ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СТУПЕНИ ПОГРУЖНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Список литературы

1. Сорокин А.В., Сорокин В.Д., Сорокина М.Р. Структурный подход к изучению физико-химических свойств нефти. // В сб. «Моделирование технологических процессов нефтедобычи». -Тюмень: Издательство «Вектор-Бук», 2005, № 5. - С.91-93.

2. Сорокин А.В., Сорокин В.Д., Сорокина М.Р. Основные закономерности распределения начальных компонентов в составе подвижной нефти. // Известия вузов. Нефть и газ.- 2006.- N° 1.- С. 38-43.

3. Сорокин А.В., Сорокин В.Д. Учет физико-химических свойств составляющих пластовой нефти в методиках подсчета запасов и расчета процессов нефтеизвлечения. // Известия вузов. Нефть и газ. -Тюмень, 2005, № 6. - С.34-40.

4. Сорокин А.В., Сорокин В.Д., Сорокина М.Р. Взаимосвязь типа состава подвижной нефти с термобарическими условиями залежи на месторождениях Западной Сибири. // Известия вузов. Нефть и газ. - Тюмень, 2009, № 2. - С.59-63.

Сведения об авторах

Сорокин А.В., заместитель директора по научной работе, ООО «ОМЕГА-К», тел.:(3452) 30-16-89

Сорокин В.Д., к.т.н., генеральный директор, ООО «ОМЕГА-К», тел.: (3452) 30-16-89

Сорокина М.Р., к.т.н., доцент кафедры «Моделирование и управление процессом нефтегазодобычи», тел.: (3452) 20-23-52

Sorokin A. V., Deputy Director in scientific work, Limited Liability Company «OMEGA-K», phone: + 7(3425) 30-16-89

Sorokin V.D., Director General, Candidate of Technical Sciences, Limited Liability Company «OMEGA-K», phone: +7(3425) 30-16-89

Sorokina M.R. Candidate of Technical Sciences, assistant professor of Department «Modeling and control of the oil-and-gas production processes», phone: (3452) 20-23-52

УДК 622.276.53.054.23 ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СТУПЕНИ ПОГРУЖНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

О.М. Мирсаетов, Ю.В. Федоров, Б.Г. Ахмадуллин

(Альметьевский государственный нефтяной институт)

Осложненные условия эксплуатации, термопластичные полимеры, износ, влагопоглощение, термостойкость Complicated conditions of operation, thermoplastic polymers, operational characteristics, wear, moisture absorption, thermal stability

Peculiarities of thermoplastic polymeric materials application in the stage of submersible centrifugal pumps. Mirsaetov O., Fedorov Y., Akhmadullin B.

The paper reviews the influence of thermoplastic polymer composite materials on reducing the operational characteristics and defects formation in the elements and assemblies of the submersible centrifugal pumps stage when certain damages occur. The parameters of polymer composites, critical for the complicated operation conditions, are determined. A possibility of improvement of thermal stability of thermoplastic glass-nylon composites by method of nanostructurization is demonstrated. Methods of stabilization of impeller linear dimensions, reducing the friction coefficient and deviation of heat from the axial friction pair are proposed and experimentally proved. Fig. 2, tables 2, ref.4.

Применение методов интенсификации выработки трудноизвлекаемых запасов при разработке нефтяных месторождений сопровождается, как правило, изменением состояния продуктивного пласта, ростом обводненности скважинной продукции, изменением минерализации пластовых вод и разрушением породы коллектора. Эти процессы инициируют увеличение коррозионной активности извлекаемых флюидов и образование продуктов коррозии, образование и отложение солей и минералов, увеличение температуры насыщения нефти парафином и снижение интервала начала отложений асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО), активизацию выноса механических примесей, в том числе и техногенного происхождения, а также образование в пласте и призабойной зоне скважины вязких и

стойких водонефтяных эмульсий [1]. Следствием проявления осложнений являются интенсификация процессов отложения в проточных каналах элементов ступени погружных центробежных насосов продуктов коррозии, солей минералов, АСПО, механических примесей, интенсивный физический износ узлов трения ступени, нарастающий дисбаланс элементов и осложнения в работе насосных установок. Поэтому при выработке трудноизвлекаемых запасов значительно возрастают требования к устойчивости эксплуатационных характеристик элементов и узлов ступени.

