Рабочие характеристики ЭЦН с предвключенным диспергатором при работе на газожидкостной смеси
Performance curves of ESP fitted with a primary gas handler when operating on gas-liquid mixture
S. PESHCHERENKO, CJSC Novomet-Perm, A. KAPLAN, JSC Gazprom neft NGG
M. PESHCHERENKO, A. IVASHOV, CJSC Novomet-Perm
Предлагается способ увеличения эффективности работы ЭЦН с предвключенным диспергатором при перекачке жидкости, содержащей нерастворенный газ.
Suggestions to improve performance efficiency of ESPs fitted with a primary gas handler while pumping liquids containing undissolved gas.
Стенд для испытаний на ГЖС В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал о влиянии свободного газа в откачиваемой жидкости на работу центробежного насоса (например [1, 2]). Известно, что характеристики центробежного насоса на газожидкостной смеси ухудшаются по сравнению с его характеристиками на воде. Характерный вид напорно-расходных кривых при различных содержаниях газа в смеси приведен на рис. 1. Рис. 1. Напорно-расходная и энергетическая характеристики насосной секции ВНН5А-50 (161 ступень) при газосодержаниях от 0% до 55% и давлении на входе 3 атм Из рис. 1 видно, что: - заметно уменьшается пропускная способность насоса (без газа максимальная подача 100 м3/сут, а при 50% газа — только 38 м3/сут);
- снижается величина напора, развиваемого насосом;
- возникает немонотонная зависимость напора от подачи в левой зоне рабочей характеристики, которая может привести к нестабильной работе насоса в сети.
Экспериментальное изучение распределения давления вдоль насосной секции (рис. 2), выполненное по аналогии с [1, 2, 3], дополняет картину явления — в присутствии газа первые ступени насоса могут вообще не создать давления, являясь гидродинамическим сопротивлением. В них происходят интенсивное перемешивание газожидкостной смеси, измельчение крупных газовых пузырьков и создание квазиоднородной эмульсии. Чем выше газосодержание в смеси, тем большее число ступеней вовлечено в процесс подготовки смеси и выключено из процесса перекачивания, поэтому эффективность работы насоса становится низкой. Рис. 2. Распределение давления вдоль насосной секции ВНН5А-50 (161 ступень) при газосодержаниях 0%, 35%, 45%, 50%, начальная подача по жидкости 50 м3/сут Одним из способов повышения эффективности работы насоса при повышенном газосодержании без использования дополнительных предвключенных устройств является применение так называемых конических насосов, состоящих из пакетов ступеней различных типов с разными номинальными подачами. При этом ступени с большей производительностью размещаются на входе в секцию, с меньшей производительностью — далее по потоку [4]. Считается, что ступени большой производительности пропускают относительно большие объемы нерастворенного газа, постепенно сжимая газ и подавая на следующий пакет ступеней меньшей производительности газожидкостную смесь с меньшим газосодержанием. Тем самым обеспечивается более устойчивая работа «конической» насосной секции с газом по сравнению с обычным центробежным насосом. Однако фактически первые ступени не сжимают газ (т. к. не развивают давления) до тех пор, пока не произошла диспергация смеси (рис. 2: при 45% газа первые 70 ступеней не создают напор). Только после того, как газожидкостная смесь доведена до состояния квазиоднородной эмульсии, каждая последующая ступень насоса вносит свой вклад в повышение давления секции. Поэтому при перекачке жидкости, содержащей нерастворенный газ в любой компоновке секции, первые ступени работают как диспергирующие, а не как напорные. Следовательно, для повышения эффективности насоса возникает необходимость переложить функции подготовки смеси на отдельное предвключенное устройство.
Однако существует возможность напрямую понизить содержание свободного газа в смеси путем отделения большей части нерастворенного газа от жидкости. В этом случае в качестве предвключенного устройства используется газосепаратор, направляющий отделенный газ в затрубное пространство. Такой способ имеет ряд ограничений (например, наличие пакеров, работа в боковых стволах, на горизонтальных участках скважин, запрет на сброс газа в затрубье) и не является универсальным.
В том случае, когда насосом перекачивается вся продукция скважины, в качестве предвключенных устройств используются диспергаторы [5,6] или мультифазные насосы [7,8], основное назначение которых – приготовить и передать в основной насос мелкодисперсную квазиоднородную эмульсию газ-вода-нефть. Интенсивное перемешивание газожидкостной смеси вихревым течением в диспергаторах любых типов или в мультифазных насосах с диспергирующими отверстиями [9] успешно решает проблему приготовления эмульсии. Далее о том, как передать подготовленную смесь в основной насос, сохранив достигнутый уровень дисперсности.
