Файл: Системный анализ причин отказов установок электроцентробежного насоса при добыче нефти.pdf

47
Решение:
Определяем площадь внутреннего канала НКТ при V
ср
= 1,3 м/с по формуле: ср вн
V
Q
F


86400 6
2 100*10 8,9 86400 0
м
*13
с


Внутренний диаметр НКТ по формуле:
4 4
10 8,9 10 33, 7 0, 785 0, 785
вн
вн
F
d
мм







Ближайший больший d вн имеют НКТ диаметром 48 мм (d вн
= 40 мм).
Скорректируем выбранное значение V
ср
= 130 см/с:
6 100 10 120, 6 86400 86400 0, 775 3,5
ср
вн
Q
см
V
F
с







Депрессия, которую необходимо создать путем уменьшения давления на пласт будет равна:
6 6
10 100 10 232 50 850 9,81
ж
Q
h
м
К
g



 






Число Рейнольдса по формуле:
6 1, 2 0, 035
Re
21063 2 10
ср
вн
V
d








Относительная гладкость труб по формуле:



2
вн s
d
К
где Δ - шероховатость стенок труб, принимаемая для незагрязненных отложениями солей и парафина труб равной 0,1 мм:
0, 035 175 2
2 0, 0001
вн
s
d
К





Коэффициент λ возможно определить по определяют по графику или числу Рейнольдса, независимо от шероховатости, если Re > 300:
0,25 0,25 0,3164 0,3164 0, 026
Re
21063





48
Глубина спуска насоса по формуле:
850 232 50 1132
ст
L
h
h h
м

   



Потери на трение в трубах по формуле:
2 2
ср
(
) V
(1132 30) 120 64 2
0, 035 2 9,81
тр
вн
L l
h
м
d
g

 


 


 
 
Потери напора в сепараторе по формуле:
6 0, 25 10 29 850 9,81
с
с
ж
Р
h
м
g







Величина необходимого напора определяется по формуле:
850 232 64 10 29 1185
с
ст
тр
г
с
H
h
h h
h
h
м

  
  


 

Для полученного дебита Q = 100 м
3
/сут и напора Н
с
=1185 м выбираем один из подходящих насосов одной из фирм-производителей, в данном случае это установки фирмы Алнас []. На графике (рисунок 24) представлена рабочая характеристика 0215ЭЦНАКИ5-100И на 100 ступеней. Максимальное КПД
0,57.
Рисунок 24 – Рабочая характеристика насоса 0215ЭЦНАКИ5-100И на 100 ступеней
Из полученной рабочей области характеристики найдем, что при дебите

49 100 м
3
/сут напор для 100 ступеней ЭЦН на воде составит 600 м. На графике представлен напор для воды, пересчитаем его для реальной жидкости (100 ступеней):
1000 600 682 880
в
ж
в
ж
H
H
м







Для совмещения характеристик насоса и скважины определим по формуле (5.12а) число ступеней Z, которое нужно насосу:
(100)
1185 174 682 100 100
c
ж
H
Z
H



При установке штуцера на выкиде из скважины мы совмещаем напоры
ЭЦН и скважины, но уменьшаем подачу ЭЦН, одновременно уменьшая его
КПД. Полезная мощность электродвигателя определяется по формуле:
100 880 1185 21,5 86400 1000 86400 102 86400 102 0,55
ж
с
ж
с
п
н
н
Q
g H
Q
H
N
кВт





 














где η
н
- КПД насоса по его рабочей характеристике (0,55), ρ
ж
- наибольшая плотность откачиваемой жидкости.
Учитывая, что КПД передачи от двигателя до насоса (через протектор) составляет 0,92 ÷ 0,95 (подшипники скольжения), определим необходимую мощность двигателя:
21,5 23, 4 0,92 0,92
п
н
N
N
кВт



Выбираем электродвигатель Алнас, ЭДТ28-117М, что обозначает погружной электродвигатель, мощностью 8 кВт, термостойкий, диаметром корпуса 117 мм. Гидрозащиту выбираем Г(К)ТМА5ЛД, что обозначает гидрозащита коррозионностойкая, модульная, термостойкая (до 120 0
C), габарита 5, в составе гидрозащиты лабиринтный и диафрагменный модули, производства Алнас.
После подбора ЭЦН и ПЭД, осуществляется подбор кабеля, трансформатора, проверка скорости движения жидкости для охлаждения ПЭД:

