Погружные героторные насосы – мифы и практика

Submersible gerotor pumps - myths and practices

I. PIATOV, A. DONCHENKO, S. GLEBOV, REAM-RTI, A. TOTANOV

ООО «РЕАМ-РТИ», ООО «Лепсе-Нефтемаш», АО «Самаранефтегаз» (НК «Роснефть») осуществили апробирование ограниченной опытной партии погружных героторных насосов 5-го габарита в условиях Самарской нефтегазоносной провинции. Подтверждена потенциальная работоспособность насосов объемного действия на основе героторной концепции в условиях скважинной жидкости, содержащей механические частицы. ООО «РЕАМ-РТИ» разработана технология изготовления износостойких деталей (торцовых крышек) из гибридного керамикоподобного композита «Карбул» марки КК-60, обладающего удовлетворительной совместимостью по коэффициенту теплового расширения с металлическим деталями. База матрицы материала «Карбул» марки КК-60 – карбид кремния с углеродными связующими, позволяет наряду с износо­стойкостью обеспечить работоспособность контактной пары в условиях сухого трения. В статье показаны результаты стендовых испытаний на воде героторного насосного модуля: напорно-расходные характеристики, энергоэффективность (КПД). Сделан вывод о целесообразности вывода на рынок малодебитного фонда скважин героторных погружных насосов, обладающих высокой энергоэффективностью, малыми габаритами, ремонтопригодностью.

«REAM-RTI» LLC, «Lepse-Neftemash» JSC, «Samaraneftegaz» JSC (Rosneft) carried out limited testing of an experimental batch of submersible gerotor pumps of the 5th dimension in the conditions of Samara oil field. Confirmed the potential efficiency of pump volumetric actions on the basis of gerotor concept in the conditions of the produced fluid containing mechanical impurities. «REAM-RTI» LLC are developed a technology of production of wear parts (end caps) of the hybrid composite such ceramic composite «Carbul» brand KK-60, with satisfactory compatibility of coefficient of thermal expansion with metal parts. The base matrix material «Karbol» brand KK-60 – silicon carbide with the carbon of the binder, allows along with durability to ensure the functionality of the contact pairs in conditions of dry friction. The article shows the results of bench tests on the water gerotor pumping module: the pressure-flow characteristics, energy efficiency (COP). The conclusion about expediency to market for marginal wells used submersible pumps with high energy efficiency, small dimensions, maintainability.

Природные условия освоения новых нефтеносных месторождений и возобновления добычи на старых часто требуют нетрадиционных технологических подходов и конструкторских решений, которые диктуются геологическими осложняющими факторами, инфраструктурными проблемами и, в итоге, экономикой.
По этим причинам, несмотря на затратность опытно-конструкторских работ, активизировались поиски новых устройств для механизированной добычи, формируются критерии, которым должно отвечать насосное оборудование.
Приоритетным критерием является двуединое требование: эксплуатационная надежность и длительный ресурс.
Географическая удаленность ряда перспективных месторождений от развитых дорожных сетей (Арктика, Якутия и другие районы) требует в связи с дорогостоящими средствами доставки (авиация) или ограниченным сезонным доступом наличия в арсенале поставок малогабаритного оборудования.
Низкие цены на углеводородное сырье диктуют для добычи нефти применение энергоэффективного оборудования по доступной стоимости. Этот критерий особенно важен для малодебитного фонда.
Новые технологии обустройства скважин, основанные на многоствольном бурении, с боковыми ответвлениями малого диаметра, требуют применения оборудования малых диаметральных габаритов.
Каким бы ни было надежным оборудование, весомым критерием являются сервисное обслуживание и его затратная часть, связанная с ремонтопригодностью.
В табл. 1 приведено экспертное сопоставление ряда концепций насосных систем по названным критериям для малодебитного фонда (20 м3/сут.).
Сопоставление показателей насосных систем (табл. 1) показывает, что системы, основанные на героторной кинематике рабочих ступеней, выигрывают у динамических насосов по двум критериям: удельной напорности рабочей ступени (длине насоса) и ремонтопригодности (количеству рабочих ступеней). В связи с малым количеством рабочих ступеней целесообразно ожидать более низкую цену при сопоставимом объеме производства.
Результаты сопоставления показателей в пользу героторной концепции вполне ожидаемы для специалистов. Однако недоверие к возможности создания конструкции героторного насоса, способного длительно эксплуатироваться на жидких средах, содержащих механические частицы, сдерживало до последнего времени разработки погружного насосного нефтяного оборудования с героторными (трохоидными) рабочими органами.
Опыт специалистов ООО «РЕАМ-РТИ» в области нефтяного погружного оборудования и трохоидных объемных машин разного назначения, а также запрос одного из производителей оборудования побудили к поисковым разработкам в направлении погружной версии героторного насоса. Поисковые проектные решения были инициированы в 2010 г. применительно к фонду скважин АО «НК «Роснефть».


Для расчета профилирования героторной пары по заданию специалистов ООО «РЕАМ-РТИ» создана программа, предусматривающая минимизацию скольжения профилей героторной пары друг по другу. «Качение» позволяет исключить силовое контактное изнашивание профилей.
В настоящее время основное внимание в ходе отработок концепции рабочих органов уделяется трибосопряжению контактных поверхностей торцов роторов и подшипниковой пары: внешней поверхности ротора и его постели в статоре.
Первая партия погружных героторных насосов была изготовлена в 2011 г. в содружестве с компанией ООО «Лепсе-Нефтемаш» для ОПИ на месторождениях АО «Самаранефтегаз».
Первичный опыт скважинной эксплуатации героторных погружных насосов, выполненных из металлических упрочненных материалов, подтвердил отсутствие изнашивания героторной пары по зацеплению профилей и выявил изнашивание подшипниковой пары (внешней поверхности ротора и его постели в статоре) и торцовых поверхностей роторов.
В 2012 г. на основании опыта стендовых испытаний ООО «Лепсе-Нефтемаш» было принято решение о разработке рабочих органов с применением новых композитных материалов для подшипникового узла статора и торцовых крышек. Для торцовых крышек рекомендовалось применение гибридных композитов семейства «Карбул Si-C», показавших при испытании на абразивную стойкость положительный результат (рис. 2).
Применение новых материалов потребовало уточнения конструкции и технологии изготовления деталей, в частности, матрица композитов семейства «Карбул Si-C» имела высокий коэффициент теплового расширения, т.е. требовалась новая рецептура.

Успехи в усовершенствовании технологии и рецептуростроении проекта «Карбул» позволяют создавать композитные детали с совместимыми коэффициентами теплового расширения и уникальными износо- и задиростойкими свойствами. Для подшипниковой постели статора применена втулка из силицированного графита.
На рис. 3 показаны торцовые крышки после 30 часов стендовых испытаний под нагрузкой. Существенных следов изнашивания контактных поверхностей героторных пар не отмечено.
Наряду с техническими решениями в части технологии и материаловедения уточнена базовая конструкция героторной рабочей ступени.
Эти уточнения позволили:
– обеспечить минимизацию перепада давления на торцах роторов ступени и, таким образом, уровень осевых сил. Благодаря новому исполнению механический КПД в секции насоса составляет 98 %;
– уменьшить межступенчатые паразитные утечки, что увеличило КПД насоса.
Расходно-напорные характеристики на воде с торцовыми крышками из гибридного карбид-кремниевого композита «Карбул КК60» представлены на рис. 4, а протекание КПД в зависимости от напора на рис. 5.
На рис. 6 показан общий вид насоса в габарите 5.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Разрабатываемые погружные героторные насосы предназначены для работы в пластовой жидкости со следующими характеристиками:
• пластовая жидкость – смесь нефти, попутной воды и нефтяного газа;
• максимальная плотность жидкости – 2000 кг/куб. м;
• максимальная кинетическая вязкость однофазной жидкости, при которой обеспечивается работа насоса без уменьшения напора и КПД – 200 сСт;
• водородный показатель попутной воды – рН 5,0 – 8,5 (допускается кратковременно рН=0 до 8 часов работы);
• максимальная массовая концентрация взвешенных частиц (КВЧ) – 2,0 г/л;
• микротвердость частиц, не более – 7 единиц (баллов) по Моосу;
• максимальное содержание попутной воды – 100 %;
• температура откачиваемой жидкости – не более 200 градусов;
• содержание свободного газа на приеме насоса – до 25 % (без применения газосепаратора), до 55 % – с применением газосепаратора
• количество агрессивных компонентов, г/л:
H2S – 1.25; CO2 – 1.15; Cl- – 20 г/л; HCO3 – 1; Ca2+ – 2; общая минерализация – 35.
Предусматривается выполнение следующих Технических требований к семейству разрабатываемого оборудования в 5-м габарите:
• номинальная производительность типоразмеров линейки: 5, 10, 25, 50, 100 м3/сут;
• номинальная частота вращения – 3,000 об/мин (при частоте тока 50 Гц);
• возможность изменения (диапазон) частоты вращения – 420…4,200 об/мин (при частоте тока – 7…70 Гц).
Предполагаются следующие диапазоны подач для разрабатываемых рабочих ступеней (табл. 2).
С целью определения габаритных и конструктивных ограничений выполнена предварительная компоновка героторного насоса в габарите 2.
Создание специалистами ООО «РЕАМ-РТИ» опытных образцов погружных героторных насосов и результаты их испытаний в среде, содержащей механические примеси, позволяет развенчать миф (при применении современных технологических и материаловедческих решений) о неработоспособности героторных механизмов в «загрязненных» средах.
Несмотря на пока ограниченный количественный и качественный опыт эксплуатации (изготовлено и поставлено для скважинной эксплуатации 8 погружных героторных насосов, получен разный уровень наработки) вполне оправдан следующий вывод: высокая напорность и свойственная объемным насосным системам энергоэффективность героторных насосов при малых подачах, широкий диапазон частот вращения насоса при наличии вентильного электропривода, малые габариты, малое количество рабочих ступеней, простота сборки и сервисного ремонта, также как и возможность изготовления по приемлемой для рынка стоимости, делают весьма привлекательным дальнейшее развитие героторного насосного направления применительно к нефтепромысловому рынку.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Пятов И.С.

    Пятов И.С.

    председатель совета директоров

    ООО «РЕАМ-РТИ»

    Донченко А.М.

    Донченко А.М.

    главный конструктор героторных погружных насосов

    РЕАМ-РТИ

    Глебов С.Ф.

    Глебов С.Ф.

    заместитель генерального директора по новым технологиям и технике

    РЕАМ-РТИ

    Тотанов А.С.

    Тотанов А.С.

    Просмотров статьи: 617

    Rambler's Top100

    admin@burneft.ru