Известно, что применение термопластичных стеклонаполненных полиамидов для элементов и узлов трения ступени в значительной мере решает проблему повышения их стойкости к проявлению осложнений. Рабочее колесо, выполненное из полимерных композиционных материалов, обладает малым весом и высокой коррозионной стойкостью. Проблема засорения проточных каналов солями, минералами, АСПО и механическими примесями решается из-за повышения чистоты поверхности каналов изготовлением рабочего колеса из двух сборочных единиц. Технология литья под давлением при изготовлении сборочных единиц рабочего колеса позволяет изготавливать детали с очень высокой точностью, что уменьшает дисбаланс конструкции [2].

Вместе с тем, накопленный промысловый опыт эксплуатации погружных многоступенчатых центробежных насосных установок в осложненных условиях, ступени которых оснащены элементами и узлами из термопластичных стеклонаполненных полиамидов, позволил выявить характерные дефекты, ограничивающие область их применения. Прежде всего, это заклинивание рабочего колеса и интенсивный износ антифрикционных шайб, сопровождающийся деструкцией рабочего колеса.

Цель данной работы - исследование влияния свойств термопластичных полиамидных композитов на эксплуатационные характеристики элементов и узлов ступени насосов, а также создание новых методов повышения устойчивости эксплуатационных характеристик элементов и узлов к проявлению осложнений.

При стендовом моделировании осложненных условий эксплуатации удалось установить, что основной причиной образования дефекта заклинивания рабочего колеса является увеличение линейных размеров конструкции. При этом главной проблемой является увеличение размеров рабочего колеса в радиальном направлении. Установлено, что заявленный производителем полимерных композиционных материалов уровень влагопоглощения обеспечивает эксплуатацию рабочего колеса без заклинивания только при низких значениях обводненности скважинной продукции. При значениях величин обводненности, превышающих 70%, увеличение линейных размеров рабочего колеса приводит к заклиниванию. Приведены сравнительные показатели по водопоглощению основных производимых угле-наполненных и стеклонаполненных термопластичных полиамидов (табл. 1).

Таблица 1

Свойства угленаполненных и стеклонаполненных термопластичных полимеров

Тип полимера Влагопоглощение, %

ПА-6УВ (угленаполненный) 7,0

ПА-66СВ (стеклонаполненный) 5,5

Проведенный комплекс исследований позволил предложить способ стабилизации линейных размеров рабочего колеса из термопластичных композиционных полимеров [3]. Решение основано на изготовлении рабочего колеса из трех сборочных единиц (рис. 1): основного диска (1), покрывного диска (2) и металлического диска (3), расположенных между основным и покрывным дисками. Диски соединены между собой через выступы, выполненные на лопатках диска (1) и входящие в отверстия в дисках (2) и (3). Данное решение позволяет значительно снизить уровень изменений размеров рабочего колеса в радиальном направлении, исключить дефект заклинивания при высоких значених величин обводненности скважинной продукции и применять для изготовления сборочных единиц термопластичные стеклонаполненные полиамиды с низкой влагостойкостью. Известно, что для снижения износа рабочего колеса и направляющего аппарата в осевом направлении обычно применяют антифрикционные шайбы (см. рис.1, поз. 5, 6), располагающиеся на поверхности основного диска и внизу покрывного диска рабочего колеса.

5 1

Рис. 1. Рабочее колесо погружного многоступенчатого насоса:

1 - основной диск; 2 - покрывной диск; 3 - металлический диск;

4 - выступы на лопатках основного диска; 5, 6 - антифрикционные шайбы

При стендовом моделировании процессов образования дефектов износа антифрикционных шайб и деструкции рабочего колеса установлено, что основными причинами их образования являются срывы подачи насоса. Возникающие при этом значительные нагрузки в зоне трения вызывают локальный разогрев полимера до температуры его размягчения и деструкцию. Быстрый нагрев нижней антифрикционной шайбы приводит к нагреву и деструкции рабочего колеса. Установлено также, что на некоторых режимах работы насоса, например, во время его пуска, при открытой задвижке, осевые силы, действующие на рабочее колесо, могут быть направлены вверх, что приводит к подъему рабочего колеса и интенсивному износу верхней антифрикционной шайбы.

Проведенный анализ триботехнических свойств стеклонаполненных полиамидов, термостойкости и теплопроводности позволил определить основные направления исследований по повышению устойчивости эксплуатационных характеристик элементов ступени к проявлению осложнений. Усилия авторов направлены на разработку методов снижения коэффициентов трения, повышения термостойкости, а также способов отвода тепла из зон трения.

