WWW.NET.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Интернет ресурсы
 

Pages:   || 2 |

«ЛАБАХ НУЛЛА РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ВЫБОРУ ПРЕДВКЛЮЧЕННЫХ МОДУЛЕЙ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА В ОСЛОЖНЕННЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН Специальность ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ И ГАЗА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ) ИМЕНИ И. М. ГУБКИНА»

ЛАБАХ НУЛЛА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО

ВЫБОРУ ПРЕДВКЛЮЧЕННЫХ МОДУЛЕЙ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО

НАСОСА В ОСЛОЖНЕННЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН

Специальность 25.00.17 – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Вербицкий В.С.

Москва – 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………… 5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ……………………… 10

1.1 Анализ существующих систем и технологий защиты УЭЦН от вредного влияния свободного газа…………………………………… 10

1.2 Влияние свободного газа на напорно-энергетические характеристики электроцентробежного насоса различных конструктивных исполнений рабочих ступеней …………………….. 16



1.3 Характеристики приемных модулей для защиты УЭЦН от вредного влияния свободного газа ……………………………………. 22

1.4 Анализ промысловых данных работы УЭЦН в скважинах с высоким газовым фактором……………………………………..............

1.5. Основные задачи исследований………

ГЛАВА 2. МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

СТЕНДА. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРОВЕДЕНИЯ

СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ

НАСОСОВ КОНИЧЕСКОГО ТИПА…………………………………. 43

2.1 Экспериментальный стенд для проведения исследований конических компоновок электроцентробежных насосов на модельных газожидкостных смесях…………………………………

2.2 Методика проведения стендовых испытаний конических компоновок электроцентробежных насосов на модельных газожидкостных смесях …………...……………………………………

2.3 Методика обработки результатов стендовых испытаний……....... 56

2.4 Расчетные схемы комплектации конических компоновок электроцентробежных насосов с различными номинальными подачами ………………………………………………………………… 61 Выводы к главе 2 ……………………………………………………….. 83

ГЛАВА 3. СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ КОНИЧЕСКИХ

КОМПОНОВОК ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ И

ОЦЕНКА ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИ РАБОТЕ НА

ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЯХ ……………...………………………

3.1 Результаты испытаний цилиндрических компоновок электроцентробежных насосов при различных значениях расходных газосодержаний и частоты вращения вала …………………………… 85

3.2 Экспериментальное изучение влияния коэффициента быстроходности лопастных насосов на эффективность перекачки газожидкостной смеси …………………………………………………. 102

3.3 Результаты испытаний двухсекционных конических компоновок электроцентробежных насосов при различных значениях расходных газосодержаний ……………………………….…………………………

3.4 Результаты испытаний трехсекционных конических компоновок электроцентробежных насосов при различных значениях расходных газосодержаний ……………………………..…………………………

3.5 Анализ режимов совместной работы системы: «скважинаУЭЦН-подъемник» и разработка рекомендаций для практического использования………………………………………………………….. 123 Выводы к главе 3………….……………………………………..............

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.………………………………………………. 140 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ………………………..……….. 142 ПРИЛОЖЕНИЕ ………………………………………………………… 154

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Эксплуатация скважин установками погружных центробежных насосов (УЭЦН) является в настоящее время основным способом добычи нефти в России. Ими оборудовано 63% общего фонда скважин и добывается 82% всей российской нефти [46]. Погружные насосы занимают важное место и в мировой нефтедобыче, причем роль УЭЦН в дальнейшем будет только возрастать. Поэтому проблема повышения энергоэффективности добычи нефти при использовании УЭЦН в настоящее время представляется особенно актуальной [94, 95].

Современные условия эксплуатации скважин погружными установками электроцентробежных насосов характеризуются различными видами осложнений. Одним из осложнений является свободный газ, который поступает на прием погружного насоса в составе газожидкостной смеси в результате процесса разгазирования нефти. Свободный газ может оказывать негативное воздействие на работу УЭЦН, что приведет к увеличению потребляемой электрической мощности по сравнению с данными паспортных характеристик, снижению наработки на отказ, как отдельных элементов, так и всей насосной установки в целом, снижению технологической эффективности добычи нефти из скважин, оборудованных УЭЦН.

С середины 90-х годов прошлого столетия в нефтяных скважинах, оборудованных УЭЦН, в промышленных масштабах используются системы частотного регулирования и управления параметрами работы погружного насоса. Технология частотного регулирования вращения вала погружной электроцентробежной насосной установки позволяет исключить штуцирование устья скважины для изменения технологического режима работы скважины; обеспечить плавный вывод скважины на установившийся режим эксплуатации; создавать кратковременные (периодические) режимы откачки скважинной продукции и др.

Анализ технологических режимов эксплуатационного фонда скважин, оборудованных УЭЦН с частотным регулированием показывает, что до настоящего времени остается рад нерешенных задач по эффективному управлению частотным приводом УЭЦН в условиях высокого газосодержания. Эти задачи можно сопоставить со спецификой работы УЭЦН и предвключенных устройств для работы со свободным газом.

Таким образом, процесс добычи нефти из скважин в условиях свободного газа на приеме УЭЦН при частотном регулировании, является актуальным и, исходя из этого, можно сформулировать цели и задачи настоящих диссертационных исследований.

Цель работы – повышение эффективности эксплуатации скважин c осложненными условиями, при наличии свободного газа в добываемой скважинной продукции, путем разработки методических и технологических решений по выбору предвключенных модулей электроцентробежных насосов (ЭЦН).

Основные задачи исследований модернизация экспериментального стенда для исследования 1) конических сборок ступеней электроцентробежного насоса на модельной газожидкостной смеси, разработка методики проведения экспериментов и обработки результатов исследований при изменении входного газосодержания смеси;

экспериментальные исследования различных компоновок 2) конического насоса и расчетные рекомендации по его оптимальному составу с точки зрения энергоэффективной работы на газожидкостных смесях, с учетом изменения частоты вращения вала;

разработка корреляционных зависимостей, учитывающие 3) степень изменения напорно-расходных характеристик конических насосов при откачке газожидкостных смесей с высоким содержанием свободного газа;

адаптация методики подбора погружной насосной установки 4) (конического насоса) к скважине, с учетом полученных корреляционных зависимостей.

Методы решения поставленных задач Поставленные задачи решались с использованием следующих методов:

1) метод выбора модельной газожидкостной смеси и технологических параметров экспериментального стенда, основанный на критериях подобия работы центробежных насосов в скважинных условиях (на основании положений Межгосударственного стандарта ГОСТ 6134-2007 «Насосы динамические. Методы испытаний»);

метод численного моделирования расстановки ступеней 2) конического насоса с целью повышения энергоэффективности добычи нефтегазовой смеси;

метод экспериментальных исследований характера влияния 3) частоты вращения вала на рабочие параметры цилиндрических и конических электроцентробежных насосов;

методики подбора погружных УЭЦН к скважинам;

4) метод корреляционного анализа статистических данных по 5) результатам стендовых испытаний конических и цилиндрических электроцентробежных насосов на газожидкостной смеси при изменении частоты вращения вала.





Научная новизна Впервые проведены сравнительные испытания двух- и 1) трехсекционных конических насосов, результаты которых позволили определить оптимальные условия комплектации УЭЦН в скважинах с высоким содержанием свободного газа в добываемой продукции.

Экспериментально получены новые корреляционные зависимости, 2) учитывающие влияния частоты вращения вала электроцентробежных насосов на изменение напорно-расходных и энергетических характеристик при откачке газожидкостных смесей.

Предложена новая адаптационная модель подбора погружной 3) насосной установки (конического насоса) к скважине с высоким содержанием свободного газа в добываемой продукции.

Основные защищаемые положения Методика учета корреляционных зависимостей изменения напорнорасходных характеристик ЭЦН на газожидкостных смесях при изменении частоты вращения вала.

Методология подбора конических ступеней погружного 2.

электроцентробежного насоса к скважинным условиям с высоким содержанием свободного газа в добываемой продукции.

Практическая ценность работы Разделы диссертационных исследований имеют практическую ценность, которая сформулирована в виде результатов практических расчетов, на основе которой получены графики, показывающие, что не учет вредного влияния свободного газа на работу УЭЦН может привести к неправильным выводам по эффективности работы насоса в реальных скважинных условиях.

При принятии решения о необходимости изменения режима работы насосной установки, путем изменения значения частоты вращения вала УЭЦН, необходимо руководствоваться не только паспортными характеристиками УЭЦН, не только характеристиками УЭЦН в пересчете на реальные газожидкостные смеси, но и учитывать степень деградации напорно-расходной и энергетической характеристик насоса в условиях вредного влияния свободного газа.

Результаты диссертационных исследований приняты в ООО «РНУфаНИПИнефть» для практического применения при подборе погружного насосного оборудования к добывающим скважинам с высоким газовым фактором на Тарасовском месторождении ООО «РН-Пурнефтегаз».

Объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и заключения.

Общий объем работы составляет 154 страницы печатного текста, в том числе 13 таблиц, 47 рисунков и графиков, список литературы включает 99 источников.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ существующих систем и технологий защиты УЭЦН от вредного влияния свободного газа Исследования по влиянию свободного газа на работу погружных электроцентробежных насосов были начаты в начале прошлого века. В результате выполненных работ были сделаны выводы, что изменение рабочих характеристик центробежных насосов при наличии в откачиваемой жидкости свободного воздуха происходит вследствие нарушения энергетического обмена между рабочим колесом и воздушно-жидкостной смесью, а также из-за изменения плотности перекачиваемой смеси [1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 14, 17, 18, 24, 25, 32, 43, 61, 64, 68, 69, 70, 73, 74, 75, 88].

Исследованию некоторых вопросов работы ступеней погружных насосов ЭЦН посвящены работы П. Д. Ляпкова, В. П. Максимова, И. М. Муравъёва, И. Т. Мищенко, В. И. Игревского, А. Н. Дроздова и др.

[10, 15, 16, 17, 18, 24, 25, 32, 41, 42, 43, 61, 64, 68, 69, 70, 71, 73, 74, 75, 87, 88].

Стендовые исследования П. Д. Ляпкова в лабораторных условиях по определению влияния свободного воздуха в составе водовоздушной смеси на работу ступеней ЭЦН при перекачке водовоздушных смесей позволили установить, что при содержании свободного газа у приема насоса, равным 0,15, наблюдается ухудшение характеристик рабочих ступеней насоса [62].

При газосодержании, равным 0,20, ступени с радиальными лопаточными направляющими аппаратами и нормальным зазором между выходными кромками лопаток направляющего аппарата неработоспособны из-за срыва подачи насоса [63, 65].

Исследования И. Т. Мищенко позволили получить различные значения теоретического напора центробежного насоса, работающего на газожидкостной смеси с учетом фазовых превращений, и он установил, что фазовые превращения в значительной степени влияют на теоретический напор, что особенно сказывается на работе погружного насоса с большим количеством ступеней в нефтяной скважине [69]. Результаты исследований различных авторов позволяют сделать вывод о том, что при малых газосодержаниях у приема насоса, несмотря на снижение подачи и развиваемого давления, насос может работать устойчиво [72].

Современные условия эксплуатации скважин УЭЦН характеризуются высокой обводненностью и, в связи с этим, на многих нефтегазопромысловых объектах можно встретить «инерционную»

зависимость по использованию погружных центробежных газосепараторов.

Другими словами, предвключенные модули, например, такие как:

газосепараторы, газосепараторы-диспергаторы, диспергаторы, погружные насосы конического типа, спускают в скважины бессистемно, не учитывая последствия, которые могут проявляться в результате неправильно выбранного решения.

Для рационального выбора предвключенных модулей электроцентробежного насоса (в осложненных условиях эксплуатации скважин) необходимо иметь технологии защиты УЭЦН от вредного влияния газа и соответствующие им методики расчета характеристик погружных насосов, работающих на газожидкостных смесях (ГЖС).

Для защиты УЭЦН от вредного влияния газа существует несколько технологических решений [28, 30, 76, 77, 78, 83]:

• заглубление насоса под динамический уровень жидкости в скважине;

• подлив дегазированной жидкости в затрубное пространство [22];

• использование конической схемы насосов [28, 30];

• использование насоса с диспергатором [8];

• применение ступеней специальных конструкций [30];

• установка перед насосом газосепаратора [81];

• применение насосно-эжекторных систем [86];

• принудительный сброс газа из затрубного пространства.

Из представленного перечня технологий, в настоящее время менее изученной является технология по использованию конической схемы насосов. Рассмотренный авторами [28, 30] метод по защите УЭЦН от вредного влияния свободного газа – коническая схема насосов представлена информативно, без представления детального анализа технических возможностей при работе со свободным газом, в том числе с изменением частоты вращения вала погружного насоса.

Конические или ступенчатые центробежные насосы применяются для откачки газожидкостных смесей достаточно давно и интересны тем, что практически не требуют дополнительных капитальных затрат, используя в компоновке имеющиеся в распоряжении ступеней различных типов [12].

Проточная часть ступеней такого насоса подбирается в соответствии с изменением параметров перекачиваемой жидкостной среды. Оптимальная коническая сборка насоса в которой используется несколько типоразмеров рабочих ступеней, с различными номинальными подачами расположена таким образом, что в нижней секции насоса устанавливают пакеты ступеней с повышенной подачей (с широкими рабочими каналами колес и направляющих аппаратов), далее по потоку размещаются пакеты ступеней промежуточной ступени и пакеты ступеней меньшие номинальной подачи на выходе. Обычно на практике конические насосы состоят из двух - трех секций ступеней, например, ЭЦН5-50 / ЭЦН5-80 / ЭЦН5-125. На практике компоновка может меняться, однако чаще используется только два типоразмера, например, ЭЦН-60 / ЭЦН-100. Выбор двухсекционных сборок, по отношению к трехсекционным сборкам обусловлен тем, что с двухсекционными сборками проще работать, в частности, их проще ремонтировать, комплектовать, обслуживать и подбирать.

В работах [9, 11, 96] предложен принцип оптимальной компоновки конического насоса из располагаемого набора ступеней при заданном дебите скважины и газосодержании на входе заключающийся в минимизации потребляемой насосами мощности. Синтезированный конический насос должен потреблять меньшую мощность, чем наилучший цилиндрический насос при любых одинаковых условиях входа. Считается, что ступени самой большой производительности, на входе могут пропускать относительно большие объемы свободного газа, при этом допустимое газосодержание на входе такого насоса выше, чем у серийного центробежного насоса. Повышенное допустимое газосодержание на входе конического насоса позволяет в некоторых случаях отказаться от использования газосепаратора на приеме УЭЦН. Область применения «конического» насоса по газосодержанию на входе по данным [9, 11, 96] до 0,4. Возможно комбинированное использование конического насоса и газосепаратора, в зависимости от условий эксплуатации.

Авторы [9, 11, 96] отмечают, что использование конического насоса по сравнению с серийным цилиндрическим насосом, при прочих равных условиях позволит повысить эффективность процесса добычи нефти за счет:

1) снижения потребляемой насосом мощности, что приведёт к снижению температуры ПЭД и кабельной линии, и к повышению надежности добывающей системы;

2) использование полезной работы свободного газа при подъеме ГЖС в насосно-компрессорных трубах (НКТ), что позволит получить синергетический эффект повышения коэффициента полезного действия добывающей системы;

3) в большинстве случаев можно отказаться от использования газосепаратора на приеме УЭЦН, как потенциального источника снижения межремонтного периода скважины и источника «полетов» ЭЦН;

4) повышается ресурс работы насоса за счет того, что обеспечивается работа всех ступеней насоса в пределах их рабочего диапазона по объемной подаче;

5) можно уменьшить глубину спуска погружного агрегата в скважину в оптимизационных целях.

В работе авторов [9, 11, 96] показано, что неудачные попытки применения конических насосов чаше всего связаны с недостаточно точными расчетами количественного состава насоса по используемым ступеням. Для этого авторами [9, 11, 96] была разработана программа «NеоSеlPro» [13], которая, по мнению авторов, позволяет проводить точный и эффективный подбор конических насосов для конкретных условий эксплуатации. В работе [41] представлена диаграмма зависимости колическтва свободного газа от подачи жидкости для различных устройств (предвключенных модулей ЭЦН), направленных на снижение вредного влияния свободного газа при работе ЭЦН. По мнению автора [41] конические насосы способны эффективно работать в диапазоне газосодержаний 15-40% для малых подач 25-30 м3/сут и 27-40% для подач 180-200 м3/сут. Предложенная автором [41] диаграмма получена на основе анализа результатов подбора конических насосов в программе подбора «Автотехнолог».

Данный вид защиты УЭЦН от вредного влияния свободного газа имеет хорошие предпосылки для эксплуатации скважин с объемным входным газосодержанием на приеме насосной установки не более 40%, но при этом в литературных источниках мало информации по апробации данной технологии в теоретических и экспериментальных условиях.