50
Дано:
Расстояние до СУ 100 м, температура на приеме насоса 80 0
С
Данные о ПЭД:
Таблица 2 – Данные о выбранном ПЭД
Тип двигателя
ЭДТ28-117М напряжение U
900 В ток I
26 А
КПД
0,845
Соs φ
0,84 скорость охлаждающей
0,08
Внешний диаметр ПЭД
117 мм
Номинальная мощность ПЭД
28 кВт
Решение:
Сечение жилы кабеля выбирают по номинальному току электродвигателя, исходя из плотности i рабочего тока в этом кабеле:
2 26
=
5, 2 5
I
S
мм
i


Выберем кабель с полиэтиленовой изоляцией КПБК З x 10 мм и КПБП 3 x 10 мм с рабочим напряжением 500 В, допустимым давлением до 5 МПа и температурой до 90°С и размером 13,6 х 33,8 мм.
Длина кабеля должна быть равна глубине спуска насоса плюс расстояние от скважины до станции управления и небольшой запас на ремонт кабеля:
1132 100 100 1332
к
р
L
L l
l
м
   



Сопротивление кабеля осуществляется по формуле:


20 1
1 1
0, 0175 (1 0, 04 (80 20))
0, 00217
S
10
з
Ом
R
t
t
м


   

 
 








где ρ = 0,0175 Ом·мм
2
/м - удельное сопротивление меди при t = 0°C; α =
0,004 - температурный коэффициент для меди; t з
- температура на заборе у приема насоса; S - площадь поперечного сечения жилы кабеля.
Потери мощности в кабеле, кВт, определяются по формуле:
2 3
2 3
3 10 =3 26 0, 00217 1332 10 5,86
к
к
Р
I R L
кВт


     






51 где I - рабочий ток в электродвигателе, A; Lк - длина кабеля, м; R - сопротивление кабеля, Ом/м.
Мощность трансформатора должна быть
эд
тр
к
эд
Р
Р
Р


 
:
28 5,86 39 0,845
эд
к
эд
Р
Р
кВт

  


где Рэд, ηэд - полезная мощность и КПД электродвигателя соответственно; ΔРк - потери мощности в кабеле. Для определения величины напряжения во вторичной обмотке трансформатора найдем величину падения напряжения в кабеле, В:


0 1132 3
cos sin
3 (0, 00217 1000 0,1 0, 6) 26 133,8 1000
к
к
U
R
X
I L
В


 



 








где Rк = R·10 3
- активное удельное сопротивление 1 км кабеля, Ом/км; Хо - индуктивное удельное сопротивление кабеля (Хо = 0,1 Ом/км); cosφ - коэффициент мощности электродвигателя; sinφ - коэффициент реактивной мощности; Lк - длина кабеля, км.
Напряжение на вторичной обмотке трансформатора:
900 133,8 1033,8
тр
эд
U
U
U
В

  


Этому условию удовлетворяет трансформатор ТСБЗ-100 [7] с пределами регулирования во вторичной обмотке 900 - 1300 В и мощностью 84,5 кВт на отпайке 1200 В
Для работы ПЭД без перегрева необходимо чтобы скорость движения жидкости в интервале спуска ПЭД была больше некоторого, установленного для данного двигателя значения. Скорость движения охлаждающей жидкости в расположении электродвигателя определим по формуле:
2 2
2 2
100 0, 4 86400 0, 785 (
)
86400 0, 785 (0,132 0,117 )
вн
эд
Q
м
V
D
D
с









Полученная скорость превышает необходимую скорость охлаждения
(0,08 м/с) по характеристике электродвигателя
В качестве СУ подходит СУ Электон-05-250, газосепаратор не нужен.

52
Таблица 3 - Выбор типоразмера оборудования
Тип ЭЦН
0215ЭЦНАКИ5-100И (компоновкой на 174 ступени)
Тип ПЭД
ЭДТ28-117М
Гидрозащита
Г(К)ТМА5ЛД
Кабель
КПБК З x 10 мм и КПБП 3 x 10
(L=1132)
Трансформатор
ТСБЗ-100
СУ
СУ Электон-05-250
Газосепаратор
-
Выше был приведен очень упрощенный пример ручного подбора УЭЦН к скважине. Однако, как уже было сказано, на сегодняшний день подбор оборудования к скважине производится автоматически с помощью программ на
ЭВМ. Плюсы использования компьютеров для расчета установок очевидны:
Машинный подбор позволяет многократно сократить время на обработку информации и подбор оборудования, многократно увеличить точность подбора, свести к минимуму вероятность человеческой ошибки. Кроме того, использование машинного подбора позволяет отказаться от многих упрощений, неизбежно используемых при ручном подборе, что также повышает точность подбора[5]. Существует довольно большой выбор ПО как отечественных, так и западных производителей для расчета УЭЦН. Сущность машинного подбора такая же, как и при ручном подборе, но с множеством дополнительных параметров и возможностей.
Рис.25 Окно ввода данных о пласте в программе NovometSel-Pro [1]
Рис.26 3D модель скважины в программе NovometSel-Pro [1]

53
Программы подбора УЭЦН в целом аналогичны друг другу, в качестве примера рассмотрим программу NovometSel-Pro от компании НОВОМЕТ.
Программа имеет ряд преимуществ в сравнении с аналогами. Вот некоторые возможности программы: Построение индикаторной кривой проводится с учётом изменения проницаемости призабойной зоны из-за выделения в ней свободного газа; расчет периодической эксплуатации УЭЦН; Ориентация в расчете на максимальный КПД насоса; моделирование процесса вывода скважины на режим; Анализ работы ЭЦН в скважине; Расчёт прогиба установки при спуске в скважину; расчет необходимой длины теплостойкого кабельного удлинителя; расчет конического насоса и другие возможности.
Более подробно особенности данной программы описаны в следующей статье
[1].
При машинном подборе первым делом специалисты отсылают заказчику опросный лист, в который необходимо ввести имеющиеся данные о пласте, скважине, инклинометрии, физических свойствах флюида, работавшей на скважине установке. Далее полученные данные вводят в поля программы.
После ввода данных производится их анализ компьютером и подбор наиболее подходящей установки из числа имеющихся. Определяются параметры работы установки, ее компоновка, выводится графическая характеристика работы насоса. Вообще данная программа способна выдавать огромное количество текстовой и графической информации, возможно трехмерное построение модели скважины с указанием ее кривизны (рисунок 2 6) [1].
В целом, современные компьютерные программы ориентированные на подбор установок к скважине решают широкий спектр задач возникающих в технологии нефтедобычи. Данные технологии на сегодняшний день используются повсеместно и хорошо справляются с поставленными задачами.
Рациональный подбор оборудования позволяет добиваться эффективной работы скважины, что приводит к экономии значительных средств.

54
3 АНАЛИЗ ПРИЧИН ОТКАЗОВ УСТАНОВОК
ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
3.1 Виды отказов
Как было показано выше, установки УЭЦН являются достаточно сложным и высокотехнологичным оборудованием, состоящим из множества узлов и элементов. Эти отдельные узлы и элементы могут выходить из строя под воздействием тех или иных факторов, что приведет к отказу всей установки. На рисунке 27 наглядно представлено «дерево» возможных отказов
УЭЦН.
Из представленного множества отказов следует выделить наиболее распространённые и опасные отказы УЭЦН. Сразу следует сказать, что после анализа значительного перечня литературы [4],[9],[14],[17] и производственных отчетов можно сделать вывод, что распределение отказов по различным предприятиям не имеет определенной направленности, каждое предприятие имеет свою доминирующую причину выхода из строя погружного оборудования.

55
Рисунок 27 «Дерево» Гистограмма распределения отказов эксплуатационного оборудования [17].
По месторождениям Западной Сибири, распределение отказов тоже специфично. Специфичность отказов по различным месторождениям объясняется разнообразием условий эксплуатации установок ЭЦН: различные объекты разработки, углы отклонения и пространственное положение ствола скважин, глубины спуска насосов, термодинамические режимы откачки, состав и свойства продукции, число частиц механических примесей и другое.
Однако все же можно выделить группы наиболее распространённых отказов. Это:

Снижение изоляции кабеля

Снижение (отсутствие подачи)

Клин насоса
Чтобы понять, почему происходят те или иные поломки, необходимо установить причину (фактор) которая привела к отказу. Для установления связи того или иного фактора с отказом установки, и определения как конкретно взятый фактор влияет на тот или иной элемент УЭЦН выдвигают гипотезы механизмов и степени этого влияния. Некоторые подобные гипотезы будут

56 рассмотрены ниже, в разделе 3.2, при рассмотрении осложнений, которые, по сути, и являются факторами отказа. Однако выдвигаемые гипотезы нуждаются в проверке и доказательстве. Существует два основных способа осуществить их проверку [8]:
1.
Экспериментальная
проверка
гипотез
о
факторах
преждевременного отказа.
Осуществляется путем проведения стендовых испытаний или программных экспериментов. Имеет высокую стоимость и сложность реализации. Проблема реализации способа и обработки данных заключается в невозможности создания реальных рабочих условий оборудования, учитывая их сложность и многообразие.
2.
Многофакторный анализ причин отказов УЭЦН.
Является наиболее распространённым и действенным способом.
Факторный анализ - это методика комплексного и системного изучения и измерения воздействия факторов на величину результативного показателя.
Факторы в результате анализа получают количественную и качественную оценку. Каждый показатель может в свою очередь выступать и в роли факторного, и результативного. С математической точки зрения МФА представляет собой построение модели множественной регрессии. Если это линейная регрессия, то она описывается формулой:
0 1
1 2
2
m
m
y
x
x
x


















Модель множественной регрессии описывает, как изменяется в среднем значение зависимой переменной Y(результативного признака) при изменении значений объясняющих переменных X (факториальных признаков). По характеру взаимосвязей модели могут быть линейными и нелинейными как по переменным, так и по параметрам [28].
Коэффициент регрессии
???? ???? показывает, на сколько единиц изменится величина зависимой переменной Y при изменении значения i-й объясняющей

57 переменной на одну единицу при прочих равных условиях (все остальные объясняющие переменные равны своим средним значениям).
Оценка значимости коэффициентов регрессии осуществляется путем проведения дальнейших математических расчетов, подробно с которыми можно ознакомиться в источнике [28].
В качестве примера проведения МФА представим проведение данного анализа применительно к влиянию различных факторов на такой отказ как расчленения подземного оборудования. Данный МФА проведен Р.Н.
Пономаревым в диссертации «Аварийные отказы оборудования УЭЦН и разработка мероприятий по их устранению» [14]. В данной работе произведен анализ влияния геологических факторов (КВЧ, обводненности, содержания газа на приеме), технологических факторов (глубины спуска, погружения под динамический уровень, динамического уровня), факторов обусловленных конструкциями скважины и конструкцией УЭЦН (анализ отказов по заводам – изготовителям, отказы импортного оборудования, влияние осевых опор и подшипников, зависимость от группы исполнения и технической характеристики, зависимость от угла наклона интервала спуска). По каждой из групп факторов получено уравнение множественной регрессии, например для технологических факторов получилось следующие уравнение:
1 2
3 2
3 11, 25 1, 08 0,83 0,92 3,38
y
x
x
x
x x


 
 
 
 
Где
1
x
- фактор глубины спуска насоса,
2
x
- погружение под динамический уровень,
3
x
- динамический уровень. Из данной зависимости можно сделать вывод, что из технологических факторов наиболее сильно влияет на отказы
УЭЦН по причине расчленения глубина спуска насоса. Данный факт действительно имеет место быть, что подтверждается промысловым опытом.
Очевидно, что МФА дает хорошие результаты, согласованные с опытными данными. Однако проведение МФА крайне сложное предприятие, в чем можно убедиться, изучив рассмотренную диссертацию. Сложность, помимо самих математических расчетов и моделирования, связанна также с

58 тем, что полноценный ФА затруднен из-за высокой сложности сбора комплексной информации в очень разных системах ПССО, при громадных размерах эксплуатационных фондов скважин. При этом, при проведении МФА строят зависимости конкретного отказа от совокупности нескольких факторов, оценивая при этом влияние каждого из них.
Вследствие сложности проведения МФА, в литературе, как правило, при указаниях тех или иных причин отказов не проводят столь детального исследования.
В большинстве случаев анализ отказов производится не на основе МФА, а на основе обычного поиска причинно-следственных связей и выдвижения гипотез без их проверки, то есть методами индукции и дедукции. Например, в источнике [17] одним из основных фактором отказа ПЭД принимается факторы несоблюдения скорости спуска УЭЦН при ремонтах скважин и частые отключения УЭЦН. Как можно видеть, при таком подходе выдвигается лишь логично выведенная гипотеза, но не осуществляется ее проверки экспериментальным методом или методом МФА. Такие заключения, безусловно, полезны, они помогают найти проблему и во многих случаях выработать рекомендации по ее решению. Подобный анализ применяется часто и повсеместно [9], [14], [17]. Однако такой подход имеет не высокую достоверность и не показывает количественно связи тех или иных факторов с теми или иными поломками и степени влияния этих факторов на вероятность отказа.
Проанализировав информацию из описанных выше источников, можно заключить, что основными осложняющими факторами, негативно влияющими на отказы установок, являются:

Высокое содержание свободного газа на приеме насоса

Высокое содержание КВЧ в откачиваемой жидкости

Солеотложения на рабочих органах УЭЦН

Кривизна ствола скважины

Глубина спуска УЭЦН