Файл: Системный анализ причин отказов установок электроцентробежного насоса при добыче нефти.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.11.2023
Просмотров: 186
Скачиваний: 7
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
59
Температура пластовой жидкости
Ниже будет рассмотрен подробно каждый из этих факторов, а также некоторые мероприятия по устранению их вредного воздействия и увеличения наработки на отказ УЭЦН.
1 2 3 4 5 6 7
3.2 Осложнения и их влияние на работу установки
3.2.1 Вредное влияния газа на работу насоса и способы борьбы с ним
Как правило, большинство УЭЦН работают в скважинах, в которых пластовое давление меньше давления насыщения. В связи с этим, на приеме насоса существует какое-то количество свободного газа. Численно, это значение оценивают как объемное содержание газа у приема насоса.
Допустимое значение для насосов без газосепаратора составляет 5 %. С применением газосепаратора, допустимое газосодержание увеличивается до 65
%. Газ в увлекаемой в насос жидкости может находиться как в виде мелкодисперсных пузырьков, так и в виде сплошной газовой пробки. Наиболее опасен случай возникновение газовой пробки в секциях УЭЦН. В этом случае в секции возникает полость, занятая газом, которая постоянно увеличивается по мере откачки флюида выше газовой пробки. Это приводит к срыву подачи насоса, уменьшению загрузки двигателя. При ускорении вращения вала в условиях отсутствия жидкости, которая является смазкой в парах трения, происходит нагрев и тепловое расширение пар трения УЭЦН [16]. Также, газовые пробки в УЭЦН усиливают вибрации насоса. Мелкодисперсная газовая фаза в потоке движущейся жидкости не вызывает значительных осложнений, напротив, мелкие частички газа совершают полезную работу по подъему жидкости и уменьшают ее плотность. Однако достаточно крупные пузырьки газа могут закупоривать проточные каналы рабочих колес и направляющих аппаратов, поэтому пузырьки должны быть максимально диспергированы.
60
В связи с этим, мероприятия по устранению вредного влияния свободного газа сводится к недопущению образования газовых пробок в ступенях УЭЦН и диспергированию газовой фазы. Эти задачи осуществляются путем применения модульных газосепараторов, диспергаторов, газосепараторов-диспергаторов. Помимо этого применяются специальные диспергирующие ступени, имеющие на одной из сторон радиальные лопатки, способствующие диспергированию газовой фазы непосредственно в секциях
УЭЦН (рисунок 28). К тому же такая конструкция увеличивает напор ступени, что позволяет уменьшить длину насоса при сохранении тех же значений напора.
Рисунок 28 – Колесо с диспергирующими лопатками [15]
3.2.2 Вредное влияние механических примесей на работу установки и способы борьбы с ними
Механические примеси, попадая в секции УЭЦН, вызывают абразивные износ всех его деталей. В особенности ощутимое действие претерпевают участки в которых поток флюида изменяет свое направление и трущиеся элементы УЭЦН. В местах трения УЭЦН мехпримеси попадают в щели между трущимися поверхностями и вызывают износ деталей. К тому же, твердые частицы способны забивать каналы, по которым движется жидкость.
61
Уменьшения проходного сечения каналов будет приводить к снижению производительности насоса. Абразивный износ на определенных участках и отложение КВЧ в узких местах ко всему прочему приводят к увеличению вибраций установки. Также, взвешенные частицы являются центрами кристаллизации при образовании солей на рабочих органах УЭЦЦН [9].
Основным способом борьбы с высокой концентрацией КВЧ (200 – 500 мг/л) является использование насосов в износостойком исполнении. В данных насосах используются износостойкие материалы и двухопорные рабочие ступени (рисунки 2, 29).
Хотя по сравнению с одноопорными, двухопорная ступень гораздо дороже и сложнее в производстве, но в то же время обладает рядом преимуществ [18]:
1. Вал лучше защищен от воздействий механических примесей.
2. Система уплотнений в паре колесо—аппарат более надежно защищает их от перетоков и проникновения абразива.
3. Конструкция колеса увеличивает жесткость сборки вал—рабочие колеса, что снижает изгибные напряжения при потере устойчивости.
4. Колесо имеет удлиненную втулку, вследствие чего исключены колебания в плоскости, поперечной валу.
Рисунок 29 – Конструкция двухопорной рабочей ступени:
1 – корпус; 2 – направляющий аппарат; 3 – рабочее колесо
[3]
62
Использование двухопорных ступеней на Самотлорском нефтегазовом месторождении позволило значительно увеличить наработку на отказ в сравнении с колесами обычного исполнения – в 1,5 раза [22] (рисунок 30).
Рисунок 30 – ННО колес обычного и износостойкого исполнения
[22]
Еще один эффективный метод борьбы с КВЧ – использование открытых рабочих колес УЭЦН. Открытые рабочие колеса также помогают при высоком газосодержании, так как широкие проточные каналы не закупориваются пузырьками газа.
Конструкция открытого рабочего колеса не имеет верхних и нижних стенок (рисунок 31), что позволяет использовать данные колеса в условиях высокого содержания КВЧ, высоких скоростей отложений солей и парафинов, высокого газосодержания. При использовании данного типа колес значительно уменьшается металлоемкость установки.
Рисунок 31 – Открытое рабочее колесо и его направляющий аппарат
63
Однако открытые колеса имею ряд недостатков, в первую очередь низкий
КПД из-за утечек жидкости вследствие отсутствия направляющих дисков, однако, создание минимальных зазоров в рабочей секции, позволяет добиться энергетических характеристик, сходных с характеристиками обычных ступеней. Еще одна проблема заключается в сложности установки осевых подшипников вследствие отсутствия дисков, в связи с чем, возникают проблемы, связанные с трением в ступенях. Соблюдение минимальных зазоров требует высокоточного изготовления, что значительно увеличивает стоимость
ЭЦН. В связи с повышенной стоимостью такого оборудования, оно не получило широкого распространения, однако в условиях повсеместного применения ГРП и прочих методов интенсификации многократно увеличился процент крайне осложненных скважин, где применение обычного оборудования не приемлемо. В связи с этим УЭЦН с открытыми рабочими колесами набирает популярность.
В ходе дальнейшего развития данной технологии появились рабочие колеса с частично оставленным верхним или нижним диском. Такая конструкция позволяла использовать более эффективные осевые подшипники, однако окончательно проблема не решалась. Другим недостатком данной конструкции является нескомпенсированность осевой силы и проблема размещения осевых подшипников. Основной идеей предлагаемой конструкции
(рисунок 32) является полное уравновешивание осевой силы, которое обеспечивает «подвешенное состояние» рабочего колеса в процессе работы.
Это достигается путем создания вихревого движения жидкости над единственным диском рабочего колеса с помощью дополнительных лопастей.
В предложенной конструкции нагрузка со стороны колеса на осевые (как верхний, так и нижний) подшипники ступени минимальна. Поэтому сохраняется высокая износостойкость и надежность конструкции в условиях перекачивания жидкостей с повышенным содержанием механических примесей. Конфигурация, геометрические размеры, а также количество
64 разгружающих лопастей подбираются для каждого открытого колеса индивидуально в зависимости от развиваемого давления, рабочего диапазона подач и основных геометрических размеров колеса.
Рисунок 32 - Разгружающие лопасти открытого колеса [15]
Правильный выбор указанных параметров является определяющим фактором долговременной и надежной работы погружного насоса.
Использование современных программных комплексов для моделирования течений позволяет выполнить этот подбор достаточно точно. Одной из первых открытых ступеней с осевой разгрузкой была разработана ступень ВННО5-20.
За счет удаления нижнего диска рабочего колеса монтажная высота уменьшилась на 35%, а напорность (напор, развиваемый 1 м насоса) увеличилась с 186 до 39 м/м по сравнению со ступенью ВНН5-20 обычной конструкции. КПД на оптимальной подаче уменьшился на 4 пункта: с 33% для
ВНН5-20 до 29% для ВННО5-20. Открытая ступень ВННО5-20 внутри диапазона подач от 7 до 25 м
3
/сут. работает в «подвешенном состоянии».
Осевой зазор между открытыми торцами рабочих лопастей колеса и донышком направляющего аппарата составляет 0,2–0,5 мм. Эффективность осевой разгрузки подтвердили сравнительные ресурсные испытания ступени ВННО5-
20 и ступени без осевой разгрузки на смеси вода + кварцевый песок в течение 4 часов при частоте вращения вала 2910 об./мин. Установили, что напор ступени
65 с осевой разгрузкой практически не изменился, а КПД снизился незначительно
– на 4%, в то время как напор открытой ступени без осевой разгрузки уменьшился на 40%, а КПД – на 12 [15].
Таким образом, ступени с открытыми рабочими колесами имеют очевидное преимущество, и в определенных случаях помогают решить проблему высокого содержания КВЧ в пластовом флюиде и высокого газосодержания. Также, за счет описанных выше преимуществом, данные ступени позволяют эксплуатировать ЭЦН в условиях высокой интенсивности солеотложения [4].
Для борьбы с КВЧ также используются различные фильтры и шламоуловители. Однако это оборудование имеет тот недостаток, что основным его принципом работ является задержка частиц на различных сетках, уловителях, что, в конце концов, приводит к их закупорке.