Поэтому конические насосы представляют научно-практический интерес для изучения диапазона применимости и уточнения методики подбора конических систем к скважинам. Кроме того, одним из удобных в настоящее время методов регулирования работы погружных электроцентробежных насосов на многих нефтяных промыслах является метод частотного регулирования. Поэтому научный интерес представляет направление по исследованию характеристик работы цилиндрических и конических погружных насосов в условиях откачки ГЖС с высоким содержанием свободного газа, при плавном частотном регулировании режимов работы УЭЦН.

Проанализировав различные способы защиты УЭЦН от вредного влияния свободного газа можно сделать следующие выводы [14, 19, 21, 28, 29, 30, 33, 34, 35, 39, 44, 46, 47, 49, 50, 51, 80, 90, 93]:

группа технологий: заглубление насоса под динамический уровень 1) жидкости в скважине; подлив дегазированной жидкости в затрубное пространство; принудительный сброс газа из затрубного пространства в современных условиях эксплуатации скважин, в настоящее время являются неактуальными методами из-за их низкой эффективности, следовательно, не имеют научных предпосылок для дальнейших исследований;

группа технологий: конические насосы; диспергаторы;

2) газосепараторы; насосно-эжекторные системы; ступени специальных конструкций, в настоящее время широко востребованы во многих добывающих компаниях, но требуют системного подхода при выборе предвключенного модуля;

менее изученным являются конические погружные насосы, в 3) условиях переменной частоты вращения вала.

–  –  –

В работах [30, 31] представлены результаты стендовых испытаний погружных электроцентробежных насосов цилиндрического типа с номинальными подачами 80, 130 и 200 м3/сут на различных модельных газожидкостных смесях.

Обработку экспериментальных данных проводили при построении зависимости относительной подачи при нулевом напоре от объемного входного газосодержания на приеме исследуемого насоса. Под газосодержанием смеси на входе в насос понимается отношение объемного расхода воздуха (Qгвх) к объемному расходу газожидкостной смеси (Qгвх+Qж) при термодинамических условиях на входе в насос.

Qгвх вх = (1.2.1) Qгвх + Qж По полученным данным можно построить кривые относительных подач насосов по ГЖС, позволяющие наглядно представить результаты проведенных исследований – чем меньше кривая относительной подачи насоса на ГЖС отклоняется от линии бескавитационного режима, тем меньшее негативное влияние газа испытывает насос при одинаковом газосодержании. Под относительной подачей по газожидкостной смеси понимается отношение объемной подачи насосом газожидкостной смеси при заданном объемном газосодержании (Q) к объемной подаче насоса по жидкости на подобном режиме без газа (Qвх=0). Подобные режимы расположены по параболе, исходящей из начала координат и пересекающей напорные характеристики насоса при различных вх.

Q kQ = (1.2.2) Qвх =0 На примере насосной установки ЭЦН5-80 исследуемой на модельных газожидкостных смесях: «вода-воздух» и «вода-ПАВ-воздух» (при одинаковых значениях параметра пенообразующей способности жидкости [30] установлено, что погружной насос лучше работает на модельной смеси «вода-ПАВ-воздух» (в качестве ПАВ использовали дисолван 4411, концентрация 0.05% [30, 66]. Кроме того, данные исследования показали на то, что увеличение давления на приеме насосной установки приводит к улучшению характеристик насоса.

При этом необходимо отметить, что улучшение характеристик погружного насоса наблюдается в пределах области распространения линии бескавитационного режима работы насоса (кривой идеального насоса) на режиме нулевого напора, которая получена в соответствии с формулой, характеризующей область бескавитационной работы лопастного насоса:

–  –  –

г.пр напора; объемное входное газосодержание смеси, приведенное к термобарическим условиям у приема исследуемого насоса.

Увеличение давления на приеме лопастного насоса может носить ограниченный характер, в работе [30] на основе анализа результатов экспериментальных исследований было получено, что диапазон давлений у приема насоса, который может оказывать положительное влияние на характеристику работы лопастного насоса, стремящейся к кривой бескавитационного режима работы лопастного насоса, находится в пределах: 0,1-0,6 МПа, а при увеличении давления на приеме насосной установки до 3,1 МПа, кривые относительных подач располагаются близко друг к другу и различаются в пределах погрешности.

Таким образом, в промысловой практике можно встретить условие эксплуатации, при котором наступает нестабильный режим работы погружного насоса, это условие обусловлено снижением давления у приемной сетки погружного насоса и ростом объемного газосодержания.

С научно-практической точки зрения интерес представляет изучение поведения погружной насосной установки при изменении частоты вращения вала: при увеличении частоты вращения вала – давление на приеме насосной установки, при прочих равных условиях будет стремиться к минимальным значениям, а при уменьшении частоты вращения вала – давление на приеме насосной установки будет увеличиваться. Однако, исследования [19, 27, 30, 37, 40, 45, 91] показывают о неоднозначности заключений, касательно влияния частоты на характер работы погружной насосной установки.

Стендовые исследования характеристик рабочих ступеней ЭЦН различных конструкций при перекачке модельной газожидкостной смеси на различных режимах («вода-воздух», «вода-ПАВ-воздух» (крупнодисперсная смесь, подача воздуха (газа) от компрессора), «вода-ПАВ-воздух»

(мелкодисперсная смесь, сформированная при помощи водовоздушного эжектора)), позволяют определить конструктивное влияние рабочих ступеней насоса на эффективность перекачки газожидкостных смесей с различным входным газосодержанием. Анализ различных модельных газожидкостных смесей позволяет сделать вывод о том, что наиболее сложные условия работы УЭЦН наблюдаются при работе на модельной смеси: «вода-воздух», которая подобна обводненной скважинной продукции, с характерными прорывами свободного газа [30-32].

Крупнодисперсная модельная смесь «вода-ПАВ-воздух» является наиболее близкой по отношению к реальной обводненной нефтеводогазовой смеси с крупными газовыми включениями [30].

Мелкодисперсная модельная смесь «вода-ПАВ-воздух» подходит для исследований характеристик погружных газосепараторов, т.к.

диспергированный газожидкостной поток будет улучшать характеристики ЭЦН и ухудшать характеристики газосепараторов, при прочих равных условиях. Авторы исследований [30] показывают на то, что эффективность различных типов ЭЦН (ЭЦН5-125, ВННП5-125 и ЦОН5-125 по 26 – ступеней в каждой сборке) при работе на газожидкостных смесях зависит не только от конструкционных параметров, но и от режимных параметров, например, от пенообразующих свойств, давлении у входа, дисперсности и др.

Результаты испытаний различных конструкций погружного лопастного насоса показывают на то, что расходная характеристика центробежно-осевого насоса (ЦОН) в меньшей степени подвержена деградации от влияния свободного газа, по сравнению с расходными характеристиками центробежно-вихревого и центробежного насосов (рисунок 1.2.1).

–  –  –

Рисунок 1.2.

1 – Зависимость относительной подачи ЭЦН на режиме нулевого напора от объемного входного газосодержания: а) на модельной смеси «вода-воздух»; б) на крупнодисперсной модельной смеси «вода-ПАВвоздух»; в) на мелкодисперсной модельной смеси «вода-ПАВ-воздух» [30] При этом можно отметить существенное отклонение фактических характеристик от характеристики идеального насоса на модельной смеси «вода-воздух», которая подобна высоко обводненным газожидкостным смесям с диспергированными глобулами газа. Модельная смесь «водавоздух» является наиболее сложной для работы погружного электроцентробежного насоса, но в промысловой практике встречаются и средне обводненные газожидкостные смеси, и нефтегазовые смеси (безводные газожидкостные смеси).

Поэтому для дальнейших исследований введем определение модельных газожидкостных смесей, с учетом их подобия реальным промысловым характеристикам газожидкостных смесей:

- модельная смесь «вода-воздух» предназначена для исследований погружных электроцентробежных насосов с целью определения напорнорасходных и энергетических характеристик при различном содержании свободного газа, в условиях подобия работы насосов при откачке газожидкостной смеси с крупными глобулами газа (диаметр газовых пузырьков свыше 1,5 мм);

- модельная смесь «вода-ПАВ-воздух», приготовленная при помощи насосно-компрессорного стенда, предназначена для исследований погружных электроцентробежных насосов с целью определения напорнорасходных и энергетических характеристик при различном содержании свободного газа, в условиях подобия работы насосов при откачке газожидкостной смеси с крупно диспергированными газовыми пузырьками (средний диаметр газовых пузырьков от 0,2 до 1,5 мм);

- модельная смесь «вода-ПАВ-воздух», приготовленная при помощи насосно-эжекторного стенда, предназначена для исследований погружных электроцентробежных насосов с целью определения напорно-расходных и энергетических характеристик при различном содержании свободного газа, в условиях подобия работы насосов при откачке газожидкостной смеси с мелко диспергированными газовыми пузырьками (средний диаметр газовых пузырьков менее 0,2 мм).

Результаты стендовых испытаний, представленные в работе [30] позволяют провести качественный анализ изменения напорно-расходных характеристик погружного электроцентробежного насоса и выделить корреляционные зависимости для определения оптимальной конструкции погружного насоса при перекачке газожидкостной смеси. Научный интерес представляет направление исследований электроцентробежных насосов на газожидкостной смеси при различных значениях частоты вращения вала и разном исполнении погружных насосов по критерию номинальной подачи.

Учитывая результаты экспериментальных исследований, полученных авторами [21, 28, 30, 93], в настоящей диссертационной работе представляет научный интерес моделирования работы цилиндрических и конических насосов с различными начальными условиями: коэффициента быстроходности, дисперсности газа в потоке газожидкостной смеси, частоты вращения вала насоса.

1.3 Характеристики приемных модулей для защиты УЭЦН от вредного влияния свободного газа В работе автора [19] представлены результаты испытаний различных предвключенных модулей в составе погружного электроцентробежного насоса типа ВНН. В качестве исследуемых объектов выступили:

диспергирующие модули и газосепарирующие модули. К диспергирующим модулям отнесли: конический насос, насос-диспергатор типа ДН, насосдиспергатор типа МФОН. К газосепарирующим модулям отнесли: насос – газосепаратор типа ГСН, насос – газосепаратор-диспергатор типа ГДН, насос – сдвоенный газосепаратор типа 2ГСН.

Испытания по определению эффективности работы насосного оборудования с защитными устройствами по борьбе с вредным влиянием свободного газа на двух различных модельных смесях:

Мелкодисперсная смесь «вода-ПАВ-воздух» (дисолван 4411, 1.

концентрация 0.05%), приготовленная с помощью эжектора (используется для моделирования газонефтяной смеси с обводненностью менее 50% (в некоторых случаях 60 – 70%)). Данная модельная смесь использовалась для испытания газосепаратора ГСН5, газосепаратора-диспергатора ГДН5 и сдвоенного газосепаратора 2ГСН.

Крупнодисперсная смесь «вода-ПАВ-воздух» (дисолван 4411, 2.

концентрация 0.05%), приготовленная с помощью компрессора (используется для моделирования газонефтяной смеси с высокой обводненностью, моделирует условия прорыва свободного газа).

Данная модельная смесь использовалась для испытания различных насосных компоновок: насосной секции; насосной секции с диспергатором ДН, насосной секции с мультифазным модулем (ступени лопастных насосов диагонального или осевого типа).

Насосная секция 2ВННП5-125, состоящая из 100 ступеней была установлена на стенде без модели эксплуатационной колонны. Испытания проводились при постоянном расходе по жидкости: 50, 90, 135, 150 и 195 м3/сут при уровне газосодержания от минимального до максимального при котором происходит снижение напора установки до 0. Максимальное КПД составляет 55% при уровне Qж=125 м3/сут. Результаты испытаний в среднеинтегральных координатах демонстрируют, что кавитационные эффекты начинаются в исследуемом насосе (при начальном давлении 0,2 МПа) при значениях входного газосодержания выше 15% (рисунок 1.3.1-а).

Результаты испытаний в среднеинтегральных координатах демонстрируют, что кавитационные эффекты начинаются в исследуемом насосе (при начальном давлении 0,6 МПа) при значениях входного газосодержания выше 20% (рисунок 1.3.2-б), а при начальном давлении 1 МПа – 35% (рисунок 1.3.2-в).

По полученным напорным характеристикам построены кривые относительных подач насосов по ГЖС, позволяющие наглядно представить результаты проведенных исследований – чем меньше кривая относительной подачи насоса по ГЖС отклоняется от горизонтали, тем меньшее влияние газа испытывает насос при одинаковом газосодержании. Подобные режимы расположены по параболе, исходящей из начала координат и пересекающей напорные характеристики насоса при различных вх.

Нс [м] 0% 5% 600 10% 15% 20% 25% 30% 35% 400 40%

–  –  –

По аналогичной методике были обработаны экспериментальные данные стендовых испытаний других насосных систем, в том числе с предвключенными модулями.

–  –  –

Рисунок 1.3.

1 - Напорные характеристики насосной секции 2ВННП5-125 (100 ступеней) в среднеинтегральных координатах при различном газосодержании на входе в насос на грубодисперсной газожидкостной смеси при давлении у входа: а) 0,2 МПа; б) 0,6 МПа; в) 1,0 МПа [19]

–  –  –

Результаты стендовых испытаний, представленных в работе [19] позволили качественно сравнить сепарационные и диспергирующие свойства различных насосных компоновок при избыточных давлениях (0,2;

0,6; 1,0 МПа). Одними из исследуемых объектов в работе [19] являются цилиндрический и конический насосы. Автором работы [19] сделан вывод о том, более эффективной системой при работе на ГЖС являются газосепарирующие системы, в состав которых входят газосепараторы (газосепараторы-диспергаторы). Диспергирующие системы в виде цилиндрического насоса и конического насоса имеют низкие значения максимального допустимого входного газосодержания по сравнению с компоновкой: цилиндрический насос – газосепаратор. Таким образом, исследования, представленные в работе [19] позволили ранжировать различные компоновки предвключенных устройств в составе электроцентробежного насоса и определить условия, снижающие эффективность работы УЭЦН на газожидкостных смесях. Однако представленные исследования [19] не позволяют в полной мере определить эффективность конических насосов при комплектации их совместно с газосепаратором, в том числе в условиях изменяющейся частоты вращения вала насосной установки.

По данным Дроздова А. Н. [30] центробежные насосы наименее подвержены вредному влиянию свободного газа в оптимальной области работы (снижение подачи и напора насоса может составить - 20% от номинальной подачи). В правой области характеристики наблюдается вредное влияние газа и эффекты со значительным снижением напора, в левой области вредное влияние газа еще заметнее и приводит к резкому падению напора и подачи.

Область устойчивой работы насоса ВНН-125 с диспергатором ДН5при работе на ГЖС меньше, чем без диспергатора (рисунки 1.3.3, 1.3.4).

Это можно связать с тем, что для испытаний компоновки насос-диспергатор использовалась грубодисперсная газожидкостная смесь, измельчить которую до состояния мелкодисперсной модельной смеси (полученной с помощью эжектора), на которой испытывался насос без предвключенного устройства, диспергатор ДН5-250 оказался не в состоянии.

Газосепарирующие устройства в компоновках насос-газосепаратор:

ВНН125+ГДН, ВНН125+ГН и ВНН125+2ГСН показали наиболее широкую область применимости оборудования (рисунки 1.3.3, 1.3.4), которая увеличивается при снижении подачи (в левой зоне характеристики).

Негарантированные режимы (рисунок 1.3.4) в правой области работы насоса можно считать продолжением зеленой зоны (бескавитационный режим) с некоторым снижением КПД, но возможности стенда не позволили получить фактические точки в этой области.

Рисунок 1.3.

3 – Номограмма определения эффективного газостабилизирующих модулей на приеме ВНН5-125 по данным испытаний [19] Данные для конического насоса (секция, состоящая из 30 ступеней с номинальной подачей 80 м3/сут (на выходе), 30 ступеней с подачей 125 м3/сут (в середине) и 40 ступеней с подачей 200 м3/сут (на входе)) приведены на всех номограммах – при подачах 60, 79, 100, 125 и 150 м3/сут.

Область его работы практически не меняется.

Рисунок 1.3.

4 – Номограмма определения эффективного газостабилизирующих модулей на приеме ВНН5-79 по данным испытаний [19] Результаты исследований [19] показали на то, что технические возможности конических насосов позволяют решать промысловые задачи по откачке ГЖС с высоким содержанием на ряду с такими системами, как диспергаторы и мультифазные ступени ЭЦН. Однако для решения промысловых задач, полученной информации по результатам исследований конических систем [19] недостаточно, необходимо провести аналогичные исследования для различных номинальных подач многосекционных конических насосных установок.

В работе [52] представлен расчет конической сборки электроцентробежного насоса при перекачке водонефтегазовых смесей, основанный на математическом моделировании процессов тепломассопереноса в каналах электроцентробежного насоса при перекачке газоводонефтяных смесей. Автор [52] численно решил задачу оптимизации конструкции погружного электроцентробежного насоса при помощи подбора ступеней различной производительности, с учетом изменения физико-химических свойств нефтегазового потока в ступенях насоса.

