Пути совершенствования одновинтовых насосов для реализации современных технологий нефтегазовой промышленности

Ways to improve single-screw pumps for the implementation of modern technologies in the oil and gas industry

D. BALDENKO,
JSC SPA «Burovaya technika»
F. BALDENKO,
Gubkin Russian State University of Oil and Gas

В статье рассматриваются технологические задачи использования газожидкостных смесей в нефтегазовой промышленности и технические средства для их осуществления. Подробно исследуются особенности рабочего процесса и пути совершенствования одновинтовых насосов для условий перекачки сжимаемого флюида с высоким газосодержанием на входе. Предложена конструктивная схема секционного одновинтового насос-компрессора с модернизированными рабочими органами, обеспечивающая равномерное распределение давления по длине насоса.

The article are considers the technological tasks of using gas-liquid mixtures in the oil and gas industry and the technical means for their implementation. Details of the working process and ways to improve single-screw pumps for the conditions of pumping a compressible fluid with a high gas content at the inlet are studied in detail. A constructive scheme of a sectional single-screw pump-compressor with modernized operating elements is proposed, which ensures uniform pressure distribution along the length of the pump.

Инновационные газожидкостные технологии (ГЖТ) находят все большее распространение в нефтегазовой промышленности в процессах механизированной добычи нефти, бурении на депрессии, внутрипромысловом транспорте, экологических и энергосберегающих проектах, а также в системах поддержания пластового давления.
Одним из важных аспектов развития и совершенствования ГЖТ является выбор технических средств для перекачки сжимаемого флюида, их конструктивного исполнения и режимных параметров в зависимости от условий эксплуатации (давления нагнетания, свойств жидкой и газовой фаз, содержания свободного газа и механических примесей в рабочем агенте) и других факторов.
Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации и литературных источников дает основание считать, что одним из наиболее эффективных для перекачки газожидкостных смесей наряду с двухвинтовым насосом [1] и поршневым насосом специального исполнения с бустерной приставкой [2] является одновинтовой насос [3].
Такое положение подтверждается стендовыми испытаниями, проведенными в РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина [4] при исследовании напорной характеристики многозаходного одновинтового насоса с циклоидальным профилем зубьев и кинематическим отношением 5:6 при различном газосодержании на входе (рис. 1).
В последние годы ряд отечественных и зарубежных предприятий освоили производство мультифазных одновинтовых насосов для нефтегазовой отрасли. Так, ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент» (рис. 2) выпускает несколько типоразмеров многозаходных насосов с подачей от 10 до 250 м3/ч и давлением до 4 МПа. Содержание газа может доходить до 80 %. Максимальная приводная мощность 315 кВт [5].

Одним из важных аспектов развития и совершенствования ГЖТ является выбор технических средств для перекачки сжимаемого флюида, их конструктивного исполнения и режимных параметров в зависимости от условий эксплуатации (давления нагнетания, свойств жидкой и газовой фаз, содержания свободного газа и механических примесей в рабочем агенте) и других факторов.

