Влияние вязкости на рабочие характеристики центробежных насосов

Influence of viscosity on centrifugal pumps’ working characteristics

S. Abakhri, M. Perelman, S. Peshcherenko, A. Rabinovich, Novomet-Perm, CJSC

Обычно рабочие характеристики погружных насосов на высоковязкой жидкости рассчитывают по его характеристикам на воде, используя эмпирические зависимости, установленные более 50 лет назад. Ошибка такого расчета составляет 10 – 25% и обусловлена изменением конструкции насосов за это время. Нами проведены прямые измерения рабочих характеристик серийных насосных ступеней ЗАО «Новомет-Пермь» 3, 4, 5 и 5А габаритов с номинальными подачами до 300 м³/сут в диапазоне вязкостей 10 – 400 сСт. Погрешность измерений напора, подачи и мощности составила 5%. Предложена методика подбора насоса для скважин с высоковязкой нефтью.

The authors conducted direct measurements of working characteristics of series’ pump stages of Novometperm CSC. 5% was measuring error of thrust, supply & power. There are proposed methods to choose a pump for wells with high-viscous oil.

Вопрос влияния вязкости жидкости на рабочие характеристики центробежного насоса находился в центре внимания в течение многих десятилетий. С каждым годом запасы легко добываемой маловязкой нефти сокращаются и все более актуальной становится задача добычи вязкой нефти. Во многих случаях ее добыча возможна серийными центробежными насосами, однако при их подборе к скважине следует учитывать влияние вязкости на рабочие характеристики.

В настоящее время для прогнозирования рабочих характеристик насосов, перекачивающих вязкие жидкости, применяются две группы моделей: эмпирические и вычислительные.

Эмпирические методы позволяют получить характеристики насоса, перекачивающего вязкую жидкость, на основании пересчета с характеристик на воде, по безразмерным параметрам и поправочным коэффициентам, полученным из экспериментов на высоковязких жидкостях. Зачастую такие методы дают приемлемые результаты, только когда насос работает в точке оптимальной эффективности, что является сильным ограничением в случае когда центробежный насос используется для подъема жидкости из неф­тяной скважины. Это происходит потому, что поправочные коэффициенты проходили для модельных насосов, а не тех, к которым в дальнейшем применяется этот метод. Преимущество данного метода заключается в быстром определении характеристик, если имеются данные по испытаниям на воде аналогичных насосов.

Один из эмпирических методов был предложен Л.И. Степановым [1] для центробежных насосов. Другой был предложен институтом гидравлики, США [2], где насосы различных размеров испытывались в широком диапазоне расхода и напора для вязкостей жидкости между 1 сСт и 3600 сСт.

Процедура Й.Ф. Гулича [3] опирается на оценку вязких потерь внутри насоса.

По данным Й.Ф. Гулича и В.Г. Ли [4], институт гидравлики проводил испытания в узких пределах быстроходности насоса, не свойственных нефтяным насосам. В.Г. Ли собрал данные по работе стандартного насоса API на воде и нефти с вязкостью от 1 до 200 сСт. Его поправочные коэффициенты расходились с коэффициентами института гидравлики на 10% для напора, 5% для подачи и 9,7% для КПД.

В докладе [5], представленном на ежегодной выставке-конференции общества инженеров-нефтяников США в 2007 г., говорится, что подобные методики получения поправочных коэффициентов могут быть некорректны в случае насосов, отличных от модельных.

Советский ученый П.Д. Ляпков [6] предложил свою методику, которая основана на экспериментальных данных испытаний погружных насосов на вязкой жидкости. В ней предложены коэффициенты пересчета напора и КПД для разных подач, зависящие от вязкости жидкости. Многие отечественные нефтяные компании используют способы пересчета, основанные именно на методике П.Д. Ляпкова.

Вычислительные модели используют вычислительную гидродинамику (computational fluid dynamics, CFD) для расчета потока внутри каналов насоса и определения влияния вязкости на конечную характеристику. Их основные недостатки: они трудоемкие, занимают много времени, используют эмпирические модели турбулентности, протестированные для условий, сильно отличающихся от исследуемых, и поэтому зачастую не дают верных прогнозов характеристик.

Понятно, что предпочтительнее выбирать эмпирическую модель, т. к. ее точность и применимость много выше, чем у вычислительной. Как показано выше, результаты эмпирических методик зависят от конструкции насосов и условий испытаний и могут сильно отличаться друг от друга. Конструкции нефтяных насосов постоянно совершенствуются: появляются новые технологии производства ступеней, например порошковая [7], или новые, центробежно-вихревые и энергоэффективные ступени [8]. Поэтому не корректно применять к современным центробежным насосам обобщенные методики, разработанные несколько лет, а иногда и десятков лет назад. Для точного пересчета характеристики погружного насоса с воды на вязкую жидкость необходимо экспериментально определить зависимость изменения его рабочих характеристик от вязкости жидкости. Появление компьютеризированных стендов с точными электронными датчиками позволяет снять реальные параметры ступеней намного быстрее и точнее, чем получить с помощью CFD расчета.
Рис. 1. Схема стенда для испытаний насосов на высоковязкой жидкости
1 – бак с вязкой жидкостью, 2 – двигатель, 3,4 – датчики давления, 5,6 – датчики температуры, 7,8 - краны, 9 – испытуемый насос, 10 – расходомер

Экспериментальная установка и испытания

Для прямого определения характеристик погружных нефтяных центробежных насосов при работе на высоковязкой жидкости разработан стенд, схема которого представлена на рис. 1. Давление на входе в насос поддерживается за счет уровня жидкости в баке 1 на уровне 0,1 атм. Диаметр подводящего трубо­провода 60 мм для предотвращения кавитационного срыва подачи. В качестве рабочей жидкости используется раствор глицерина в воде. Вязкость рабочей жидкости можно задавать в пределах от 1 до 1000 сСт за счет системы термостатирования (в пределах 20 – 55°С), находящейся в баке 1, и изменения концентрации глицерина. Температура жидкости на входе в насос выдерживается с точностью ±2°С. Нагрев жидкости при прохождении через насос 9, состоящий из 3 – 7 ступеней, не превышает 3 – 4°С. На рис. 2 приведена типичная зависимость вязкости модельной жидкости от температуры, при содержании 95% глицерина и 5% воды. Расход жидкости измерялся расходомером объемного типа с диапазоном подач 60 – 600 м3/ч, диапазон измеряемой вязкости 1,1 – 6 сСт. Для корректирования показаний расходомера при других подачах и вязкости перекачиваемой жидкости была произведена проверка при помощи мерной емкости. Установлено, что в диапазоне подач 0 – 400 м3/сут и вязкости перекачиваемой жидкости от 1 до 400 сСт показания погрешности расходомера составляет около 3 – 5%. Частота вращения вала насоса – 2910 об/мин. Момент на валу насоса измерялся моментной муфтой класса точности 0,1.
Рис. 2. Зависимость вязкости модельной жидкости от температуры
Давление, создаваемое насосом, регистрировалось с помощью датчиков давления, установленных до и после насосной сборки (рис. 1, поз. 3, 4). Данный метод сравнивался с методом снятия давления непосредственно в ступени, через отверстие в стенке направляющего аппарата, и данные напора на ступень совпали.

В ходе работы испытаны серийные ступени производства ЗАО «Новомет-Пермь». Перечень приведен в табл. 1.
Табл. 1. Перечень ступеней, испытанных на высоковязкой жидкости (указана номинальная подача, м3/сут)
В ходе экспериментов установлены общие закономерности для некоторых типов ступеней, в частности падение КПД ступеней сильнее c уменьшением быстроходности, что согласуется с результатами [1]. К примеру, при увеличении вязкости от 1 до 40 сСт КПД ступени ВНН 5А-34 понизился в 5 раз (рис. 3), в то время как КПД ступени ЭЦН 5А-225 снизился лишь в 2,7 раза (рис. 5).

Установлено, что вязкость не оказывает влияния на вихревой эффект в центробежно-вихревых ступенях погружных насосов, рассчитанных на малые и средние подачи. Испытаны ступени с номинальными подачами 25, 79 и 125 м3/сут с вихревым венцом и без. Характеристики соответствующих ступеней совпали. Отличие в характеристиках сопоставимо с погрешностью измерений.

