CC BY
27НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ
УДК 62-93:622.276.53
А.Н. Мусинский1,2, e-mail: Artem.Musinskii@novometgroup.com; В.Г. Островский1,2, e-mail: Victor.Ostrovskii@novometgroup. com; С.Н. Пещеренко1,2, e-mail: Sergei.Pesherenko@novometgroup.com
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (Пермь, Россия).
2 АО «Новомет-Пермь» (Пермь, Россия).
Перспективы развития вихревых газосепараторов c точки зрения энергоэффективности
В статье представлены результаты анализа конструкции и характеристик газосепараторов, применяющихся в качестве предвключенных устройств в составе установок электроцентробежных насосов для защиты установок от газа, с точки зрения соответствия отраслевым требованиям. Отмечено, что газосепараторы 1-го поколения (газосепараторы Ляпкова) обладают низкой сепарационной эффективностью и подвержены абразивному износу. Кроме того, потребляемая мощность этих газосепараторов в 2-3 раза превышает требуемую, достигая 1,4 кВт. Газосепараторы 2-го поколения (абразивостойкие) имеют улучшенную сепарационную характеристику и более высокую стойкость к воздействию механических примесей в сравнении с газосепараторами 1-го поколения, однако не соответствуют отраслевым требованиям по потребляемой мощности и эффективности сепарации. Газосепараторы 3-го поколения (вихревые) превосходят газосепараторы предшествующих поколений с точки зрения сепарационной характеристики и абразивной стойкости, потребляя при этом меньше электроэнергии. Наличие вихревой камеры в составе газосепараторов 3-го поколения позволяет разрабатывать устройства, рассчитанные как на малые, так и на большие подачи. Кроме того, вихревой газосепаратор может работать со всеми насосами в одном габарите. Таким образом, установлено, что газосепараторы 3-го поколения удовлетворяют рассмотренным отраслевым требованиям. В целях повышения качества оценки энергоэффективности газосепараторов авторами статьи разработан критерий энергоэффективности по аналогии с классами энергоэффективности для лопастных насосов и погружных электродвигателей. Данный критерий учитывает не только отношение потребляемой мощности к максимальному объему, но и отношение частоты вращения при эксплуатации к базовой частоте вращения. Использование предложенного критерия позволяет определить, к какому классу энергоэффективности относится устройство. В частности, установлено, что вихревые газосепараторы относятся к классу энергоэффективности e3.
Ключевые слова: вихревой газосепаратор, потребляемая мощность, абразивостойкость, сепарационная характеристика, энергоэффективность.
A.N. Musinskii1-2, Artem.Musinskii@novometgroup.com; V.G. Ostrovskii1-2, e-mail: Victor.Ostrovskii@novometgroup.com; P.N. Peshcherenko1,2, e-mail: Sergei.Pesherenko@novometgroup.com
1 State Federal-Funded Educational Institution of Higher Professional Training "Perm National Polytechnic University" (Perm, Russia).
2 Novomet-Perm JSC (Perm, Russia).
Prospects for the Development of Vortex Gas Separators in Terms of Energy Efficiency
The article presents the results of the analysis of the design and characteristics of gas separators used as upstream devices in the installation of electric centrifugal pumps to protect the pumps from gas, in terms of compliance with industry requirements. It is noted that first generation gas separators (Lyapkov gas separators) have low separation efficiency and are subject to abrasion. In addition, the power consumption of these gas separators is 2-3 times higher than the required, reaching 1.4 kW. Second generation gas separators (called abrasion-resistant) have improved separation characteristics and higher resistance to mechanical impurities in comparison with the first generation gas separators, but do not meet industry requirements for power consumption and separation efficiency. Third generation gas separators (vortex) are superior to previous generation gas separators in terms of separation characteristics and abrasion resistance, while consuming less electricity. The presence of a vortex chamber in the composition of gas separators of the third
38
№ 9 сентябрь 2019 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
PUMPS. COMPRESSORS
generation allows the development of devices designed for both small and high flowrate. In addition, the vortex gas separator can work with all pumps in one dimension. Thus, it was found that third generation gas separators satisfy the industry requirements considered.
In order to improve the quality of energy efficiency assessment of gas separators, the authors of the article developed an energy efficiency criterion by analogy with the energy efficiency classes for vane pumps and submersible motors. This criterion takes into account not only the ratio of power consumption to the maximum volume, but also the ratio of the operating speed to the base speed. Using the proposed criterion allows you to determine which class of energy efficiency the device belongs to. In particular, it was found that vortex gas separators belong to the energy efficiency class e3.
Keywords: vortex separator, power consumption, abrasion resistance, separation characteristic, energy efficiency.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в российской нефтегазовой отрасли реализуются два основных направления развития. Первое заключается в интенсификации добычи трудноизвлекаемых запасов нефти, обычно с помощью гидроразрывов или повышения депрессии на пласт. Характерной чертой этого пути развития является то, что процесс нефтедобычи сопровождается множеством осложняющих факторов, таких как большой объем выноса механических примесей, высокая концентрация газа на входе в насос, низкое давление на входе, отложение солей и парафина на стенках насосно-компрессорных труб (НКТ) и т. д. Второе направление заключается в разработке новых месторождений (чаще морских) и характеризуется большими объемами добычи нефти, однако требует значительных капитальных вложений.
