАСОСЫ I
В.Н. ивановский, Н.Н. Соколов, Ю.А. Донской, С.А. карелина, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
наука и/или жизнь
(о возможности использования результатов лабораторных и стендовых испытаний в промысловых условиях)
Интенсификация добычи нефти, сопровождаемая снижением забойных давлений, увеличением требуемых напоров насосов, повышением температуры откачиваемой жидкости, количества свободного газа на приеме насоса, выносом механических примесей из пласта в настоящее время является основным направлением работы и главной проблемой практически всех российских нефтедобывающих компаний. Эти проблемы усугубляются тем, что более 90% всей добываемой нефти в России поднимается на поверхность Земли с помощью различных насосных систем: установок центробежных, винтовых, штанговых и других насосов.
На сегодняшний день нет универсальных насосных систем, которые могли бы применяться в любых условиях эксплуатации, с различными напорами и подачами.
Достаточно сказать, что только установок центробежных насосов для добычи нефти российские заводы-изготовители выпускают более 1000 типоразмеров и модификаций. Огромное количество различного оборудования приходится и на другие виды скважинных насосных установок.
Создание новых видов оборудования связано с большими объемами
научно-исследовательских и опытноконструкторских работ, проведением большого количества лабораторных и стендовых испытаний, без которых невозможно переходить к промысловому внедрению. Эти лабораторные и стендовые испытания вполне естественны и необходимы, во многих областях они являются практически стандартными и позволяют получить если не исчерпывающие, то, по крайней мере, достаточные сведения о новых видах оборудования, которые могут быть использованы при определении областей применения того или иного вида оборудования.
К таким «стандартным» лабораторным и стендовым испытаниям можно отнести гидравлические испытания ступеней ЭЦН, винтовых и поршневых насосов, некоторых видов материалов и покрытий. Результаты таких стендовых испытаний практически полностью переносятся на натурные образцы, используются для определения ресурса оборудования, для построения характеристик насосного оборудования. К сожалению,проведение стендовых испытаний многих других видов нефтегазового оборудования не может дать такие же исчерпывающие сведения о том, как будет работать новая конструкция в реальных условиях.
Примером такой «нестыковки» результатов лабораторных и промысловых испытаний может быть работа, выполненная в одном из уважаемых научно-исследовательских институтов. Лабораторным испытаниям были подвергнуты образцы новой, достаточно высоко легированной стали, которую авторы предлагали использовать для изготовления насосных штанг. Испытания образцов велись по многократно проверенной методике - определялись пределы прочности,текучести и предел усталостной прочности при знакопеременном изгибе с вращением (Св, <ГТ , (ГЛ). Результаты были очень впечатляющими - новая сталь оказалась почти вдвое прочней (как при статическом, так и при циклическом нагружении), чем используемая в настоящее время никель-молибденовая сталь. Однако, когда началось внедрение насосных штанг из новой стали в нефтяных скважинах, новое оборудование показало очень низкую надежность - штанги стали рваться. Оказалось, что разработчики, основываясь на результатах лабораторных испытаний, приняли решение о возможности пропорционального увеличения и допускаемого приведенного напряжения [О'пр]. Это было серьезной ошибкой, т.к. допускаемое приведенное напряжение является величиной, получаемой в результате многочисленных, а часто и многолетних промысловых исследований. Напомним, что допускаемым приведенным напряжением называется напряжение в колонне насосных штанг, которое приводит к резкому увеличению количества обрывов (рис.1). При этом учитывается не только нагрузка, прикладываемая к колонне штанг, но и характер пластовой жидкости, и условный диаметр скважинного штангового насоса. Поэтому, к сожалению, напрямую, исходя из результатов лабораторных, пусть даже комплексных (статических и усталостных) испытаний, определить допускаемое приведенное напряжение для новой марки стали невозможно.
Рис. 1. Зависимость количества обрывов насосных штанг в год от приведенных напряжений
Рис. 3. Характеристика ступени ЭЦН5-30 в начале испытания и через 4 часа
Рис. 2. Проппант, который использовался при испытаниях ступеней
Для получения искомого результата при лабораторных испытаниях необходимо будет не только перейти от стандартных образцов к натурным, не только проводить циклические испытания на разных модельных жидкостях, но и провести эти натурные испытания на циклическое растяжение при разных коэффициентах асимметрии цикла. Только тогда можно говорить о приближении результатов стендовых испытаний к действительным значениям допускаемого приведенного напряжения. Но даже и в этом случае, как известно, «ни статические характеристики, ни пределы коррозионной усталости материала, определяемые на образцах, не характеризуют работоспособность штанг в промышленных условиях» [1].