Как показывают технологические проработки, помимо указанных выше областей применения, весьма перспективной с экономической (повышение нефтеотдачи пластов) и экологической точек зрения является утилизация попутного природного газа в процессе эксплуатации нефтяных скважин посредством обратной закачки газа или смеси газа и жидкости в скважину в системе ППД (в частности, переход от воды к газожидкостной смеси) [6].
Однако для реализации данных технологий потребуются специальные компрессоры или мультифазные насосы, которые в этом случае следует именовать как насос-компрессоры. Такие машины должны развивать давление не менее 10 – 15 МПа и перекачивать смесь с содержанием свободного газа до 90 – 95 %.
Возникает резонный вопрос – имеются ли предпосылки для создания таких машин и технологии их изготовления, а также какова степень изученности рабочего процесса подобных устройств и их характеристик.
Основоположник одновинтовых гидравлических машин Р. Муано свой первый патент рассматривал как «устройство, работающее в качестве насоса, компрессора или редуктора» [7]. Однако прототип его изобретения на протяжении десятилетий использовался исключительно в качестве гидравлической машины (насоса или мотора).
Помимо снижения общей энергоэффективности работы насоса при переходе от жидкости к газожидкостной смеси, что вызвано самим принципом действия объемной гидромашины (уменьшение изотермического КПД при увеличении давления), такое положение, вероятно, обусловлено и тем, что практически добиться плавного нарастания давления сжимаемого флюида в камерах рабочих органов (РО) одновинтовых насосов традиционного исполнения весьма проблематично и тем самым становится трудным обеспечить максимальный уровень общего перепада давления и объемного КПД, а также равномерный отвод тепла.
Для иллюстрации данного принципа рассмотрим принципиальную схему распределения давления в РО многошагового мультифазного насоса при перекачке газожидкостной смеси (рис. 3). Пусть известны подача насоса по жидкой фазе (Qж) давление на входе (рвх) и выходе (рвых) насоса, объемное газосодержание на входе в насос (βвх), а также число контактных линий Λ, разделяющих вход и выход РО.
Число ступеней повышения давления по длине РО (на каждой из которых в общем случае возникает определенный межвитковый перепад давления Δpi) будет соответствовать числу контактных линий, при этом число изолированных рабочих камер (шлюзов) будет равно Λ – 1, причем в каждой из этих камер находится газожидкостная смесь с различной плотностью ρ, зависящей от текущего давления и газосодержания (β):

где ρж, ρг – плотности жидкой и газовой фаз, составляющих смесь при определенном давлении и температуре в камере.
Принимая в первом приближении изотермический процесс изменения состояния газовой фазы, получаем зависимости расхода газа и объемного газосодержания на выходе из насоса:


где ε – степень повышения давления, ε = pвых / pвх.
Тогда, допуская, что жидкая фаза внутри насоса несжимаемая (ρж = const), можно определить объемный расход смеси на входе и выходе насоса:

 

Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации и литературных источников дает основание считать, что одним из наиболее эффективных для перекачки газожидкостных смесей наряду с двухвинтовым насосом и поршневым насосом специального исполнения с бустерной приставкой является одновинтовой насос.

Рассмотрим простейшую модель одновинтового насоса, в которой не учитывается возможная растворимость газовой фазы в жидкости, а межвитковые перепады давлений не зависят от скорости движения контактных линий или, другими словами, не учитывается эффект фрикционного воздействия в зазорах РО.
В этом случае, зная рабочий объем или идеальную геометрическую подачу насоса (Qи), можно рассчитать расход утечек в зазорах на первой и последней контактных линиях:

Учитывая, что Qг.вх > Qг.вых, получаем, что объемные утечки на входе (на первой линии) меньше, чем объемные утечки на выходе (на последней линии, отделяющей камеры насоса от области нагнетания), т.е.

Следовательно, если использовать классическую квадратичную формулу истечения (как например, для нормальной диафрагмы или сопла), связывающую перепад давления Δр и расход ΔQ через винтообразную щель, образовавшуюся по длине контактной линии при работе насоса,

где µ – коэффициент расхода, зависящий от конфигурации щели и характера течения (числа Рейнольдса), а f – площадь щели, то можно сделать однозначный вывод о том, что при прочих равных условиях (в данном случае при равенстве диаметральных и осевых размеров винтовых камер, а также размера щели на линии контакта) внутренние межвитковые перепады давления при перекачке газожидкостной смеси будут не одинаковыми (Δрi = var), причем максимальный перепад давления всегда будет возникать на последней контактной линии, отделяющей рабочие камеры от области нагнетания.
Отметим, что данная закономерность, согласно которой распределение давления по длине может быть представлено в виде лестницы с увеличивающейся высотой ступенек (рис. 3б), станет еще более явно выраженной, если учитывать в уравнении (8) увеличение плотности флюида в последних камерах насоса (для примера в случае, если рвх = 0,1 МПа, βвх = 50 %, ε = 5, то βвых = 16,7 %, а плотность водовоздушной смеси на входе и выходе насоса соответственно составляет 500 и 830 кг/м3).
Дополнительным фактором, известным из теории [3] и способствующим перераспределению внутренних перепадов давления в РО насоса, является перекашивающий момент на роторе, в результате которого происходит прижатие ротора к полюсу в области высокого давления, искажение расчетной геометрии зацепления (при этом площадь щели f в уравнении утечек (8) становится переменным параметром), что также оказывает влияние на закономерность изменения межвитковых перепадов давления в камерах насоса.
Кроме того, существенное влияние на рассматриваемый процесс будет оказывать и натяг в паре ротор-статор, определяющий напряженно-деформированное состояние обкладки статора и величины натягов и зазоров по длине линии контакта при работе насоса. При этом необходимое увеличение первоначального натяга в РО для перекачки сжимаемого флюида по сравнению со стандартными насосами вызовет повышение внутренних механических потерь и снижение КПД.
Подобная закономерность распределения давления характерна и для рабочего процесса многоступенчатых динамических насосов. Так, ведущие специалисты отечественной школы электроцентробежных скважинных нефтяных насосов отмечают, что при работе на газожидкостной смеси начальные ступени насоса вообще не создают напора. В их камерах происходит перемешивание флюида, измельчение крупных газовых пузырьков и создание квазиоднородной эмульсии, причем чем выше газосодержание на входе, тем большее число ступеней вовлечено в процесс диспергирования смеси и выключено из процесса создания давления [8].
Таким образом, для того, чтобы при проектировании мультифазного одновинтового насоса использовать принцип поршневого компрессора (равномерное сжатие газовой смеси по мере движения поршня внутри цилиндра) следует определенным образом изменить конструкцию насоса и прежде всего его рабочих органов.
В частности, в ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент» при создании мультифазного насоса разработчики внесли некоторые конструктивные изменения, которые позволили повысить эффективность и надежность применения насосов на объектах нефтедобычи. К этим изменениям можно отнести: увеличение длины РО (до 6 м); статоры с равномерной толщиной обкладки; автоматизированное устройство защиты от режима сухого трения при кратковременном отсутствии жидкой фазы, включающее емкость с резервным объемом жидкости, датчик потока и клапанную систему включения вспомогательного насоса [5].
Вместе с тем, помимо указанных конструктивных новшеств общего порядка, для достижения максимальной эффективности мультифазного насоса необходимо провести более «тонкую» модернизацию геометрических параметров РО с целью их наибольшей приспособ­ленности к условиям работы на газожидкостной смеси.
Такие изменения, как это следует из анализа формул объемных потерь (5), (6) и истечения через щель (8), могут осуществляться за счет модификации объема рабочих камер или площади щели, вариации коэффициента расхода, а также введения дополнительных внутренних каналов, связывающих камеры насоса.
Для эффективного использования одновинтового насос-компрессора при перекачке сжимаемых многофазных смесей известны несколько технических решений по конструктивной модернизации РО, направленных на достижение равномерного распределения давления по длине и стабилизации температурного режима:
–создание внутренней рециркуляции перекачиваемого сжимаемого флюида внутри РО насоса за счет коррекции формы винтовой поверхности ротора (выполнение лысок, прорезей и т.п. на выступах ротора) или дренажных отверстий внутри ротора (гидравлических регуляторов), соединяющих камеры с различным давлением [9];
–переменный натяг по длине РО, уменьшающийся от всасывания к нагнетанию, что может быть реализовано, например, путем использования конической поверхности винтового ротора или статора [10];
–переменный объем рабочих камер по длине многошагового насоса, уменьшающийся от всасывания к нагнетанию.

Как показывают технологические проработки, помимо указанных выше областей применения, весьма перспективной с экономической (повышение нефтеотдачи пластов) и экологической точек зрения является утилизация попутного природного газа в процессе эксплуатации нефтяных скважин посредством обратной закачки газа или смеси газа и жидкости в скважину в системе ППД (в частности, переход от воды к газожидкостной смеси).

В теоретическом плане указанные технические решения в целом направлены на оптимизацию процесса утечек вдоль оси насоса (рис. 3) с учетом фактора сжимаемости газовой фазы на пути ее движения внутри винтовых камер от входа к выходу, исходя из условия линейного нарастания давления по длине РО (постоянного перепада давления на i-ой линии контакта: Δрi  =  const), т.е. полезного использования всей длины винтовой пары, как это происходит при перекачке жидких сред с малоизменяемой плотностью.
Для практической реализации принципа равномерного распределения давления в камерах насоса могут использоваться три конструктивных подхода:
1.Коническое исполнение двух элементов рабочей пары;
2.Модификация торцового профиля РО;
3.Секционирование РО с различным рабочим объемом секций или модулей.
Что касается первого конструктивного подхода, то при его воплощении возникают технические трудности [11]. Кроме того требуется установка специальной подвески для осевого позиционирования ротора относительно статора с целью обеспечения расчетного натяга в паре.
Второй подход потребует уточненной методики расчета коррекции геометрических параметров в зависимости от перепада давления и свойств газожидкостной смеси.
Вместе с тем, необходимо отметить большие перспективы способов модернизации РО, связанные с изменением номинальной формы сопряженных поверхностей ротора и статора с целью улучшения эксплуатационных характеристик гидромашины. Такие разработки, известные еще с середины прошлого века применительно к насосам с однозаходным ротором, в настоящее время получили свое новое развитие в ОАО  «Пермнефтемашремонт» при корригировании многозаходных циклоидальных профилей зубьев РО винтовых забойных двигателей для бурения скважин, что позволило получить выдающиеся результаты в отношении характеристики и КПД гидромашины по сравнению с базовой конструкцией РО, соответствующей типовому зацеплению в паре ротор-статор.

Третий подход с технической точки зрения без проблем осуществляется на современном технологическом оборудовании, но может способствовать увеличению осевого габарита насоса [3].
На рис. 4 представлен продольный разрез простейшего секционного насос-компрессора для использования в ГЖТ. В данной конструкции РО, имеющие общий привод, состоят из нескольких последовательно расположенных модулей с различным рабочим объемом. Это может достигаться несколькими конструктивными приемами [12]:
–изменением шага винтовых поверхностей при сохранении эксцентриситета и заходности (в этом варианте теоретически можно обойтись без дополнительных шарниров);
–изменением числа зубьев при сохранении шагов и диаметра РО;
–изменением эксцентриситета (диаметра) при сохранении числа зубьев (рис. 5);
–изменением комбинации вышеуказанных геометрических параметров.
Длина каждого модуля устанавливается из условия обеспечения равенства числа контактных линий в зацеплении ротор-статор, чем достигается относительно одинаковая долговечность модулей.
Учитывая термодинамически сложный характер сжатия рабочего агента в камерах РО, в рассматриваемой конструкции целесообразно использовать статоры с равномерной толщиной специальной обкладки. Такая конструкция, взятая на вооружение многими отечественными и зарубежными производителями винтовых гидравлических машин, позволит улучшить отвод тепла из рабочих секций, уменьшить деформацию эластомера обкладки статора и повысить давление насоса.
Кроме того, для снижения приводной мощности секционного мультифазного насоса за счет уменьшения работы сжатия (как это используется в компрессорной технике) перспективными являются схемы многоступенчатого сжатия с промежуточным контуром охлаждения [13].
При разработке конструкции предложенной схемы винтового насос-компрессора следует учесть практический опыт французский фирмы PCM, которая выпускает на нефтегазовый рынок погружные винтовые насосы Vulcain. Эта модель отличается применением металлического статора, что позволяет эксплуатировать насос при откачке высоковязких нефтей и газожидкостных смесей при содержании свободного газа на входе до 90 %. Кроме того в роторе этих насосов выполнена модификация формы зуба (как было отмечено выше), что позволяет более равномерно наращивать давление по длине РО [9, 14].