В целом, общих закономерностей по изменению напорно-расходных характеристик для всех типов испытанных погружных насосов не прослеживается (рис. 4, 6).
Рис. 3. Зависимость КПД от подачи ступени ВНН 5А-34 при разных вязкостях: 1 – 130 сСт, 2 – 55 сСт, 3 – 40 сСт, 4 – 1 сСт
Рис. 4. Зависимость напора от подачи ступени ВНН 5А-34 при разных вязкостях: 1 – 130 сСт, 2 – 55 сСт, 3 – 40 сСт, 4 – 1 сСт
Рис. 5. Зависимость КПД от подачи ступени ЭЦН 5А-225 при разных вязкостях: 1 – 130 сСт, 2 – 55 сСт, 3 – 40 сСт, 4 – 1 сСт
Рис. 6. Зависимость напора от подачи ступени ЭЦН 5А-225 при разных вязкостях: 1 – 130 сСт, 2 – 55 сСт, 3 – 40 сСт, 4 – 1 сСт
Рис. 7. Зависимость напора от подачи ступени ЭЦН 5А-225: 1 – 40 сСт, эксперимент; 2 – 40 сСт, пересчет по методике [5]
Рис. 8. Зависимость КПД от подачи ступени ЭЦН 5А-225: 1 – 40 сСт, эксперимент; 2 – 40 сСт, пересчет по методике[5]
На рис. 7 – 8 приведено сравнение полученных результатов с расчетом по методике [5]. В рабочей зоне ступени расчет по [5] приводит к ошибке на 10 – 25%. На практике это приведет к аварийному срыву подачи и подъему установки.

В результате экспериментов выведены полиномиальные зависимости характеристик каждой насосной ступени от вязкости жидкости, что позволяет оценить рабочие параметры ступеней погружных насосов, такие как развиваемый напор, подача и потребляемая мощность, при перекачке пластовой жидкости в широком диапазоне вязкостей (от 1 до 400 сСт). Подтверждено, что законы подобия сохраняют силу при перекачке жидкостей любой вязкости, но с меньшей степенью точности, чем для воды [1]. При увеличении числа оборотов потребляемая мощность увеличивается меньше, чем по кубу числа оборотов, а напор увеличивается больше, чем по квадрату.

Также подтверждено, что с увеличением вязкости ее вредное влияние ослабевает, в том смысле, что при увеличении вязкости от 1 до 20 сСт характеристики упадут сильнее, чем при увеличении от 20 до 40 сСт.

Методика учета вязкости при подборе УЭЦН к скважине

При добыче нефть нагревается в насосе, ее вязкость падает, поэтому рабочие характеристики одинаковых ступеней изменяются по длине насоса. Для определения суммарного напора и энергопотребления всей насосной установки необходимо произвести расчет рабочих характеристик каждой ступени.

Входными параметрами для расчета являются:
  • характеристики центробежных ступеней, полученные из испытаний на высоковязкой жидкости, представленные в виде зависимостей H = ƒ(Q,ν,m), N = ƒ(Q,ν,m), где H – напор, Q – подача, ν – вязкость перекачиваемой жидкости, N – мощность, приходящаяся на одну ступень, m – частота вращения вала насоса во время испытаний;
  • зависимость вязкости пластовой жидкости ν от температуры: ν = ν(T);
  • зависимость плотности пластовой жидкости ρ и теплоемкости C от температуры: ρ = ρ (T), C = C(T) (зависимость от температуры слабая: при ΔT = 40°C: Δρ/ρ = 0,02, δC/C = 0,06;
  • температура пластовой жидкости T1 на приеме насоса.
Порядок расчета параметров насоса с z ступенями, работающего на высоковязкой жидкости с частотой n:

1. Определяем вязкость жидкости в первой ступени:
2. Определяем температуру жидкости в каждой ступени:
где ηi(Q,νi-1) – зависимость КПД ступени от подачи и вязкости жидкости, поступающей в ступень.

Выражаем КПД через подачу и известные зависимости напора и мощности от подачи, вязкости, пересчитанные на частоту вращения вала УЭЦН:
С учетом выражения (3) раскрываем уравнение (2):
3. Рассчитываем вязкость жидкости в каждой ступени по известной зависимости:
4. Определяем суммарные характеристики всего насоса, с учетом напора и мощности каждой ступени:
В табл. 2 приведен пример расчета по приведенной методике характеристик насоса ВНН5-25, состоящего из 200 ступеней, работающего на глицерине (ρ = 1250 кг/м3), вязкостью 212 сСт, теплоемкостью 2430 Дж/(кг*К) и температуре 30°С при подаче 15 м3/сут. Развиваемый напор такого насоса составляет 550 м.
Табл. 2. Расчетные характеристики ступеней насоса ВНН5-25 при перекачке высоковязкой жидкости
В табл. 3 приведен пример расчета по приведенной методике характеристик насоса ЭЦН5А-225, состоящего из 200 ступеней, работающего на глицерине (ρ = 1250 кг/м3), вязкостью 212 сСт, теплоемкостью 2430 Дж/(кг*К) и температуре 30°С при подаче 100 м3/сут. Развиваемый напор такого насоса составляет 880 м.
Табл. 3. Расчетные характеристики ступеней насоса ЭЦН5А-225 при перекачке высоковязкой жидкости
Согласно расчетным данным, потребляемые мощности и напоры первой и последней ступеней насоса могут различаться в несколько раз. Поэтому для объективной оценки работы погружного насоса на высоковязкой жидкости необходимо рассчитывать параметры работы в каждой ступени.