Обычно предвключенное устройство собирается в виде отдельного модуля, устанавливаемого перед нижней секцией основного насоса. В этом случае эмульсия, приготовленная в предвключенном устройстве, перетекает в основной насос через межсекционный промежуток, имеющий некоторую протяженность и вращающиеся детали в виде вала и соединительных муфт, закручивающих поток. Закрутка потока в безлопаточном канале вызывает разделение компонентов газожидкостной смеси на фазы, способствует укрупнению газовых пузырьков и ухудшению дисперсности, частично возвращая состояние, в котором находилась смесь до прохождения предвключенного устройства. В лучшем случае это приводит к снижению устойчивости работы установки в целом, в худшем — к срыву подачи.
Мы предлагаем оптимизировать способ использования предвключенного диспергирующего устройства и максимально повысить эффективность работы установки при наличии свободного газа в перекачиваемой жидкости. С этой целью целесообразно ступени предвключенного насоса размещать на входе в насосную секцию непосредственно перед ступенями основного насоса в одном корпусе с ними. Между ступенями предвключенного и основного насоса тогда помещается направляющий аппарат, являющийся одновременно промежуточным подшипником, обеспечивающим прямолинейность вала. Таким образом, диспергированная газожидкостная смесь, приготовленная в предвключенном устройстве, перетекает в первую ступень основного насоса по переходному каналу минимальной длины, причем стенки проточной части переходного канала, образованные неподвижными поверхностями переходного направляющего аппарата, не вращаются, а значит, не создают закрутку и нежелательную сепарацию потока. В качестве ступеней предвключенного насоса в зависимости от подачи основного насоса могут использоваться либо ступени диспергаторов любого типа, либо ступени лопастных насосов диагонального или осевого типов с диспергирующими элементами.
Преимущества предложенной компоновки подтверждены экспериментами, проведенными нами на стенде для испытаний насосных секций на газожидкостных смесях (рис. 3 – 6). Рис. 3. Напорно-расходная характеристика насосной секции ВНН5А-50 с предвключенным диспергатором ДН5А-250, смонтированными в разных корпусах, давление на входе 3 атм Рис. 4. Напорно-расходная характеристика насосной секции ВНН5А-50 с предвключенным диспергатором ДН5А-250, смонтированными в одном корпусе, давление на входе 3 атм Рис. 5. Напорно-расходная характеристика насосной секции ВНН5А-50 с предвключенным диспергатором ДН5А-250, смонтированными в разных корпусах, давление на входе 5 атм Рис. 6. Напорно-расходная характеристика насосной секции ВНН5А-50 с предвключенным диспергатором ДН5А-250, смонтированными в одном корпусе, давление на входе 5 атм В ходе испытаний снимались напорные характеристики 3-метровой насосной секции (128 ступеней) 5А габарита с номинальной подачей 50 м3/сут с предвключенным диспергатором ДН5А-250 (6 ступеней лабиринтного типа по патенту [6]), смонтированными в виде отдельных модулей (рис. 3, 5) и той же насосной секции с тем же предвключенным устройством, смонтированными в одном корпусе (рис. 4,6). Давление на входе поддерживалось на уровне 3 атм (рис. 3, 4) и 5 атм (рис. 5, 6), частота вращения вала составляла 2910 об/мин, рабочая жидкость представляла собой смесь вода + воздух + ПАВ (0,05% дисолвана), газосодержание в смеси изменялось от 0% до предельного, с которым насос продолжал устойчиво работать. Число ступеней основного насоса и число ступеней диспергатора во всех экспериментах оставалось одним и тем же, длина переходного канала между предвключенным и основным насосом при сборке в одном корпусе сократилась в 2 раза.
Из рис. 1 и 3 видно, что использование предвключенных диспергирующих ступеней позволяет избавиться от немонотонного хода напорной кривой в области малых подач, а также увеличить рабочий интервал подач (без диспергатора максимальная подача при 50% газа — 38 м3/сут, с диспергатором – уже 53 м3/сут). Если же поместить предвключенные ступени внутрь насосной секции (рис. 4), предельное газосодержание, с которым насос продолжает устойчиво работать, вырастет до 55% (т. е. еще на 5%), максимальная подача также возрастет (до 62 м3/сут при 55% газа), и напор, развиваемый секцией, увеличится. Все эти тенденции сохраняются и при давлении на входе 5 атм (рис. 5, 6).
Выводы - Устойчивая работа насосной секции на жидкостях, содержащих нерастворенный газ, требует предварительной диспергации смеси в устройстве специальной конструкции — диспергаторе. Предвключенные ступени, предназначенные исключительно для сжатия смеси, также сначала будут диспергировать, а уже потом сжимать смесь, поэтому их использование без дополнительных диспергирующих элементов не оправдано.
- Эффективность работы установки, состоящей из предвключенного диспергатора и основного насоса, можно увеличить, размещая диспергирующие ступени непосредственно перед ступенями основного насоса в одном корпусе с ним. При этом увеличатся также рабочий диапазон подач, напор, развиваемый насосом, и величина предельного газосодержания, с которым насосная секция будет устойчиво работать.
- Игревский В.И. Исследование влияния газовой фазы на характеристику многоступенчатого центробежного насоса при откачке газожидкостных смесей из скважин. Дис. ... канд. техн. наук. М.: 1977. 192 с.
- А.Н. Дроздов. Технология и техника добычи нефти погружными насосами в осложненных условиях. Учебное пособие. М.: МАКС Пресс, 2008. 312 с.
- Ляпков П.Д., Игревский В.И. Влияние давления на напор, развиваемый центробежным колесом, перекачивающим газожидкостную смесь // Нефтепромысловое дело. 1977. №2. С. 11 – 12.
- Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение. Энциклопедический справочник. Пермь: ООО «Пресс-мастер», 2007. 645 с.
- United States Patent № 562 8616. Downhole pumping system for recovering liquids and gas/ Inventor Woon Y. Lee, data of a publication 15.05.1997.
- Патент РФ № 2232301 С1. Погружная насосная установка / Авт. изобрет. Дроздов А.Н., Агеев Ш.Р., Деньгаев А.В. и др., опубл. 10.07.2004 г.
- Патент РФ № 2368812 С1. Погружной мультифазный насос / Авт. изобрет. Пещеренко С.Н., Пещеренко М.П.; Рабинович А.И., Каплан А.Л. и др., опубл. 27.09.2009 г.
- United States Patent 5885058. Multiphase fluid pumping or compression device with blades of tandem design / Inventor R. Vilagines, C. Bratu, F. Spettel, data of a publication 23.03.1999.
- Патент РФ № 2428588 С1. Погружной мультифазный насос / Авт. изобрет. Пещеренко С.Н., Пещеренко М.П., Кобяков А.Е., Рабинович А.И. и др.; опубл. 10.09.2011 г.
- V. I. Igrevsky. Study of influence of gas phase on characteristics of multiple-impeller pump in pumping of liquid-gas mixture from wells. Candidate of Science's Thesis (Engineering). M., 1977. 192 p.
- A . N. Drozdov, Technology and technique of oil production by submersible pumps in complicated conditions. Tutorial. M.: MAKS Press, 2008. 312 p.
- P. D. Lyapkov, V. I. Igrevsky. Influence of pressure on thrust developed by centrifugal pump transferring liquid-gas mixture. Petroleum Engineering. 1977. No.2. pp. 11 – 12.
- Sh. R. Ageev, E. E. Grigoyan, G. P. Makienko. Russian rotary vane-type pumps for oil production and their application. Encyclopedic reference book. Perm. “Press-master” LLC, 2007. 645 p.
- United States Patent No. 5628616. Downhole pumping system for recovering liquids and gas/ Inventor Woon Y. Lee, date of a publication 15.05.1997.
- RF Patent No. 2232301 С1. Submersible pump unit / Inventors A. N. Drozdov, Sh. R. Ageev, A. V. Dengaev et al., date of publication 10.07.2004
- RF Patent No. 2368812 С1. Submersible multiphase pump / Inventors S. N. Pescherenko, M. P. Pescherenko, A. I. Rabinovich, A. L. Kaplan et al., date of publication 27.09.2009
- United States Patent 5885058. Multiphase fluid pumping or compression device with blades of tandem design / Inventors R. Vilagines, C. Bratu, F. Spettel, date of publication 23.03.1999.
- RF Patent No. 2428588 С1. Submersible multiphase pump / Inventors S. N. Pescherenko, M. P. Pescherenko, A. E. Kobyakov, A. I. Rabinovich et al., date of publication 10.09.2011
Комментарии посетителей сайта
|
Пещеренко С.Н.
д.ф-м.н., начальник ИТЦ
Департамент инновационных разработок, ЗАО «Новомет-Пермь»
Каплан А.Л.
первый заместитель генерального директора, технический директор
ОАО «Арктикгаз» (ОАО «Газпром нефть», ОАО «Новатэк»), г.Москва
Пещеренко М.П.
к.ф.-м.н., ведущий математик Инженерно-технического центра департамента инновационных разработок
ЗАО «Новомет-Пермь»
Ивашов А.А.
инженер-исследователь инженерно-технического центра
ЗАО «Новомет-Пермь»
Ключевые слова: центробежный насос, диспергатор, газожидкостная смесь Keywords: centrifugal pump, gas handler, gas-liquid mixture
Просмотров статьи: 11064
|