Также существуют сепараторы механических примесей. Различают сепараторы гравитационного и гидроциклонного действия.
Как пример рассмотрим работу гидроциклонного сепаратора ПСМ5-114
[4] (рисунок 33). Сепаратор механических примесей ПСМ5-114 производства
«Новомет-Пермь» был испытан в 2008-м и 2009-м годах в компании «РН-
Юганскнефтегаз». Испытания пяти комплектов показали среднюю наработку на отказ на уровне 74 суток после внедрения оборудования (до внедрения —
163 суток). Таким образом, рост наработки составил порядка 111 суток, в связи с чем в 2010 году предприятие приобретает еще 40 комплектов сепараторов этого типа.
66
Рисунок 33 – принцип работы гидроциклонного сепаратора ПСМ5-114 [25]
Эффективность использования погружных сепараторов механических примесей на проблемном фонде ОАО «Славнефтьрегионнефтегаз» в 2008 году составила плюс 40 суток. При этом достигнутый уровень наработки в 106 суток, конечно, предприятие не вполне удовлетворяет. По утверждению специалистов «Славнефти», при спуске ПСМ возникает много других проблем, в частности по солеотложению [25].
3.2.3 Вредное влияние солеотложений на работу установки и способы борьбы с ними
Соли выпадают в осадок в случае, когда концентрация ионов в растворе превышает равновесную. Это может происходить либо в случае возрастания концентрации ионов соли при той же равновесной концентрации, либо в случае снижения предельной растворимости соли, либо если эти процессы происходят вместе. Первое из этих условий возникает, как правило, при смешивании вод
67 различного состава, не совместимых химически друг с другом. Второе условие выполняется при перенасыщении вод, вследствие уменьшения равновесной растворимости солей. Это явление может происходить при изменении температуры, давления, выделении газов.
Вышеописанные процессы возникают, как правило, при заводнении. В случае заводнения химический и термический баланс нарушается, возникают благоприятные условия для выпадения солей на стенках оборудования. К тому же при подъеме обводненного флюида по ступеням УЭЦН происходит значительное изменение термодинамических параметров и обильное перемешивание флюида. Это ускоряет процесс выпадения солей [23]. В результате отложения солей на элементах УЭЦН увеличиваются силы трения в рабочих органах насоса и ПЭД. Возрастает загрузка, ухудшается теплообмен.
Увеличение температуры между ступицами рабочих колес и расточками направляющих аппаратов приводит к дальнейшему увеличению интенсивности солеотложения. В результате УЭЦН перегривается из-за снижения подачи и уменьшения скорости потока жидкости, снижается КПД насоса и напор ступеней.(статейка про борьбу с солями и КВЧ). Фото рабочих органов УЭЦН, подвергшихся обильному солеотложению представлены на рисунке 34.
Рисунок 34 – солеотложения на рабочих органах УЭЦН [23]
68
Один из основных методов борьбы с солеотложениями - промывка УЭЦН соляной кислотой. Данный метод достаточно эффективен, однако приводит к коррозии метала. Еще один метод защиты оборудования - это использование специальных полимерных материалов. Также при использовании станций управления с частотно – регулируемым приводом используется режим встряхивания, не позволяющий солям оседать на оборудовании. В компании
Сургутнефтегаз применяются погружные скважинные контейнеры, заполненные твердым химическим реагентом, которые крепятся к основанию
ПЭД. Также повсеместно используется закачка различных ингибиторов с помощью блока реагентного хозяйства (БРХ). Использование ингибиторов позволяет увеличить межремонтный период скважины в 2 раза. БРХ осуществляет дозированную закачку ингибитора в затруб скважины. После закачки ингибитор движется по затрубному пространству до динамического уровня, смешивается с жидкостью и поступает на прием УЭЦН.
Также, для предотвращения солеотложения используется оборудование для магнитной обработки фирм Integra Tech Associates и Magnetic Technology
Australia, в котором применяютсяя постоянные магниты. Российским аналогом данного ооборудования является системны активатор NBF-1A. Под действием магнитного поля растворенные соли изменяют свою структуру, не осаждаясь в виде твердых осадков, а выносятся из скважины как кристаллический мелкодисперсный «шлам». Преимуществом данного метода является простота конструкции, к недостаткам относится необходимость обработки оборудования до начала кристаллизации солей [9].
Существует еще и акустический метод борьбы с солеотложениями.
Физический принцип данного метода основан на создании акустических колебаний специальным акустическим излучателем, что приводит к предотвращению образовании центров кристаллизации. Данный метод не предотвращает образование солей а переносит их образование в продукцию.