УДК 622.276

Улучшение работы УЭЦН при добыче из скважин с высоким газосодержанием

Аль-Шарафи Ахмед Шараф Яхья – магистрант кафедры Технологии добычи, транспортировки и переработки нефти и газа Российского университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы.

Аль-Тахери Абдулхаким Абдулла Хуссейн – магистрант кафедры Технологии добычи, транспортировки и переработки нефти и газа Российского университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы.

Аль-Тахери Магди Нассер Абдурабу – магистрант кафедры Технологии добычи, транспортировки и переработки нефти и газа Российского университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы.

Аннотация: В данном исследовании рассмотрены проблемы, связанные с эксплуатацией УЭЦН в скважинах, где присутствует высокий газовый фактор. Основное внимание уделено изучению механизма воздействия газовой фазы на деградацию рабочих характеристик электроцентробежного насоса, а также факторов, влияющих на интенсивность данного воздействия. В работе представлены методы и способы эксплуатации скважин с высоким газовым фактором. Особое внимание уделено режиму плавающей частоты вращения вала УЭЦН при высоком газовом факторе.

Abstract: This study examines the problems associated with the operation of ESPs in wells where there is a high gas factor. The main attention is paid to studying the mechanism of the influence of the gas phase on the degradation of the operating characteristics of an electric centrifugal pump, as well as the factors influencing the intensity of this effect. The paper presents methods and methods for operating wells with a high gas factor. Particular attention is paid to the floating speed mode of the ESP shaft at a high gas factor.

Ключевые слова: погружные электроцентробежные насосы, характеристика насоса, высокий газовый фактор, депрессии, затрубное пространство.

Keywords: submersible electric centrifugal pumps, pump characteristics, high gas factor, depressions, annular space.

Введение

На данный момент большинство компаний в нефтегазовой отрасли используют электроцентробежные погружные установки для добычи нефти. Однако на многих объектах возникают проблемы при работе с такими установками. Одной из основных сложностей при использовании электроцентробежных насосов является наличие свободного газа в выкачиваемой продукции. Это часто связано с эксплуатацией скважин с низкими забойными давлениями, которые значительно ниже давления насыщения нефти газом. Даже небольшое количество газа может серьезно сказаться на производительности насосного оборудования, и при дальнейшем увеличении его содержания может произойти сбой в работе насосов [1]. В связи с широким использованием погружных электроцентробежных установок, повышение эффективности и оптимизация их работы являются актуальными задачами. Были разработаны различные методы и технологии для борьбы с негативным воздействием свободного газа, включая использование газосепараторов для разделения газовой фазы от жидкой, применение диспергирующих ступеней, изменения в конструкции рабочих колес и направляющих аппаратов, работу насосов с переменной частотой вращения вала и добавление пенообразующих веществ в перекачиваемую продукцию.

Факторы, вызывающие высокое содержание свободного газа на входе электроцентробежного насоса (УЭЦН)

Высокое содержание свободного газа в насосе обычно не связано с геологическими особенностями пласта, а обусловлено особенностями эксплуатационного режима скважин. При использовании электроцентробежных насосов давление на входе в насос обычно значительно ниже давления насыщения нефти газом. При активном бурении горизонтальных скважин существуют дополнительные требования и ограничения при выборе глубины установки насосного оборудования. Снижение глубины установки по техническим причинам также увеличивает содержание газа на входе.

Характеристика насоса. Факторы, оказывающие влияние на его характеристику при работе с газожидкостной смесью

Характеристика работы погружного электроцентробежного насоса– графические зависимости развиваемого насосом напора, потребляемой мощности и КПД насоса от подачи. В зависимости от конструкционных особенностей насосной секции, а также от параметров рабочей среды и свойств перекачиваемой жидкости, зависимость может принимать различный вид. На рисунке 1 представлена характеристика нормального рабочего колеса УЭЦН. Рядом исследований отечественными и зарубежными исследователями были выделены основные факторы, оказывающие влияние на характеристику насосной установки [2]:

Рисунок 1. Напорно-расходная характеристика УЭЦН для рабочих колес нормального исполнения.

1. Если рассматривать влияние количества ступенек насоса, то можно сделать следующий вывод: вредное влияние газа на свойства электроцентробежного насоса в многоступенчатой конструкции значительно ниже, чем при малом количестве ступеней.
2. Влияние давления на приеме в насос –При эксплуатации электроцентробежного насоса на нефтегазовых смесях с высоким давлением на входе в насос (Pпр), влияние газа на работу насоса на самом деле не так значительно;
3. Влияние пенообразования на свойства перекачиваемой среды: при повышении стабильности границ раздела газ-жидкость, насос, который работает с газожидкостной смесью, становится более эффективным.
4. Существует несколько факторов, которые влияют на эффективность работы насоса, который использует газовую фазу:1. Распределение пузырьков газа в предварительном порядке способствует более эффективной работе центробежного насоса, использующего газовую смесь;
5. Влияние обводненности продукции – эффективность работы ЭЦН в системах газожидкостного водоснабжения снижается по мере увеличения обводненности;
6. Влияние частоты вращения вала – при увеличении частоты вращения вала электроцентробежного насоса повышается эффективность его работа на ГЖС.

Функционирование электроцентробежного насоса (УЭЦН) при работе с газожидкостными смесями. Изменение рабочей характеристики УЭЦН в процессе работы. Проблема кавитации

Рисунок 2 отражает работу установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) при использовании газожидкостной смеси.

Рисунок 2. Напорно-расходная характеристика УЭЦН при работе на ГЖС.

С приращением количества газа на входе в насосную систему расстраивается характеристика электроцентробежного насоса, вызывая деградацию его эффективности. Появление кавитационного эффекта является причиной такого поведения насоса.

Явление кавитации происходит в зонах проточной части насосной установки, в которых локальное статическое давление снижается до некоторого критического значения, при котором происходит нарушение сплошности потока и изменение его структуры [4].

В области, где давление локально снижается, возникает пустое пространство, которое затем заполняется газовой фазой в системе с использованием установки с электроцентробежным насосом (УЭЦН) в глубокопогружном скважинном насосе (ГЖС). Газовая полость, образующаяся в результате этого процесса, не участвует в процессе поднятия жидкости и, кроме того, создает дополнительное сопротивление для активного потока. Чем сильнее воздействуют вышеуказанные факторы, тем сильнее проявляется явление кавитации.

Методы повышения эффективности функционирования электроцентробежного насоса (УЭЦН) на скважинах, где присутствует высокий газовый фактор

Погружные электроцентробежные насосы служат ключевым средством для транспортировки продукции из скважины на поверхность. Следовательно, сегодня особенно важно рассматривать способы улучшения производительности этих насосов при эксплуатации с нефтегазовыми смесями.Методы борьбы с осложняющим фактором (высокий газовый фактор) в нефтепромысловой практике подразделяют на: методы предупреждения влияния высокого газового фактора, методы защиты от влияния высокого газового фактора [3].

Методы предупреждения влияния высокого газового фактора: подлив жидкости в затрубное пространство, снижение депрессии на пласт, периодическая эксплуатация

УЭЦН (условно-постоянный режим работы, режим автоматически повторного включения) [1].

Методы защиты от влияния высокого газового фактора: конструкция ступеней электроцентробежного насоса специального исполнения, применение центробежных газосепараторов, применение диспергаторов, спуск УЭЦН ниже интервала перфорации с применением кожуха охлаждения, станции управления со специальным программным обеспечением для работы установок в условиях высокого газового фактора [1]. Рассмотрим подробнее последний из описанных методов.

Функционирование насоса с изменяемой частотой вращения вала

В современных станциях управления предусмотрена возможность использования режима прокачки газа при эксплуатации скважин. Этот режим работы необходим для обеспечения непрерывной работы электроцентробежного насоса в скважинах с высоким газовым фактором, когда возникает срыв подачи жидкости из-за образования газовой пробки.

При активации режима прокачки газа, станция управления скважиной наблюдает за средним током погружного электродвигателя и автоматически диагностирует наличие газовой пробки, когда рабочий ток падает или опускается ниже установленного критического значения. Чтобы исключить случаи ложной активации из-за мгновенных колебаний тока, задается время задержки перед срабатыванием режима прокачки газа. Если значение тока не восстанавливается до рабочего уровня в течение этого времени, то станция управления активирует режим прокачки газовой пробки. В этом режиме выходная частота увеличивается до заданного значения. Когда достигается установленная выходная частота, происходит сравнение текущего значения тока с рабочим значением. Признаком прокачки газовой пробки является увеличение рабочего тока погружного электродвигателя. Чтобы исключить случаи ложной активации из-за мгновенных колебаний тока, устанавливается время задержки перед отключением режима прокачки газа. По завершении прокачки газа, выходная частота снижается до установленного значения, а скорость ускорения и остановки также задаются предустановками. Если при работе станции управления в режиме прокачки газовой пробки значение тока не увеличивается, то автоматически происходит выход из этого режима после завершения прокачки без необходимости ожидать паузу. Повторное включение возможно только после истечения времени задержки срабатывания при недогрузке погружного электродвигателя.

Использование специальных конструкций ступеней в электроцентробежных насосах (ЭЦН)

Специальные конструкции ступеней в электроцентробежных насосах (ЭЦН) используются для повышения эффективности работы насоса, увеличения давления и расхода жидкости.

Одной из основных конструкций ступеней является использование многоступенчатых насосов. Многоступенчатые насосы состоят из нескольких ступеней, каждая из которых состоит из рабочего колеса и напорной камеры. Каждая ступень предназначена для постепенного повышения давления жидкости. Такой дизайн позволяет достичь высокого давления и расхода на большие глубины скважин.

Другая специальная конструкция ступеней – использование установки с частотным преобразователем. Частотный преобразователь позволяет регулировать частоту вращения ротора насоса, что в свою очередь позволяет регулировать его производительность и потребление энергии. Таким образом, это позволяет оптимизировать работу насоса под различные рабочие условия.

Также используются специальные материалы для изготовления ступеней в электроцентробежных насосах. Некоторые типы насосов имеют ступени из нержавеющей стали или специального сплава, что обеспечивает повышенную устойчивость к коррозии и износу.

Использование специальных конструкций ступеней в электроцентробежных насосах позволяет повысить эффективность работы насоса, увеличить давление и расход жидкости, а также обеспечить долгий срок службы насоса при эксплуатации в различных условиях.75%.

Список литературы

1. Дроздов А.Н., «Техника и технология добыча нефти» / Учебное пособие для вузов. – М.: РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, 2008. – 616 с.
2. Деньгаев А.В., «Повышение эффективности эксплуатации скважин погружными центробежными насосами при откачке газожидкостных смесей» / – Дис. канд. техн. наук. – М., 2005. – 212 с.
3. E. Trevisan, M.G. Prado, 2010, «The development and water-air two-phase test results of an electrical submersible pump visualization prototype» Petroleum Engineering Department, The University of Tulsa, USA.
4. Ляпков П.Д., «О формах течения водо-воздушных смесей в каналах рабочих органов центробежного насоса» / – Дис. канд. техн. наук. – М., 1968. – 5-8 с.