Новым в работе [52] является методологический подход в выборе подходящих по номинальной подаче ступеней погружного электроцентробежного насоса при изменении свойств перекачиваемой смеси. Предложенная автором [52] методика подбора конического ЭЦН основана на полуэмпирической модели определения изменения напорнорасходных характеристик ЭЦН в зависимости от модифицированного числа Рейнольдса, опубликованной в работе [63]. Необходимо отметить, что методика подбора конических насосов основана на решении системы линейных уравнений для единственного случая, когда, т.е. для оптимального условия. Однако современные условия эксплуатации скважин погружными электроцентробежными насосами характеризуются вредным влиянием свободного газа, что может приводить к снижению характеристик работы УЭЦН ( ).

В представленной работе [52] используется параметр быстроходности, связывающий основные параметры насоса:

– угловая скорость насоса, об/мин;

( номинальная подача ступени ЭЦН (паспортная характеристика), м3/сут; подача ступени ЭЦН на смеси, м3/сут; - номинальный напор ступени ЭЦН (паспортная характеристика), м). Анализ представленной зависимости определения коэффициента быстроходности ступени насоса по данным автора [52], в соответствии с опубликованными данными авторов [11, 30, 62] может быть представлена в следующем виде:

. Также необходимо отметить, что влияние частоты вращения вала на работу погружного электроцентробежного насоса при откачке газожидкостных смесей не учитывается в предложенной методике, так как данный вид исследований не проводился в работе [52], следовательно, предложенная методика расчета конического насоса имеет ограничения.

Опубликованные работы [11, 30, 52, 62] представляют несомненный научный интерес в области экспериментальных исследований ступеней конических насосов на газожидкостных смесях при изменении частоты вращения вала.

1.4 Анализ результатов промысловых испытаний УЭЦН в скважинах с высоким газовым фактором В работе [91] представлен опыт эксплуатации погружных центробежных насосов с вентильными электродвигателями с бесступенчатым регулированием режимов работы в НГДУ Быстринскнефть ОАО «Сургутнефтегаз». Испытания проводили на 29-ти скважинах Быстринского, Солкинского и Комарьинского месторождений. В скважину спускали типовую электроцентробежную насосную установку, которая может работать в широком диапазоне частот вращения вала (2900-10000 об/мин). Погружная насосная установка состоит из следующих элементов:

насоса центробежного модульного высокообортоного (ЦН-981.01, ЦНмодуля входного специального с промежуточным валом и твердосплавными подшипниками скольжения; гидрозащиты модульной;

электродвигателя вентильного погружного маслонаполненного с ротором на постоянных магнитах; станции управления (СУВ-075) с преобразователем частоты на силовых транзисторах IGBT; трансформатора; погружного электрокабеля КПБП 3х16 мм2 с термовставками. Анализ промысловых испытаний высокооборотных электроцентробежных насосов позволяет сделать вывод о том, что на высокообводненной скважинной продукции напорно-расходные характеристики насоса хорошо согласуются с паспортными, снятыми на воде. Однако, как только насос с регулируемым приводом в широком диапазоне изменения частоты вращения вала переходит на работу по откачке газожидкостных смесей с высоким содержанием свободного газа, наступают периоды нестабильной работы и срывы подачи насоса. В подтверждение вышеизложенному можно привести пример эксплуатации высокооборотных насосов в трех скважинах с высоким газовым фактором [91]. В период вывода установок электроцентробежного насоса на режим (первые 2…3 дня) при достижении в затрубном пространстве уровня газожидкостной смеси над насосом 500…600 м происходили отключения по причине срыва подачи – токовые нагрузки в этот момент уменьшались на 10…15 А от первоначальных, число оборотов на этот период составило 6700…7500 об/мин [91]. Необходимо отметить, что в работе [24] также отмечается о том, что с увеличением частоты вращения вала лопастного насоса при перекачке газожидкостных смесей может наступать срыв подачи. После уменьшения частоты вращения до 6000…6300 об/мин динамический уровень в затрубном пространстве стабилизировался на отметке 600…800 м, с колебанием подачи в интервале 35…50 м3/сут. В течение 3…4 суток наблюдался переход из нестабильной работы в стационарный режим работы высокобортного УЭЦН. Таким образом, можно констатировать, что изучение рабочих характеристик УЭЦН на газожидкостных смесях при изменении частоты вращения вала позволяет решать задачи по оптимизации добычи нефти с высоким содержанием свободного газа. При помощи частотного регулирования возможно повысить объемы перекачиваемой смеси за счет: снижения запаса высоты столба жидкости в затрубном пространстве методом увеличения частоты вращения вала; оптимизации серийных установок ЭЦН, работающих в приграничных зонах характеристик; обеспечения автоматической адаптации насосной установки к объемному притоку с исключением срыва подачи [91].

В настоящее время на многих нефтяных промыслах России метод частотного регулирования в основном применяют на малодебитных скважинах [40]. Период бурного развития технологии плавного частотного регулирования приходится на вторую половину 90-х годов прошлого столетия [23]. До этого периода малодебитный фонд скважин эксплуатировали в периодическом режиме. Впервые о возможности периодической работы УЭЦН в скважинах представлено в работах А.А.

Богданова [15, 16]. По данным исследований [15] режим периодической работы УЭЦН должен описываться циклами остановки (накопления) и включения (откачки). Время циклов откачки и накопления рассчитывается исходя из условий эксплуатации скважины (рисунок 1.4.1). Периодическое включение и выключение УЭЦН происходит по таймеру или по сигналу в станции управления по токовым нагрузкам о предсрывном состоянии, в результате снижения динамического уровня. Данный метод позволяет эксплуатировать скважины с любыми производительностями ниже номинальной производительности УЭЦН.

Рисунок 1.4.

1. Изменение давления на приеме УЭЦН и дебита скважины в режиме периодической откачки и накопления жидкости [69] Авторы [16] показывают о том, что при оптимальном выборе циклов откачки и накопления можно достичь снижения удельных энергозатрат на одну тонну добычи нефти примерно в 3 раза применительно к условиям эксплуатации малодебитных скважин, дебиты которых меньше 20 м3/сут.

Кроме того, при плавном регулировании моментов включения и остановок УЭЦН, а также с учетом минимизации значений реактивной мощности ПЭД, потребной для запуска УЭЦН, возможно повысить межремонтный период за счет снижения общего времени работы УЭЦН при прочих равных условиях, сравнивая с работой УЭЦН в постоянном режиме. К недостаткам данного метода можно отнести: большое количество запусков и остановок, особенно в осложненных условиях эксплуатации, что может приводить к частым заклиниваниям вращающихся элементов насоса; при неисправности обратного клапана в составе погружной насосной установки, при остановках может происходить слив жидкости через насосную установку, что приведет к так называемому обратному «турбинному» вращению, следовательно, в таких условиях повторный запуск может отложиться на более поздний срок из-за опасности выхода из строя токоподводящих частей насосной установки при запуске в режиме «турбинного» вращения;

сложный контроль за технологическими параметрами работы скважины в процессе нестационарного отбора (определение потенциала скважины, узловой точки совместной работы: «пласт-скважина-насос») [53].

В настоящее время в промысловой практике принято условно считать, что при длительности цикла накопления и откачки более 1 часа, режим называется периодическим (АПВ автоматическое периодическое

– включение). Если длительность цикла накопления и откачки менее 1 часа, то режим называется кратковременным периодическим или циклическим [27].

Методика циклического регулирования режимов работы УЭЦН в малодебитной скважине или другое наименование: «циклическая стабилизация притока по алгоритму Ханжина В.Г. (ЦСПХ)» (рисунок 1.4.2), предложенная автором в 2008 году [78, 79, 88]. Суть метода заключается в использовании периодической откачки и накоплении жидкости за счет изменения частоты вращения вала ЭЦН, при этом накопление жидкости происходит без остановки УЭЦН. Длительность циклов накопления и откачки – от 1 до 20 минут, в зависимости от технологических условий эксплуатации [79, 80, 89]. Удобство данной методики заключается в том, что алгоритмы управления УЭЦН заложены в программном обеспечении станции управления УЭЦН, поэтому данный метод получил широкое применение во многих нефтегазовых компаниях.

К преимуществам метода ЦСПХ можно отнести: возможность эксплуатации скважины с любой производительностью ниже номинальной производительности УЭЦН; использование стандартного оборудования кроме специализированной станции управления; увеличение добычи нефти по сравнению с АПВ-режимами на низкодебитном фонде; возможность снижения риска заклинивания УЭЦН, за счет непрерывной работы, за исключением аварийных остановок; нет зависимости от состояния обратного клапана, т.к. нет остановок УЭЦН в режиме накопления;

способность поддерживать постоянное забойное давление за счет малой длительности циклов, путем изменения частоты вращения вала УЭЦН [79, 80, 89]. Опыт эксплуатации скважин по методу ЦСПХ показывает на ряд недостатков: высокая стоимость оборудования (станции управления);

высокие удельные энергозатраты на добычу жидкости, особенно в режиме накопления; не адаптирована модель работы УЭЦН с газом при различных частотах вращения вала [27].

Рисунок 1.4.

2 – Напорно-расходная характеристика согласованного режима работы ЦСПХ-УЭЦН [89] Кратковременная эксплуатация скважин, оборудованных УЭЦН характеризуется периодическими запусками и остановками ЭЦН с общей длительностью цикла «накопление – откачка» - менее 60 минут. Для этого используется частотно-регулируемый привод в составе УЭЦН, необходимый для снижения вредного влияния реактивной мощности в момент запуска УЭЦН. Особенности данного метода заключаются в том, что можно эксплуатировать скважины с преимущественно малыми дебитами, которые имеют меньшие значения по отношению к номинальным значениям подачи УЭЦН [54]. Анализ эксплуатации малодебитных скважин при помощи кратковременных режимов позволяет сделать вывод о том, что удельные затраты электроэнергии на подъем одного кубометра пластовой жидкости, при прочих равных условиях, меньше чем при эксплуатации скважин на режимах АПВ или постоянной эксплуатации УЭЦН с низкими номинальными подачами. Данные обстоятельства позволяют повысить наработку на отказ УЭЦН при использовании частотного регулирования.

Основным сложным фактором является рациональный подбор циклических режимов работы гидродинамической системы: «пласт-скважина-УЭЦН» в условиях откачки и накоплении ГЖС, которая может оказывать негативное влияние на характеристики УЭЦН.

Для того чтобы учесть параметры влияющие на характеристики УЭЦН при периодической и кратковременной эксплуатацией при частотном регулировании, необходимо рассмотреть следующие условия: 1) изменение притока жидкости из пласта при изменении депрессии на пласт (режим нестационарной фильтрации); 2) изменение фазового состояния в затрубном пространстве скважины в режиме накоплении скважинной продукции;

3) изменение напора ЭЦН, развиваемого в режиме откачки: от запуска до отключения; 4) изменение фазового состояния в газожидкостном подъемнике (в насосно-компрессорных трубах) в режимах накопления и откачки; 5) зависимость надежности УЭЦН от количества плавных пусков УЭЦН.

Результаты стендовых и промысловых исследований, представленные в работе [90] показали, что при изменении частоты вращения вала УЭЦН, в момент откачки ГЖС, насосная установка может вести себя по-разному.

Так, например, в одной из исследуемых скважин ООО «РН-Пурнефтегаз», оборудованной УЭЦН и эксплуатируемой в условиях прорыва на прием насосной установки свободного газа, было получено, что с увеличением частоты вращения с 60 Гц до 67 Гц, наблюдается снижение значений общего коэффициента сепарации, соответственно с 0,9 до 0,5 (рисунок 1.4.3).

–  –  –

после естественной сепарации и сепарации погружным газосепаратором, приведенный к СУ, м3/сут; Qг.вх - расход газа на глубине спуска насоса до СУ сепарации, приведенный к СУ, м3/сут.

Коэффициент искусственной сепарации можно рассчитать по формуле:

–  –  –

естественной сепарации газа.

Процесс естественной сепарации изучался многими исследователями в СССР [65] и в США [90]. По результатам исследований процесса сепарации газа в скважинах ООО «РН-Пурнефтегаз» было получено, что наиболее близкой к реальным промысловым характеристикам является механистическая модель Р. Маркеза [90]. На рисунке 1.4.3 можно заметить, что с увеличением частоты вращения, кроме снижения коэффициента сепарации, уменьшается развиваемый напор погружной насосной установки.

Это обстоятельство можно объяснить условием работы погружного газосепаратора на предельном режиме, который был обусловлен увеличением частоты вращения. В результате нестабильной работы погружного газосепаратора, в режиме повышения свободного газа на приеме УЭЦН, большая часть газа поступает в погружной насос, соответственно его работоспособность снижается и может привести к срыву подачи, в зависимости от конструкции рабочих ступеней или предвключенных модулей.

Рисунок 1.4.

3 – График зависимостей дебитов скважины по нефти, по воде и газу в стандартных условиях и давлений на приеме и выкиде погружной насосной установки (скважина «А1а» 1 ООО «РН-Пурнефтегаз») [90] Стендовые эксперименты [20, 29, 30] показали, что характеристики различных газосепараторов неоднозначно зависят от частоты вращения вала электродвигателя. Например, у газосепараторов - диспергаторов марки ГДНК5 (5А) параметры работы улучшаются с ростом частоты в диапазоне 20 – 90 Гц, в наибольшей степени – до 50 Гц, в дальнейшем рост частоты менее заметно повышает сепарационные свойства газосепаратора – диспергатора. Для газосепараторов и газосепараторов – диспергаторов других марок, например, 2МН-ГСЛ5Т и МНГД5, испытанных на экспериментальном стенде, улучшение характеристик сепарации газа наблюдается только до частоты 50 Гц. При последующем увеличении

Номер скважины изменен автором

частоты от 50 до 70 Гц для подач свыше 80 – 90 м3/сут происходит ухудшение работы сепараторов. Анализируя результаты стендовых испытаний различных марок газосепараторов можно сделать важный вывод о том, что конструктивное исполнение проточных конструкций газосепараторов играет ключевую роль в формировании газовых каверн при увеличении частоты вращения вала, особенно после 50 Гц. В некоторых конструкциях с увеличением частоты вращения вала эффект сепарации замедляется в меньшей степени, но при этом эффект диспергации газовых пузырьков носит пассивный характер, что позволяет газосепаратору эффективно работать при высоких газосодержаниях на приеме УЭЦН, созданных в результате снижения давления на приеме из-за увеличения частоты вращения. В других конструкциях газосепараторов эффект диспергации газовых пузырьков в результате увеличения частоты вращения вала становится более явным и, может приводить к преобладающим свойствам над эффектом слияния газовых пузырьков в проточных камерах газосепаратора, что приводит к замедлению или ухудшению сепарационных свойств. Физический смысл изменения сепарационных свойств газосепаратора от частоты вращения вала можно рассмотреть в виде следующих зависимостей [30]:

- время сепарации газового пузырька из жидкости в поле центробежных сил:

–  –  –

Wсм где - осевая скорость газожидкостной смеси.

Если представить, что при плавном увеличении частоты вращения вала газосепаратора, диаметр газовых пузырьков уменьшается более стремительно, чем увеличивается частота, то из анализа формул (1.4.3 и 1.4.4) видно, что время сепарации и длина сепарационной камеры должны существенно увеличиться, однако в реальных условиях длина сепарационной камеры газосепаратора измениться не может, т.к.

спроектирована изначально для определенных технических условий, а вот время сепарации газа может быть различным, в зависимости от конструктивных особенностей проточных элементов газосепаратора.

Таким образом, при подборе погружного насосного оборудования для эксплуатации скважины с высоким газовым фактором, а также при условии частотного регулирования, не достаточно руководствоваться только паспортными характеристиками УЭЦН, полученными при проведении параметрических испытаний на воде. Для достоверной оценки эффективности работы УЭЦН и снижения риска преждевременного отказа УЭЦН при откачке ГЖС, необходимо исследовать процесс влияния частоты вращения вала погружного электродвигателя УЭЦН на характеристики работы системы: «пласт-скважина-УЭЦН».

1.5 Основные задачи исследований Анализ литературных источников показал, что ряд особенностей работы погружных электроцентробежных насосов на ГЖС в настоящее время исследован недостаточно. Для достижения цели диссертационных исследований сформулированы следующие задачи:

1) модернизация экспериментального стенда для исследования конических сборок ступеней электроцентробежного насоса на модельной газожидкостной смеси;

2) разработка методики проведения экспериментов и обработки результатов исследований при изменении входного газосодержания смеси;

3) экспериментальные исследования различных компоновок конического насоса и расчетные рекомендации по его оптимальному составу с точки зрения энергоэффективной работы насоса на газожидкостных смесях;

4) исследование влияния частоты вращения вала на рабочие характеристики цилиндрических и конических электроцентробежных насосов;

5) разработка корреляционных зависимостей, учитывающих степень изменения напорно-расходных характеристик конических насосов при откачке газожидкостных смесей с высоким содержанием свободного газа;

6) адаптация методики подбора погружной насосной установки (конического насоса) к скважине, с учетом полученных корреляционных зависимостей.