Как правило, для снижения коэффициента трения термопластичных полимерных композиционных материалов и реализации идеи самосмазывающегося материала в полимер вводится значительное количество твердых, либо жидких смазок. К сожалению, у таких композиций происходит разрыхление структуры и резко ухудшаются физико-механические свойства. В ряде случаев, заметное снижение коэффициента трения (например, при введении 1020 % МоS2 в стеклонаполненный полиамид коэффициент трения снижается с 0,7 до 0,2) сопровождается не повышением износостойкости, а ее снижением.

В рамках данной работы проведена оценка возможности применения, для снижения коэффициента трения антифрикционных шайб из термопластичного стеклонаполненного полиамида, фторорганических веществ (ФВ). ФВ представляли производные изобутана с фторсодержащими органическими заместителями [4]:

Ш^с^ )п )т ^3 X \ CF(ORl

Триботехнические свойства стеклонаполненных полиамидов и стеклонаполненных полиамидов, модифицированных фторорганическими веществами, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Триботехнические свойства композитов

Тип полимера Коэффициент трения Износ полимерного образца, мг / ч Износ сопрягаемого чугунного контр-тела, мг/ч

ПА-66СВ стеклонаполненный 0,62 9,0 7,7

ПА-66СВ стеклонаполненный, модифицированный фтороргани-ческими веществами 0,32 0,9 0,4

Коэффициент трения снизился в 2 раза, а износ полимерного образца и сопрягаемого чугунного контр-тела - на порядок и более. Это объясняется тем, что фторорганические вещества в термопластичном полимерном материале шайбы способствуют более равномерному и более плотному распределению частиц наполнителя на контактирующей поверхности и в объеме.

Термостойкость стеклонаполненных полиамидов находится в пределах 250 °С и является сдерживающим фактором при применении этого материала в элементах и узлах ступени. Проведенные исследования по применению технологии пластического структурообра-зования стеклонаполненных полиамидов для увеличения его термостойкости позволили получить материалы с термостойкостью 270- 290 °С. Технология заключается в сдвиговом деформировании материала при температурах ниже температуры плавления в условиях высоких приложенных давлений. Процесс осуществлялся неоднократным продавливанием материала через каналы равного сечения, пересекающиеся под углом 90 При этом поддерживалась температура, равная температуре текучести полимера. Число деформационных переходов равнялось 32. Представляется, что полученные результаты указывают на перспективность данного направления и позволят совместить процессы увеличения термостойкости наполненных полиамидов и изготовления сборочных единиц рабочего колеса в едином цикле.

Основной причиной, ограничивающей применение полимеров в узлах трения, является их низкая теплопроводность. Вследствие чего происходит плохой отток тепла от трущихся поверхностей. При исследовании триботехнических свойств стеклонаполненных полиамида ПА-66СВ, модифицированного производными изобутана с фторсодержащими органическими заместителями, установлено, что температура саморазогрева снизилась от 75-80 °С до 55-60 °С, то есть часть энергии не переходит в тепло. Это объясняется тем, что на контактной поверхности антифрикционной шайбы создаются многослойные защитные слои из-за большого уплотнения пространственной структуры полярными группами фторорганиче-ских поверхностно-активных веществ с ярко выраженным синергетическим эффектом. В процессе контактной поверхностной деструкции композиционного полимерного материала осуществляется отрыв от поверхности только энергетически более слабых несимметричных молекул. Это дает возможность полностью развернуться симметричным молекулам фторор-ганических поверхностно-активных веществ, то есть осуществляется режим безрасходной смазки. Одновременно снижается температура трения из-за перевода части энергии, обычно переходящей в тепло, в энергию для разворачивания симметричных молекул производных изобутана с фторсодержащими органическими заместителями на поверхности контакта.

Значительное количество тепла может быть отведено при контакте нижней антифрикционной шайбы (6) с выступом (5) металлического диска (3), расположенного между основным (1) и покрывным дисками (2) рабочего колеса и жестко соединенного с ними (рис.2) [4]. Тепло от антифрикционной шайбы (6) отводится через металлический диск (3), расположенный между дисками рабочего колеса и омываемый перекачиваемой средой. Нижняя антифрикционная шайба и поверхность опорного бурта направляющего аппарата образуют пару трения.