Выводы

В ходе данной работы разработан стенд и проведены замеры зависимостей напора и мощности ступеней неф­тяных насосов от подачи при различной вязкости перекачиваемой жидкости из диапазона от 1 до 400 сСт. Предложена методика подбора ЭЦН к скважине, которая позволяет более точно определять необходимое количество ступеней и точку оптимальной работы насоса.

Литература

  1. Степанов Л.И. Центробежные и осевые насосы – теория, конструирование и применение. Второе издание. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1960.
  2. Hydraulic Institute, Standard for Effects of Liquid Viscosity on Rotodynamic (Centrifugal and Vertical) Pump Performance, 1983, USA.
  3. Gulich J.F., Centrifugal pumps. Second Edition, Springer, 2010.
  4. Li V.G. Experimental Research of Technical Characteristic centrifugal pumps. World Pumps, 2002, №26.
  5. Gilmar Amaral, Valdir Estevam, Petroleo Brasileiro and Fernando A. Franco, SPE, State University of Campinas, Influence of Viscosity on ESP Performance, 2007 SPE Annual Technical Coonference and Exhibition, Anaheim, California, 11 – 14 November.
  6. Ляпков П.Д. О влиянии вязкости на характеристику погружных центробежных насосов. Труды ВНИИ. Вып. 41. М.: Недра, 1964.
  7. 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.
  8. Якимов С. Основные направления деятельности по повышению энергоэффективности механизированной добычи // Инженерная практика. 2011. № 5. С. 45 – 48.
  9. Каплан Л.С., Семенов А.В., Разгоняев Н.Ф. Эксплуатация осложненных скважин центробежными электронасосами. М.: Недра, 1994.
  10. Фукс Г.И. Вязкость и пластичность нефтепродуктов. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. 328 с.

References

  1. L.I. Stepanov. Centrifugal & axis pumps: theory, designing & use, the 2nd edition. M.: State scientific-technical publishers of machine-building literature, 1960.
  2. Hydraulic Institute, Standard for Effects of Liquid Viscosity on Rotor-dynamic (Centrifugal & Vertical) Pump Performance, 1983, USA.
  3. J.F. Gulich, Centrifugal pumps, the 2nd edition, Springer, 2010.
  4. V.G. Li. Experimental Research of Technical Characteristic centrifugal pumps. World Pumps, 2002, # 26
  5. Gilmar Amaral, Valdir Estevam, Petrol-eo Brazil-eiro & Fernando A. Franco, SPE, State University of Campinas, Influence of Viscosity on ESP Performance, 2007 SPE Annual Technical Conference & Exhibition, Anaheim, California, the 11th-14th of November.
  6. P.D. Lyapkov. Influence of viscosity on characteristic-performance of Centrifugal Submerged Pumps. VNII works, Issue #41. M.: Bowels, 1964.
  7. Sh.R. Ageev, Ye.Ye. Grigoryan, G.P. Mikienko. Russian installations of blade pumps for oil production & their use(encyclopedia reference book). Perm’: “Press-Master”, 2007. 645 pages
  8. S. Yakimov. Main directions of activity on heightening energy efficiency of mechanized production // Engineer practice. 2011. #5. Pp. 45-48.
  9. L.S. Kaplan, A.V. Semyonov, N.F. Razgonyaev. Exploitation of complicated wells by centrifugal electric pumps, M.: Bowels, 1994.
  10. G.I. Fuks. Viscosity & plasticity of petro-products, Moscow-Izhevsk: Institute of computer surveys, 2003. 328 pages

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Абахри С.Д.

    Абахри С.Д.

    инженер-исследователь инженерно-технического центра департамента инновационных разработок

    ЗАО «Новомет-Пермь»

    Перельман М.О.

    Перельман М.О.

    директор департамента внешнеэкономической деятельности

    ЗАО «Новомет-Пермь»

    Пещеренко С.Н.

    Пещеренко С.Н.

    д.ф-м.н., начальник ИТЦ

    Департамент инновационных разработок, ЗАО «Новомет-Пермь»

    Рабинович А.И.

    Рабинович А.И.

    советник генерального директора по новой технике

    ЗАО «Новомет-Пермь»

    Просмотров статьи: 23547

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru