Результат интеллектуальной деятельности: ВЫСОКООБОРОТНАЯ ПОГРУЖНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ ИЗ СКВАЖИН С ВЫСОКИМ ГАЗОСОДЕРЖАНИЕМ

Область техники к которой относится изобретение.

Изобретение относится к нефтяной промышленности, а именно к погружному насосному оборудованию, и может быть использовано при добыче нефти из малодебитных скважин с высоким газовым фактором.

Уровень техники

В настоящее время значительное число пластов нефтяных месторождений находится в заключительной стадии эксплуатации, что обуславливает наличие большого количества низкодебитных скважин. Эффективное использование этого фонда скважин возможно при значительной депрессии на пласт, которая неизбежно влечет за собой повышенное газосодержание на приеме погружной насосной установки. По этим причинам возникает необходимость решения задачи устойчивости работы погружной насосной установки на газожидкостной смеси, который, в свою очередь, является мотивом для появления большого количества соответствующих технических решений (см. Игревский Л.В. Повышение эффективности эксплуатации погружных насосно-эжекторных систем для добычи нефти: дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. - М., РГУ Нефти и Газа им. И.М.Губкина, 2002). В частности, существует необходимость разработки высокооборотных погружных установок (с регулируемой частотой вращения вала более 3000 об/мин) для работы в малодебитных скважинах с высоким газовым фактором.

Близким аналогом для заявленного изобретения является российский патент №2360149 (опубл. 20.12.2008), в котором рассмотрено рабочее колесо ступени погружного центробежного насоса для добычи нефти с высоким газосодержанием, выполненное в виде закрытого рабочего колеса с ведущим и ведомым дисками, между которыми сформируют каналы, образующие проточную часть рабочего колеса. Сверху на ведущем диске рабочего колеса установлен кольцевой диск, ограниченный окружностями, описывающими внутренние и наружные кромки дополнительных лопастей, на верхней поверхности кольцевого диска выполнены выступы, ориентированные в радиальном направлении, формирующие по периферии колеса открытые диспергирующие каналы, при этом между кольцевым диском и ведущим диском рабочего колеса образованы закрытые диспергирующие каналы. Суть этого изобретения состоит в существенном повышении стабильности работы погружного центробежного насоса, работающего в двух- и трехфазных газожидкостных средах за счет эффективной диспергации газовых пузырьков в перекачиваемой жидкости.

Наиболее близким к заявляемому изобретению погружной установки является техническое решение, сформулированное в российском патенте №2232301 (опубл. 10.07.2004). Установка содержит ПЭД с гидрозащитой, газосепаратор, диспергатор и погружной насос. Суть изобретения - повышение качества диспергации газожидкостной смеси, которое положительным образом влияет на устойчивость работы погружного насоса (в том числе центробежного). Качество диспергации смеси повышается за счет включения в газосепаратор кавернообразующего лопастного колеса и сепарационного барабана с ребрами, при этом выходные кромки лопастей кавернообразующего колеса расположены на осевом расстоянии от входных кромок сепарационного барабана, составляющим 0,05-0,25 наружного диаметра сепарационного барабана, а диспергатор выполнен в виде ступеней, содержащих статоры-втулки и роторы, расположенные внутри статоров втулок, причем на поверхности сопряжения статоров-втулок и роторов выполнены выступы и впадины.

Однако для малодебитных скважин с высоким газосодержанием на приеме установки наличие сепаратора и высокоэффективного диспергатора и даже наличие специального рабочего колеса с диспергирующими каналами не гарантирует надежной устойчивой работы центробежного насоса. Это обусловлено тем, что даже высокоэффективная диспергация газожидкостной смеси на входе в рабочее колесо не устраняет физическую причину снижения плотности газожидкостной смеси в каналах рабочего колеса центробежного насоса при низкой подаче - относительное движение фаз. Причиной относительного движения фаз является дрейф газовой фазы в направлении, противоположном направлению поля массовых сил, т.е. от периферии к центру колеса.

Раскрытие изобретения

Технический результат настоящего изобретения состоит в расширении рабочей зоны высокооборотного погружного центробежного насоса и обеспечении надежной устойчивой работы насоса на газожидкостной смеси в области малых подач (в малодебитных скважинах) с соответствующей оптимизацией его энергетических характеристик.