К сожалению, то же самое можно сказать о возможности прямого и точного переноса результатов лабораторных и стендовых испытаний ступеней и других деталей электро-приводных центробежных насосов для добычи нефти на работу этого оборудования в промысловых условиях.
Действительно, целый «букет» промысловых осложнений (различные пластовые флюиды как по химическому, так и по фракционному составу; высокие температуры, большое содержание свободного газа, интенсивное солеотложение, механические примеси разной твердости и т.д.) делает практически невозможным воспроизведение этих условий в лабораторных или стендовых условиях. Поэтому
все возможные методики определения износостойкости и коррозионной стойкости узлов и деталей ЭЦН могут быть использованы только для получения
сравнительных характеристик различных материалов или различных конструкций этих узлов.
Именно по этому пути идут многие исследователи, так поступают и на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. Например, для получения информации о возможности применения нового материала проводились сравнительные испытания ступеней ЭЦН из твердого серого чугуна (новый материал) и нирезиста (стандартный материал). Все рабочие колеса ступеней перед началом испытаний взвешивались на аналитических весах, величины масс используемых в испытаниях деталей фиксировались в журнале испытаний.
Стендовые испытания ступеней проводились на воде при температуре Т=200С с использованием проппанта в количестве
0,5 г/л. Перед началом испытаний был определен гранулометрический состав проппанта - 0,75 мм (рис.2).
Проинодство и продажа
ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ЗАО Промышленно-торговая компания «ЛИНГАС»
603122, Россия, г. Нижний Новгород, ул. Ванеева, д. 199, к. 19 Тел./факс: (831) 417-54-78, 417-59-94
e-mail: lingas@lingas.ru www.hhgas.ru
насосы
Рис. 4. Характеристика ступени ЭЦН5 в начале испытания и через 8 часов
Рис. 5. Характеристика ступени ЭЦН5-125 в начале испытания и через 8 часов
ИСПЫТАНИЯ СТУПЕНЕЙ ПРОВОДИЛИСЬ ПО СЛЕДУЮЩЕЙ СХЕМЕ
1. Сборка трех одинаковых ступеней и испытание их с частотой вращения 2910 об/мин. для получения характеристики, которая пересчитывается на одну ступень (характеристики представлены на рис. 3, 4, 5).
2. Постоянная работа указанной сборки в течение 4 часов и последующее получение новой характеристики.
3. Сравнение двух характеристик для выявления изменения основных величин за счет износа рабочих колес или направляющих аппаратов. При отсутствии изменений характеристики испытания продолжаются еще 4 часа, после чего характеристика снова сравнивается с первоначально полученной. Если основные показатели характеристики (напор, подача, КПД) изменились более, чем на 5% (рис. 2, 3, 4), испытания приостанавливаются и проводится ревизия направляющих аппаратов и рабочих колес и замер их масс.
4. После замера масс и ревизии деталей сборка собиралась снова и продолжалась работа еще 4 часа. По окончании указанного времени снималась еще одна характеристика, при отличии ее от предыдущей более чем на 5% детали вновь проходили ревизию и взвешивание.
При проведении испытаний каждый час работы стенда брались пробы воды с проппантом и проводились замеры содержания проппанта и его состояния. При необходимости в испытательную жидкость добавлялся свежий проппант. Соответствие содержания проппанта в жидкости условиям эксперимента проверялось трехкратными пробами.
Вид изношенных рабочих колес представлен на рис. 6, 7.
Результаты этих замеров были обработаны, что позволило сделать следующие выводы:
• средняя скорость износа (потеря массы рабочего колеса за единицу времени) для ступеней типа ЭЦН5-80 из твердого серого чугуна составила 0,343 г/час;
• для ступеней из нирезиста - 0,263 г/час.
Анализ показал, что скорость износа рабочих колес из нирезиста составила около 80% от скорости износа рабочих колес из твердого серого чугуна.
5. После проведения испытаний ступе-
ней на стенде по перекачке воды, содержащей механические примеси высокой твердости (проппант), детали этих ступеней проверялись на стандартной машине по исследованию износа.
Испытаниям подвергались рабочие колеса ступеней одного класса - ЭЦН5-80 (твердый серый чугун) и ЭЦНА5-80 (нирезист).
Перед началом этих исследований определялась твердость материала рабочих ступеней. Для проверки твердости материала ступеней применялся стандартный твердомер, сведения о твердости материала ступеней представлены в таблице.
Испытания проводились при контакте вращающихся рабочих колес и неподвижного стандартного пробного круга. Осевая нагрузка на рабочее колесо практически соответствовала среднему значению нагрузок при работе центробежного насоса в левой части рабочей зоны характеристики и составляла 4 Н. Частота вращения при испытании была принята равной 150 об/мин. для устранения повышенного нагрева зоны контакта.