ГЛАВА 2. МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРОВЕДЕНИЯ СТЕНДОВЫХ

ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

КОНИЧЕСКОГО ТИПА.

Для решения одной из поставленных задач необходимо провести расчеты оптимальных компоновок конического насоса, представляющего пакеты ступеней, отличающихся различными номинальными параметрами подачи, напора и развиваемой мощности.

В процессе добычи скважинной продукции на характеристику конического насоса будут оказывать влияние следующие условия:

- растворимость газа в нефти в результате ступенчатого повышения давления от ступени к ступени;

- деградации из-за влияния свободного газа и, как следствие снижение развиваемого коническим насосом напора, вплоть до срыва подачи;

- образование стойких эмульсий и др.

Условием оптимального выбора пакетов соответствующей производительности, на начальном этапе расчетов будет критерий энергоэффективности конического насоса по отношению к цилиндрическому насосу. Критерий энергоэффективности комплектации пакетов можно определить по данным паспортных характеристик серийно выпускаемых ступеней [48, 49, 50]. Для того чтобы перенести результаты подбора пакетов конических насосов с модельных в реальные условия, необходимо расчетной части учесть условия растворимости газа в нефти и деградацию напорно-расходной характеристики конического насоса из-за влияния свободного газа. Для этого необходимо провести ряд экспериментальных исследований конических насосов.

2.1. Экспериментальный стенд для проведения исследований компоновок конических электроцентробежных насосов на модельных газожидкостных смесях Для проведения стендовых испытаний по определению характеристик конических насосов при откачке газожидкостных смесей с различным содержанием свободного газа на приеме, были проведены монтажные и пуско-наладочные работы на экспериментальном стенде кафедры разработки и эксплуатации нефтяных месторождений РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина [7, 31, 36, 37, 58].

Рисунок 2.1.

1 – Схема экспериментального стенда для исследования характеристик цилиндрических и конических наосов Экспериментальный стенд (рисунок 2.1.1) состоит из следующих основных элементов: гравитационного сепаратора - 1; мерной ёмкости – 2;

ёмкости для рабочей жидкости – 3; напорного газового баллона – 21;

дренажной ёмкости – 7; исследуемого насоса – 13; компрессоров – 16, 17;

приемного модуля – 12; электродвигателя – 11; частотного преобразователя

- 10; регулируемой задвижки - 15; регулируемых вентилей - 5, 20, 25, 27;

кранов - 6, 8, 18, 19, 23; регулируемого тройника – 4; обратного клапана манометров – 9, 14, 22, 26; редуктора - 24; расходомера газа 28.

Замеряемые параметры в процессе проведения стеновых экспериментов:

f – частота вращения вала исследуемого насоса - 13, задаваемая при помощи преобразователя частоты – 10, Гц;

Рвх – давление на входе исследуемого насоса - 13, МПа;

Рвых – давление на выходе исследуемого насоса - 13, МПа;

Vж – объем рабочей жидкости, поступающей в мерную ёмкость –2, м3;

t – время замера объема рабочей жидкости в мерной емкости –2, с;

Nпотр, - потребляемая мощность исследуемого насоса – 13, замеренная при помощи преобразователя частоты – 10, кВт;

Vг – объем газа (воздуха), прошедшего через расходомер –28, м3;

tг – время замера объема газа (воздуха), прошедшего через расходомер– 28, с;

РБ4 – давление в напорном газовом баллоне – 21, МПа.

Монтажные и пусконаладочные работы на экспериментальном стенде (рисунок 1) проведены в соответствии с ГОСТ 6134-2007 [26].

Назначение элементов экспериментального стенда: гравитационный сепаратор – 1 предназначен для отделения газа (воздуха) от рабочей жидкости, которая подготавливается для накопления в емкости – 3, а газ (воздух) соединяется с атмосферным воздухом. Мерная ёмкость – 2 предназначена для осуществления замера объема жидкости за определённые промежутки времени, результаты которого можно использовать для расчета расхода жидкости. Мерная ёмкость в своем составе включает мерную шкалу и регулируемый вентиль – 5.

Ёмкость для рабочей жидкости – 3 предназначена для накопления и приготовления рабочей жидкости (ПАВ + вода), с последующей полачей на приём исследуемого насоса - 13.

Напорный газовый баллон – 21 предназначен для накопления, компримирования воздуха, для фиксируемой регулировки подачи газа на приёме исследуемого насоса - 13.

В качестве исследуемых насосов в схеме экспериментального стенда задействованы различные компоновки электроцентробежных насосов цилиндрического типа: ЭЦН5-30; ЭЦН5-50; ЭЦН5-80; ЭЦН5-125; ЭЦН5Аи ЭЦН5А-400 и конического типа: ЭЦН5-30/50; ЭЦН5-50/80; ЭЦН5ЭЦН5-125/200; ЭЦН5-200/ЭЦН5А-400; ЭЦН5-50/80/125. Для испытаний конических насосных сборок были задействованы цилиндрические сборки, скомпонованные в соответствии с расчетной схемой, методология которой представлена в следующем параграфе диссертационной работы.

Учитывая тот факт, что конструкция рабочей ступени лопастного насоса может оказывать влияние на эффективность перекачки жидкости со свободным газом, в настоящей работе, автором сделан акцент на идентичность конструктивных особенностей, при переменных значениях газосодержания на приеме насосной установки, частоты вращения вала насосной установки, давления на приеме.

В составе экспериментального стенда задействованы два компрессора поршневого типа 16 и 17. Назначение компрессоров – повышение давления в технологической цепочке экспериментального стенда, для приготовления модельной смеси на приеме испытательного насоса 13.

Дренажная емкость 7 предназначена для аварийного слива излишков жидкости из системы экспериментального стенда, а также для промывки проточных элементов стенда в случае изменения режимов испытаний (изменение свойств рабочей смеси).

Одним из основных элементов экспериментального стенда является приемный модуль 12, который предназначен для подвода рабочей жидкости и газа (воздуха) для герметичной передачи крутящего момента на валу от электродвигателя – 11. Так как в процессе стендовых испытаний на приеме исследуемого насоса может находиться модельная газожидкостная смесь и в случае негерметичности торцевого уплотнения в приемном модуле, то на приеме первой ступени исследуемого насоса может наблюдаться поступление воздуха из атмосферы, что приведет к нарушению в учете баланса газа (воздуха) в исследуемом процессе. С этой целью была разработана усиленная конструкция приемного модуля, способная выдерживать перепад давления в торцевом соединении – до 3 МПа (рисунок 2.1.2).

Рисунок 2.1.2 – Эскиз приемного модуля

Приемный модуль (рисунок 2.1.2) состоит из корпуса - 1 цилиндрической формы с патрубком - 2, к которому посредством соединительной муфты - 3 приваривается фланец с патрубком - 4, в зависимости от необходимого размера. В корпусе - 1, с одной стороны, вставлен подшипниковый узел, в состав которого входят: вал - 5, крышка подшипника - 6, подшипники радиальные - 7, втулка распорная - 8, корпус подшипникового узла - 9, пробка - 10, войлочное уплотнение - 11, манжета стакан - 13, торцовое уплотнение - 14, втулка дистанционная - 15, отбойник – 16, гайка - 17, шайба стопорная 18, фланец постоянный 19, фланец сменный - 20, к которому крепится основание - 21 насосной секции.

Подвод жидкости осуществляется, через патрубок 2 и фланец с патрубком 4.

Передача крутящего момента на вал насоса осуществляется посредством вала - 5. Отверстие - 23 предназначено для отвода жидкости в объеме допустимых протечек торцового уплотнения.

Электродвигатель – 11 асинхронный короткозамкнутый, предназначен для передачи электрической энергии в механическую, посредством преобразования крутящего момента на валу. Темп вращения вала электродвигателя задается при помощи преобразователя частоты - 10.

Рабочий диапазон частоты во время проведения испытаний исследуемого насоса составляет 30-70 Гц. Регулируемые вентили – 5, 25, 20, 27 предназначены для плавного перекрытия потоков газа и рабочей жидкости в системе запорной арматуры экспериментального стенда, а краны -6, 8, 18, 19, 23, предназначены для аварийного перекрытия потоков газа и рабочей жидкости в системе запорно-регулирующей арматуры. Регулируемая задвижка - 15 предназначена для плавной регулировки напорно-расходной характеристики исследуемого насоса во время проведения испытаний.

Средства контрольно-измерительной аппаратуры (манометры - 26, 22, 9, 14 и расходомер газа - 28) поверены и подобраны в соответствии с рекомендациями ГОСТ 6134-2007 [26]. Обратный клапан - 29 предназначен для исключения режимов движения рабочей жидкости в газовою линию.

Редуктор - 24 предназначен для поддержания перепада давления воздуха в напорном газовом баллоне - 21 и приемным модулем – 12.

В качестве модельной жидкости в стендовых экспериментах по рекомендациям [31, 60, 82] применили смесь «вода-поверхностно-активное вещество (ПАВ)-воздух». В качестве ПАВ использовали деэмульгатор «Дисольван 4411» с концентрацией не более 5% по объему, который добавляли в емкость - 3. По данным исследований [31], такая смесь моделирует условия газонефтяной смеси с обводненностью 60-70 %.

2.2 Методика проведения стендовых испытаний конических компоновок электроцентробежных насосов на модельных газожидкостных смесях Стендовые испытания конических насосных систем не отличаются от принципиальной методики проведения испытаний цилиндрических насосных систем. Определение напорно-энергетических характеристик цилиндрических и конических насосов на воде. Рабочая жидкость (вода) из емкости - 3 поступает в приемный модуль – 12 посредством открытого крана - 8, давление в приемном модуле – 12 (на приеме исследуемого насоса) замеряется манометром - 9. Далее рабочая жидкость поступает на прием исследуемого насоса 13, приводимого в действие

– электродвигателем –11. Крутящий момент от вала электродвигателя к валу насоса передается с помощью муфты (на схеме не показана позиция). Для исключения попадания газа (воздуха) в приемный модуль – 12 газовые компрессоры – 16 и 17 отключены, а кран – 23 находится в положении «закрыто». Для установки начального режима работы исследуемого насоса

– 13, регулируемая задвижка – 15 должна быть полностью открыта, что соответствует режиму работы электроцентробежного насоса на максимальной подаче и при нулевом напоре. Давление на выходном патрубке исследуемого насоса – 13 замеряется при помощи манометра – 14.

Жидкость (вода) после прохождения регулируемой задвижки направляется в гравитационный сепаратор - 1, который соединен с ёмкостью для рабочей жидкости – 3. Если в процессе установления режима работы исследуемого насоса нет отклонений и колебаний давления на приеме и на выходе, а частота вращения вала зафиксирована и составляет режимное значение, то осуществляют замер расхода жидкости (воды) объемным способом. Для этого используют регулируемый тройник – 4, который на время замера режимных параметров, отсекает поток рабочей жидкости от накопительной емкости – 3 и направляет ее в мерную емкость – 2, при этом включается секундомер для определения расхода жидкости, поступающей из исследуемого насоса – 13 в мерную емкость – 2. После наполнения мерной емкости до критического уровня, регулируемы тройник – 4 переключается в исходное положение, характеризующее движение потока рабочей жидкости в накопительную емкость – 2, а секундомер останавливается и тем самым, фиксируется время, за которое произошло наполнение мерной емкости.

Результаты замера первого режима работы исследуемого насоса – 13 заносятся в таблицу 2.2.1 (Рвх – давление на входе в исследуемый насос, МПа; Рвых – давление на выходе исследуемого насоса, МПа; f – частота вращения вала исследуемого насоса, Гц; Vж -объем жидкости, м3; t - время заполнения мерной емкости, с; потребляемая мощность на валу, кВт).

Аналогичным образом проводят испытания для постоянных величин давления на приеме исследуемого насоса и частоты вращения вала, при изменении положения регулируемой задвижки – 15. От установки различного положения задвижки – 15, будет зависеть точность определения точек на графике напорно-расходной и энергетической характеристики исследуемого насоса – 13. Для получения полной характеристики исследуемого насоса необходимо обеспечить режим его работы близким к режиму нулевой подачи и максимального напора, что достигается при полном закрытии регулируемой задвижки – 15. Результаты замеров заносят в таблицу 2.2.1.

–  –  –

Для проведения испытаний в диапазоне промышленных частот: 40-60 Гц, при помощи преобразователя частоты – 10 обеспечиваем настройку на заданное значение, после чего повторяем режимы испытаний исследуемого насоса на воде, по ранее представленной методике.

Для проведения испытаний исследуемого насоса - 13 на модельной газожидкостной смеси, подключают газовую линию в следующем порядке.

При заданном значении частоты вращения вала устанавливают стационарный режим работы на воде, при этом подключают в работу стенда газовые компрессоры – 16 и 17. В зависимости от расхода газа на приеме исследуемого насоса, в систему может быть подключен один газовый компрессор – 16, по мере увеличения расхода газа, подключают дополнительный компрессор – 17. Технические характеристики газового компрессора: максимальное давление – 0,8 МПа; расход воздуха 900 л/мин.

После включения газового компрессора – 16, посредством открытого крана

- 18 (компрессор - 17 отключен, кран - 19 закрыт), газ (воздух) нагнетается в напорный газовый баллон – 21 объемом 1,5 м3. Расход и давление нагнетаемого воздуха в газовый баллон – 21 регулируется при помощи вентиля – 20, при этом за показаниями давления в газовом баллоне – 21, наблюдают при помощи манометра – 22. При достижении максимального давления – 0,8 МПа, компрессор отключается автоматически. Регулятор давления, установленный на выкидном патрубке газового компрессора – 16, позволяет его включать в автоматическом режиме при снижении давления в газовой линии - до 0,2 МПа. В случае необходимости увеличения расхода газа, подключается второй компрессор 17. Последовательность

– подключения компрессора 17 идентична методике подключения

– компрессора – 16. Компримированный газ (воздух) в напорном газовом баллоне – 21 используют путем регулируемого отбора и подачи в приемный модуль – 12. Для обеспечения плавной регулировки подачи газа (воздуха) в исследуемый насос – 13, последовательно открывается кран 23 и устанавливается необходимый расход газа (воздуха) при помощи плавного открытия регулируемых вентилей 25 и 27. Последовательно

– подключенные редуктор 24 и вентили 25 и 27 позволяют создать плавную регулировку подачи газа (воздуха) на прием исследуемого насоса – 13 и, при этом, обеспечить заданное постоянное давление в приемном модуле – 12 – 0,1 МПа. Замер расхода газа осуществляют при помощи объемного счетчика газа – 28 и секундомера.

Задаем минимальное значение подачи газа (воздуха) на приеме исследуемого насоса, стабильный режим достигается при фиксированном постоянном значении давления на приеме (показания манометра 9) и равномерной подачи газа (воздуха) (показания объемного счетчика газа – 28), после этого устанавливают несколько режимов работы исследуемого насоса – 13 при помощи регулируемой задвижки - 15.

При снятии напорно-энергетической характеристики исследуемого насоса – 13 можно использовать режим регулировки задвижки – 15 как при «прямом ходе», так и при «обратном ходе». «Прямым ходом» обозначим процесс испытания насоса от открытой к закрытой задвижке или от нулевого до максимального напора или от максимальной до нулевой подачи. «Обратным ходом» обозначим процесс испытания насоса при прочих равных условиях, от закрытой к открытой задвижке или от максимального до нулевого напора или от нулевой до максимальной подачи.

В процессе испытаний центробежных насосов с плавающими рабочими колесами можно наблюдать деформационные характеристики изза всплытия рабочих колес (рисунок 2.2.1). Такое явление объясняется гидродинамикой потока в ступенях – при больших скоростях давление вращающегося потока на выходе из рабочего колеса в безлопаточном канале 1 падает, становясь меньше давления в канале 2 перед входом в рабочее колесо. Возникающий перепад давлений вызывает всплытие рабочего колеса. При этом нижнее уплотнение колеса раскрывается и начинается утечка жидкости из нагнетательной области ступени во всасывающую. Таким образом, всплытие рабочего колеса вызывает скачкообразное снижение напора и КПД в области больших подач [59, 60].

После проведения испытаний исследуемого насоса – 13 при минимальном расходе газа (воздуха) на приеме, объемное содержание свободного газа в потоке газожидкостной смеси на приеме исследуемого насоса – 13 дискретно увеличивают, добиваясь стационарного режима работы насоса. После чего осуществляют замер основных параметров (таблица 2.2.2).

Рисунок 2.2.

1 – Фрагмент рабочей ступени электроцентробежного насоса Дискретное увеличение объемного расхода газа (воздуха) на приеме осуществляют до тех пор, пока не наступит условие срыва подачи исследуемого насоса, т.е. на выкидном патрубке исследуемого насоса – 13 прекратится подача газожидкостной смеси.

Таблица 2.2.