Для достижения указанного технического результата разработана высокооборотная погружная установка для добычи нефти из скважин с высоким газосодержанием, включающая погружной центробежный насос, погружной электродвигатель с гидрозащитой и газосепаратор, в которой погружной центробежный насос содержит по меньшей мере одно рабочее колесо с геометрической характеристикой S, удовлетворяющей двум соотношениям S≤S_max и Q/S_max={V_др×(β-2)-β×V_др×[1+4×P_ж×(1-β)/(B×S_max×β×V_др)]^0,5}/(2×β-2),

где S_max - максимально допустимая площадь сечения каналов рабочего колеса цилиндрической поверхностью с направляющей в виде окружности, перпендикулярной продольной оси рабочего колеса и образующей, которая параллельна продольной оси рабочего колеса; S~(Q/n)^2/3 - площадь сечения каналов рабочего колеса цилиндрической поверхностью с направляющей в виде окружности, перпендикулярной продольной оси рабочего колеса и образующей, параллельной продольной оси рабочего колеса; Q - объемная подача насоса; n - рабочая частота вращения вала насоса; β - средняя объемная расходная доля газа; P_ж(Q) - давление, развиваемое насосом на однофазной среде при рассматриваемой подаче; B=-(dP_ж/dQ); V_др - характерная скорость дрейфа газовой фазы, при этом установка выполнена высокооборотной с возможностью работы в низкодебитной скважине, а пары трения насоса, газосепаратора, гидрозащиты и двигателя выполнены из износостойких материалов.

Рабочее колесо центробежного насоса может быть выполнено таким образом, что противолежащие боковые стенки каждого канала между ведомым и ведущим дисками рабочего колеса центробежного насоса образованы участками цилиндрических поверхностей с параллельными образующими, причем направляющая одной цилиндрической поверхности является произвольной кривой, расположенной в плоскости, нормальной оси рабочего колеса, а направляющая второй поверхности располагается в той же плоскости и получена путем смещения каждой точки направляющей первой поверхности на фиксированное расстояние вдоль заданного направления.

Краткое описание чертежей

Фиг 1. Иллюстрирует известный в насосном погружном оборудовании эффект появления "горба" на НРХ (напорно-расходной характеристике) на примере серийного насоса 2ВННП5-50.

Фиг.2. Показаны основные геометрические построения для пояснения понятия площади сечения каналов рабочего колеса и профиля его каналов.

Фиг.3. Конструкция рабочего колеса согласно заявленному изобретению.

Фиг.4. Напорно-расходная характеристика насоса при работе на воде.

Фиг.5. Иллюстрируется достижение технического результата путем сравнения напорно-расходных характеристик насоса до и после применения изобретения.

Осуществление изобретения

Влияние относительного движения фаз на «негативную» деформацию напорно-расходной характеристики насоса при малых подачах хорошо иллюстрируется, например, результатами экспериментального исследования, проведенного при различных величинах газосодержания на приеме 22-ступенчатого насоса 2ВННП5-50 (производства ЗАО «НОВОМЕТ - Пермь») (см. Игревский Л.В. Повышение эффективности эксплуатации погружных насосно-эжекторных систем для добычи нефти: дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. - М., РГУ Нефти и Газа им. И.М.Губкина, 2002). Из Фиг.1 видно, что при работе центробежного насоса на газожидкостной смеси в зоне малых подач образуется «восходящая» ветвь напорно-расходной характеристики даже для насоса, у которого при работе на однофазной жидкости «горб» на характеристике отсутствует. Появление «горба» на НРХ в зоне малых подач вызвано относительным движением фаз в каналах центробежного колеса.

Убывающий характер напорно-расходной характеристики обеспечивает устойчивый характер работы центробежного насоса. Суть предлагаемого решения состоит в увеличении средней по радиусу рабочего колеса скорости подачи газожидкостной смеси до уровня, при котором для данной подачи обеспечивается убывающий характер напорно-расходной характеристики центробежного насоса при некоторой объемной расходной доле газа на приеме насоса. В качестве площади, определяющей скорость газожидкостной смеси, выбирается площадь сечения каналов рабочего колеса 8 цилиндрической поверхностью сечения 7 с направляющей в виде окружности 4, перпендикулярной продольной оси рабочего колеса 5, и образующей 6, параллельной продольной оси рабочего колеса (см. Фиг.2). Способ выбора определяющей площади обусловлен тем, что дрейф газовой фазы происходит по нормали к такому сечению, а скорость подачи также определяется в направлении, нормальном данному сечению.

В дальнейшем изложении под площадью каналов рабочего колеса будем понимать именно такую площадь. Определим максимально допустимую площадь каналов рабочего колеса, обеспечивающую необходимую величину средней по радиусу рабочего колеса скорости подачи смеси (в дальнейшем изложении скорости смеси).

Давление, развиваемое центробежным насосом при работе на газожидкостной смеси, определяется соотношением

где P_ж - давление, развиваемое насосом при работе на однофазной жидкости плотностью ρ_ж;

ρ_см - истинная плотность газожидкостной смеси в каналах рабочего колеса, равная

где ρ_ж и ρ_г - плотности жидкости и газа, соответственно;

φ - средняя истинная объемная доля газа в каналах рабочего колеса.

При условии ρ_ж>>ρ_г соотношение (2) принимает вид

При дрейфе газа в направлении, противоположном направлению движения смеси

где β_ср - средняя по длине насоса объемная расходная доля газа;

V_др - скорость дрейфа газовой фазы;

V_см - скорость смеси.

С учетом (3) и (4) соотношение (1) принимает вид

Условие отрицательного наклона напорно-расходной характеристики на газожидкостной смеси (условие устойчивой работы насоса) имеет вид

d(P_см)/d(V_см)<0, что с учетом соотношения (5) дает

Опуская алгебраические подробности разрешения неравенства (6), относительно V_см имеем

где S_max - максимально допустимая площадь каналов рабочего колеса, обеспечивающая устойчивую работу насоса на газожидкостной смеси.

Стенки каждого канала между ведомым и ведущим дисками рабочего колеса центробежного насоса могут быть образованы участками цилиндрических поверхностей с параллельными образующими /11/ фиг.3, причем направляющая одной цилиндрической поверхности является произвольной кривой, расположенной в плоскости нормальной оси рабочего колеса, а направляющая второй поверхности располагается в той же плоскости и получена путем смещения каждой точки направляющей первой поверхности на фиксированное расстояние вдоль заданного направления. Направляющие цилиндрических поверхностей показаны позицией /10/ на фиг.3.

Такая форма каналов позволяет расширить рабочую зону высокооборотного погружного центробежного насоса. Каналы рабочего колеса можно спрофилировать таким образом, что усредненная по радиусу площадь сечения всех каналов рабочего колеса, образованная цилиндрической поверхностью сечения с направляющей в виде окружности, перпендикулярной продольной оси рабочего колеса и образующей параллельной продольной оси рабочего колеса, не превышает S_max.

Для более эффективной работы высокооборотной погружной установки для добычи нефти из скважин с высоким газосодержанием применяются радиальные и торцевые опоры и другие элементы пар трения насоса, газосепаратора, гидрозащиты и двигателя, выполненные из износостойких материалов, например на основе карбида вольфрама.

Задачей реализации предложенного изобретения является обеспечение устойчивой работы центробежного насоса на газожидкостной смеси.

Пусть необходимо обеспечить устойчивую работу центробежного насоса при средней объемной расходной доле газа перекачиваемой газожидкостной смеси β=0.25 и скоростью дрейфа газовой фазы V_др=0.18 м/сек при подаче 20 м³/сутки. При работе на однофазной среде (воде) насос развивает давление, определяемое соотношением

Р_ж(Q)=-0.00021×Q²-0.004019×Q+5.504,

здесь Р_ж - давление [атм]; Q - подача насоса [м³/сутки].

В формуле изобретения приведено соотношение, выполнение которого обеспечивает достижение поставленной цели

S≤S_max,

где S_max определяется из соотношения

и

Здесь S_max - максимально допустимая площадь сечения каналов рабочего колеса цилиндрической поверхностью с направляющей в виде окружности, перпендикулярной продольной оси рабочего колеса и образующей, которая параллельна продольной оси рабочего колеса;

S~(Q/n)^2/3 - площадь сечения каналов рабочего колеса цилиндрической поверхностью с направляющей в виде окружности, перпендикулярной продольной оси рабочего колеса и образующей параллельной продольной оси рабочего колеса;

Q - объемная подача насоса;

n - рабочая частота вращения вала насоса;

β - средняя объемная расходная доля газа;

P_ж(Q) - давление, развиваемое насосом на однофазной среде при рассматриваемой подаче;

B=-(dP_ж/dQ);

V_др - характерная скорость дрейфа газовой фазы.

Поскольку уравнение (8) явно не разрешено относительно S_max, будем находить его корень методом последовательных приближений, предварительно приведя уравнение к виду

Приведем все входящие в него величины в систему СИ

Q=20 м³/сутки=20/(24×3600) м³/сек=0.000231 м³/сек.

P_ж(40)=-0.00021×20²-0.004019×20+5.504=5.34 атм=534000 Па.

Для определения величины B представим зависимость P_ж(Q) в системе СИ и аппроксимируем ее полиномом (фиг.4)

P_ж(Q)=-1.568×10¹¹×Q²-3.472×10⁷×Q+5.504×10⁵=

В=-(dP_ж/dQ)=2×1.568×10¹¹×Q+3.472×10⁷=

2×1.568×10¹¹×0.000231+3.472×10⁷=1.07×10⁸

Зададимся первым приближением S_max1=0.0003 м²

Левая часть уравнения (9)

Q/[{V_др×(β-2)-β×V_др×[1+4×P_ж×(1-β)/(B×S_max1×β×V_др)]^0,5}/(2×β-2)}]=

=0.000231/[{0.18×(0.25-2)-0.25×0.18×[1+4×534000×(1-0.25)/

(1.07×10⁸×0.0003×0.25×0.18)]^0,5}/(2×0.25-2)}]=0.000191 м².

Полученная величина отличается от правой части уравнения (9), поэтому сделаем вторую итерацию, положив S_max2=0.000191 м²

Q/[{V_др×(β-2)-β×V_др×[1+4×P_ж×(1-β)/(B×S_max2×β×V_др)]^0,5}/(2×β-2)}]=

=0.000231/[{0.18×(0.25-2)-0.25×0.18×[1+4×534000×(1-0.25)/

(1.07×10⁸×0.000191×0.25×0.18)]^0,5}/(2×0.25-2)}]=0.000158 м².

Очевидна необходимость третьей итерации при S_max3=0.000158 м².

Q/[{V_др×(β-2)-β×V_др×[1+4×P_ж×(1-β)/(B×S_max3×β×V_др)]^0,5}/(2×β-2)}]=

=0.000231/[{0.18×(0.25-2)-0.25×0.18×[1+4×534000×(1-0.25)/

(1.07×10⁸×0.000158×0.25×0.18)]^0,5}/(2×0.25-2)}]=0.000146 м².

Результаты последующих итераций представлены в таблице.

Таким образом, решением уравнения (9) является величина S_max=0.000137 м².

При работе на газожидкостной смеси давление, развиваемое насосом, определяется соотношением

На фиг.5 линией 3 показана напорно-расходная характеристика насоса на рассматриваемой газожидкостной смеси, рассчитанная по соотношению (10) при S_max=0.000137 м². Там же показана напорно-расходная характеристика насоса при работе на однофазной среде (линия 1).

Устойчивость работы насоса определяется наклоном напорно-расходной характеристики (для устойчивой работы наклон должен быть отрицательным). Из фиг.5 видно, что для рассматриваемой подачи (20 м³/сутки) наклон линии 3 отрицателен. Следовательно, при выполнении условий, заданных в соотношении формулы изобретения, работа насоса на рассматриваемой газожидкостной смеси устойчива.

На фиг.5 линией 2 показана напорно-расходная характеристика насоса на рассматриваемой газожидкостной смеси, рассчитанная по уравнению (10) при нарушении условий, заданных в соотношении формулы изобретения, т.е. при S=0.0003 м²>S_max=0.000137 м². Видно, что в этом случае работа насоса при подаче 20 м³/сутки носит неустойчивый характер.

Сказанное выше иллюстрирует достижение технического результата настоящего изобретения - расширение рабочей зоны высокооборотного погружного центробежного насоса и обеспечение надежной устойчивой работы насоса на газожидкостной смеси в области малых подач.