При прочих равных условиях (в данном случае при равенстве диаметральных и осевых размеров винтовых камер, а также размера щели на линии контакта) внутренние межвитковые перепады давления при перекачке газожидкостной смеси будут не одинаковыми (Δрi = var), причем максимальный перепад давления всегда будет возникать на последней контактной линии, отделяющей рабочие камеры от области нагнетания.

Для практической реализации проекта мультифазного одновинтового насоса можно рекомендовать остановиться на схеме РО с использованием внутреннего гидравлического регулятора на базе модификации торцового профиля ротора. Такой насос-компрессор в двух- трехсекционном исполнении РО в диаметральном габарите 250 – 300 мм обеспечит подачу газожидкостной смеси на уровне 1000 м3/сут и давление 10 – 15 МПа.
Сравнение рассматриваемой инновационной конструкции одновинтового насос-компрессора секционного исполнения с известными техническими средствами для перекачки мультифазной продукции показывает, что предлагаемый одновинтовой насос-компрессор отличается относительной простотой (отсутствие кривошипно-шатунного механизма, клапанной системы, синхронизирующих шестерен и др.) и не требует дополнительных эксплуатационных затрат.
Подобный способ многоступенчатой перекачки на основе мультифазной насосной станции, состоящей из последовательно установленных двухвинтовых насосов (с индивидуальным электроприводом каждого), признан одним из рациональных и экономически эффективных технологических решений проблемы транспортирования нефтегазовых смесей [15].

Выводы
Рассмотренные теоретические аспекты рабочего процесса в камерах РО с учетом сжимаемости газожидкостного агента и предложенные конструктивные пути обеспечения равномерного нарастания давления создают предпосылки для разработки одновинтовых мультифазных насос-компрессоров нового поколения с модернизированными РО и улучшенными характеристиками, предназначенных для реализации ГЖТ в нефтегазовой отрасли.
В данной статье не рассматриваются термодинамические особенности рабочего процесса насос-компрессора, а также вопросы выбора эластомера статора, чисел заходов и быстроходности РО, натяга в паре, допускаемого межвиткового перепада давления и степени сжатия в одной ступени для данных условий эксплуатации, типа и мощности привода, что должно стать темой отдельных теоретических и экспериментальных исследований.