2 – Замеряемые параметры в процессе стендовых испытаний исследуемого насоса на модельной газожидкостной смеси: «вода-ПАВвоздух» (подача воздуха от компрессора).

–  –  –

После проведения стендовых испытаний на воде и модельной газжидкостной смеси, обрабатывают экспериментальные данные и строят зависимости для проведения анализа полученных результатов исследований, для этого необходимо разработать методику обработки результатов стендовых испытаний.

2.3 Методика обработки результатов стендовых испытаний

Обработка экспериментальных данных заключается в построении:

Среднеинтегральных напорно-расходных и энергетических 1) характеристик исследуемых насосов при различных входных параметрах (таблицы 2.2.1, 2.2.2).

Для погружных центробежных насосов, перекачивающих газожидкостные смеси, П.Д. Ляпков [61] предложил методику расчета напора электроцентробежного насоса по смеси и соответствующую ему величину среднеинтегральной подачи смеси путем интегрирования подачи от давления на приеме (Pвх) до давления на выходе ГЖС из насоса (Pвых).

Удельная энергия е, сообщаемая насосом единице массы откачиваемой среды без учета скоростной составляющей и разности геодезических отметок входного и выходного сечений насоса, находится как:

(2.3.1) где Mсм - массовый расход ГЖС, проходящей через насос;

Q(P) - зависимость объемного расхода ГЖС Q от давления Р на пути движения от входа в насос до выхода из него (от Pвх до Pвых).

Соответствующее значение среднеинтегральной подачи Qср определяется по формуле:

(2.3.2)

–  –  –

Кривые «напор - подача» в координатах Нср - Qср при работе насоса на однородных жидкостях и газожидкостных смесях не зависят от плотности откачиваемой среды и, следовательно, совпадают в случае бескавитационной работы при условии, что вязкости сред равны или настолько малы, что не оказывают заметного влияния на характеристику насоса. Если кривые Нср - Qср на ГЖС располагаются ниже характеристики насоса на однородной жидкости, то это свидетельствует о развитии в части ступеней насоса искусственной кавитации. Инвариантность кривых Нср - Qср относительно плотности смеси позволяет сравнивать между собой характеристики насосов с различным числом ступеней на ГЖС с неодинаковыми коэффициентами растворимости газа и с единых позиций подойти к рассмотрению случаев работы насосов с разными значениями средней плотности ГЖС. Поэтому для анализа экспериментальных данных и изучения закономерностей работы многоступенчатых погружных центробежных насосов на ГЖС целесообразно исследовать среднеинтегральные характеристики [30].

–  –  –

Среднеинтегральная подача газа Qг.ср:

(2.3.6) В соответствии с рекомендациями [61, 64] Если свободный газ присутствует на приеме исследуемой насосной установки, то по рекомендациям [62, 65] (2.3.7)

–  –  –

где – мощность, потребляемая насосом на заданном режиме работы, Вт.

Число кавитирующих (не участвующих в откачке смеси) ступеней в насосе, шт:

(2.2.14)

Относительное число кавитирующих ступеней в насосе, шт:

(2.2.15) где – число фактических ступеней в насосе, шт.

Графических зависимостей относительной подачи при нулевом 2) напоре от объемного входного газосодержания на приеме исследуемого насоса. Полученные графические зависимости преобразуют в аналитические уравнения кривой таким образом, чтобы величина достоверности аппроксимации экспериментальных данных стремилась к единице. Принимается аналитическая зависимость с максимальной величиной достоверности аппроксимации.

Рассчитывается газосодержание смеси на входе в насос, которое определяют в виде отношения объемного расхода воздуха (Qгвх) к объемному расходу газожидкостной смеси (Qгвх+Qж) при термодинамических условиях на входе в насос:

Qгвх вх = (2.3.5) Qгвх + Qж По полученным данным строят кривые относительных подач исследуемых насосов для модельных ГЖС, которые позволяют осуществить качественный анализ полученных характеристик – чем меньше кривая относительной подачи насоса по ГЖС отклоняется от горизонтали, тем меньшее влияние газа испытывает насос при одинаковом газосодержании.

Под относительной подачей по газожидкостной смеси понимается отношение объемной подачи насосом газожидкостной смеси (среднеинтегральной подачи (Qср)) при заданном объемном газосодержании к объемной подаче насоса по жидкости на подобном режиме без газа (Qвх=0):

Qср kQ = (2.3.6) Qвх=0 Коэффициент относительных подач идеального насоса на режиме нулевого напора, который характеризует область бескавитационной работы лопастного насоса:

–  –  –

kQ где коэффициент подачи лопастного насоса на режиме нулевого г.пр напора; объемное входное газосодержание смеси, приведенное к термобарическим условиям у приема исследуемого насоса.

–  –  –

В качестве объекта исследований выступали цилиндрические насосы, состоящие из одной секции одинаковых по номинальным характеристикам ступеней и конические насосы, состоящие из различных секций по номинальным характеристикам, причем одной из задач исследований было определение параметров эффективности работы двухсекционных и трехсекционных конических насосов (рисунок 2.4.1). По рекомендациям [30, 31], число ступеней большей подачи должно быть не меньше 22 в исследуемой секции насоса. Конфигурация компоновок имеет следующий порядок: ступени больших подач помещены на входных участках насоса, далее по направлению к выходу установлены ступени меньшей подачи, т.е. в убывающем порядке их номинальных значений.

Количество ступеней конического насоса меняется в соответствии с изменением параметров перекачиваемой газожидкостной среды.

Представленный ассортимент двухсекционных насосов позволяет провести исследования в широком промышленном диапазоне номинальных подач погружных электроцентробежных насосов, рекомендованных для эксплуатации нефтяных скважин с диапазоном дебитов от 15 до 600 м3/сут.

Особенности расчета двухсекционных конических насосов заключается в определении минимального количества ступеней большей производительности для обеспечения полного предвключения ступеней меньшей производительности при работе со свободным газом в составе газожидкостной смеси.

–  –  –

Рисунок 2.4.1 – Эскиз конического насоса [11] ссылка на Агеева Ш.Р.:

а) двухсекционный, Q1 Q2; б) трехсекционный, Q1 Q2 Q3;

Так, например, для обеспечения перекачки газожидкостных смесей с содержанием свободного газа – до 40% по об. конической насосной установкой ЭЦН5-30/50, при дебите скважины 30 м3/сут, с обводненностью скважинной продукции – 0,2, при газовом факторе пластовой нефти – 90 м3/т, при отсутствии естественной сепарации газа и давлении на приеме насоса - 5 МПа, насосу потребуется откачать газожидкостную смесь со свободным газом объемным расходом, приведенным к условиям приема УЭЦН – 67 м3/сут (объемный расход газа 37 м3/сут). Следовательно, первая секция по пути следования газожидкостной смеси со свободным газом должна обеспечивать перекачку газожидкостной смеси с объемным расходом – 67 м3/сут, значит можно подобрать секцию с номинальной подачей по воде – 50 (60) м3/сут, а следующую секцию подобрать по номинальной подаче, соответствующей притоку жидкости – 30 м3/сут. В данном решении необходимо определить количество ступеней первой секции конического насоса для того, чтобы обеспечить на выходе первой секции насоса объемную подачу, равную номинальной подаче насоса по жидкости. Количество ступеней в первой секции зависит от характеристик деградации напора ступеней из-за вредного влияния свободного газа. Кроме того, первая секция конического насоса будет выполнять роль насоснокомпрессорной установки по сжатию свободного газа в потоке газожидкостной смеси от ступени к ступени (по принципу: «step by step»), а также частично или полностью растворять свободный газ в нефти при наступлении равновесных условий: Рi Рнас, где Рi – давление в i-ой ступени первой секции конического насоса и Рнас – давление насыщения нефти газом.

Экспериментальные исследования цилиндрических и конических насосных установок позволят определить допустимые значения входных газосодержаний, от которых будет зависеть не только количество ступеней в первой секции, но и количество секций в коническом насосе. Результаты обработки расчетов в математической модели по определению характеристик конических насосов и подбору ступеней в каждой секции позволяет сделать вывод о том, что с увеличением газосодержания на приеме конической насосной установки (более 40 % по об.) потребуется дополнительная секция для сжатия (и/или растворения) газа, т.е.

необходимо рассматривать трехсекционные конические насосы.

Для проведения стендовых испытаний рассчитан трехсекционный конический насос ЭЦН5-50/80/125. Расчетные показатели исследуемых компоновок цилиндрических и конических насосов представлены в таблице 2.4.1.

Методика расчета экспериментальных конических насосов для работы на модельных смесях: «вода-воздух» и «вода-ПАВ-воздух» выглядит следующим образом:

В соответствии с выпускаемой продукцией ЭЦН [49] 1.

определяются паспортные характеристики в номинальном режиме работы.

Номинальная подача цилиндрических насосов в зависимости от 1.1 типоразмера и частоты вращения вала охватывает исследуемый диапазон номинальных подач 24-480 м3/сут, при этом для значения частоты вращения вала – 40 Гц (2328 об/мин), диапазон номинальных подач составляет 24-320 м3/сут. Для значения частоты вращения вала – 50 Гц (2910 об/мин), диапазон номинальных подач составляет 30-400 м3/сут, для частоты 60 Гц (3492 об/мин), диапазон номинальных подач составляет 36-480 м3/сут (рисунок 2.4.2).

Номинальная подача насоса, м3/сут

–  –  –

Рисунок 2.4.

2 – Распределение различных типоразмеров ЭЦН по параметру номинальной подачи в зависимости от частоты вращения вала (паспортные характеристики) Номинальный напор цилиндрических насосов в зависимости от 1.2 типоразмера и частоты вращения вала имеет экстремальный характер и охватывает исследуемый диапазон 2,6 – 11,7 м, приходящиеся на одну ступень ЭЦН. Анализ напоров одноступенчатых ЭЦН с различной номинальной подачей показал на то, что наибольшими напорами обладает ЭЦН5-125, причем с увеличением частоты вращения вала напоры одноступенчатых ЭЦН возрастают (рисунок 2.4.3).

Напор в номинальном режиме, м

–  –  –

Диапазон потребляемой мощности для исследуемых 1.3 одноступенчатых насосов различной номинальной подачи и частоты вращения вала составляет 23,5 – 516 Вт, при этом для группы одноступенчатых насосов с номинальными подачами и частотой вращения 40 Гц, диапазон потребляемой мощности составляет 23,5 – 153 Вт. Для группы одноступенчатых насосов с номинальными подачами и частотой вращения 50 Гц, диапазон потребляемой мощности составляет 45,8-298 Вт.

Для группы одноступенчатых насосов с номинальными подачами и частотой вращения 60 Гц, диапазон потребляемой мощности составляет 79Вт (рисунок 2.4.4).

Потребляемая мощность, Вт

–  –  –

Коэффициент полезного действия изменяется в диапазоне от 36 1.4 до 61 %. Масса одной ступени различных типоразмеров ЭЦН изменяется от 1,1 до 2,8 кг. Длина одной ступени различных типоразмеров ЭЦН изменяется от 24,2 до 60 мм (рисунок 2.4.5). Таким образом, конические схемы ЭЦН могут позволить не только снизить энергопотребление на подъем 1 м3 жидкости, но и при правильном подборе сократить общую длину и массу погружной насосной установки.

–  –  –

Для постановки эксперимента формируется банк исходной 2.

информации, необходимой для расчета процесса растворимости воздуха в воде при различных давлениях (таблица 2.4.1).

–  –  –

В расчетах допускаются следующие ограничения, которые не 3.

оказывают существенного влияния на условия растворимости воздуха в воде, в частности: процесс растворения изотермический; минерализация воды на характер растворимости не влияет; воздух сухой (без примесей влаги).

Формируется банк данных по объекту испытаний в виде 4.

сводной таблицы оптимальных характеристик одноступенчатых электроцентробежных насосов (таблица 2.4.2)

–  –  –

Задается диапазон значений параметра объемного входного 5.

газосодержания (г.вх.) на приеме исследуемого погружного насоса, учитывая технические возможности работы исследуемого насоса без предвключения – г.вх. =25% по об. Анализ литературных источников [9, 19, 28, 31-39] в области исследований характеристик электроцентробежных насосов на модельных газожидкостных смесях показывает, что максимальное значение г.вх до наступления срыва подачи ЭЦН на модельной смеси может составлять 30-40%, не более. Поэтому для расчета количества ступеней предвключенной секции конического насоса задаются следующими значениями: 30%, 50% и 75% по об. Таким образом, в широком диапазоне газосодержаний можно рассчитать число ступеней конических сборок ЭЦН, с учетом закона Генри и полуэмпирической модели П. Д. Ляпкова.

Для входных параметров первой ступени насоса рассчитывается 6.

объемный расход газа, приведенный к условиям приема (давление и температура на входе в первую ступень – Рвх, Твх):

, (м3/сут), где (1)

–  –  –

– коэффициент сжимаемости воздуха;

Рст, Тст – давление и температура в стандартных условиях (таблица 2.4.1);

Рвх, Твх – давление и температура в условиях приема первой и последующих ступеней насоса (таблица 2.4.1).

–  –  –

В данном случае текущая ступень относится к категории цилиндрического (ц) насоса, а предвключенная ступень с большей номинальной подачей по отношению к текущей ступени, является коническим (к) насосом, состоящим из расчетного числа предвключенных и текущих ступеней.

(9)

–  –  –

– давление, развиваемое исследуемой ступени конической сборки насоса в соответствии с паспортной характеристикой (МПа) (таблица 2.4.2.);

- количество конических ступеней ЭЦН участвующих в перекачке газожидкостной смеси.

Давление на выходе исследуемой ступени ЭЦН, причем 16.

значение давления на выходе первой ступени равно численному значению давлению на входе второй ступени, а давление на выходе второй ступени, равно давлению на входе третьей ступени и т.д.:

–  –  –

Уточненное значение объемного расходного содержания газа в 17.

исследуемой ступени, %:

, (16)

–  –  –

– угловая скорость насоса, об/мин;

- номинальная подача ступени ЭЦН (паспортная характеристика), м3/сут;

- номинальный напор ступени ЭЦН (паспортная характеристика), м).

Задаются диаметром газового пузырька на приеме исследуемого 20.

насоса:. Стендовые эксперименты по определению дисперсности водовоздушной смеси с различным содержанием воздуха в воде (10-45% по об.) подтверждают, что среднее значение диаметра газовых пузырьков в рассматриваемом диапазоне газосодержаний составляет 0,1 мм (рисунок 2.4.6).

Для учета степени влияния свободного газа на работу ЭЦН, в 21.

том числе конических сборок, определяют вязкость водовоздушной смеси:

- если г.вх. 0,5 или Рн.см. 0,7 МПа, то по формуле Хинаты и Оки:

–  –  –

– гидравлический диаметр каналов ступени ЭЦН, (м). Вычет из площади окружности ступени ЭЦН, площади элементов ступени (лопатки, решетки, стенки направляющего аппарата и др.) позволит определить площадь гидравлических каналов. Следовательно, из площади гидравлических каналов ступени ЭЦН можно определить гидравлический диаметр.

- если г.вх. 0,5 или Рн.см. 0,7 МПа, то по формуле Хинаты и Оки:

–  –  –

(22) Расчеты проводятся по двум зависимостям, однако правильным решением является наименьшее значение.

Рисунок 2.4.

6 – Фрагменты фотографий дисперсности пузырьков водовоздушной смеси на различных режимах (г.вх – 10, 15, 30, 45 % по об.) Значение модифицированного числа Рейнольдса потока в 22.

каналах ступени ЭЦН [64]:

–  –  –

(24) (25) Из полученных двух значений принимаем наименьшее.

–  –  –

– номинальный КПД конической ступени ЭЦН.

Рисунок 2.4.

7 – Схематизация расчета количества ступеней конического насоса при различном входном содержании свободного газа: а) 0%; б) 30%;

в) 50 %; г) 75%; цветовая гамма характеризует тип рабочей ступени по параметру номинальной подачи: белый - ЭЦН5-30; розовый - ЭЦН5-50;

зеленый– ЭЦН5-80; синий– ЭЦН5-125 (при частоте вращения вала 50 Гц).

Расчет количества ступеней по предложенной методике показывает, что для перекачки водогазовой смеси с газосодержанием 30% по об. и начальной подачей жидкости – 30 м3/сут, необходимо скомплектовать конический насос ЭЦН5-30/50, при этом количество ступеней предвключенной секции ЭЦН5-50 составляет – 4 ст.

Аналогичные расчеты сделали для входных газосодержаний: 50 и 75% по об. Соответственно, для безкавитационного режима работы насоса при откачке воды с газосодержанием 50 %, необходимо собрать установку – ЭЦН5-30/50, при этом количество ступеней увеличилось и составляет – 23 ст. В случае увеличения газосодержания на приеме насоса до 75% по об., в соответствии с расчетами необходимо комплектовать сложный насос – ЭЦН5-30/50/80/125, при этом количество ступеней для начального предвключения насосом ЭЦН5-125 – 5 ст., для предвключения насосом ЭЦН5-80 – 8 ст., для предвключения насосом ЭЦН5-50 – 41 ст. (рисунок 2.4.7).