6

Рис. 2. Пара трения в ступени погружного центробежного насоса:

1 - основной диск; 2 - направляющий аппарат; 3 - опорный бурт направляющего аппарата; 4 - металлический диск; 5 - нижняя антифрикционная шайба; 6 - верхняя антифрикционная шайба; 7 - выступы на металлическом диске

Данная пара трения работает с постоянным коэффициентом трения из-за однородной структуры полиамидного композита, реализует режим безрасходной смазки, отличается повышенной износостойкостью при значительном улучшении теплоотвода из зоны контакта, обеспечивает работоспособность пары трения в экстремальных условиях эксплуатации и позволяет повысить ресурс работы насоса в скважинах с осложненными условиями эксплуатации.

Промысловые испытания созданных технических решений проведены заменой в серийно выпускаемой насосной установке ЭЦН- 45 -1900 рабочих колес и антифрикционных шайб, изготовленных по базовым технологиям и из базовых материалов, на опытные. Испытания проводились на скв. 2874 Ижевского месторождения. По итогам проведенных испытаний установлено, что межремонтный период погружной многоступенчатой насосной установки увеличился в 2,5 раза.

Выводы

• На основе метода стендового моделирования установлено, что основными причинами снижения эксплуатационных характеристик и образования дефектов при применении термопластичных полиамидных композитов в элементах и узлах трения ступени является несоответствие свойств материалов по влагостойкости, термостойкости и теплопроводности условиям их эксплуатации при проявлении осложнений.

• Предложенный метод стабилизации линейных размеров рабочего колеса размещением между основным и покрывным дисками колеса металлического диска позволяет применять для изготовления дисков термопластичные стеклонаполненные полиамиды с величиной влагопоглощения < 5 %.

• Исследована возможность наноструктурирования термопластичных стеклонапол-ненных полиамидов методом сдвиговой деформации при высоких приложенных давлениях для повышения их термостойкости.

• Созданные методы отвода тепла от осевой пары трения ступени насоса отбором части тепла для разворачивания симметричных молекул производных изобутана с фторсо-держащими органическими заместителями, введенного в состав полимера шайбы, а также отводом другой части тепла через металлический диск из-за его контактирования через выступы с антифрикционной шайбой снижают коэффициент трения и вероятность деструкции рабочего колеса.

Список литературы

1. Мирсаетов О.М., Федоров Ю.В. Об одном критерии оптимизации кратности повторных кислотных обработок карбонатных коллекторов // Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов: Мат. II Междунар. науч. симпозиума. - В 2 т. - Т. 2. - М.: ОАО «Всерос. нефте-газ. науч. исслед. ин-т, 2009. - С. 202-205.

2. Мирсаетов О.М., Думлер Е.Б., Андрюшин В.М. и др. Пути повышения износо- и коррозийной стойкости элементов УЭЦН при сложных геолого-технических условиях эксплуатации // Эффективность разработки трудноизвлекаемых запасов нефти. Рос. научно-практ. конференция. - Ижевск, 2002.-С.158-160.

3. Патент № 2352823. Российская Федерация. Рабочее колесо погружного центробежного насоса / О.М. Мирсаетов, Повышев К.И., Абашев Р.Б. - Опубл. 20.04.2009, Бюл. № 11.

4. Мирсаетов О.М., Федоров Ю.В. Новые материалы и технологии для повышения износо-и коррозионной стойкости элементов и узлов многоступенчатых насосных установок // Нефть и газ Западной Сибири / Мат. Всерос. научно-технической конференции. - В 2т. - Т. 2. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. - С. 360-363.

Сведения об авторах

Мирсаетов О. М., к.т.н., доцент, кафедра «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», тел.: (8553) 310088, e-mail: mirsaetov@yandex.ru

Федоров Ю. В., аспирант кафедры «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», Альметьевский государственный нефтяной институт, тел.: (8553) 310088

Ахмадуллин Б. Г., аспирант кафедры «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», Альметьевский государственный нефтяной институт, тел.: (8553) 310088

Mirsataev O.M., Candidate of Technical Sciences, professor associate, Department «Development and opération of oil and gas fields», phone: (8553) 310088, e-mail: mirsaetov@yandex.ru

Fedorov Yu.V., postgraduate student, Department «Development and operation of oil and gas fields», Almetiev State Petroleum Institute, phone: (8553) 310088

Akhmadullin B.G., postgraduate student, Department «Development and operation of oil and gas fields», Almetiev State Petroleum Institute, phone: (8553) 310088