В результате испытаний определялась скорость износа как при сухом контакте, так и при постоянной подаче воды в зону контакта.
Средняя скорость износа без подачи воды в зону контакта составила:
• рабочие колеса из твердого серого чугуна - 0,61 г/час;
• рабочие колеса из нирезиста -
0.53.г/час.
Следовательно, скорость износа рабочих колес из нирезиста при сухом трении составляет около 85% от аналогичного показателя для рабочих колес из твердого серого чугуна.
Средняя скорость износа с подачей воды в зону контакта составила:
• рабочие колеса из серого чугуна ЭЦН5-80—0,21 г/час;
• рабочие колеса из нирезиста ЭЦНА5-80-0,17 г/час;
• следовательно, скорость износа рабочих колес из нирезиста при подаче воды в зону трения составляет около 81 % от аналогичного показателя для рабочих колес из твердого серого чугуна.
В РЕЗУЛЬТАТЕ ПРОВЕДЕННЫХ СТЕНДОВЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ БЫЛИ СДЕЛАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ ВЫВОДЫ.
1. Разработанная «Методика испытаний» позволяет проводить сравнительные испытания изностойкости ступеней ЭЦН, изготовленных из различных материалов.
2. Износостойкость ступеней определялась как по стандартным показателям (скорость износа), так и по скорости изменения комплексной характеристики при работе исследуемых ступеней ЭЦН на воде с большим содержанием проп-панта.
3. Ступени из серого чугуна имеют достаточно высокую и, что наиболее важно, стабильную по поверхности деталей твердость.
4. Износ ступеней из твердого серого чугуна оказался намного ниже, чем для
Рис. 6. Колесо после непрерывной работы в течение 16 часов (хорошо заметен неравномерный износ по уплотнению переднего диска и по выходному диаметру колеса)
ступеней из стандартного модифицированного серого чугуна.
5.Скорость износа ступеней из нирезиста при стендовых испытаниях оказалась на 20% меньше, чем для ступеней из «твердого» серого чугуна и на 66% меньше, чем для ступеней из стандартного серого чугуна.
6. Испытания на стандартной машине по исследованию износа подтвердили основные выводы, сделанные после испытаний на стенде по перекачке воды с проппантом: скорость износа ступеней из нирезиста составила 81% от скорости износа ступеней из «твердого» серого чугуна и 58% от скорости износа ступеней из стандартного чугуна.
Можно ли сказать, что полученные выводы говорят о безоговорочной возможности использовать твердый серый чугун для изготовления ступеней ЭЦН в износостойком исполнении? Конечно, нет! Ноуказанная информация позволяет сделать вывод о перспективности при-
Таблица 1. Показатели твердости материала рабочих колес
№ П/П ТИП СТУПЕНИ ТВЕРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЛЮ, (В РАЗЛИЧНЫХТОЧКАХ И СРЕДНЯЯ)
6
ЭЦН5-80-СЧ
ЭЦН5-80-СЧ
ЭЦН5-80-СЧ
ЭЦН5-80-НЧ
ЭЦН5-80-НЧ
ЭЦН5-80-НЧ
183, 197, 207, 219 = 201
179, 203,187, 221 = 197
185, 179, 207, 218 = 198
195, 213, 232, 207 = 212
183, 205, 197, 211 = 199
189, 209, 207, 219 = 206
менения этого вида материала и должна пройти всестороннюю проверку в промысловых условиях.
Описанная выше методика проведения стендовых и лабораторных исследований ступеней на износостойкость или разработанная в стенах РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина методика исследования коррозионной стойкости узлов и деталей нефтегазового оборудования предназначены для получения первоначальных данных, необходимых для создания новых видов оборудования и определения основных направлений промысловых исследований этого оборудования. Однако все эти данные, как и указывалось ранее, ни в коем случае не могут быть перенесены на промысловую практику и не могут дать ответ нефтяникам, какая конструкция, какой материал будут наиболее эффективными в тех или иных реальных условиях эксплуатации.
Ответ на эти вопросы сможет дать только Практика, которая является главным критерием истины.
Литература:
1. Б.Б.Круман. Глубиннонасосные штанги. М. Недра, 1977, стр.75.
Рис. 7. Колесо после непрерывной работы на стенде в течение 12 часов (хорошо виден неравномерный износ переднего диска и обода переднего уплотнения).
Примечание: СЧ - твердый серый чугун; НЧ - нирезист
1
2
3
4
5