Очевидно, что режим работы конического насоса (3-х пакетной сборки, не считая основной секции) при входном газосодержании 75% вызывает сомнение по причине высокой металлоёмкости и энергозатратности.

Анализ расчетных характеристик ступеней конического насоса при откачке газожидкостной смеси с различным содержанием газа на приеме установки ЭЦН и при различной частоте вращения вала электродвигателя в диапазоне от 40 до 60 Гц, позволил получить следующие особенности:

- при увеличении частоты вращения вала УЭЦН, при постоянном газосодержании на приеме насосной сборки, наблюдается уменьшение минимального количества предвключенных ступеней в конической сборке погружного насоса (рисунок 2.4.8). Это обстоятельство связано с тем, что при увеличении частоты вращения вала ЭЦН, изменяется режим течения ГЖС в каналах предвключенных ступеней, способствующий частичному диспергированию газовых каверн;

- при увеличении газосодержания на приеме ЭЦН, увеличивается минимальное число предвключенных ступеней (рисунок 2.4.9);

- полученные результаты расчетных характеристик зависимости количества диспергирующих ступеней от объемного содержания газа на приеме ЭЦН для различных номинальных производительностей, при частотах вращения вала: 40; 50; 60 Гц, основанные на законе Генри и полуэмпирической модели П. Д. Ляпкова, требуют экспериментального подтверждения.

Принцип подбора рациональной компоновки конического насоса основан на минимизации потребляемой мощности при заданных параметрах перекачиваемых флюидов (газосодержание, плотность смеси, а также давление и др.). В таблице 2.4.3 представлены результаты сравнительного анализа эффективности работы цилиндрического и конического насосных установок, полученных в результате испытаний на воде.

Рисунок 2.4.

8 – Расчетные зависимости минимального числа предвключенных ступеней конического насоса от частоты вращения вала погружного электроцентробежного при различных значениях газосодержаниях на приеме (расчетная модель) Рисунок 2.4.

9 – Расчетные зависимости минимального числа предвключенных ступеней конического насоса от газосодержания на приеме погружного электроцентробежного при различных значениях частоты вращения вала (расчетная модель) Для широкой номенклатуры серийно-выпускаемых электроцентробежных насосов [48-50] и скомплектованных 2-х и 3-х секционных конических насосов, которые были испытаны на экспериментальном стенде (рисунок 2.1.1), получены сравнительные характеристики коэффициента полезного действия (КПД) (таблица 2.4.3).

Для частного случая, когда приток скважинной продукции составляет 50 м3/сут, при условии стационарной эксплуатации скважины, можно рекомендовать цилиндрический тип насоса или конический тип насоса, с номинальными подачами 50 м3/сут.

Коэффициент полезного действия цилиндрических насосов различных производителей находится в диапазоне 34 - 48 %. При этом 2-х секционный конический насос, состоящий из ступеней цилиндрического насоса с номинальными подачами 50 и 80 м3/сут одного из анализируемых заводов характеризуется КПД – 41%. У 3-х секционного конического насоса, состоящего из ступеней цилиндрического насоса с номинальными подачами 50, 80, 125 м3/сут, КПД составляет 49%.

–  –  –

Таблица 2.4.

4 Сравнительный анализ напорно-расходных и

– энергетических характеристик цилиндрических и конических насосов.

Выводы к главе 2

1. Подготовлен экспериментальный стенд для проведения исследований различных компоновок электроцентробежных насосов на модельных газожидкостных смесях, в том числе с подключением приемного модуля исследуемых насосов на предельное давление 3,1 МПа для расширения функциональных возможностей стенда.

2. Разработана методика и программа стендовых испытаний различных компоновок электроцентробежных насосов.

3. Разработана методика обработки экспериментальных данных исследуемых компоновок электроцентробежных насосов, учитывающая условие растворимости свободного газа по длине конического насоса;

расчет среднеинтегральных напорно-энергетических характеристик;

расчет числа кавитирующих ступеней исследуемых насосов для определения минимального количества предвключенных ступеней конических насосных сборок; расчет относительных подач, напора и коэффициента полезного действия для определения бескавитационных областей работы исследуемых насосных компоновок.

4. Проведены испытания трехсекционной конической сборки ЭЦН5и цилиндрической сборки ЭЦН5-125.

5. Произведен подбор десяти вариантов объектов испытаний, в том числе:

четыре цилиндрические сборки насосов (ЭЦН5-50; ЭЦН5-80; ЭЦН5-125;

ЭЦН5-200); пять двухсекционные конические сборки (ЭЦН5-30/50;

ЭЦН5-50/80; ЭЦН5-80/125; ЭЦН5-125/200; ЭЦН5А 250/400); одна трехсекционная коническая сборка ЭЦН5-50/80/125.

6. Получены расчетные зависимости минимального числа предвключенных ступеней конического насоса при изменении частоты вращения вала и объемного газосодержания на приеме исследуемого насоса, требующие экспериментального подтверждения.

–  –  –

Кривые «напор - подача» в координатах Нср - Qср при работе насоса на однородных жидкостях и газожидкостных смесях не зависят от плотности откачиваемой среды и, следовательно, совпадают в случае бескавитационной работы при условии, что вязкости сред равны или настолько малы, что не оказывают заметного влияния на характеристику насоса. Если кривые Нср - Qср на ГЖС располагаются ниже характеристики насоса на однородной жидкости, то это свидетельствует о развитии в части ступеней насоса искусственной кавитации. Инвариантность кривых Нср - Qср относительно плотности смеси позволяет сравнивать между собой характеристики насосов с различным числом ступеней на ГЖС с неодинаковыми коэффициентами растворимости газа и с единых позиций подойти к рассмотрению случаев работы насосов с разными значениями средней плотности ГЖС. Поэтому для анализа экспериментальных данных и изучения закономерностей работы многоступенчатых погружных центробежных насосов на ГЖС целесообразно исследовать среднеинтегральные характеристики [31]. В настоящем разделе диссертационной работы проведены исследования характеристик электроцентробежных насосов с различными номинальными подачами, давлением на входе и переменной частотой вращения вала. Результаты исследований цилиндрических и конических насосов позволили сформировать базу данных корреляционных зависимостей характеристик погружных электроцентробежных насосов, влияющих на изменение подачи, напора и потребляемой мощности при наличии свободного газа в откачиваемой продукции.

3.1. Результаты испытаний цилиндрических компоновок электроцентробежных насосов при различных значениях расходных газосодержаний и частоты вращения вала Ввиду большого массива экспериментальных данных, в настоящем разделе представлена методология обработки результатов испытаний электроцентробежного насоса ЭЦН5-80 с количеством ступеней – 47, рассчитанных по предложенной методике в главе 2 настоящей диссертационной работы. Результаты стендовых испытаний ЭЦН5-80 можно рассматривать как с точки зрения эффективности работы при перекачке газожидкостных смесей – концепция цилиндрического насоса, так и с точки зрения предвключения для электроцентробежных насосов с меньшими номинальными подачами.

Разработанная методология обработки экспериментальных данных стендовых испытаний ЭЦН является комплексным инструментом для изучения влияния различных факторов на эффективность работы погружного насоса. Таким образом, при помощи разработанной методологии были обработаны результаты стендовых испытаний ЭЦН5-125 и ЭЦН5-200.

Начальные условия стендовых испытаний характеризуются следующими параметрами:

- давление на приеме в насосе: 0,1 и 0,2 МПа;

- частота вращения вала насоса: 45, 50, 60 Гц;

- объемно-расходное газосодержание на входе в насос: от 0 до максимального значения или до срыва подачи насоса;

- начальная подача по жидкости: для ЭЦН5-80 от 25 до 160 м3/сут; для ЭЦН5-125 от 25 до 170 м3/сут; для ЭЦН5-125 от 25 до 225 м3/сут; для ЭЦН5-200 от 40 до 280 м3/сут, с различным шагом, который задавался в процессе проведения эксперимента. Для унификации полученных результатов испытаний введены относительные параметры:

- относительная подача электроцентробежного насоса:

–  –  –

Р0 - давление, приведенное к стандартным условиям (0,1), МПа.

В соответствии с методикой проведения стендовых экспериментов, описанной в главе 2 настоящей диссертационной работы, ЭЦН5-80 был испытан на воде с параметрами:. Результаты испытаний представлены на рисунке 3.1.1.

Полученные характеристики (рисунок 3.1.1) являются эталонными по отношению к характеристикам ЭЦН5-80 при перекачке газожидкостных смесей с различным содержанием свободного газа.

Анализируя энергетические характеристики ЭЦН5-80 на воде можно заметить, что с увеличением частоты вращения вала, коэффициент полезного действия (КПД) снижается, например, при частоте вращения вала

– 50 Гц, КПД50. ном. при номинальной подаче составляет 47,4%, однако при увеличении частоты вращения вала насоса до 60 Гц, КПД60. ном. = 33%, т.е.

на 30,4 % снижается.

а)

–  –  –

вала до 60 Гц, то при прочих равных условиях КПД60. ном. составит 33%, т.е.

насос перейдет в номинальную область работы при частоте вращения вала 60%. Представленные примеры описывают технологический процесс управления УЭЦН при помощи частотного привода, однако при работе электроцентробежного насоса на газожидкостных смесях напорнорасходные и энергетические характеристики ухудшаются из-за вредного влияния свободного газа. В левой части напорно-расходных характеристик УЭЦН при увеличении частоты вращения вала при постоянной подаче насоса, КПД снижается (рисунок 3.1.1 в).

Исследования ЭЦН5-80 (47 ступеней) на модельной газожидкостной смеси («вода-ПАВ-воздух») показывают на снижение напора и расхода (рисунок 3.1.2). Полученные кривые на рисунке 3.1.2 позволяют определить коэффициент изменения подачи ЭЦН5-80 на режиме нулевого напора, при различных частотах вращения вала в условиях откачки модельной газожидкостной смеси. Таким образом, эффективность работы насоса на модельной газожидкостной смеси, при изменяющихся условиях его работы, можно сравнивать по параметру относительной подачи на режиме нулевого напора, однако для подбора конических ступеней в качестве предвключения основной части погружного электроцентробежного насоса, полученной информации недостаточно, так как требуется информация об изменении не только подачи из-за влияния свободного газа, но и изменение напора и КПД.

Причем информация об изменении данных параметров должна быть представлена в номинальной области, в частности по рекомендациям [61] диапазон номинальных характеристик УЭЦН определен диапазоном относительных подач: 0,65 – 1,25.

Зависимость коэффициента относительной подачи от газосодержания на приеме ЭЦН5-80 (47 ступеней) на модельной газожидкостной смеси при частотах вращения вала: 45, 50, 60 Гц (рисунок 3.1.3) показывает, что изменение частоты вращения вала в правой области напорно-расходной характеристики (НРХ) ЭЦН5-80 не оказывает существенного влияния на его параметры. Бескавитационная область работы ЭЦН5-80 в правой области НРХ ограничивается входным газосодержанием – 25% по объему, при этом коэффициент относительной подачи ЭЦН5-80 составляет – 73% от номинальной подачи по жидкости.

Рисунок 3.1.

2 – Напорные характеристики ЭЦН5-80 (47 ступеней) на модельной газожидкостной смеси при частоте вращения вала - 45 Гц В соответствии с методикой расчета конических ступеней электроцентробежного насоса, оптимальным условием достижения максимального значения КПД является подбор предвключенных ступеней в номинальной области НРХ для откачки газожидкостной смеси с заданными параметрами: дебит, газосодержание, давление на приеме и др. Для оценки коэффициентов изменения подачи, напора и КПД в номинальной области, представлим полученные результаты испытаний ЭЦН5-80 в среднеинтегральных характеристиках.

Рисунок 3.1.

3 – График зависимости коэффициента относительной подачи от газосодержания на приеме ЭЦН5-80 (47 ступеней) на модельной газожидкостной смеси при частотах вращения вала: 45, 50, 60 Гц (режим нулевого напора) На рисунке 3.1.4 представлена зависимость среднеинтегральной подачи от газосодержания на приеме ЭЦН5-80 при частоте вращения вала – 45 Гц, при давлении на входе – 0,1 МПа и для различных относительных подач от 0,33 до 1,68. Анализ полученных характеристик позволяет сделать вывод о несостоятельности методики определения эффективности работы УЭЦН по параметру коэффициента относительной подачи при нулевом напоре, т.к. область бескавитационной работы при относительной подаче 1,1, соответствующей номинальной области НРХ, составляет 28%. Чем меньше отклоняются кривые от горизонтали, тем больше гарантирован бескавитационный режим работы насоса.

На рисунке 3.1.5 представлена зависимость среднеинтегрального напора от газосодержания на приеме ЭЦН5-80 при частоте вращения вала – 45 Гц, при давлении на входе – 0,1 МПа и для различных относительных подач от 0,33 до 1,68.

Рисунок 3.1.

4 – Зависимость параметров среднеинтегральной подачи от газосодержания на приеме ЭЦН5-80 (47 ступеней) на модельной газожидкостной смеси при частоте вращения вала - 45Гц, для различных относительных подач по жидкости: 0,33; 0,54; 0,85; 1,1; 1,41; 1,68 Для определения давления, развиваемого ЭЦН5-80 на газожидкостной смеси необходимо знать, как будет изменяться плотность ГЖС по длине насоса и напор в каждой ступени (рисунок 3.3.6).

Рисунок 3.1.

5 – Зависимость параметров среднеинтегрального напора от газосодержания на приеме ЭЦН5-80 (47 ступеней) на модельной газожидкостной смеси при частоте вращения вала – 45 Гц, для различных относительных подач по жидкости: 0,33; 0,54; 0,85; 1,1; 1,41; 1,68 Анализируя зависимости, представленные на рисунках 3.3.4 и 3.3.5 можно заметить, что номинальная область (Qотн=0,65-1,25) НРХ ЭЦН5-80 является наиболее предпочтительнее других областей при перекачке ГЖС.

Бескавитационный режим работы ЭЦН5-80 при Qотн=1,1 определяется среднеинтегральной подачей 80 м3/сут (при частоте вращения вала – 45Гц), при этом допустимое входное содержание газа на приеме насоса составляет

- 25%, а среднеинтегральный напор для этого режима составляет 140 метров, при газосодержании 29%.

Таким образом, в диапазоне газосодержаний на приеме ЭЦН5-80 от 25 до 29 % по объему будет гарантирован режим стабильной работы погружного насоса для условий частоты вращения вала – 45 Гц и давлении на приеме 0,1 МПа.

Рисунок 3.1.

6 – Зависимость параметров среднеинтегральной плотности ГЖС от газосодержания на приеме ЭЦН5-80 (47 ступеней) на модельной газожидкостной смеси при частоте вращения вала – 45 Гц, для различных относительных подач по жидкости: 0,33; 0,54; 0,85; 1,1; 1,41; 1,68 Параметр среднеинтегральной плотности – это важный параметр, который показывает, как меняется плотность ГЖС в насосе, в частности для ЭЦН5-80 при переходе из номинальной области НРХ, т.е. после Qотн=1,25 наблюдается снижение плотности ГЖС, что обуславливает неэффективную работу насоса в правой области НРХ при прочих равных условиях.

Существенное снижение плотности ГЖС при работе в правой области НРХ обусловлено снижением развиваемого напора, вплоть до режима нулевого напора, в отличие от номинальной и левой области НРХ, которые обусловлены повышением напора, однако из-за вредного влияния свободного газа, насос может переходить в режим искусственной кавитации, помпажа, вплоть до срыва подачи. Именно поэтому, в процессе испытаний ЭЦН5-80 при газосодержаниях на приеме свыше 29 % наблюдается неустойчивая работа насоса, при этом срыв подачи насоса происходит при переходе насоса из правой области в номинальную или левую области НРХ.

Результирующим графиком, показывающим степень вредного влияния свободного газа на работу ЭЦН, является зависимость количества кавитирующих ступеней насоса (рисунок 3.1.7). По представленному графику можно определить количество ступеней в насосе, направленных на диспергацию газовых пузырьков в потоке газожидкостной смеси.

Результаты исследований ЭЦН5-80 и других цилиндрических насосов показывают, что для подбора конических ступеней необходимо руководствоваться следующим диапазоном относительных подач: 0,85-1,15, в отличие от ранее предложенного в работах [59-65] диапазона: 0,65-1,25.

Новый диапазон позволяет получить наиболее энергоэффективный режим предвключения конического насоса.

Рисунок 3.1.

7 – Количество кавитирующих ступеней насоса от газосодержания на приеме ЭЦН5-80 (47 ступеней) на модельной газожидкостной смеси при частоте вращения вала – 45 Гц, для различных относительных подач по жидкости: 0,33; 0,54; 0,85; 1,1; 1,41; 1,68 Рисунок 3.1.