Более 70 % скважин в России оборудовано установками электроцентробежных насосов (УЭЦН) [1-3]. К числу факторов, осложняющих эксплуатацию оборудования данного вида, относится попадание газа в насос. Согласно исследованиям [4], предельная концентрация газа, не приводящая к падению напора, составляет 25 % для насосов со ступенями радиального типа и 35 % - для насосов со ступенями диагонального типа. Впрочем, исследования [5, 6] свидетельствуют о том, что даже концентрация газа в 10-15 % приводит к падению напора при низких входных давлениях и высокой обвод-
ненности. В связи с этим на практике перед погружным насосом устанавливают газосепаратор как самое эффективное средство для борьбы с газом [7] даже в скважины, в которых газа нет. В то же время некоторыми авторами [8] сделан вывод, что при перекачке смеси нефти с песком скорость изнашивания газосепаратора выше, чем при перекачке смеси «нефть + газ + песок». В ряде случаев высокая концентрация песка вызывает разрушение защитной гильзы, а затем и корпуса газосепаратора [9-11], что в дальнейшем приводит к падению нижней части УЭЦН на забой скважины. Ремонт скважины в таком случае является очень длительной и дорогостоящей операцией. Следовательно, перед современными газосепараторами ставятся следующие задачи:
1) эффективная сепарация газа как на низкодебитных (на суше), так и на высокодебитных (на море) месторождениях. В насос после газосепаратора должна попасть смесь с концентрацией газа, не превышающей 25 %, а на входе в газосепаратор концентрация газа в смеси должна быть не менее 55 % (в этом случае коэффициент сепарации должен составлять 0,7). Кроме того, устройство должно создавать положительный напор во всем рабочем диапазоне подач для предотвращения попадания пластовой жидкости в полость устройства через выкидные отверстия [12];
2) способность сохранять рабочие характеристики во времени. В течение
всего периода гарантийной эксплуатации газосепаратор должен обеспечивать сохраняемость напорно-расходной сепарационной и мощностной характеристик [9];
3)устойчивость к гидроабразивному износу. Износ деталей газосепаратора на протяжении гарантийного срока не должен привести к разрушению его корпуса во избежание полета установки на забой;
4) в последнее время к газосепараторам предъявляются требования по энергоэффективности [13]. При высоких значениях коэффициентов сепарации, создаваемого давления и абразивной стойкости необходимо, чтобы потребляемая мощность газосепаратора не превышала 0,3-0,5 кВт в зависимости от габарита.
В рамках исследования, результаты которого представлены в данной статье, авторы поставили перед собой цель определить перспективы развития энергоэффективных газосепараторов в качестве предвключенного устройства в составе УЭЦН для защиты установки от газа.
Для достижения данной цели исследователями были сформулированы следующие задачи:
1) провести анализ конструкции и характеристик существующих газосепараторов на соответствие предъявленным требованиям;
2) определить конструкции газосепараторов, являющихся энергоэффективными, с уровнем потребляемой мощности не более 0,5 кВт;
Ссылка для цитирования (for citation):
Мусинский А.Н., Островский В.Г., Пещеренко С.Н. Перспективы развития вихревых газосепараторов c точки зрения энергоэффективности // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2019. № 9. C. 38-49.
Musinskii A.N., Ostrovskii V.G., Peshcherenko P.N. Prospects for the Development of Vortex Gas Separators in Terms of Energy Efficiency. Territorija "NEFTEGAS" [Oil and Gas Territory]. 2019;(9):38-49. (In Russ.)
НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ
J- У I..1
1 2 3
ЕС
О Ф
х "с
СО .¡= 10 <11
Ol
Ё » го
S QJ
CL 4J
си с
се о
о U
2 го
100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40
X
• А \ 1
А
Рост — \ 2Ь% :\ А
\ \ X > А А А
• • X X А
Л \ А А
• \ в ■ X
• • • • ч ■
■
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Подача по смеси, м3/сут Flowrate through a mixture, m3/day
• 1-е поколение газосепараторов 1st generation of a gas separators
2-е поколение газосепараторов 2nd generation of a gas separators
3-е поколение газосепараторов (большие подачи) 3d generation of a gas separators (high fLowrate)
x 3-е поколение газосепараторов (малые подачи) 3d generation of a gas separators (low flowrate)
Рис. 2. Зависимость максимального газосодержания на входе при остаточной концентрации газа 25 % от подачи по смеси различных поколений газосепараторов 5-го габарита Fig. 2. The dependence of the maximum gas content at the inlet with a residual gas concentration of 25 % of the flowrate through a mixture of different generations of gas separators of 400 series
Рис. 1. Конструкция газосепаратора 1-го
поколения (газосепаратор Ляпкова):
1 - шнек постоянного шага; 2 - кавитирующее
колесо; 3 - барабаны
Fig. 1. Design of a gas separator of the 1st
generation (Lyapkov' gas separator):
1 - constant pitch auger; 2 - cavitating wheel;
3 - drums
3) провести сепарационные и ресурсные испытания энергоэффективных газосепараторов;
4) разработать критерий, по которому определяется энергоэффективность газосепаратора.
КОНСТРУКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОГРУЖНЫХ ГАЗОСЕПАРАТОРОВ Погружной газосепаратор Ляпкова (первое поколение газосепараторов) Первая и до сих пор широко применяемая конструкция газосепаратора была разработана П.Д. Ляпковым в 1954 г. [14]. На рис. 1 представлена типичная конструкция газосепаратора 1-го поколения. Газожидкостный поток поступает на шнек постоянного шага 1, в котором происходят повышение давления и предварительная закрутка и прокачка смеси. Затем поток проходит через кавитирующее колесо 2, предназначенное для объединения мелких пузырьков газа в газовую каверну [15] для более легкого разделения в барабанах 3. Барабаны 3 состоят из четырех лопастей, перпендикулярных поверхности втулки. За счет вращения лопастей барабанов создается центростремительная сила, оттесняющая жидкость на периферию, причем газ скапливается в центре у вала. Затем газ из центра через головку-разделитель сбрасывается в затрубное пространство скважины, а дегазированная жидкость с периферии через другие каналы головки разделителя направляется на вход в центробежный насос. На сегодняшний день существует множество модификаций каждой детали
газосепаратора Ляпкова, все они нацелены на увеличение коэффициента сепарации и абразивной стойкости. Работы [7, 9, 16] позволили обобщить на рис. 2 экспериментальные данные сепарационных исследований различных производителей и модификаций газосепаратора 1-го поколения. На рисунке отражено, что рабочий диапазон подач составляет 30-250 м3/сут, и максимальное газосодержание, с которым может работать данный тип газосепараторов, уменьшается с увеличением подачи и находится в диапазоне 40-84 %.
Анализ конструкции газосепараторов 1-го поколения позволяет сделать вывод, что потребляемая ими мощность будет достаточно высокой, поскольку, во-первых, для сепарации и прокачки газожидкостного потока применяются три детали, а во-вторых, длина, а соот-
ветственно, и масса ротора довольно велики. На рис. 3 видно, что потребляемая мощность газосепаратора 1-го поколения значительно превышает требуемую мощность 0,5 кВт и изменяется в диапазоне 1,0-1,4 кВт. Помимо больших значений потребляемой мощности у газосепаратора Ляпкова есть еще один существенный недостаток. Применение кавитирующего колеса подразумевает создание газовой каверны и вихреобразование за лопастью колеса, а, как известно, в вихрях накапливаются механические примеси и происходит постоянное ударное воздействие на детали газосепаратора в этой зоне [17]. На рис. 4 представлены результаты ресурсных испытаний: видно, что разрушение защитной гильзы и корпуса и накопление механических примесей происходят в районе установки кавитирующего колеса.
40
№ 9 сентябрь 2019 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
• Более 200 брендов продукции от ведущих мировых производителей
22-24 октября 2019
Москва, МВЦ «Крокус Экспо»
РСИЕХРО
18-я Международная выставка «Насосы. Компрессоры. Арматура. Приводы и двигатели»
Получите бесплатный электронный билет, указав промокод: М89-НУ-3642
Организатор
Соорганизатор
ММ Международная ^^М ^^ Выставочная
Компания «РАПН
5
I +7 (495) 25211 07 3 pcvexpo@mvk.ru
• Более 2800 посетителей - конечных потребителей-представителей предприятий нефтегазовой и химической промышленности, машиностроения, металлургии, водоснабжения, а также дилеров промышленного оборудования
Большой опыт эксплуатации газосепараторов 1-го поколения позволяет получить достаточно точные данные о средней наработке на отказ на осложненных механическими примесями месторождениях на примере месторождений Казахстана. Так, на рис. 5 видно, что средняя наработка газосепараторов 1-го поколения не превышает 300 сут. На рис. 6 отражен самый частый вид отказа газосепаратора 1-го поколения. Наработка составила 141 сут, дебит жидкости при стабильной работе -130 м3/сут, газовый фактор - 39 м3/м3, содержание механических примесей в процессе эксплуатации - 27 мг/л, причина остановки - полет по корпусу газосепаратора.
Таким образом,серьезные проблемы, связанные с гидроабразивным износом деталей газосепаратора 1-го поколения, поставили отрасль перед необходимостью разработки абразивостойкого газосепаратора.
Абразивостойкий газосепаратор (второе поколение газосепараторов)
Известно, что все лопастные насосы создают центробежную силу [18]. Этот эффект был взят за основу при проектировании абразивостойкого газосепаратора 2-го поколения: решено было убрать три вращающиеся детали и оставить одну - шнек, но особой геометрии [19]. Центробежная сила, создаваемая шнеком, позволяет отделить газ от жидкости, а напор, создаваемый шнеком, дает возможность прокачать газожидкостный поток и не допустить подсасывания газа через выкидные отверстия в головке-разделителе. Однако, поскольку в составе скважинного флюида содержатся механические примеси, они в первую очередь прижимаются к защитной гильзе и разрушают ее, а затем и корпус. В связи с этим в газосепараторе 2-го поколения шнек выполнен с переменным шагом лопасти, образующей с осью вращения в меридиональном сечении постоянный или монотонно уменьшающийся от входа к выходу угол в диапазоне от 90 до 30° (рис. 7). Таким образом, в первую очередь разрушается лопасть газосепаратора и лишь затем -защитная гильза и корпус. Данная конструктивная особенность позволила
1,8 1,6
0-10 100 200 300 400 500 600
Подача жидкости, м3/сут Fluid flowrate, m3/day
• 1-е поколение газосепараторов 1st generation of a gas separators
2-е поколение газосепараторов 2nd generation of a gas separators
3-е поколение газосепараторов (большие подачи) 3d generation of a gas separators (high fLowrate)
x 3-е поколение газосепараторов (малые подачи) 3d generation of a gas separators (low fLowrate)
Рис. 3. Зависимость потребляемой мощности от подачи газосепараторов 5-го габарита различных поколений
Fig. 3. The dependence of power consumption on the flowrate of gas separators 400 series of various generations
Рис. 4. Величина износа и концентрация накопившихся механических примесей по длине газосепаратора 1-го поколения
Fig. 4. The amount of wear and concentration of accumulated mechanical impurities along the length of the first generation gas separator
PUMPS. COMPRESSORS
Время безотказной работы, % Uptime, % к-* I—* ГО LO -fv U"l ОЧ --J OO kO О ooooooooooo
Jnjil т
^_ T
2C >0 4( )0 600 800 1000 1200 1400 1600 Наработка, сут Time between failures, days
Рис. 5. Время безотказной работы газосепаратора Ляпкова Fig. 5. The uptime of the Lyapkov gas separator
Рис. 6. Места сквозного износа защитной гильзы и корпуса газосепаратора 1-го поколения на одном из месторождений РФ
Fig. 6. Places of through wear of the sleeve and the gas separator housing of the 1st generation at one of the fields of the Russian Federation
существенно увеличить наработку газосепараторов на отказ. На рис. 2 представлена аппроксимирующая кривая, характеризующая эффективность сепарации 2-го поколения газосепараторов по результатам сепа-рационных испытаний абразивостойких газосепараторов разных конструкций.
Видно, что кривая, отражающая сепа-рационную характеристику газосепараторов 2-го поколения, проходит выше кривой, отражающей аналогичную характеристику газосепараторов 1-го поколения. Это можно объяснить тем, что при применении только шнека в газосепараторе 2-го поколения не проис-
ходит вихреобразования в переходных зонах между шнеком и кавитирующим колесом и между кавитирующим колесом и барабанами в отличие от газосепараторов 1-го поколения. Как известно, наличие вихрей в проточных каналах газосепаратора приводит к перемешиванию газожидкостного потока и ухудшению сепарации [17]. На рис. 3 показаны результаты исследований потребляемой мощности газосепараторов 2-го поколения при испытании на воде. Видно, что потребляемая мощность газосепаратора изменяется от 0,6 до 1,0 кВт, что также не соответствует требованиям отрасли (не более 0,5 кВт). Однако потребляемая мощность газосепаратора 2-го поколения в 1,5 раза ниже, чем у газосепаратора 1-го поколения, и на одной скважине за год удается сэкономить около 3,5 МВт.ч. Меньшее значение потребляемой мощности у газосепараторов 2-го поколения в сравнении с газосепараторами 1-го поколения обусловлено уменьшением числа и массы вращающихся деталей на роторе устройства, а соответственно, его длины и себестоимости.
Исследования абразивостойкого газосепаратора на ресурс подтвердили его высокую надежность в сравнении с газосепаратором Ляпкова. На рис. 8 видно, что детали (шнек, защитная гильза) не имеют сквозных отверстий, заметен износ лопастей шнека в средней части. Время испытаний устройства на смеси «вода + кварцевый песок» составило 50 ч, что в пять раз больше времени испытания газосепаратора Ляпкова до отказа.
На рис. 9 отражена величина износа по длине защитной гильзы абразивостойкого газосепаратора. Максимальный износ наблюдается на входе, что объясняется скоростью потока (подачей) перекачиваемой среды [8]. Ожидаемую эксплуатационную наработку защитной гильзы (Т, ч) можно вычислить по формуле:
где т - толщина гильзы, мм; 5 - максимальная скорость износа гильзы, мм/ч; 5 = Ь/V, причем Ь - максимальная потеря
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 9 September 2019
43
НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ
Рис. 7. Конструкция газосепаратора 2-го поколения (геликоидальный шнек) Fig. 7. Design of a gas separator of the 2nd generation (helicoidal auger)
2,5
i Е
J Е 2,0
s . ^ C/V
X »Л í tu н с 1,5
я 1,0
S +J 3" =1 * S £ * 0,5 0 Направление потока Flow direction
27 24 21 18 15 12 9 Длина гильзы, см Sleeve length, cm 6 3 0
Рис. 9. Изменение толщины защитной гильзы по длине газосепаратора после 50 ч ускоренных ресурсных испытаний
Fig. 9. Changing the thickness of the protective sleeve along the length of the gas separator after 50 hours of accelerated life tests
1 2 3 4
Рис. 10. Конструкция газосепаратора 3-го поколения (вихревой газосепаратор): 1 - входной модуль; 2 - шнек; 3 - вихревая камера; 4 - головка-разделитель Fig. 10. Design of a gas separator of the 3d generation (vortex gas separator): 1 - intake section; 2 - auger; 3 - vortex chamber; 4 - separator
толщины защитной гильзы, мм; V - время проведения испытаний, ч; п - расчетная частота вращения вала; 336 - эмпирический коэффициент, пересчитывающий стендовую наработку устройства на среднюю эксплуатационную. Расчетная эксплуатационная наработка самого слабого места (защитная гильза) в абразивостойком газосепараторе 2-го поколения составляет 26558 ч, или 1106 дней, или 3,03 года при частоте вращения 3500 об/мин и концентрации взвешенных частиц во флюиде 1 г/л. Разработка газосепаратора 2-го поколения позволила решить ряд серьезных проблем, однако на сегодняшний день все еще случаются остановки УЭЦН по причине срыва подачи по газу, то есть газосепараторы не справляются, необходимо улучшить сепарационную характеристику устройств, а также снизить потребляемую мощность до значений, не превышающих 0,5 кВт.
Вихревые газосепараторы (третье поколение газосепараторов)
На рис. 10 представлена конструкция вихревого газосепаратора [20, 21]. Принцип его работы заключается в следующем: газожидкостный поток поступает на короткий шнек 2, который прокачивает смесь, создавая положительный напор, при этом происходит закрутка потока. Закрученная газожидкостная смесь после шнека поступает в вихревую камеру 3, в которой вращается по спирали. За счет спиралевидного движения на смесь постоянно воздействует центробежная сила, прижимающая жидкость к периферии и концентрирующая газ в центре у вала.
Через головку-разделитель 4 жидкость подается на вход в насос, а газ через отверстия сбрасывается в затрубное пространство скважины. Наличие вихревой камеры позволяет разрабатывать устройства, рассчитанные как на малые, так и на большие подачи. Это связано с тем, что в газосепараторах 1-го и 2-го поколений при увеличении скорости потока (числа
Рис. 8. Внешний вид шнека и защитной гильзы газосепаратора 2-го поколения после 50 ч ускоренных ресурсных испытаний Fig. 8. Appearance of auger and protective sleeve of a gas separator of the 2nd generation after 50 hours of accelerated life tests
Рейнольдса) во вращающихся элементах происходит вихреобразование, приводящее к увеличению сопротивления и ухудшению сепарации. У вихревых газосепараторов, рассчитанных на большие подачи, шнек длиннее, чем у газосепаратора, рассчитанного на малые подачи.Удлиненный шнек обеспечивает положительный напор во всем рабочем диапазоне подач.
44
№ 9 сентябрь 2019 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
XXIII МЕЖДУНАРОДНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ГАЗОВОГО ХОЗЯЙСТВА
В РАМКАХ IX ПЕТЕРБУРГСКОГО МЕЖДУНАРОДНОГО ГАЗОВОГО ФОРУМА
/II
ОФИЦИАЛЬНАЯ ПОДДЕРЖКА ВЫСТАВКИ: н
1-:
октября
2 0 19
| НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ | ЦИФРОВЫЕ РЕШЕНИЯ
■ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ
ОРГАНИЗАТОР ПЕТЕРБУРГСКОГО МЕЖДУНАРОДНОГО ГАЗОВОГО ФОРУМА:
ЕХРОКЖиМ
ОРГАНИЗАТОР ВЫСТАВКИ:
РО
®
РРЮРЕ8510Г\1А1- ЕХН1ВШОП1 Б СОЫБВЕББ ОВДАМгЕЯ
Тел/факс: +7 (812) 777-04-07; 718-35-37 Е-таН: gas2@farexpo.ru www.rosgasexpo.ru
ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПАРТНЕР ВЫСТАВКИ:
ГАЗОВАЯ
ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
ТЕРРИТОРИЯ
НЕФТЕГАЗ
коррозия
МЕСТО ПРОВЕДЕНИЯ:
г. Санкт-Петербург, КВЦ «ЭКСПОФОРУМ», павильон (2
100
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600
Подача по смеси, м3/сут Flowrate through a mixture, m3/day
2-е поколение газосепараторов 2nd generation of a gas separators
3-е поколение газосепараторов (большие подачи) 3d generation of a gas separators (high flowrate)
* 3-е поколение газосепараторов (малые подачи)
3d generation of a gas separators (low flowrate)
Рис. 11. Рабочие зоны по подаче и газосодержанию линейки насосов в 5-м габарите совместно с вихревым газосепаратором (на малые и большие подачи)
Fig. 11. Working areas for the flowrate and gas content of the line of pumps in 400 series together with a vortex gas separator (for small and large flows)
1
T
а) a) б) b)
Рис. 12. Внешний вид после ресурсных испытаний: а) шнек; б) защитная гильза Fig. 12. Appearance after life tests: a) auger; b) protective sleeve
На рис. 2 представлены результаты сепарационных испытаний газосепараторов 3-го поколения, рассчитанных на малые и на большие подачи. Сепара-ционная характеристика вихревого газосепаратора, рассчитанного на малые подачи, превосходит характеристики газосепараторов 1-го и 2-го поколений, причем с увеличением подачи превосходство становится значительнее, что связано со струйным спиралевидным движением смеси в проточной зоне с увеличением скорости потока. Сепарационная характеристика вих-
ревого газосепаратора, рассчитанного на большие подачи, уступает характеристике других газосепараторов до подачи 200 м3/сут, однако на подачах, превышающих 200 м3/сут, вихревой газосепаратор является самым эффективным устройством для отделения газа от жидкости.
Кроме того, вихревой газосепаратор является единственным устройством, которое может работать со всеми насосами в одном габарите. К примеру, на рис. 11 предоставлены рабочие диапазоны подач различных насосов
5-го габарита, а по оси ординат указано максимальное газосодержание, с которым могут работать эти насосы в связке с вихревыми газосепараторами. Максимальная концентрация газа, с которой может работать насос совместно с вихревым газосепаратором, определяется пересечением сепараци-онной характеристики газосепаратора и границ рабочего диапазона насоса. Видно, что вихревой газосепаратор, рассчитанный на малые подачи, позволяет эксплуатировать насос 5-15 для перекачки газожидкостной смеси с концентрацией газа на входе до 90 %, при этом в насос поступит 25 % газа (Рост = 25 %), что допустимо и не приведет к срыву подачи. Вихревой газосепаратор, рассчитанный на большие подачи, рационально применять с насосами с оптимальной подачей 200 м3/сут и более: в таком случае насос 5-200 можно будет эксплуатировать для перекачки смеси с концентрацией газа не более 67-71 % в зависимости от подачи, а насос 5-500 - с концентрацией не более 55-62 %.
Применение короткого шнека в газосепараторе 3-го поколения позволяет уменьшить массу ротора и площадь кон-
PUMPS. COMPRESSORS
f t
4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
~w -w
H an(i aRA —* PHP IP n ото ка
F ow dirt :cti on
uiLnmoooc\imvooocvjvoc\jr-io\4i-r-iincvja!m
Длина гильзы, см Sleeve length, cm
До
Before
После After
Рис. 13. Изменение толщины защитной гильзы по длине вихревого газосепаратора после 50 ч ускоренных ресурсных испытаний
Fig. 13. Changing the thickness of the protective sleeve along the length of the vortex gas separator after 50 hours of accelerated life tests
такта жидкости и шнека, следствием чего является снижение потребляемой мощности устройства (рис. 3). Видно, что у вихревых газосепараторов, рассчитанных на малые подачи, значение потребляемой мощности снижается с ростом скорости потока с 0,37 до 0,25 кВт, и это значение в 2-3 раза ниже аналогов. Потребляемая мощность газосепаратора, рассчитанного на большие подачи, тоже монотонно снижается с увеличением скорости потока, и значения схожи с аналогами, но вихревой газосепаратор рассчитан на большие подачи в отличие от аналогов. Также использование короткого шнека способствует снижению риска разрушения корпуса газосепаратора абразивными частицами. На рис.12 представлены фото разобранного вихревого газосепаратора после гидроабразивных испытаний. Видно, что есть небольшая эрозия на лопастях шнека и кольцевой износ защитной гильзы на входе, однако в целом детали устройства в работоспособном состоянии и пригодны для дальнейшей эксплуатации. На рис. 13 представлены результаты замеров толщины защитной гильзы вихревого газосепаратора по длине после проведения гидроабразивных испытаний. Видно, что за 50 ч испытаний максимальная величина износа составила 0,4 мм, на основе чего можно рассчитать скорость износа и эксплуатационную наработку на отказ. Расчетная эксплуатационная наработка самого слабого места (защитной гильзы) вихревого газосепаратора 3-го поколения составляет 72916 ч, или 3038 дней, или 8,32 года, при частоте вращения 3500 об/мин и концентрации взвешенных частиц во флюиде 1 г/л. На рис. 13 видно два локальных максимума износа защитной гильзы. Первый, на расстоянии 5-20 мм от входа в шнек, обусловлен тем, что абразив не весь выносится шнеком и остается в зоне между входным модулем и шнеком, постоянно ударно воздействуя на защитную гильзу. Второй максимум находится на расстоянии 400 мм от входа (выход из шнека) и связан с тем, что обтекание потоком лопастей шнека сопровождается созданием следа Кармана (вихре-образование), накоплением в этой зоне
механических примесей и, как следствие, большим износом.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
ГАЗОСЕПАРАТОРОВ
На сегодняшний день в отрасли нет четких определений и формул, позволяющих рассчитать энергоэффективность газосепараторов и присвоить им класс энергоэффективности. Следовательно, необходимо предложить критерий, характеризующий энергоэффективность устройства, и определить требуемые параметры для понимания того, какие значения энергоэффективности будут максимальными. (Стоит отметить, что для погружных насосов и двигателей такой критерий существует [22].) К числу основных параметров, влияющих на энергоэффективность и значения потребляемой мощности газосепаратора при эксплуатации, относятся:
1) максимальная потребляемая мощность И, Вт;
2) максимальная подача устройства, при которой напор й устройства положительный, м3/сут;
3) частота вращения вала п, об/мин;
4) диаметр (габарит) газосепаратора D, мм. Поскольку изменение диаметра устройства приведет к изменению максимальной подачи, этот параметр можем не учитывать;
5) коэффициент сепарации на максимальной подаче К, д. ед.
Обычно для определения класса энергоэффективности бытовых устройств используют простое отношение потребляемой мощности к максимальному объему (холодильной камеры, барабана и т. п.) [23]. В нашем случае необходимо добавить в знаменатель показатели эффективности и куб отношения частоты вращения при эксплуатации к базовой частоте вращения.
Для определения значения энергоэффективности Э решим уравнение:
Основываясь на российских требованиях нефтегазовой отрасли к газосепараторам (И « 500 Вт, й = 250 м3/сут для насосов 5-го габарита, К=0,7), рас-
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 9 September 2019
47
Класс энергоэффективности погружных газосепараторов Energy efficiency class of the submersible gas separators
Класс энергоэффективности Energy efficiency class e3 e2 el e0
Значение энергоэффективности Energy efficiency value < 3,43 3,43-4,55 4,55-5,67 > 5,67
считаем значение энергоэффективности для эксплуатации при 2910 об/мин:
э-_а_-
\ п ) ч2910у
500 о ОС
=-;-^-;-тг = 2,86
(2910Л (2910V
250- - -0,7- -
12910) V2910у
Зная требуемое значение энергоэффективности газасепараторов, можем присвоить ему максимальный класс энергоэффективности (е3). Согласно [23] можем присвоить другим классам остальные значения энергоэффективности (табл. 1).
Воспользуемся формулой 2, чтобы определить значение и установить, к какому классу энергоэффективности относится каждое поколение газосепараторов. Получим следующий результат:
• газосепаратор 1-го поколения (Ляп-кова) - 8,6 (е0);
• газосепаратор 2-го поколения (абра-зивостойкий) - 5,1 (е1);
• газосепаратор 3-го поколения (вихревой на малые подачи) - 2,3 (е3);
• газосепаратор 4-го поколения (вихревой на большие подачи) - 1,9 (е3).
ВЫВОДЫ
Был проведен анализ конструкции и характеристик существующих газосепараторов на соответствие предъявляемым нефтегазовой отраслью требованиям. Отмечено, что газосепараторы 1-го поколения, до сих пор применяющиеся для отделения газа от жидкости, обладают самой низкой сепарационной эффективностью и подвержены абразивному износу. Кроме того, потребляемая мощность этих газосепараторов составляет 1,0-1,4 кВт, что в 2-3 раза больше требуемой.
Газосепараторы 2-го поколения имеют улучшенную сепарационную характеристику, более высокую абразивную стойкость в сравнении с газосепараторами 1-го поколения, но при этом не соответствуют требованиям отрасли
по потребляемой мощности и эффективности сепарации. Газосепараторы 3-го поколения превосходят газосепараторы 1-го и 2-го поколений по сепарационной характеристике, абразивной стойкости и при этом потребляют меньше электроэнергии. Таким образом, газосепараторы 3-го поколения соответствуют всем указанным отраслевым требованиям. В целях определения энергоэффективности газосепараторов был разработан и предложен критерий энергоэффективности по аналогии с бытовыми приборами, позволяющий установить, к какому классу энергоэффективности относится конструкция устройства. В соответствии с предложенным критерием вихревые газосепараторы имеют класс энергоэффективности е3. Таким образом, вихревые газосепараторы 3-го поколения имеют ряд весомых преимуществ в сравнении с устройствами 1-го и 2-го поколений. На сегодняшний день вихревые газосепараторы применяются не так широко, как они того заслуживают. В ближайших перспективах видится более широкое использование вихревых газосепараторв в качестве предвключенных устройств для защиты УЭЦН.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00616.
Литература:
1. Ануфриев С.Н., Каплан А.Л. Погорелов С.В. Опыт эксплуатации УЭЦН в условиях повышенного содержания мехпримесей // Инженерная практика. 2011. № 2 [Электронный источник]. Режим доступа: https://gLavteh.ru/опыт-эксплуатации-уэцн-в-осложненных/ (дата обращения: 25.09.2019).
2. Боловин Е.В., Глазырин А.С. Метод идентификации параметров погружных асинхронных электродвигателей установок электроприводных центробежных насосов для добычи нефти // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328. № 1. С. 123-131.
3. Букреев В.Г., Сипайлова Н.Ю., Сипайлов В.А. Стратегия управления электротехническим комплексом механизированной добычи нефти на основе экономического критерия // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328. № 3. С. 75-84.
4. GuLich J.F. CentrifugaL Pumps. 2nd édition. Berlin - HeideLberg: Springer-VerLag, 2010. 964 p.
5. Marquez R. ModeLing DownhoLe NaturaL Separation. A thesis for a Doctor of PhiLosophy degree in the Petroleum Engineering. TuLsa: The University of TuLsa, 2004.
6. CiriLo R. Air-Water FLow through ELectric SubmersibLe Pumps. Master of Science thesis. TuLsa: The University of TuLsa, 1998.
7. Деньгаев А.В. Повышение эффективности эксплуатации скважин погружными центробежными насосами при откачке газожидкостных смесей: дис. ... канд. техн. наук. М., 2005. 168 с.
8. Островский В.Г., Перельман М.О., Пещеренко С.Н. Механизм гидроабразивного разрушения погружных газосепараторов // Нефтяное хозяйство. 2013. № 5. С. 100-102.
9. Мусинский А.Н., Перельман М.О., Пещеренко С.Н. и др. Исследование характеристик абразивостойких газосепараторов в промысловых и стендовых условиях // Экспозиция Нефть Газ. 2017. № 3 (56). С. 56-59.
10. Деньгаев А.В., Дроздов А.Н., Вербицкий В.С. Исследование причин полетов газосепараторов в составе УЭЦН // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2005. № 11. С. 50-53.
11. Деньгаев А.В., Дроздов А.Н., Вербицкий В.С. и др. Анализ работы центробежных газосепараторов в ОАО «Юганск-нефтегаз» // Нефтяное хозяйство. 2006. № 2. С. 86-88.
12. Мусинский А.Н. Сепарационная характеристика современных центробежных погружных газосепараторов // Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горношахтного и нефтепромыслового оборудования. 2018. Т. 1. С. 282-287.
13. Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Деговцов А.В. и др. Вопросы энергоэффективности установок электроприводных центробежных насосов // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2016. № 4. С. 25-30.
PUMPS. COMPRESSORS
14. Ляпков П.Д. Опыт создания газосепаратора для погружного центробежного насоса // Труды ВНИИ. 1959. Вып. 22. С. 39-58.
15. Dunbar C.E. Determination of Proper Type of Gas Separator. Presented at the Microcomputer Applications in Artificial Lift Workshop, SPE Los Angeles Basin Section. Los Angeles, 1989.
16. Халиков Р.С. Математическое моделирование работы установок электроцентробежных насосов в добывающей скважине с высоким газовым фактором на основе данных промысловых исследований // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 3. С. 54-62.
17. Wilson B.L. Gas Separation: a New Generation, a New Twist. 2005 ESP Workshop. Texas, 2005.
18. Высокооборотные лопаточные насосы / Под ред. Б.В. Овсянникова, В.Ф. Чебаевского. М.: Машиностроение, 1975. 336 с.
19. Абразивостойкий центробежный газосепаратор: пат. RU 2379500 С2; МПК E21B 43/38 / С.Н. Пещеренко, М.П. Пещеренко, А.И. Рабинович и др.; патентообладатель ЗАО «Новомет-Пермь»; № 2008108374/03; заявл. 03.03.2008; опубл. 10.09.2009; Бюл. № 2. 7 с.
20. Вихревой газосепаратор: пат. RU 2660972 C1; МПК E21B 43/38 / А.Н. Мусинский, М.П. Пещеренко, С.Н. Пещеренко; патентообладатель - АО «Ново-мет-Пермь»; № 2017133195; заявл. 22.09.2017; опубл. 11.07.2018. Бюл. № 20. 6 с.
21. Вихревой газосепаратор: пат. RU 161892 U1; МПК E21B 43/38 / Мусинский А.Н., Пещеренко М.П., Пещеренко С.Н.; патентообладатель АО «Новомет-Пермь»; № 2015100464/03; заявл. 12.01.2015; опубл. 10.05.2016; Бюл. № 13. 7 с.
22. ГОСТ Р 56624-2015. Энергетическая эффективность. Погружные лопастные насосы и электродвигатели для добычи нефти. Классы энергоэффективности [Электронный источник]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200126001 (дата обращения: 25.09.2019).
23. Директива Европейского Парламента и Совета Европейского Союза 2010/30/ЕС от 19.05.2010 относительно указания в маркировке продукции, связанной с энергопотреблением, информации о потреблении энергии и других ресурсов (в новой редакции) [Электронный источник]. Режим доступа: https://gisee.ru/1aw/internationa1/47522/ (дата обращения: 25.09.2019).
References:
1. Anufriev P.N., Kaplan A.L., Pogorelov P.V. Experience in Operating ESPs in Conditions of High Content of Mechanical Impurities. Inzhenernaya praktika = Engineering Practice. 2011;(2). Weblog. Available from https://g1avteh.ru/опblт-эксп.пуатацмм-уэцн-в-ос.поwненнblх/ [Accessed 25th September 2019]. (In Russ.)
