Скважинные насосные установки для добычи нефти - что нового? Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

\\ ТЕРРИТОРИЯ нештегаз \\

№ 10 \\ октябрь \ 2010

В.Н. Ивановский, д.т.н., профессор; A.A. Сабиров, к.т.н., РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

СКВАЖИННЫЕ НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ - ЧТО НОВОГО?

Изменение условий эксплуатации основных российских нефтяных месторождений, связанных как с интенсификацией добычи нефти, так и с изменением структуры запасов жидких углеводородов, привело к значительному перераспределению фонда скважин, эксплуатирующихся различными способами и видами оборудования.

Это перераспределение привело к тому, что почти 80% всей нефти в России в настоящее время добывается установками электроприводных центробежных насосов (рис.1).

Перевод значительного количества скважин, ранее эксплуатируемых с помощью газлифта, фонтанного способа и скважинными штанговыми насосами, на работу с установками электроприводных центробежных насосов потребовал создания большого числа новых типоразмеров УЭЦН, а также создания новых конструкций основных элементов этих установок (рабочих ступеней, подшипниковых узлов, специальных мультифазных секций, сепараторов, диспергаторов, гидрозащит, двигателей и т.д.). Кроме того, изменение условий

Рис. 1. Распределение добычи нефти по способам эксплуатации

эксплуатации сделало необходимым применение новых материалов для изготовления основных узлов и деталей насосных установок. Значительные изменения коснулись и других видов скважинных насосных установок (штанговых, винтовых, струйных, вихревых, осевых и т.д.), которые либо уже широко применяются, либо пытаются доказать свои преимущества на нефтяных промыслах России. Ограниченный объем статьи не позволяет провести подробный анализ всех новинок в арсенале скважинных насосных установок, поэтому мы ограничимся только несколькими из них, которые, на наш взгляд, могут вызвать наибольший интерес у нефтяников. Сразу оговоримся, что очень интересное направление - приводы скважинных насосных установок - останется за рамками настоящей статьи.

УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Этот всем привычный термин на сегодняшний день уже не совсем точно отражает конструктивные особенности оборудования, т.к. рабочие колеса и направляющие аппараты насосов могут быть не только центробежного типа, но и осевого, и вихревого, и дискового, а также иметь конструктивные черты нескольких типов лопастных насосов сразу.

Использование таких гибридных конструкций преследует цель создания машин с различными характеристиками, пригодных для работы в осложненных условиях.

Например, разработчики центробежно-вихревых и центробежно-осевых рабочих ступеней утверждают, что представленные конструкции имеют преимущества перед обычными центробежными ступенями при перекачке пластового флюида с большим количеством свободного газа. По сведениям ОКБ БН-Коннас (Ш.Р.Агеев), насосы с центробежно-вихревыми ступенями(ЦВС) можно использовать при свободном газосодержании до 35-40%. Кроме того, малодебитные насосы, оснащенные ЦВС, не имеют

-——

/а

— ыфыттрж ins t егужт цвдрбнкнмч nie« *

— — — пригпдоят m*™ ■e-KijNtfe:«» raftHn икка

Рис. 2. Характеристики центробежных и центробежно-вихревых ступеней

НАСОСЫ

рис. 3. Гидроабразивный износ корпуса газосепаратора

провалов или горизонтального участка в левой части напорной характеристики (рис. 2). Это объясняется преобладанием в формировании напора при малых подачах таких насосов вихревых процессов, происходящих в рабочих ступенях. Однако эти же процессы не могут не влиять на энергетические показатели таких насосов при их работе на жидкости повышенной вязкости. Для работы в скважинах при наличии в откачиваемой жидкости большого количества свободного газа многие фирмы начали применять специальные конструкции насосов. К этим конструкциям относятся конусные или ступенчатые насосы, насосы с мульти-фазными вставками или модулями, насосы с открытыми рабочими колесами. Ранее для многих вариантов работы в скважинах с большим количеством свободного газа почти обязательным условием было использование газовых сепараторов (ГС). Однако в последнее время появилась тенденция отказа от использования ГС в установках ЭЦН. Эта тенденция связана с несколькими факторами. Одним из них является повышенная опасность использования ГС при наличии в жидкости твердых механических примесей. Характер течения флюида в ГС может привести к размыванию (перерезыванию) гидроабразивным потоком некоторых деталей устройства, что может приводить к аварийным ситуациям (рис. 3). Другим фактором снижения интереса к использованию ГС является увеличение вероятности солеотложения в скважинном оборудовании при уменьшении количества газа в откачиваемой жидкости. В некоторых случаях

вероятность солеотложения при использовании ГС может возрастать в 2-4 раза по сравнению с работой УЭЦН без газосепаратора. Увеличение затрат энергии при работе УЭЦН с газосепаратором - третий фактор пересмотра отношения к этому виду оборудования - становится одним из критериев оптимизации использования таких установок. Поэтому использование там, где это возможно, вместо ГС других видов оборудования при откачке газожидкостных смесей и потребовало создание специальных конструкций насосов.

Конусные или ступенчатые центробежные насосы применяются для откачки газо-жидкостных смесей достаточно давно, но с переменным успехом. Термин «конусные насосы» обычно объединяет конструкции, в которых используется несколько типоразмеров рабочих ступеней с различными номинальными подачами, причем нижними ступенями являются ступени с повышенной подачей (с широкими рабочими каналами колеса и направляющего аппарата), которые не так чувствительны к наличию свободного газа как малодебитные ступени. Часто конусные насосы состоят из 3-4 «секций» ступеней(например - ЭЦН5-125 + ЭЦН5-80 + ЭЦН5-50), однако чаще на практике используется только 2 типоразмера ступеней (например - ЭЦН-100 + ЭЦН-60). Неудачные попытки

рис. 4. характеристика мультифазной секции насосной Гк «Борец»

рис. 5. пример конструкции ступени с открытым рабочим колесом

применения конусных насосов чаще всего связаны с недостаточно точными расчетами места установки такого насоса и количественного состава насоса по используемым ступеням. Однако использование таких программных продуктов, как Автотехнолог и NeoSelPro позволяет проводить точный и эффективный подбор конусных насосов для конкретных условий эксплуатации. Именно поэтому в последнее время использование нефтяниками конусных насосов значительно расширилось и имеет хорошие практические результаты.

Мультифазные насосы или насосы с мультифазной вставкой (секцией) выпускаются рядом российских и зарубежных фирм и уже достаточно хорошо себя зарекомендовали у нефтяников. Среди этих конструкций можно выделить системы GasMaster, Poseidon, мультифазные насосы НПФ «Новомет», мультифазные вставки ГК «Борец». Все эти конструкции имеют ряд рабочих ступеней, которые не только диспергируют перекачиваемый флюид, уменьшая размеры газовых пузырей, но и создают достаточно большой напор, обеспечивая тем самым хорошую работу установленных выше стандартных насосных ступеней ЭЦН. Именно создание мультифазной секцией значительного напора отличает этот вид оборудования от диспергаторов, которые довольно давно и успешно применяются для расширения области применения УЭЦН по содержанию свободного газа на приеме насоса. Перевод многих скважин со штанговой эксплуатации на работу с УЭЦН потребовал создания малодебитных

\\ ТЕРРИТОРИЯ нештегаз \\

№ 10 \\ октябрь \ 2010

Рис. 6. Напорная характеристика роторно-вихревого насоса(показана в сравнении с характеристикой центробежного насоса равного диаметра)

лопастных насосов, при этом использование для малых подач стандартных рабочих колес центробежного типа привело к значительному уменьшению сечения проходных каналов, резкому снижению КПД насоса, повышению возможности засорения каналов механическими примесями, «зарастанию» их отложениями соли. Попытки избежать этих проблем привели к новым конструктивным решениям,например - к ступеням центробежных насосов с открытыми рабочими колесами или к роторно-вихревым ступеням. Применение открытых рабочих колес в погружных насосных установках имеет давнюю историю, и возрождение интереса к ним связано именно с коренным изменением условий эксплуатации нефтяных скважин. Несмотря на наличие некоторых недостатков (недостаточно высокий КПД, сложность восприятия осевых нагрузок на колесо), открытые рабочие колеса имеют несомненные достоинства (малая масса и монтажная высота ступени, широкие проходные каналы, малая шероховатость поверхности, простота изготовления, в том числе -из коррозионно-стойких материалов). Это и определило их современную область применения: малые диаметры обсадных колонн, большое количество свободного газа, малые и средние де-биты,коррозионно-активная пластовая жидкость (рис. 5).

Естественно, что и классические насосные ступени ЭЦН продолжают развиваться и совершенствоваться. Этому способствуют новые, модернизированные методики гидродинамического расчета ступеней и использование новейших компьютерных технологий, в частности - системы быстрого про-тотипирования, позволяющего в сотни раз сократить время от разработки чертежей, до получения экспериментальных образцов,готовых к работе на испытательных стендах. Поэтому сегодня разработчики оборудования предлагают нефтяникам ступени с недостижимыми еще недавно значениями КПД и напора, а в малых диаметральных габаритах новые ЭЦН имеют подачи, которые раньше могли быть получены только для крупногабаритных насосов.

РОТОРНО-ВИХРЕВЫЕ НАСОСЫ

Достаточно долгую историю внедрения на нефтяных промыслах имеют и роторно-вихревые насосы, которые, обладая круто-падающей напорной характеристикой и большим напором на одну ступень(в 6-10 раз большим чем напор ступени центробежного насоса равного диаметра), могли бы составить значительную конкуренцию

другим видам скважинных насосов (рис. 6).

Однако до сих пор большинство экземпляров роторно-вихревых насосов для добычи нефти имело небольшие наработки до отказа, что не позволяет пока говорить об отработанной конструкции таких насосов. Хотя уже сегодня в некоторых скважинах установки роторно-вихревых насосов доказали свою технико-экономическую эффективность. Для успешного внедрения этого вида оборудования необходимо уточнить области их применения (скорее всего - малодебитные скважины, где КПД таких насосов сопоставим с КПД малодебитных ЭЦН), создать методику их подбора и эксплуатации, подготовить инфраструктуру обслуживания и ремонта.

ДИСКОВЫЕ НАСОСЫ

Интересным кажется применение в скважинах дисковых насосов. Эти насосы, которые известны также под названием «насосы Тесла» (рис. 7), хорошо зарекомендовали себя при перекачке вязкой продукции (вплоть до жидкой целлюлозы), продукции с большим количеством механических примесей, с высоким содержанием свободного газа. Анализ нефтяных

к. тки.

_л.. ,__

Рис. 7. Конструкция дискового насоса по патенту Н.Тесла и вид современного рабочего колеса дискового насоса

НАСОСЫ

месторождений, которые предстоит осваивать в ближайшем будущем, показывает, что добыча нефти из них будет сопряжена именно с этими осложняющими факторами, в связи с чем будущее скважинных дисковых насосов представляется очень перспективным.

СТРУЙНЫЕ НАСОСЫ

Неугасающий интерес нефтяников к струйным насосам связан с простотой конструкции и достаточно широкими добычными возможностями этого оборудования. Действительно, струйные аппараты имеют малую длину, малый диаметр, не имеют подвижных деталей, могут работать в горизонтальных и сильно искривленных скважинах, позволяют откачивать жидкость с большим содержанием механических примесей и свободного газа. Кроме того, оборудование позволяет регулировать величины подачи и напора за счет изменения параметров потока рабочей жидкости, подаваемой с поверхности земли. Еще одним преимуществом струйных насосов является возможность спуска и подъема этого вида оборудования в скважину без использования комплекса для подземного ремонта скважин - с помощью канатной техники или с помощью потока рабочей жидкости. Главным недостатком струйных насосов является их довольно низкий КПД, что в условиях постоянного роста стоимости электроэнергии не позволяет говорить о возможности широкого использования этого вида оборудования. Тем не менее, на наш взгляд, имеется довольно большой фонд скважин, где струйные насосы имеют значительные преимущества перед другими видами оборудования. Это, в первую очередь, скважины, где невозможно постоянно использовать агрегаты подземного ремонта (болота, поймы рек, морской шельф), горизонтальные скважины, а также скважины с боковыми дополнительными стволами малого диаметра. Перспективным может быть и применение струйных насосов при освоении и пробной эксплуатации скважин.

ВИНТОВЫЕ НАСОСЫ

Установки винтовых насосов для добычи нефти до сих пор не получили в нашей стране достаточно широко-

го распространения, хотя во многих странах именно этот вид оборудования является наиболее востребованным. Конструкция винтового насоса в наибольшей степени подходит для откачки пластового флюида. Действительно, винтовой насос не имеет клапанов, у него нет «мертвого пространства» (насос «не боится» свободного газа), поток жидкости в винтовом насосе не подвергается турбулизации, в насосе имеется минимальная скорость скольжения подвижных и неподвижных элементов, что снижает возможность износа при наличии большого количества твердых механических примесей, изменение частоты вращения ротора насоса позволяет в очень широких пределах менять подачу при незначительном изменении напора, повышение вязкости перекачиваемой жидкости не снижает рабочих характеристик насоса. Главным недостатком винтовых насосов является нестабильность их характеристик из-за изменения свойств эластомера, из которого изготавливается статор насоса. Поэтому правильный подбор винтового насоса к скважине должен начинаться с подбора типа и марки эластомера, а также с определения величины натяга или зазора между статором и ротором (винтом) насоса. А для этого необходимо иметь точные данные не только о дебите скважины, обводненности продукции,газовом факторе, давлении насыщения и т.д. (как в случае с подбором УЭЦН или УСШН), но и о составе нефти и газа. К сожалению, таких подробных сведений о каждой скважине наши нефтяники практически никогда не имеют, в связи с чем заказ винтовых насосов чаще всего идет по усредненным данным или по данным, полученным всего по одной исследованной скважине. Это приводит к выбору поставщиком какого-то осредненного варианта по величине натяга пары «статор-ротор» и вида эластомера. В результате часть винтовых насосов в этом случае может работать в условиях повышенного натяга пары «ротор-статор», что может приводить к повышению температуры в зоне контакта и, как следствие - к заклиниванию винта, слому приводного вала или колонны насосных штанг. Поэтому для повышения эф-

фективности применения винтовых скважинных насосов необходимо резко повысить объем информации о каждой конкретной скважине и оперативность получения этой информации.

Другим вариантом повышения эффективности работ по эксплуатации винтовых насосов является применение насосов, в которых не используются эластомеры. Одно- и двухвинтовые насосы с металлическим статором должны иметь определенную напорную и энергетическую характеристики, а их конструкция должна обеспечивать работу на пластовой жидкости с большим содержанием свободного газа и механических примесей.

ШТАНГОВЫЕ НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ

Несмотря на потерю позиций в количественном показателе «фонд нефтяных скважин Российской Федерации» штанговые насосные установки остаются одним из наиболее часто применяемых видов нефтяного оборудования. Достаточно высокий КПД, высокие наработки на отказ, невысокая стоимость штанговых насосов, простота ремонта и обслуживания, возможность добычи высоковязкой продукции с большим содержанием механических примесей и свободного газа, регулирование рабочих характеристик - вот основные преимущества штангового способа добычи нефти. Необходимо сказать о том, что в ряде регионов количество «штанговых» скважин не только не снижается, но и растет за счет скважин, которые ранее эксплуатировались установками центробежных насосов. Например, в Татарстане принята технически и экономически обоснованная программа перевода скважин с дебитами до 80 м3/сутки с УЭЦН на штанговые установки. Именно поэтому количество новых технических решений, касающихся установок штанговых насосов (новые виды клапанов, пар «цилиндр-плунжер» и «цилиндр - поршень», специальные виды насосных штанг, длин-ноходовые приводы, станки-качалки с улучшенной кинематикой и т.д.) не уступает количеству разработок в области ЭЦН.