8 – Количество кавитирующих ступеней насоса от газосодержания на приеме ЭЦН5-80 (47 ступеней) на модельной газожидкостной смеси для номинальной области НРХ при различных частотах вращения вала: 45, 50, 55, 60 Гц и при различных относительных давлениях на приеме: 0,1 и 0,2.

Увеличение давления на приеме насоса в большей степени оказывает положительное влияние на эффективность работы погружного электроцентробежного насоса, чем изменение частоты вращения вала.

Например, для ЭЦН5-80 при работе в номинальной области НРХ на газожидкостной смеси, область бескавитационной работы увеличивается в среднем в 3 раза за счет увеличения давления в два раза, при этом область бескавитационной работы насоса от изменения частоты оказывает незначительное влияние (рисунок 3.1.8).

Таким образом, для уточнения методики расчета количества предвключенных ступеней конического насоса, введем следующие полуэмпирические коэффициенты, зависящие от газосодержания:

1) Коэффициент относительной среднеинтегральной подачи:

(3.1.3) где – среднеинтегральная подача погружного насоса на ГЖС при заданном режиме (частота вращения вала, давление на приеме, относительная подача НРХ), м3/сут;

– подача погружного насоса по жидкости при отсутствии свободного газа и при заданном режиме (частота вращения вала, давление на приеме, относительная подача НРХ), м3/сут.

На рисунках 3.1.9, 3.1.10 и 3.1.11 представлены графики зависимостей, соответственно коэффициентов: относительной среднеинтегральной подачи насоса, относительного среднеинтегрального напора и относительного среднеинтегрального КПД ЭЦН5-80 от газосодержания для области НРХ близкой к номинальной и для различных частот вращения вала. Анализ представленных графиков позволяет сделать вывод о незначительном влиянии частоты вращения вала на изменение коэффициентов относительной среднеинтегральной подачи, напора и КПД насоса. Увеличение частоты вращения вала в левой области НРХ насоса приводит к большей эффективности по сравнению с режимом увеличения частоты вращения вала в правой области НРХ. Это обстоятельство может быть связано с лучшей диспергирующей способностью насоса при повышенных оборотах, что способствует восстановлению напора, по сравнению с правой областью НРХ, при прочих равных условиях. Данный эффект можно наблюдать при эксплуатации скважин, оборудованных УЭЦН в режиме предсрывного состояния, когда кратковременно увеличивают частоту вращения вала для обеспечения восстановления напора, путем диспергации и последующей прокачки газожидкостной смеси с высоким газосодержанием. Время данного режима определяется давлением и газосодержанием на приеме ЭЦН, т.к. при повышенной частоте вращения вала погружного насоса может происходить откачка жидкости из затрубного пространства скважины, что приведет еще к большему снижению давления на приеме и, соответственно, к увеличению газосодержания на приеме. Поэтому после увеличения частоты вращения вала и восстановления напора насоса, осуществляют понижение частоты вращения вала, но уже для восстановления давления на приеме насоса за счет притока жидкости в скважину.

2) Коэффициент относительного среднеинтегрального напора:

(3.1.4)

–  –  –

где – среднеинтегральный напор погружного насоса на ГЖС при заданном режиме (частота вращения вала, давление на приеме, относительная подача НРХ), м;

– напор погружного насоса на жидкости без свободного газа на приеме и при заданном режиме (частота вращения вала, давление на приеме, относительная подача НРХ), м.

Рисунок 3.1.

9 – Коэффициент относительной среднеинтегральной подачи от газосодержания на приеме ЭЦН5-80 (47 ступеней) на модельной газожидкостной смеси для номинальной области НРХ при f = 45, 50, 55, 60 Гц и при Ротн= 0,1 Рисунок 3.1.

10 – Коэффициент относительного среднеинтегрального напора от газосодержания на приеме ЭЦН5-80 (47 ступеней) на модельной газожидкостной смеси для номинальной области НРХ при f = 45, 50, 55, 60 Гц и при Ротн= 0,1 Таким образом, полученные полуэмпирические зависимости относительных коэффициентов среднеинтегральных параметров исследуемых электроцентробежных насосов, позволяют подобрать конический насос с учетом изменения подачи, напора и потребляемой мощности при откачке газожидкостных смесей с различным газосодержанием.

Результаты стендовых испытаний позволили определить бескавитационный режим работы ЭЦН5-80 по критерию допустимого газосодержания на приеме: 26-29%; для ЭЦН5-125: 28 – 34%; для ЭЦН5по объему. Представленные рекомендации справедливы для давления на приеме – 0,1 МПа. Стендовые испытания показали, что увеличение давления на приеме погружной насосной установки расширяет диапазон газосодержаний для бескавитационного режима, поэтому в предложенной методике принимаем давление на приеме 0,1 МПа, характеризующее минимальный диапазон газосодержаний бескавитационной работы погружной насосной установки.

Рисунок 3.1.

11 – Коэффициент относительного среднеинтегрального КПД от газосодержания на приеме ЭЦН5-80 (47 ступеней) на модельной газожидкостной смеси для номинальной области НРХ при f = 45, 50, 55, 60 Гц и при Ротн= 0,1 3.2. Экспериментальное изучение влияния коэффициента быстроходности лопастных насосов на эффективность перекачки газожидкостной смеси В настоящее время на многих нефтяных промыслах Российской Федерации в качестве основного способа эксплуатации скважин являются электроцентробежные насосы. Нередки случаи применения различных конструкций рабочих ступеней погружных электроцентробежных насосов.

Поэтому проведем анализ экспериментальных исследований по определению степени влияния конструкции ступени цилиндрического насоса на эффективность перекачки газожидкостной смеси. Объектом испытаний являются следующие лопастные насосы: ЭЦН5-125 (центробежный), ВННП5-125 (центробежный вихревого типа) и ЦОН5-125 (центробежный осевого типа) (по 26 – ступеней в каждой сборке). Образцы лопастных насосов отличаются коэффициентом быстроходности (таблица 3.2.1).

В соответствии с [30] коэффициент быстроходности лопастных насосов можно рассчитать по следующей формуле:

(3.2.1) где Q – подача на оптимальном режиме (м3/с), Н – напор одной ступени на оптимальном режиме (м), п – частота вращения (об/мин).

Для расчета коэффициента быстроходности воспользуемся графиком зависимости давления, развиваемого исследуемыми насосами от его подачи (рисунок 3.2.1). Форма напорных характеристик ступеней ЭЦН и ВНН примерно одинаковая – пологопадающая на всем рабочем диапазоне, тогда как ЦОН имеет горизонтальный участок в диапазоне до 90 м3/сут. Далее характеристика ЦОН принимает крутопадающую форму и во всем диапазоне подач лежит поверх напорной характеристики ВНН; только в области подач 190-195 м3/сут она пересекается с характеристикой ЭЦН, и в диапазоне 195-210 м3/сут имеет меньший напор. Следует отметить, что напорная характеристика насоса ЦОН в области подач до 150 м3/сут имеет существенно больший напор по сравнению с насосом 2ЭЦН5-125 [30].

–  –  –

Оптимальные параметры рассматриваемых насосных установок при частоте вращения вала – 50 Гц (2910 об/мин): QЦОН=125 м3/сут, Рн= 1,5МПа (напор одной ступени ЦОН: НЦОН=5,89 м); QВНН=125 м3/сут, Рн= 1,35МПа (напор одной ступени ВНН: НВНН=5,31 м); QЭЦН=125 м3/сут, Рн= 1,13МПа (напор одной ступени ЭЦН: НЭЦН=4,42 м).

Анализ таблицы 3.2.1 показывает, что рассматриваемые типы рабочих колес в соответствии с классификацией [30] представляют класс центробежных нормальных насосов, а название ЦОН – центробежно-осевой насос имеет условное обозначение и не имеет отношение к классу осевых насосов, у которых диапазон коэффициента быстроходности составляет 600-1800.

–  –  –

Испытания проводили на экспериментальном стенде РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина [7], на трех модельных смесях: «вода-воздух» с крупными глобулами газа (диаметр газовых пузырьков свыше 1,5 мм) (КДС «вода-воздух»); «вода-ПАВ-воздух» с крупно диспергированными газовыми пузырьками (средний диаметр газовых пузырьков от 0,2 до 1,5 мм) (КДС «вода-ПАВ-воздух»); «вода-ПАВ-воздух» с мелко диспергированными газовыми пузырьками (средний диаметр газовых пузырьков менее 0,2 мм) (МДС «вода-ПАВ-воздух»).

Результаты стендовых испытаний ЦОН5-125 на представленных модельных смесях показали на практическую сходимость кривых, в пределах погрешности 1-5 %, что позволяет в широком диапазоне свойств модельной газожидкостной смеси использовать данный тип насоса. Данное обстоятельство можно объяснить конструктивными особенностями ЦОН5которые направлены на эффективную диспергацию газовых пузырьков в потоке ГЖС, вне зависимости от их первоначальных размеров у первой ступени насоса.

Для проведения анализа полученных результатов испытаний обобщим графики в следующем виде:

1) зависимость относительной подачи ЦОН5-125, ВНН5-125, ЭЦН5-125 на режиме нулевого напора от объемного входного газосодержания, для модельной смеси «вода-воздух» КДС - крупнодисперсная смесь (рисунок 3.2.2). По результатам аппроксимации экспериментальных данных получены два экспоненциальных и один полиноминальный график, на основе параметра достоверности, стремящегося к единице. Исследуемые насосные сборки с момента подачи на их прием свободного газа в составе ГЖС начинают испытывать вредное влияние, т.е. работают в режиме искусственной кавитации.

–  –  –

2) зависимость относительной подачи ЦОН5-125, ВНН5-125, ЭЦН5-125 на режиме нулевого напора от объемного входного газосодержания, для модельной смеси «вода-ПАВ-воздух» КДС - крупнодисперсная смесь, полученная при помощи подпорной насосно-компрессорной установки (рисунок 3.2.3). Исследуемые насосные сборки с момента подачи на их прием свободного газа в составе ГЖС начинают испытывать вредное влияние, т.е. работают в режиме искусственной кавитации. В отличие от модельной смеси: «вода-воздух» КДС, на модельной смеси: «вода-ПАВвоздух» КДС наблюдается стабилизация работы насосных установок, при прочих равных условиях.

Рисунок 3.2.

3– Зависимость относительной подачи ЦОН5-125, ВНН5-125, ЭЦН5-125 на режиме нулевого напора от объемного входного газосодержания, для модельной смеси «вода-ПАВ-воздух» КДС крупнодисперсная смесь Наблюдается меньший разрыв между графиками относительно оси газосодержания, что объясняется равномерной работой насосных сборок при подаче крупнодисперсной «вода-ПАВ-воздух», но отличающейся от аналогичной смеси: «вода-воздух». Действие ПАВ в модельной смеси оказывает стабилизирующее условие формирования газовых пузырьков и не способствует быстрому разрушению диспергированных связей и соответственно не возникает эффект мгновенной коалесценции газовых пузырьков в газовые каверны на приеме первой ступени исследуемых насосных сборок.

В меньшей степени искусственной кавитации подвержен ЦОН5-125 по отношению к другим конструкциям насосных сборок. При газосодержании на приеме ЭЦН5-125 - 23%, наблюдается срыв подачи насоса, например, для ВНН5-125 срыв подачи достигается при газосодержании – 42%, для ЦОН5-125 при газосодержании – 47%. Важно отметить, что у исследуемых насосов режимы срыва подачи обеспечиваются в диапазоне значений коэффициента относительной подачи

– 0,21-0,28.

Для апробации полученных результатов исследований приведем аналитическое представление графиков, представленных на рисунке 3.2.3:

- корреляционная зависимость относительной подачи ЦОН5-125 на режиме нулевого напора, при откачке модельной смеси: «вода-ПАВ-воздух»

КДС при давлении на приеме насоса - 0,1 МПа и частоте вращения вала – 2910 об/мин (50 Гц):

3,128 г. пр kQCON 125 [WSG ] = e (3.2.5),

- корреляционная зависимость относительной подачи ВНН5-125 на режиме нулевого напора, при откачке модельной смеси: «вода-ПАВ-воздух» КДС при давлении на приеме насоса - 0,1 МПа и частоте вращения вала – 2910 об/мин (50 Гц):

–  –  –

- корреляционная зависимость относительной подачи ЭЦН5-125 на режиме нулевого напора, при откачке модельной смеси: «вода-ПАВ-воздух» КДС при давлении на приеме насоса - 0,1 МПа и частоте вращения вала – 2910 об/мин (50 Гц):

–  –  –

2) зависимость относительной подачи ЦОН5-125, ВНН5-125, ЭЦН5-125 на режиме нулевого напора от объемного входного газосодержания, для модельной смеси «вода-ПАВ-воздух» МДС - мелкодисперсная смесь, полученная при помощи подпорной насосно-эжекторной установки (рисунок 3.2.4). Исследуемые насосные сборки с момента подачи на их прием свободного газа в составе ГЖС начинают испытывать вредное влияние, т.е. работают в режиме искусственной кавитации. В отличие от модельной смеси: «вода-ПАВ-воздух» КДС, на модельной смеси: «водаПАВ-воздух» МДС наблюдается стабилизация работы ВНН5-125 и ЭЦН5при прочих равных условиях, а работа ЦОН5-125 осталась практически без изменений. Следовательно, ЦОН5-125 является диспергирующим устройством и может применяться для преобразования крупнодисперсной смеси в мелкодисперсную смесь.

На модельной смеси: «вода-ПАВ-воздух» МДС насосная сборка ЦОН5-125 работает аналогично ЭЦН5-125, следовательно, для условий перекачки мелкодиспергированной ГЖС достаточно применить ЭЦН обычного исполнения. Для повышения эффективности работы насосной сборки можно применить ВНН5-125, т.к. ее характеристики существенно превосходят характеристики ЦОН5-125 и ЭЦН5-125. Это обстоятельство можно объяснить конструкционными особенностями рабочего колеса насоса, в частности вихревые венцы затрачивают меньше энергии на диспергацию мелких пузырьков газа, чем на аналогичную работу по диспергации крупных пузырьков газа, что подтверждается изменением графической зависимости ВНН5-125 для различных модельных смесей.

Например, при одном и том же входном газосодержании – 25%, ВНН5-125 работает со следующими значениями относительной подачи для следующих модельных ГЖС: «вода-воздух» КДС – 0,2 (срыв подачи); «вода-ПАВвоздух» КДС – 0,4; «вода-ПАВ-воздух» МДС – 0,56.

Рисунок 3.2.

4 – Зависимость относительной подачи ЦОН5-125, ВНН5-125, ЭЦН5-125 на режиме нулевого напора от объемного входного газосодержания, для модельной смеси «вода-ПАВ-воздух» МДС – мелкодисперсная смесь При газосодержании на приеме ЭЦН5-125 - 32%, наблюдается срыв подачи насоса, например, для ВНН5-125 срыв подачи достигается при газосодержании – 42%, для ЦОН5-125 при газосодержании – 45%. Важно отметить, что у исследуемых насосов режимы срыва подачи обеспечиваются в диапазоне значений коэффициента относительной подачи

– 0,2-0,28.

Для апробации полученных результатов исследований приведем аналитическое представление графиков, представленных на рисунке 3.2.4:

- корреляционная зависимость относительной подачи ЦОН5-125 на режиме нулевого напора, при откачке модельной смеси: «вода-ПАВ-воздух»

МДС при давлении на приеме насоса - 0,1 МПа и частоте вращения вала – 2910 об/мин (50 Гц):

3, 328 г. пр kQCON 125 [WSGd ] = e (3.2.8),

- корреляционная зависимость относительной подачи ВНН5-125 на режиме нулевого напора, при откачке модельной смеси: «вода-ПАВ-воздух» КДС при давлении на приеме насоса - 0,1 МПа и частоте вращения вала – 2910 об/мин (50 Гц):

–  –  –

- корреляционная зависимость относительной подачи ЭЦН5-125 на режиме нулевого напора, при откачке модельной смеси: «вода-ПАВ-воздух» КДС при давлении на приеме насоса - 0,1 МПа и частоте вращения вала – 2910 об/мин (50 Гц):

–  –  –

Корреляционные зависимости относительных подач насосов на режиме нулевого напора, при откачке различных моделях газожидкостных смесей при давлении на приеме насоса - 0,1 МПа и частоте вращения валаоб/мин (50 Гц) представлены в таблице 3.2.2.

3.3 Результаты испытаний двухсекционных конических компоновок электроцентробежных насосов при различных значениях расходных газосодержаний Эксперименты проводили при различных частотах вращения вала: 40, 50 и 60 Гц, для компоновок ЭЦН5 - 30/50; ЭЦН5 - 50/80; ЭЦН5 - 80/125;

ЭЦН5 - 125/250, ЭЦН5А - 250/400. Результаты испытаний двухсекционной компоновки конусного насоса ЭЦН5 – 30/50 при частоте 50 Гц приведены на рисунке 3.3.1. Для данной компоновки срыв подачи насоса наступает при газосодержании 29%. Устойчивая работа насоса сохраняется при подачах 40-65 м3/сут. Энергетические характеристики двухсекционной сборки конусного насоса, снятые на модельной газожидкостной смеси, представлены на рисунке 3.3.2. При постоянной частоте тока, с увеличением газосодержания от 0 до 29% по объему, то есть до наступления режима срыва подачи, наблюдается снижение КПД насоса, соответственно от 36% до 3%, при этом стабильная работа исследуемой компоновки находится в пределах объемного входного газосодержания на приеме насосной установки: 0-23% (снижение КПД: от 36% до 28%).

На рисунке 3.3.3 представлены экспериментальные напорные характеристики для двухсекционной компоновки конусного насоса ЭЦН5анализ которых позволяет сделать вывод о том, что в диапазоне входных газосодержний: от 1 до 16% по объему, напорные характеристики трансформируются в небольших пределах. С точки зрения длительной эксплуатации конусной двухсекционной компоновки в добывающей скважине можно считать её рациональной, учитывая, что максимальное предсрывное газосодержание на приеме насоса составляет 32%.

Пропускная способность на газожидкостной смеси для предвключенной секции с номинальной подачей 125 м3/сут выше, пропускной способности предвключенной секции с номинальной подачей 50 м3/сут, поэтому бескавитационный режим работы ЭЦН5-80/125 находится в большем диапазоне значений допустимых входных газосодержаний по отношению к УЭЦН5-30/50.

Рисунок 3.3.1 - Напорные характеристики ЭЦН5-30/50 при работе на смеси:

«вода-ПАВ-воздух» при постоянном значении частоты вращения вала насоса (f = 50 Гц)

–  –  –

Рисунок 3.3.

2 - Энергетические характеристики ЭЦН5-30/50 при работе на смеси: «вода-ПАВ-воздух» при постоянном значении частоты вращения вала насоса (f = 50 Гц): а) КПД-Q; б) Nпотр.-Q

–  –  –

Рисунок 3.3.

3 – Напорно-энергетические характеристики ЭЦН5-80/125 при работе на смеси: «вода-ПАВ-воздух» при постоянном значении частоты вращения вала насоса (f= 50 Гц): а) Рн - Q; б) КПД-Q; в) Nпотр.- Q Анализ энергетических характеристик конических ступеней погружного электроцентробежного насоса для различных номинальных подач, с учетом их работы на газожидкостных смесях, позволяет сделать вывод о том, что с увеличением газосодержания до 30 % по объему наблюдается снижение КПД насосных установок. Например, для ЭЦН5АКПД снижается с 65 % до 40 %, соответственно для газосодержаний 0 и 18 % по объему. Двухпакетные сборки конических насосных установок:

УЭЦН5-50/80, УЭЦН5-80/125 и УЭЦН5-125/200 имеют схожее поведение снижения энергетических характеристик, в частности при достижении входного газосодержания до 25%, в среднем КПД снижается с 45% до 10%.

Малопроизводительная насосная установка конического типа УЭЦН 5-30/50 характеризуется незначительным трендом снижения КПД с 37% до 28% при достижении входного газосодержания 23% по объему. Трехпакетная сборка УЭЦН5-50/80/125 характеризуется снижением КПД с 49% до 31% при достижении входного газосодержания -23% по объему (рисунок 3.3.4).

Представленные результаты исследований были получены при постоянном значении частоты вращения вала насоса (f = 50 Гц). Аналогичные исследования были проведены для частот вращения вала 40 и 60 Гц.

Анализируя результаты проведенных исследований по двухсекционным коническим компоновкам можно сделать принципиальный вывод о том, что определенные конические компоновки ЭЦН являются достаточным практичным и надежным средством повышения эффективности откачки из скважин газожидкостных смесей установками погружных электроцентробежных насосов.

Результаты испытаний двухсекционных насосных систем конического типа позволили определить диапазон допустимых входных газосодержаний на модельной газожидкостной смеси – 17-34%, в зависимости от частоты вращения вала. Необходимо отметить, что для двухсекционных систем увеличение частоты вращения вала на 5-10 Гц более промышленного значения 50 Гц приводит к ухудшению напорно-расходной

– характеристики при наличии в насосе свободного газа.

Рисунок 3.3.

4 – Зависимость коэффициента полезного действия (в оптимальном режиме) насосных установок конического типа от объемного входного газосодержания на приеме: ЭЦН5-30/50; ЭЦН5-50/80; ЭЦН5ЭЦН5-125/200; ЭЦН5А-250/400; ЭЦН5-50/80/125 при постоянном значении частоты вращения вала насоса (f = 50 Гц) Обработка графиков изменения КПД от газосодержания (рисунок 3.3.4) позволяет определить эмпирические зависимости КПД в оптимальном режиме для различных типоразмеров конических сборок:

- для ЭЦН5А-250/400 (50Гц):

250/400 = -0,06662 - 0,1269 + 64,392

- для ЭЦН5-125/200, ЭЦН5-80/125 (50Гц):

125/200 (80/125)= -0,08152 - 0,885 + 42,5

- для ЭЦН5-50/80 (50Гц):

50/80 = -0,0222 - 0,3934 + 47

- для ЭЦН5-30/50(50Гц):

30/50 = -0,0492 - 0,2302 + 36

- для ЭЦН5-50/80/125 (50Гц):

30/50 = -0,05952 - 0,587 + 48,5 Представленные корреляционные зависимости можно использовать при подборе конических сборок погружных электроцентробежных насосов с максимально допустимым газосодержанием на приеме – не более 30 % по объему.

В таблице 3.3.1 представлены сводная характеристика результатов стендовых испытаний двухсекционных конических насосов.

–  –  –

3.4 Результаты испытаний трехсекционных конических компоновок электроцентробежных насосов при различных значениях расходных газосодержаний Эксперименты проводили при различных частотах вращения вала: 40, 50 и 60 Гц для 3-х секционной конической компоновки насоса 50/80/125.

По данным анализа работы трехсекционной компоновки конического насоса УЭЦН5-50/80/125 при частоте вращения вала 50 Гц, срыв подачи насоса происходит при газосодержании 27%. Устойчивая работа насосной компоновки ЭЦН5-50/80/125 сохраняется при подачах 95-103 м3/сут с газосодержанием на приеме до 27% (рисунок 3.4.1).

Увеличение частоты вращения вала насосной установки ЭЦН5на 5 Гц позволило расширить область работы конического насоса по параметру газосодержания до 32% по объему (рисунок 3.4.2).

Для обобщения и сравнительного анализа полученных результатов стендовых испытаний двухсекционных и трехсекционных насосных систем была обработана зависимость коэффициента подачи жидкости на режиме нулевого напора КQ от входного газосодержания по формуле:

, (3.4.1) где Qжвх0 - подача жидкости при вх0 и Qжвх=0 - подача жидкости при вх=0.

Эффективность работы трехсекционного конического ЭЦН5ограничивается условием наступления режима искусственной кавитации: для частоты 50 Гц при объемном входном газосодержании – менее 5 %; для частоты вращения вала – 55 Гц при объемном входном газосодержании – 10 %.

Рисунок 3.4.

1 – Результаты испытаний компоновки конического насоса ЭЦН5-50/80/125 с количеством ступеней 35-34-34 при частоте 50Гц Рисунок 3.4.

2 – Результаты испытаний компоновки конического насоса ЭЦН5-50/80/125 с количеством ступеней 35-34-34 при частоте 55Гц.

Сравнивая результаты испытаний трехсекционного конического ЭЦН5-50/80/125 с двухсекционным ЭЦН5-80/125 можно отметить, что режим бескавитационной работы двухсекционного конического насоса при частоте вращения вала -50 Гц совпадает с характеристикой трехсекционного конического насоса при частоте вращения 55Гц. Область

– бескавитационной работы конического насоса ЭЦН5-30/50 имеет расширенный диапазон газосодержаний, характеризующийся бескавитационной работой - до 20% по об. (рисунок 3.4.4).

Рисунок 3.4.

4 – Относительная подача конического насоса ЭЦН5-50/80/125 при частотах вращения вала 50 и 55 Гц и цилиндрического насоса ЭЦН5-80 при частоте вращения вала 50 Гц Насосы конического типа двухсекционной сборки работают со свободным газом лучше, чем трехсекционные сборки, в среднем на 2-3% (в пределах погрешности), поэтому для упрощения подбора, монтажа и обслуживания конусных сборок, при неизменных эксплуатационных характеристиках, предпочтение лучше отдать двухсекционным сборкам.

Исследования конических насосных установок позволили определить границу бескавитационной работы в условиях откачки газожидкостной смеси. Полученные зависимости могут быть использованы для адаптации методики подбора конических УЭЦН в условиях эксплуатации скважин с высоким газовым фактором.



Pages:   || 2 |
Похожие работы:

«4’2012 АктуАльный комментАрий Налоговые споры Взгляд ВАС часть НК РФ рФ на первую Пленум ВАС РФ подготовил проект постановления по вопросам применения части первой НК РФ. В нем, в частности, определено, в каком ключе будут решат...»

«Об обжиме особотонкостенных трубных заготовок # 03, март 2013 DOI: 10.7463/0313.0542068 Шишкин А. А. УДК 621.7.04 МАТИ – Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского hewa@inbox.ru Введение...»

«Серия "Транспортные средства и энергетические установки" m.ru/pdf/articles/praktmetrologi.pdf 5. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями – М.: Дрофа, 2006 – 176 с.6. Статников Р.Б., Матусов И.Б. О недопустимых, допустимых и оптимальных решениях в задачах проектирования. Проблемы машиностро...»

«Мящяммяд Салещ ял-Мцняccид АИЛЯ ТЯРБИЙЯСИНЯ ДАИР 40 НЯСИЩЯТ Мцяллиф: Мящяммяд Салещ ял-Мцняccид Яряб дилиндян тярcцмя едян: Рясул Юмяров Редактя едян: М. Абдуллащ Bu kitabn mlkiyyti “hli-Beyt” maazasna aiddir.(lvi Bnyazzad 9, tel: 055 680 09 64). Kitabn mliki...»

«ПІДСУМКИ ДІЯЛЬНОСТІ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ У 2015 РОЦІ ТА ОСНОВНІ НАПРЯМИ ЇЇ ПОДАЛЬШОЇ РОБОТИ Доповідь президента НАН України академіка НАН України Б.Є. Патона Загальним зборам НАН України 14 квітня 2016 року Шан...»

«Паулу Фрейре. Образование как практика освобождения За несколько лет мысли и труды бразильского просветителя Паулу Фрейре распространились с северо-востока Бразилии на весь континент и оказали сильнейшее влияние не только на процесс образования, но и на национально-освободительное движение в целом. Именно в то...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА" (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)" АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬ...»

«КГБПОУ "Бийский государственный музыкальный колледж" Положение о подготовительных курсах для поступающих в БиГМК со слабой (неполной) начальной музыкальной подготовкой СК-ПЛ-4.3/13-2016 1. Общие положения 1.1 Организаторы курсов: КГБПОУ "Бийский государственный музыкальный колледж" и Пре...»

«НАЗНАЧЕНИЕ Рефлектометр СОВА предназначен для определения расстояния до места изменения волнового сопротивления всех типов электрических кабелей:изменение сопротивления изоляции кабеля;изменение сопротивления жилы...»

«Приложение 4: Программа-минимум кандидатского экзамена по иностранному языку ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ПЯТИГ...»

«245 УДК 341.9 ОГОВОРКА О ПУБЛИЧНОМ ПОРЯДКЕ В МЕЖДУНАРОДНОМ ЧАСТНОМ ПРАВЕ PUBLIC ORDER CLAUSE IN THE INTERNATIONAL PRIVATE LAW Компаниец А.Р. студентка, ЮРИУ РАНХиГС при Президенте РФ Kompaniets A.R. student, Southern Russian ins...»

«Приложение 1 к приказу Ректора от 31.12. 2014 г. № 73 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского" Принято на заседании Ученого совета Утверждено приказом Ректора федера...»

«Письмо Федеральной службы по надзору в сфере образования и науки от 1 октября 2015 г. N 02-448 По итогам проведения итогового сочинения (изложения) в 2014-2015 учебном году Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки направляет для использования в работе уточненные редакции следующих методических материалов, регламентирующих пр...»

«• Хозяюшкаблагополучница • Кубышка-травница • На удачное замужество • На беременность • Десятиручка • Пеленашка еще 35 кукол О. А. ТАРАСОВА К У К ЛЫ ОТАНКИ М ВАШЕГО ДОМА, ПРИНОСЯЩИЕ УД РЕГИ ДЛЯ АЧУ, ОБЕ ВО, ИЗОБИЛИЕ И СЧАСТЬЕ БОГАТСТ ХАРЬКОВ БЕЛГОРОД УДК 689 ББК 37.248 Т19 Никакая часть данного издания не может быть скоп...»

«Разновидности сигналов ФМ-4 1. ФМ-4 (QPSK) Плотность мощности сигнала ФМ-4 (и ФМ-4С) описывается уравнением Рисунок 1. Спектр сигнала ФМ-4. Полоса частот (от нулевого уровня до нулевого уровня) сигнала ФМ-4 равна скорости п...»

«Naumen Service Desk v.3.8 Руководство по настройке печатных форм с примерами Руководство по настройке печатных форм с примерами Copyright© 2003-2014, NAUMEN. Все права защищены. Никакая часть этого документа не может быть воспроизведена или обработана в системах обработки данных, скопирована или исп...»

«Тарифный план "Корпоративный безлимит для Amway" Линейка тарифных предложений, гибко настраиваемая под Ваши потребности, в зависимости от интенсивности и географии общения. Для подключения подходящего тарифного плана просто выберите необходимый о...»

«РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ Приборы приемно-контрольные охранные ПКО-8GSM, ПКО-8/6GSM, ПКО-8/4GSM ТУ BY 190543080.020-2014 ЗАО “Новатех Системы Безопасности” "ПКО-8GSM, ПКО-8/6GSM, ПКО-8/4GSM" ТУ BY 190543080.020-2014 Содержание 1 Назначение 2 Функциональные возможности 3 Технические харак...»

«Руководство рекламодателя RTB Руководство рекламодателя Содержание Руководство рекламодателя Раздел 1. Введение Раздел 2. Создание рекламных кампаний 2.1. Тип Максимальный охват 2.1.1. Создание кампании 2.1.2. Добавление баннеров 2.2. Тип Классический ремаркетинг 2.2.1. Создание аудитории 2.2.2. Создание кампании 2.2.3. Добавление б...»

«1 Термины, определение которых не приведено в тексте настоящих Правил, определяются в соответствии с Правилами ЭДО ПАРТАД. Статья 2. Порядок вступления в действие настоящих Правил, а также внесения в них изменений...»

«"УТВЕРЖДАЮ" Председатель РО РАФ КОО "Приморская Автомобильная федерация" Наумец М.А. 15 ноября 2015г. РЕГЛАМЕНТ Чемпионата Приморского края по ралли-спринту 2016 (1-6 этапы) г.Владивосток 2015 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1.1. Цели и задачи популяризация автомобильны...»

«Руководство пользователя EDI адаптер для "1С:Предприятие 8.2" Россия, Санкт-Петербург, Большой Сампсониевский пр., д. 68, лит. Н, +7 (812) 334-38-12 Россия, Москва, пер. Малый Калужский, д. 4, стр. 1, +7 (495) 228-14-05 Россия, Новосибирск,...»

«МОДЕЛЬ ОБТЕКАНИЯ ГОР ПРОИЗВОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ И КЛИМАТ Беданоков М.К., Коблева Р.Б. (Россия, г. Майкоп) Взаимодействие движущейся атмосферы с неровностями земли есть явление, относящееся к среднемасштабным или локальным атмосферным процессам. Этот процесс...»

«BlackBerry Passport Smartphone пользователя Версия: 10.3 Руководство Опубликовано: 2014-09-16 SWD-20140916120225064 Содержание Настройка и основные сведения Новое в этой версии Обзор устройства В чем особенности BlackBerry 10 OS? Значки уведомлений Значки Меню...»

«568 Вестник Чувашского университета. 2013. № 3 УДК 612.438.014.2:615.357 ББК E60*737.15:Е60*725.381.81 О.А. ШАТСКИХ РЕАКЦИЯ АМИНОСОДЕРЖАЩИХ СТРУКТУР ТИМУСА НА ВВЕДЕНИЕ МЕЛАТОНИНА ПРИ РАЗНЫХ РЕЖИМАХ ОСВЕЩЕНИЯ Ключевые слова: мелатонин, тимус, биогенные амины. Экспериме...»

«ПЕСЕННОЕ НАСЛЕДИЕ ХУГО ВОЛЬФА И ТРАДИЦИИ КАМЕРНО-ВОКАЛЬНОГО ИСПОЛНИТЕЛЬСТВА © Резницкая Т.Б. Оренбургский государственный институт искусств им. Л. и М. Ростроповичей, г. Оренбург В статье рассматриваются стилевые черты песенного творчества Хуго Вольфа и проблемы его интер...»








 
2017 www.ne.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.