2. Bolovin E.V., Glazyrin A.P. Method for Identifying Parameters of Submersible Induction Motors of Electrical Submersible Pump Units for Oil Production. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov = Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo-Resource Engineering. 2017;328(1):123-131. (In Russ.)
3. Bukreev V.G., Sipailova N.Yu., Sipailov V.A. Control Strategy in Accordance with Economical Criterion for Electrotechnical Installation of Mechanized Oil Production. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov = Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo-Resource Engineering. 2017;328(3):75-84. (In Russ.)
4. Gulich J.F. Centrifugal Pumps. 2nd edition. Berlin - Heidelberg: Springer-Verlag; 2010.
5. Marquez R. Modeling Downhole Natural Separation. A Thesis for a Doctor of Philosophy Degree in the Petroleum Engineering. Tulsa: The University of Tulsa; 2004.
6. Cirilo R. Air-Water Flow through Electric Submersible Pumps. Master of Science Thesis. Tulsa: The University of Tulsa; 1998.
7. Dengaev A.V. Improving the Efficiency of Wells with Submersible Centrifugal Pumps during Pumping of Gas-Liquid Mixtures. Thesis in Support of Candidature for a Technical Degree in Engineering Science. Moscow; 2005. (In Russ.)
8. Ostrovsky V.G., Perelman M.O., Peshcherenko S.N. The Mechanism of Hydroabrasive Destruction of Submersible Gas Separators. Neftyanoe khozyaistvo = Oil Industry. 2013;(5):100-102. (In Russ.)
9. Musinskiy A.N., Perel'man M.O., Peshcherenko S.N. et al. Signature Analysis of Abrasive-Resistant Gas Separators under Conditions of Field and Bench Test. Ekspozitsiya Neft' Gaz = Exposition Oil Gas. 2017;3(56):56-59. (In Russ.)
10. Dengaev A.V., Drozdov A.N., Verbitsky V.P. Investigation of the Causes of Flights of Gas Separators as Part of the ESP. Territorija "NEFTEGAS" = Oil and Gas Territory. 2005;(11):50-53. (In Russ.)
11. Dengaev A.V., Drozdov A.N., Verbitsky V.S., et al. The Analysis of Centrifugal Gas Separators Operation at Yuganskneftegaz OAO. Neftyanoe khozyaistvo = Oil Industry. 2006;(2):86-88. (In Russ.)
12. Musinsky A.N. Separation Characteristics of Centrifugal Submersible Gas Separators. Aktual'nyye problemy povysheniya effektivnosti i bezopasnosti ekspluatatsii gornoshakhtnogo i neftepromyslovogo oborudovaniya = Actual Problems of Increasing the Efficiency and Safety of Mining and Oilfield Equipment. 2018;1:282-287. (In Russ.)
13. Ivanovsky V.N., Sabirov A.A., Degovtsov A.V., et al. Problems of Energy Efficiency of Electric-Driven Centrifugal Pumping Units. Oborudovaniye i tekhnologii dlya neftegazovogo kompleksa = Equipment and Technologies for Oil and Gas Industry. 2016;(4):25-30. (In Russ.)
14. Lyapkov P.D. Experience in Creating a Gas Separator for a Submersible Centrifugal Pump. Trudy VNII = Works of VNII. 1959;(22):39-58. (In Russ.)
15. Dunbar C.E. Determination of Proper Type of Gas Separator. Presented at the Microcomputer Applications in Artificial Lift Workshop, SPE Los Angeles Basin Section. Los Angeles, 1989.
16. Halikov R.P. Mathematical Modeling of ESP in Producing Wells with High Gas Factor based on Field Research. Territorija "NEFTEGAS" = Oil and Gas Territory. 2017;(3):54-62. (In Russ.)
17. Wilson B.L. Gas Separation: a New Generation, a New Twist. 2005 ESP Workshop. Texas, 2005.
18. High Speed Vane Pumps. Edited by B.V. Ovsyannikov and V.F. Chebaevsky. Moscow: Mashinostroenie; 1975. (In Russ.)
19. Abrasion-Resistant Centrifugal Gas Separator: patent RU 2379500 C2; IPC E21B 43/38. Authors - Peshcherenko S.N., Peshcherenko M.P., Rabinovich A.I., et al; patent holder Novomet-Perm JSC; No. 2008108374/03; appl. 03.03.2008; publ. 10.09.2009; Bull. No. 2. 7 p. (In Russ.)
20. Vortex Gas Separator: patent RU 2660972 C1; IPC E21B 43/38. Authors - Musinsky A.N., Pesherenko M.P., Pesherenko S.N.; patent holder Novomet-Perm JSC; No. 2017133195; appl. 09.22.2017; publ. 11.07.2018; Bull. No. 20. (In Russ.)
21. Vortex Gas Separator: patent RU 161892 U1; IPC E21B 43/38. Authors - Musinsky A.N., Pesherenko M.P., Pesherenko S.N.; patent holder Novomet-Perm JSC; No. 2015100464/03; appl. 12.01.2015; publ. 10.05.2016; Bull. No. 13. (In Russ.)
22. National Standard (GOST R) 56624-2015. Energy Efficiency. Submersible Bladed Pumps and Electric Motors for Oil Production. Energy Efficiency Classes. Weblog. Available from http://docs.cntd.ru/document/1200126001 [Accessed 25th September 2019]. (In Russ.)
23. Directive 2010/30/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 "On the Indication by Labelling and Standard Product Information of the Consumption of Energy and Other Resources by Energy-Related Products". Weblog. Available from: https://gisee.ru/ up1oad/2010-30-EU.pdf [Accessed 25th September 2019].