Литература

1. Балденко Д.Ф., Бидман М.Г., Калишевский В.Л. и др. Винтовые насосы. М.: Машиностроение, 1982.
2. Белей И.Г., Лопатин Ю.С. Газожидкостные смеси в технологии строительства скважин и газобустерный способ нагнетания смесей газобустерным насосом // Нефть. Газ. Новации. 2017. № 3.
3. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины (в двух томах). М.: ИРЦ «Газпром», 2005 – 2007.
4. Балденко Ф.Д., Дроздов А.Н., Ламбин Д.Н. Характеристики одновинтовых гидромашин на газожидкостной смеси // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2003. № 4.
5. Голдобин Д.А., Коротаев Ю.А., Мялицын Н.Ю., Субботин А.Ю. Новые направления в развитии винтовых мультифазных насосов // Экспозиция Нефть Газ. 2015, № 6.
6. Крючков В.И., Романов Г.В. и др. Водогазовое воздействие на пласт на основе попутного газа как альтернатива заводнению // Интеграл. 2004. №4 – 5.
7. US Patent № 1892217. Gear Mechanism / R.L.J. Moineau; 27.04. 1931.
8. Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение. Пермь: ООО Пресс-Мастер, 2007.
9. US Patent № 7413416 Progressing cavity pump / Bratu C., 30.01.2004.
10. US Patent № 5722820. Progressing cavity pump having less compressive fit near the discharge / A.G. Wild, K.Z. Mirza; 28.05.1996.
11. Авт. свид. № 400689. Героторный винтовой механизм / М.Т. Гусман, Д.Ф. Балденко, А.М. Кочнев, С.С. Никомаров;
опубл. 05.11.1970.
12. Патент на полезную модель № 55050 РФ. Устройство для перекачивания газожидкостных смесей при технологических операциях в скважине / Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко; опубл. 12.08.2005.
13. US Patent № 5820354. Cascaded progressing cavity pump system / A.G. Wild., A.G. Mirza., S.L. Chang; 11.08.1996.
14. Пле Л.-Э. Повышение эффективности и ресурса систем винтовых насосов в условиях высокого содержания газа // Инженерная практика. 2017. № 11.
15. Валюхов С.Г., Веселов В.Н., Ходус В.В. Новый подход к технологии транспортирования нефтегазовых смесей с высоким содержанием газа на основе многоступенчатого сжатия винтовыми насосами // Нефтегазовые технологии. 2001. № 2.
16. Электронные ресурсы фирм: ВНИИБТ–Буровой инструмент, Пермнефтемашремонт, Радиус–Сервис, Ливгидромаш, Завод им. Гаджиева, Netzsch, PCM, Weatherford и др.

References

1. Baldenko D.F., Bidman M.G., Kalishevskiy V.L. i dr. Vintovyye nasosy [Screw pumps]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1982.
2. Beley I.G., Lopatin Yu.S. Gazozhidkostnyye smesi v tekhnologii stroitel’stva skvazhin i gazobusternyy sposob nagnetaniya smesey gazobusternym nasosom [Gas-liquid mixtures in the technology of well construction and gas-bubble method of injecting mixtures with a gas-pump pump] Neft’. Gaz. Novatsii [Neft. Gas. Innovations], 2017, no. 3.
3. Baldenko D.F., Baldenko F.D., Gnoyevykh A.N. Odnovintovyye gidravlicheskiye mashiny (v dvukh tomakh) [Single-screw hydraulic machines (in two volumes)] M. IRTS «Gazprom» Publ., 2005–2007.
4. Baldenko F.D., Drozdov A.N., Lambin D.N. Kharakteristiki odnovintovykh gidromashin na gazozhidkostnoy smesi [Characteristics of single-screw hydraulic machines on a gas-liquid mixture] Stroitel’stvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushe i na more [Construction of oil and gas wells on land and at sea], 2003, no. 4.
5. Goldobin D.A., Korotayev Yu.A., Myalitsyn N.Yu., Subbotin A.Yu. Novyye napravleniya v razvitii vintovykh mul’tifaznykh nasosov [New directions in the development of screw multiphase pumps] Ekspozitsiya Neft’ Gaz [Oil Gas Exposition], 2015, no. 6.
6. Kryuchkov V.I., Romanov G.V. i dr. Vodogazovoye vozdeystviye na plast na osnove poputnogo gaza kak al’ternativa zavodneniyu [Water-gas effect on the formation on the basis of associated gas as an alternative to waterflooding] Integral [Integral], 2004, no. 4–5.
7. US Patent no. 1892217. Gear Mechanism R.L.J. Moineau; 27.04.1931.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Балденко Д.Ф.

    Балденко Д.Ф.

    д.т.н., академик РАЕН, лауреат премий И.М. Губкина и Н.К. Байбакова, член редколлегии журнал «Бурение и нефть», главный научный сотрудник

    ОАО «НПО Буровая техника»

    Балденко Ф.Д.

    Балденко Ф.Д.

    к.т.н., доцент, лауреат премии им. Н.К. Байбакова

    РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина

    Просмотров статьи: 417

    Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru