автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Повышение эффективности эксплуатации УЭЦН с частотно-регулируемым приводом при повышенных скоростях вращения ротора установки



На правах рукописи

Донской Юрий Андреевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УЭЦН С ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ СКОРОСТЯХ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА УСТАНОВКИ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (нефтегазовая промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

1 4 т 2010

003490182

Работа выполнена на кафедре «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности» РГУ нефти и газа им.И.М. Губкина, г. Москва

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Пекин Сергей Сергеевич.

доктор технических наук, профессор Дроздов Александр Николаевич РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

кандидат технических наук, Иванов Александр Александрович. Открытое акционерное общество «НПК «Нефтемаш» (г. Москва)

Ведущее предприятие: ОКБ БН «Коннас» (г. Москва)

Защита состоится « 26 » января 2010 года в 15-00 на заседании диссертационного совета Д212.200.07 в российском государственном университете нефти и газа им. И.М.Губкина по адресу: 117917, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65, ауд. 612.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского Государственного Университета нефти и газа им. И.М.Губкина.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями просим направлять по адресу: 117917, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65. Российский Государственный Университет нефти и газа им. И.М.Губкина, Ученый совет.

Автореферат разослан « 2.^» 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Э.С. Гинзбург

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время значительное количество нефти, добываемой в России, поднимается на поверхность земли с использованием установок погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН). Существует задача повышения эффективности добычи нефти, однако условия её добычи всё время ухудшаются. Одной из основных проблем, неизбежно возникающих при эксплуатации скважины, является непостоянство параметров добычи (динамический уровень жидкости, обводнённость, плотность жидкости, газовый фактор, вязкость жидкости и т.д.). Эти параметры оказывают существенное влияние на режим работы системы скважина - насосная установка. Поэтому за время межремонтного периода от насосной установки может потребоваться значительно изменять напорную характеристику в сторону снижения и увеличения подачи.

Почти всегда на приёме насоса присутствует газ, который оказывает пагубное влияние на насос. Присутствие газа наблюдается при эксплуатации месторождений с разными сроками разработки и особенно часто при форсированных режимах отбора жидкости. Несмотря на разработку значительного числа сепараторов, продолжаются работы направленные на использование полезной работы газа в насосно-компрессорных трубах (НКТ), что даст возможность снизить энергопотребление УЭЦН. То есть необходимо создать такие условия, чтобы как можно больше газа попадало в НКТ.

Представляется перспективным проведение исследований, позволяющих создать и эффективно эксплуатировать УЭЦН с частотно регулируемым приводом при повышенных скоростях вращения ротора установки.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью настоящей работы является повышение эффективности эксплуатации УЭЦН с частотно-регулируемым электроприводом при повышенных частотах вращения в условиях повышенного газосодержания. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- оценить эффективность частотного регулирования,

- обосновать интервалы частотного регулирования,

- вычислить картину течения модели воды в ступени УЭЦН при работе на разных частотах вращения,

- на основе расчетов предложить ступени с «новой» геометрией для повышения эффективности откачки газожидкостных смесей,

- изготовить и испытать образцы ступеней с «новой» геометрией для оценки результатов расчетов,

- подать заявку на полезную модель «новой» конструкции ступени.

Научная новизна исследования'заключается в следующем:

- обоснованы интервалы частотного регулирования УЭЦН с учетом действующих усилий, диапазона подачи и долговечности установки.

- запатентована «новая» конструкция рабочих колес, позволяющих перекачивать газожидкостные смеси с большим объёмным содержанием газа по сравнению с колёсами обычной конструкции (имеется в виду, состоящих из втулки, двух дисков и расположенными между ними лопастями).

- получена напорная характеристика для «новой» ступени по результатам испытаний на воде и водовоздушной смеси в выбранном интервале частот вращения.

- дополнен существующий конструктивно-аналитический метод расчёта ступени, что позволяет определять геометрические размеры колёс «новой» геометрии

Практическая значимость

Обоснование интервалов частотного регулирования позволяет с незначительными доработками использовать существующие конструкции ЭЦН для использования в системе пласт - скважина - УЭЦН.

Разработанная компьютерная модель позволяет производить расчёт и виртуальные испытания новых конструкций ступеней.

Полученная в ходе исследований и испытаний, новая конструкция ступени позволяет использовать её в насосе для откачивания жидкости с повышенным газосодержанием.

Предложена технология изготовления ступеней для стендовых испытания с использованием пластиков.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на: седьмой всероссийской конференции молодых учёных, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии газовой промышленности» (2007), на 59, 60 межвузовских студенческих научных конференциях «Нефть и газ» (2005, 2006 год соответственно).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах (в том числе 3 работы опубликованы в журнале, рекомендуемом ВАК РФ).

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 3

4

глав, заключения, списка литературы из 85 наименований, в том числе на иностранных языках. Содержание работы изложено на 160 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 7 таблиц, иллюстрирована 65 рисунками.

Основное содержание работы

Во введении работы дается обоснование актуальности, необходимости методической разработки темы исследования, раскрывается степень ее проработанности, охарактеризованы определенные моменты, требующие дополнительных исследований, которым посвящена настоящая работа. Формулируется цель и задачи исследования, представляются положения, выносимые на защиту, научная новизна диссертации и её практическая значимость.

В первой главе проведен обзор существующих методов приспособления насосной установки к параметрам скважины, показаны преимущества, универсальность и перспективность развития частотного регулирования. Отмечено, что для существующего оборудования, комплектующего УЭЦН, частота вращения более 4000-4600 об/мин не желательна в связи с ограничениями по минимальной наработке до отказа и различными темпами роста мощности, потребляемой насосом и выделяемой электродвигателем (в случае нормального закона регулирования частоты тока), а так же достаточно широким типоразмерным рядом насосных установок. Приведена классификация основных факторов (рисунок 1), ограничивающих максимальную скорость вращения ротора насоса. Работу предложено посвятить рассмотрению гидравлических критериев, поскольку возможности гидравлической части определяют необходимость развития всех остальных функциональных частей УЭЦН. К гидравлическим критериям следует относить: выделение из газожидкостной смеси газа и укрупнение газовых пузырей, изменение осевой силы, изменение КПД и других удельных величин, изменение свойств газожидкостной смеси при нагревании (тепловые факторы).

Рисунок 1 - Классификация ограничивающих факторов

Вопросу перекачивания газожидкостных смесей посвящены работы Аринушкина JI.C., Ляпкова П.Д., Пфлейдерера К., Дроздова А.Н., Чебаевского

B.Ф., Овсяникова Б.В., Карелина В.Я., Агеева Ш.Р., Трулева A.B., Деньгаева A.B. и др. Предварительный анализ степени проработанности тематики настоящего исследования показал, что эти работы или описывают картину событий, происходящих в проточных каналах ступени насоса при перекачивании газожидкостных смесей вплоть до срыва подачи, или направлены на создание дополнительных устройств, устанавливаемых перед насосом, которые разделяют смесь на компоненты и/или диспергируют жидкость или позволяют повысить давление на входе в центробежное колесо (шнековый предвключённый насос). Вопросу модернизации ступени с целью повышения эффективности перекачивания газожидкостных смесей уделено недостаточное внимание и оно в основном направлено на создание рабочих органов газосепараторов/диспергаторов (работы Ляпкова П.Д., Бажайкина

C.Г., Игревского В.И., Дроздова А.Н., Трулева А.В„ Деньгаева A.B. и др.). Поэтому в настоящей работе исследуется эффективность внесения изменений в геометрию колеса с целью повышения срывного содержания газа.

Проведенное автором исследование гидравлических факторов, на основе имеющихся литературных источников, показало, что:

- минимальная скорость вращения ротора УЭЦН, в основном, ограничена

6

напором, развиваемым насосом, и условиями охлаждения электродвигателя и кабеля-удлинителя; на ограничение максимальной частоты вращения оказывают влияние многие факторы,

- основными гидравлическими факторами следует считать: выделение из газожидкостной смеси газа и укрупнение газовых пузырей, изменение осевых усилий, изменение КПД и других удельных величин газовой фазы, а также изменение свойств газожидкостного потока, связанное с нагревом (тепловые),

- существенное влияние на ограничение частоты вращения оказывает фактор «выделение из газожидкостной смеси газа и укрупнение газовых пузырей». Повышение частоты вращения с одной стороны усиливает выделение газа вследствие увеличения градиента давления в проточных каналах насоса, а с другой - не позволяет газу скапливаться в больших количествах в «застойных» зонах и приводит к дроблению газовых пузырей лопастями. В результате при повышении частоты вращения растёт «срывное» содержание газа;

- при работе насоса с частотами вращения ниже номинальной, геометрия колеса должна позволять перекачивать жидкость с высоким содержанием нерастворённого газа,

- работа насоса с частотами выше номинальной всегда приводит к повышению «срывного» содержания газа,

- колесо должно иметь достаточно большой диаметр входа, лопасти должны иметь крыловидный профиль, их входные кромки не должны быть закрыты диском, необходимы дополнительные элементы, которые будут поворачивать часть потока жидкости, чтобы разрушать газовую каверну за основными лопастями,

- увеличение осевой силы при увеличении частоты вращения (если конструкция ступени такова, что она образуется) существенно не скажется на работе УЭЦН,

- влияние остальных факторов незначительно.

Для повышения эффективности работы ступени ЭЦН при перекачивании газожидкостных смесей необходимо рассчитать её геометрию, учитывая при этом свойства реальной скважинной жидкости и влияние осложняющих добычу факторов. На протяжении многих лет было создано несколько методов расчета геометрии колеса и направляющего аппарата: аналитические и численные. Аналитическому расчёту колёс посвящены работы Ломакина A.A., Чебаевского В.Ф., Шерстюка А.Н., Ляпкова П.Д. и д.р. К аналитическим методам относятся следующие: конструктивно-аналитический метод и метод аналогов. Численный метод расчёта основан на составлении и решении системы сил для каждой отдельно взятой частицы жидкости, находящейся в проточных каналах.

Анализ аналитических методов проектирования ступени показал, что

существующие методы не позволяет проектировать ступени с новой геометрией, так как эти методы используют экспериментальные коэффициенты, полученные при испытании ступеней определенной геометрии, а так же они не позволяют анализировать и математически изучать влияние геометрии ступени на её рабочие параметры. Повышение эффективности ступени связано с необходимостью представлять картины распределения параметров потока жидкости (линии тока, вихревые области, давления...) по сечению, которые необходимо получать расчётным или экспериментальным путем. Экспериментальный путь выявления этих параметров технически сложен и связан с большими затратами, поэтому следует их получать с помощью математического моделирования работы ступени, например, в программе БоМАУогкз с приложением Р1о\\^огк5.

Во второй главе рассмотрены силы, действующие на частицу жидкости, находящуюся в проточных каналах ступени. Составлена система сил, решение которой для каждой точки пространства позволяет определить параметры состояний жидкости в этом месте проточного канала ступени.

<1Р ~— (с1иг -с1>У2) 2

7)р М/2

■ ды н X К.

Ь, М, Ы- координатные оси, Р- давление в рассматриваемой точке, р -плотность вещества единичной массы, и, \У- окружная и радиальная скорости движения единичной массы, (о- угловая скорость вращения, Я- радиус положения единичной массы, Кь Ям- радиус положения единичной массы вдоль осей 1иМ, соответственно, (V угол между осями Ь, М, Ум - меридиональная скорость потока.

Решить систему уравнений можно с помощью программы ЗоЫХУогкэ. Для этого были смоделированы ступени (рис. 2) с колёсами различных геометрий (рис. 3-8) и проведены расчеты на модели воды.

При построении модели ступени и для выполнения расчётов были приняты следующие допущения:

- шероховатость стенок не учитывалась (абсолютно гладкая стенка),

- материал ступени считался абсолютно твердым, жестким и прочным (не учитывались деформации ступени),

- нагрев жидкости и аппарата и теплообмен не учитывались,

- краевые течения на острых тонких кромках и течения в узких каналах не рассматривались (за счёт укрупнения размера расчётной ячейки),

- гравитация не учитывалась,

- силы трения между колесом и опорой не учитывались,

- смещение колеса относительно аппарата не учитывалось.

На рисунках 3- 8 представлены эскизы рассчитанных колёс.

Рисунок 4 - Широкие лопасти. Угол установки, относительно радиуса 0°

СЕЧЕНИЕ А-А

Рисунок 5 - Тонкие лопасти. Угол установки, относительно радиуса 0°

СЕЧЕНИЕ А-А

Рисунок 6 - Тонкие лопасти. Угол установки, относительно радиуса 90°

СЕЧЕНИЕ А-А

Рисунок 7-3 тонкие лопасти. Угол установки, относительно радиуса

90°

Рисунок 8 - Колесо с отверстиями в ведущем диске

Результатами проведенного расчёта являются картины линий тока жидкости и распределения давлений в проточных каналах, а так же численные значения осевой, радиальной сил и момента сил сопротивления, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Результаты компьютерных расчётов.

Стандартное колесо 6 лопастей, толщина 2 мм 6 лопастей, толщина 0.3 мм 3 наклонные лопасти, толщина 0.3 мм 6 наклонные лопасти, толщина 0.3 мм Отверстия в ведущем диске

Режим нуле тщттт&т зои подачи!»

Осевая сила, Н -60,335 -58,774 -58,894 -59,893 -62,759 -32,842

Радиальная сила, Н -0,066 -0,596 -0,440 -0,604 0,127 0,123

Момент сопротивления, Н*м -0,124 -0,132 -0,128 -0,135 -0,089 -0,130

Режим оптимальной подачи

Осевая сила, Н -41,974 -23,750 -36,656 -37,709 -38,733 -23,363

Радиальная сила,Н -1,156 -0,563 -0,272 -0,815 -0,013 -0,059

Момент сопротивления, Н*м -0,237 -0,273 -0,239 -0,212 -0,240 -0,256

Режим максимальной подачи '-»„ 4 V '

Осевая сила, Н -7,520 -7,715 -8,866 -11,309 -14,294 -4,746

Радиальная сила, Н -0,250 -0,147 -0,161 -0,143 -0,012 0,105

Момент сопротивления, Н*м -0,260 -0,278 -0,275 -0,264 -0,270 -0,296

Анализ полученных результатов (численных и графических) показывает, что изменение колёс за счёт установки дополнительных лопастей на входе приводит к следующему:

- изменяется осевая сила, действующая на колесо. Её величина становиться больше на режимах нулевой и оптимальной подач, а на режиме максимальной подачи после изменения направления её величина меньше, чем у стандартного колеса;

- незначительно (на 1-2%) увеличивается момент сопротивления вращению,

- изменяются линии тока жидкости в межлопастном пространстве колеса и перед входом в колесо. Межлопастной вихрь при установке дополнительных лопастей снижается, часть потока жидкости направляется за основную лопасть, тем самым способствуя повышению давления за лопастью и «смыванию» газовых каверн, которые могут образоваться при перекачивании газированных жидкостей;

- при входе в колесо дополнительные лопасти наоборот способствуют повышению интенсивности вихря, что негативно сказывается на напорной характеристике - она снижается, однако этот вихрь и лопасти способствуют диспергированию газожидкостного потока, что повышает «срывное» содержание газа в смеси,

- для увеличения энергетических показателей ступени, главным образом напорной характеристики, необходимо увеличить количество лопастей в колесе с 6 (как имеется в модели) до 7-8 штук. Однако, это приведет к изменению меридианного профиля колеса и необходимости применения лопастей двойной кривизны, так как дополнительные лопасти занимают часть площади входного сечения колеса, которую нельзя уменьшать.

В третьей главе описаны натурные эксперименты, проведенные на колёсах различной геометрии (схемы колёс представлены на рис. 3-8) и приведены результаты этих экспериментов в виде графиков на рисунках 10-17.

Было изготовлено три пластмассовых колеса базовой геометрии и четыре металлических направляющих аппарата с пластмассовыми лопастями. Изменение геометрии колёс проводились путем установки дополнительных элементов.

Для исследования разработанных конструкций насосов использовался горизонтальный стенд «Новомет» кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина (рис. 9), который был доработан с целью возможности подачи воздуха на приём сборки ступеней и возможности изменения частоты вращения ротора электродвигателя. Были проведены испытания сборки, состоящей из трех ступеней на технической воде. С целью получения характеристики ступеней при работе на водовоздушной смеси на вход сборки подавался воздух. В ходе испытаний измерялись следующие величины: расход воды и воздуха, давление на входе и выходе, скорость вращения вала, реактивный момент статора электродвигателя, температура воды. КПД и мощность на приводном

валу вычислялись.

1 - электродвигатель; 2,3 - бак; 4,5,6,7,8,9 - кран шаровой; 10 - кран регулировочный; 11,12 - стекло водомерное; 13 - фланец переходной; 14 - фильтр; 15 -датчик температуры; 16 - расходомер; 17,18 - манометр индикаторный; 19 - датчик вращения вала электродвигателя; 20,21 - датчик давления; 22 - датчик веса; 23 - блок питания; 24 - блок реверса электродвигателя; 25 - компьютер; 26 - принтер; 27 - пульт с процессором; 28 - испытуемый насос.

Испытания на воде и на водовоздушной смеси были проведены при номинальных частотах вращения 2000,2910, 4000 об/мин.

На рисунках 10-17 представлены графики характеристик испытанных ступеней. Зависимости построены на основе обработанных результатов экспериментов. Считалось, что определяемые величины имеют нормальную погрешность измерения.

Характеристики, полученные при скорости вращения вала 2000 об/мин. и 4000 об/мин полностью укладываются в известные математические зависимости подачи, напора, мощности и КПД от скорости вращения. Изменения указанных величин срывного газосодержания при увеличении

уменьшении частоты вращения замечено не было.

Напор, 1000кг/мЗ, 2910 об/мин

Обычные — - Широкие лопасти, 6 шт.

- - Тонкие лопасти, Ь шт.

— • -Наклонные лопасти, 3 шт.

- —— Наклонные лопасти, 6 шт. - • Птпрргтипи я>>дущрм [\игкп

Подача, мЗ/сут

80

100

120

140

160

Рисунок 10 - Напорная характеристика ступеней

КПД, 2910 об/мин, техническая вода

-К"—*—

сг Обычные

с

шт. — * Наклонные лопасти, 6

Подача, мЗ/сут шт. ' • Отверстия в ведущем диске 1 1 1

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Рисунок 11 - КПД ступеней

О 20 40 60 80 100 120 140 160

Рисунок 12 - Напорная характеристика базовой ступени на водовоздушной смеси

Напор. Водо-воздушная смесь, 2910 об/мин

Рисунок 13 - Напорная характеристика ступени с широкими лопастями на водовоздушной смеси

Рисунок 14 - Напорная характеристика ступени с тонкими лопастями на водовоздушной смеси

Напор. Водо-воздушная смесь, 2910 об/мин

Рисунок 15 - Напорная характеристика ступени с тремя тонкими лопастями на водовоздушной смеси

Рисунок 16 - Напорная характеристика ступени с шестью тонкими наклонными лопастями на водовоздушной смеси

Рисунок 17 - Напорная характеристика ступени с колесом с отверстиями на ведущем диске на водовоздушной смеси

Из представленных графиков (рис. 10-17) видно, что:

- дополнительные лопасти вне зависимости от их геометрии повышают способность насоса перекачивать водовоздушную смесь, это выражается в повышении содержания воздуха в смеси, которое приводит к срыву подачи, расширению области работы на смеси,

- в случае установки дополнительных лопастей (вне зависимости от их толщины) перпендикулярно втулке колеса были зафиксированы наивысшие значения срывного содержания газа,

- в случае установки дополнительных лопастей наклонно по отношению к радиусу втулки колеса было зафиксировано незначительное снижение срывного содержания газа.

Результаты

Основные результаты и работы сводятся к следующему:

- классифицированы по принадлежности к механической, гидравлической, электрической областям факторы, которые являются ограничителями рабочей области насосной установки,

- на основе анализа гидравлических факторов установлено, что не существует причин, представляющих серьёзные ограничения рабочего диапазона. Существующие рамки рабочей области обосновываются факторами, не связанными непосредственно с гидродинамикой. Слева рабочая область ограничена следующими факторами: минимальный дебит жидкости необходимый для охлаждения электродвигателя и осевая сила, возникающая в насосе, а справа - режимом «всплытия» колёс;

- проведены компьютерные расчеты, которые позволили смоделировать линии тока, распределение давления в проточных каналах ступени насоса: На картине линий токов жидкости видно, что возникают межлопастные вихри. Предположено, что эти вихри способствуют скоплению газовой фазы за нерабочей поверхностью лопаток, поэтому происходит срыв подачи;

- разработана конструкция колеса, позволяющая снизить влияние свободного газа,

- проведены натурные эксперименты, подтвердившие эффективность предложенных изменений. Удалось повысить «срывное» содержание газа с 2,5% до 3,4% (при испытании на смеси вода-воздух) и при этом расширить область работы на газожидкостной смеси;

- исследовано влияние геометрических размеров предлагаемых

дополнительных лопастей. Автором показано, что наиболее эффективным является установка дополнительных лопастей под прямым углом к радиусу колеса в количестве, которое в два раза меньше количества основных лопастей, при этом число основных лопастей должно быть чётным;

- дополнена методика существующего конструктивно-аналитического метода, разработанного в ОКБ БН «Коннас», представленного в работе П.Д. Ляпкова, расчета колес с предлагаемыми изменениями в геометрии.

Выводы Основные выводы работы таковы:

- установлено, что не существует гидравлических факторов, представляющих серьёзные ограничения рабочего диапазона,

- установлено, что в межлопасных каналах колеса обычной конструкции на режимах работы с подачей меньше оптимальной, возникает не один межлопастной вихрь, а два,

- установлен характер изменения напорных характеристик ступени в зависимости от различных способов установки дополнительных лопастей на входе.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации. В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Соколов H.H., Донской Ю.А., Сабиров A.A. О влиянии геометрических параметров на характеристику ЭЦН // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. 2009. №2. с. 60-61;

2. Донской Ю.А., Дарищев А.Ю. К вопросу об изменении технологических параметров скважины и регулировании работы погружных насосов // Нефтепромысловое дело. 2008. №2. с. 47-50;

3. Донской Ю.А., Дарищев А.Ю. О применении УЭЦН для добычи высокогазированных жидкостей // Нефтепромысловое дело. 2009. №2. с. 58-61.

В остальных изданиях:

1. Донской Ю.А. Один из критериев определения верхнего предела частоты вращения ротора ЭЦН // Территория нефтегаз. 2007. №8. с. 6870;

2. Ивановский В.Н., Сазонов Ю.А., Сабиров A.A., Соколов H.H., Донской Ю.А. О некоторых перспективных путях развития УЭЦН // Территория нефтегаз. 2008. №5. с, 61-63

3. Ивановский В.Н., Соколов H.H., Донской Ю.А., Карелина С.А. Наука и/или жизнь // Территория нефтегаз. 2008. №12. с. 74-77;

4. Донской Ю.А. Седьмая Всероссийская конференция молодых учёных, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии газовой промышленности» Москва, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина 2007г., 6-9 октября 2008г. - Тезисы

Подписано к печатав & . О9 Формат 60x90/16 Бумага офсетная Усл. п. л.

Тираж 100 экз. Заказ

Издательский центр РГУ нефти и газа имени ИМ. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел. (499) 233-93-49

Введение.

Глава 1 Анализ литературных источников и постановка задач исследования.

1.1. Обзор методов регулирования параметров УЭЦН.

1.2. Выводы о способах регулирования характеристики УЭЦН.

1.3. Обзор критериев, ограничивающих диапазон частот вращения.

1.4. Обзор критериев гидравлической части.

1.4.1. Перекачивание газированной жидкости.

1.4.1.1. Влияние изменения режимных параметров центробежного колеса на критическое газосодержание.

1.4.1.2. Влияние изменения геометрических параметров центробежного колеса на критическое содержание газа.

1.4.1.3. Влияние изменения скорости вращения колеса.

1.4.2. Осевая сила.

1.4.3. Изменение оптимальной рабочей области.

1.5. Выводы о влиянии гидравлических факторов.

1.6. Обзор методик проектирования ступени насоса.

1.7. Выводы о методах проектирования ступеней.

1.8. Выбор диапазона скоростей для исследования.

1.9. Выводы по первой главе.

1.10. Постановка задач исследования.

Глава 2 Теоретическая часть.

2.1. Система сил, действующая на частицу жидкости в проточной части колеса насоса.

2.2. Расчеты в программе SolidWorks, Flo Works.

2.2.1. Описание компьютерной модели.

2.2.2. Результаты программных расчётов.

2.3. Выводы из компьютерных расчетов.

Глава 3 Экспериментальная часть.

3.1. Технология изготовления ступеней.

3.2. Геометрия испытуемых ступеней.

3.3. Описание стенда.

3.4. Методика проведения испытаний.

3.4.1. Снимаемые в ходе испытаний параметры и приборы для их измерения.

3.4.2. Методика проведения испытаний и обработки результатов эксперимента.

3.4.3. Определение величин погрешностей экспериментальных данных.

3.4.4. Погрешность измерения частоты вращения вала насоса.

3.4.5. Погрешность измерения напора насоса.

3.4.6. Погрешность определения мощности на валу насоса.

3.4.7. Погрешность измерения подачи насоса.

3.4.8. Погрешность определения к.п.д. насоса.

3.5. Результаты натурных экспериментов.

3.5.1. Анализ результатов натурных экспериментов.

3.5.2. Сравнение результатов натурных и компьютерных экспериментов.

3.6. Методика проектирования ступени частотно-регулируемого погружного электроцентробежного насоса.

Значительное количество нефти, добывается в России с использованием установок погружных электроприводных центробежных насосов (УЭЦН). При этом большая доля добычи приходится на районы со сложными климатическими условиями, и удалённые от производителей нефтепромыслового оборудования, что влечёт за собой повышенные затраты на доставку и хранение насосных установок.

Добыча нефти сопровождается осложнениями, параметры которых могут изменяться в широких пределах в течение достаточно короткого промежутка времени (сравнимого с межремонтным периодом УЭЦН). Это вызвано ухудшающейся в процессе добычи проницаемостью пород, изменением режимов отбора жидкости и закачки для поддержания пластового давления (ППД)', изменением обводнённости, плотности жидкости, газового фактора, вязкости жидкости и т.д. При достаточно больших межремонтных периодах работы насосной установки (300-900 суток) эти осложнения приходятся на период эксплуатации одной установки. Все эти параметры оказывают существенное влияние на режим работы системы скважина — насосная установка. Кроме того, существует значительное число различных осложнений, которые могут и не изменяться в процессе работы насосной установки, однако они также сильно влияют на её эксплуатацию. Наиболее часто встречающаяся проблема — это большое содержание нерастворённого (свободного) газа (большой газовый фактор) в жидкости на приёме насоса. Большой газовый фактор сопутствует эксплуатации УЭЦН как на ранних стадиях разработки, так и на завершающих. Кроме того форсированный отбор нефти, получающий всё большее распространение ведёт к высокому газосодержанию на приёме насоса. Однако, газ имеет двоякое влияние: с одной стороны отрицательное, с другой- положительное. Высокое входное газосодержание, приводит к существенному снижению развиваемого давления и подачи насосной установки. Нередки случаи, когда повышенное газосодержание на приёме насоса приводит к срыву подачи установки. Однако, актуальную задачу сокращения потребления электроэнергии можно решить при помощи использования полезной работы газа в насосно-компрессорных трубах (НКТ). То есть необходимо, чтобы как можно больше газа попадало в НКТ. Поэтому создание УЭЦН способного перекачивать газожидкостную смесь с высоким содержанием свободного газа является актуальной задачей.

Эффективное использование УЭЦН в течение его периода эксплуатации требует согласования параметров системы скважина-погружная установка. Однако этого не всегда удаётся добиться в связи с тем, что существующие установки имеют достаточно небольшую рабочую зону. Диапазон рабочих параметров ограничивается целым рядом разносторонних факторов.

В связи с этим, безусловно, актуальной является задача синхронизации параметров системы "скважина-насос", т.е. необходимость регулирования параметров (обычно расход и напор) насосной установки. Представляется перспективным осуществление такой синхронизации путем изменения частоты вращения вала насоса (частотное регулирование). За последние годы произошло существенное развитие оборудования, позволяющего задавать частоту вращения ротора-насосной установки'более 10000 об./мин. Разработка новых конструкций высокооборотных (т.е. выше 3000 об./мин.) УЭЦН является комплексной задачей, которая требует не только применения новых материалов, но и новых конструктивных схем, новой геометрии проточных каналов, новых конструкций электродвигателей и т.д.

Поэтому применение насосных установок способных адаптироваться к изменяющимся в широких пределах параметрам скважины и перекачивать при этом газожидкостные смеси с большим содержанием нерастворенного газа является актуальной задачей.

Учитывая изложенное выше, целью данной диссертации является повышение эффективности эксплуатации скважин УЭЦН с частотно-регулируемым электроприводом при повышенных частотах вращения.

Основные результаты и выводы работы сводятся к следующему:

- классифицированы по принадлежности к механической, гидравлической, электрической областям факторы, которые являются ограничителями рабочей области насосной установки,

- на основе анализа гидравлических факторов установлено, что не существует причин, представляющих серьёзные ограничения рабочего диапазона. Существующие рамки рабочей области обосновываются факторами, не связанными непосредственно с гидродинамикой. Слева рабочая область ограничена следующими факторами: минимальный дебит жидкости необходимый для охлаждения электродвигателя и осевая сила, возникающая в насосе, а справа - режимом «всплытия» колёс. Всплытие колёс происходит из-за особенностей геометрии колеса, поэтому чисто к гидравлическим факторам его относить нельзя;

- проведены виртуальные (компьютерные) эксперименты, которые позволили смоделировать линии тока в ступени насоса. На основании рассчитанных картин линий токов жидкости установлено, что возникает не один межлопастной вихрь, а два. Предположено, что эти вихри способствуют скоплению газовой фазы за нерабочей поверхностью, лопаток. За счет этого происходит срыв подачи. На основании этого предложена конструкция колеса, позволяющая снизить влияние свободного газа;

- проведены натурные эксперименты, подтвердившие эффективность предложенных изменений. Удалось повысить срывное» содержание газа с 2,5% до 3,4% (при испытании на смеси вода-воздух) и при этом расширить область работы на газожидкостной смеси; исследовано влияние геометрических размеров предлагаемых дополнительных лопастей. Автором показано, что наиболее эффективным является установка дополнительных лопастей под прямым углом к радиусу колеса в количестве, которое в два раза меньше количества основных лопастей, при этом число основных лопастей должно быть чётным; дополнена методика существующего конструктивно-аналитического метода, разработанного в ОКБ БН «Коннас», представленного в работе П.Д. Ляпкова [51], расчета колес с предлагаемыми изменениями в геометрии.

Дальнейшее развитие УЭЦН с частотонорегулируемым приводом будет связано с совершенствованием: конструкций подшипниковых узлов, которые позволят снизить уровень вибрации, материалов, которые позволят снизить массу и инерцию ротора установки, повысить износостойкость, электрооборудования, в первую очередь коллекторных узлов электродвигателей или встроенных тахогенераторов, которые позволят подавать по кабелю постоянный ток и снизить тем самым активные потери приводящие к нагреву.

Заключение

1. 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, 645с.

2. Агеев Ш.Р., Ляпков П.Д. Влияние масштабного фактора на гидравлический коэффициент полезного действия центробежного насоса

3. Агеев Ш.Р., Карелина Н.И., Дружинин Е.Ю. Условия наибольших наработок погружных лопастных насосов для добычи нефти при повышенном газосодержании на входе — Бурение и нефть, 2004, №11 с.14-17.

4. Аксёнов Г.И. Работа погружных центробежных насосов на многокомпонентных смесях. Дисс. канд. техн. наук. - Тюмень, 1971. -116 с.

5. Алибеков Б.И., Листенгартен Л.Б., Пирвердян A.M. Подлив дегазированной жидкости для борьбы с вредным влиянием газа на работу погружного центробежного электронасоса — Изв. ВУЗов. Нефть и газ, 1963, №8, с.51-55.

6. Аринушкин Л.С., Абрамович Р.Б., Полиновский А.Ю. и др. Авиационные центробежные насосные агрегаты // Под ред. Г.М.132

7. Заславского. М.: Машиностроение. — 1967. — 256 с.

8. Алямовский А.А., Собачкин А.А., Одинцов Е.В., Харитонович А.И., Пономарёв Н.Б. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование/- Спб.: БВХ-Петербург, 2008.- 1040с.

9. Бадеке К., Градевальд А., Хундт К.-Х. и др. Насосы: Справочное пособие / Под ред. В. Плетнера. М.: Машиностроение. - 1979. - 502 с.

10. Бажайкин С.Г., Володин В.Г. О причинах срыва подачи при работе центробежного насоса на газожидкостных смесях. Машины и нефтяное оборудование, 1976, №6, с.21 - 22.

11. Бажайкин С.Г. Исследование влияния свободного газа на работу центробежного насоса при перекачке газожидкостных смесей по промысловым трубопроводам. Дис. канд. техн. наук. - Уфа, 1979. -160 с.

12. Богданов А.А. Погружный центробежные электронасосы для добычи нефти. Недра, 1968. - 270 с.

13. Брилл Дж.П., Мукерджи X. Многофазный поток в скважинах. -Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2006. 384 с.

14. Васильев Б.А., Грецов Н.А. Гидравлические машины. М.: Агропромиздат. - 1988. - 272 с.

15. Вербицкий B.C. Результаты промышленного внедрения технологии «Тандем» на Лугинецком месторождении-// Нефтепромысловое дело -2003 г., №9, с. 19.

16. Вербицкий B.C., Дроздов А.Н., Деньгаев А.В. и др. Промысловые исследования насосно-эжекторных систем «Тандем» в ОАО «Юганскнефтегаз» //Нефтяное хозяйство 2005 г., №2, с.96-99.

17. Голубев А.И. Лабиринтно-винтовые насосы и уплотнения для агрессивных сред. М.: Машиностроение. -1981.-112 с.

18. ГОСТ 17398-72. Насосы. Термины и определения.

19. Гринштейн Н.Е. Центробежные насосы с открытыми рабочими колесами для эксплуатации нефтяных скважин. Дис. . канд. техн. наук.-М., 1965.- 155 с.

20. Дарищев В.И., Ивановский Н.Ф., Ивановский В.Н. и др. Комплекс работ по исследованию и снижению самопроизвольных расчленений (PC-отказов) скважинных насосных установок/ М.: ВНИИОЭНГ, 2000. - 84 с.

21. Домбровский В. В., Зайчик В. М. Асинхронные машины. Теория, расчет, элементы проектирования / Л. : Энергоатомиздат, 1990. - 368 с.

22. Донской Ю.А. «Один из критериев определения верхнего предела частоты вращения ротора ЭЦН»: Территория нефтегаз, №8, 2007г., с. 68-70.

23. Донскойi Ю.А., Дарищев А.Ю. «К вопросу об изменении технологических параметров скважины и регулировании работы погружных насосов»: Нефтепромысловое дело, №2, 2008г., с. 47-50.

24. Дроздов А. Н. Влияние числа диспергирующих ступеней на характеристику погружного центробежного насоса. Нефтепромысловое дело, 1982, №5, с. 19-21.

25. Дроздов А. Н. Исследование работы погружного центробежного134насоса при откачке газожидкостной смеси. М.: ГАНГ им. И. М. Губкина, 1994. - 29 с.

26. Дроздов А.Н. Влияние свободного газа на характеристики погружных насосов. Нефтяное хозяйство, 2003, № 1, с. 66-70.

27. Дроздов А.Н., Ляпков П.Д., Игревский В.И. Зависимость степени влияния газовой фазы на работу погружного центробежного насоса от пенистости жидкости. Нефтепромысловое дело, 1982, №10, с.16 - 18.

28. Зайцев Ю. В., Балакиров Ю. А. Добыча нефти и газа. М.:Недра, 1981.-384 с.

29. Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А., и др. Оборудование для добычи нефти и газа М., ГУЛ Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002, ч.1,2. - 768 с.

30. Ивановский В.Н., Сазонов Ю.А., Сабиров А.А., Соколов Н.Н., Донской Ю.А. «О некоторых перспективных путях развития УЭЦН»: Территория нефтегаз, №5, 2008г., с. 61-63.

31. Игревский Л.В., Макаров Е.М. Экспериментальные исследования влияния свободного газа на характеристики многоступенчатых погружных центробежных и центробежно-вихревых насосов. -Надежность и сертификация оборудования для нефти и газа, №3, 2002, с. 35-42.

32. К анализу рабочих характеристик центробежных погружных насосов для малодебитных скважин. О.М. Перельман, И.П. Трясцын, Д.Ю. Мельников и др. Нефтепромысловое дело, 1999, №2.

33. Карелин В.Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах. Издание второе переработанное и дополненное. — М.: Машиностроение. 1975. - 335с.

34. Каталог продукции ЗАО «Новомет-Пермь»: ЗАО «Новомет», Пермь, 2009г.

35. Каталог продукции ОАО «Алнас»: ОАО «Алнас», Альметьевск, 2009г.

36. Киселев И.И., Герман A.JL, Лебедев Л.М., Васильев В.В. Крупные осевые и центробежные насосы: Справочное пособие. — М.: Машиностроение. 1977. - 184 с.

37. Кривченко Г.И. Гидравлические машины: Турбины и насосы. М.: Энергоатомиздат. - 1983. - 320 с.

38. Кузьмичёв Н.П. Кратковременная эксплуатация скважин и перспективы развития нефтедобывающего оборудования: -Территория нефтегаз, 2005г., №6 с.

39. Кучкин А.Г., Кузнецов Е.В. Методика Расчёта осевых сил в центробежных насосах: Электронный журнал «Исследовано в России» http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2004/142.pdf, с. 1549-1558.

40. Ломакин. А.А. «Центробежные и осевые насосы». Л., «Машиностроение», 1966г.- 365с.44. «Лопастные насосы». Под ред. Л.П. Грянко, А.П. Папира. Л., «Машиностроение» 1975г.- 432с.

41. Ляпков П.Д., Агеев Ш.Р. Влияние шероховатости поверхностей проточных каналов на гидравлический к.п.д. ступеней центробежных насосов малых размеров

42. Ляпков П. Д. Движение сферической частицы относительно жидкости в межлопаточном канале рабочего колеса центробежного насоса. Тр. /МИНХ и ГП, 1977, вып. 129, с. 3 - 36.

43. Ляпков П. Д. О формах течения водовоздушных смесей в каналах136рабочих органов центробежного насоса. Химическое и нефтяное машиностроение, 1968, №10, с. 5 - 8.

44. Ляпков П.Д. Влияние газа на работу погружного центробежного насоса ЭН-95-800. Нефтяное хозяйство, 1958, №2, с.43-49.

45. Ляпков П.Д. Влияние газа на работу ступеней погружных центробежных насосов. Тр. /ВНИИ, 1959, вып.22, с.59 - 89.

46. Ляпков П.Д. Влияние числа М на рабочую характеристику погружных центробежных насосов, перекачивающих газожидкостную смесь. Тр. /МИНХ и ГП, 1972, вып.99, с.96 - 100.

47. Ляпков П.Д. Диссертация на соискание степени к.т.н. «Анализ некоторых особенностей конструирования и эксплуатации погружных центробежных электронасосов для добычи нефти и методика расчета их рабочих органов», М., ВНИИнефть, 1955г.

48. Машин А.Н. «Профилирование проточной части рабочих колёс центробежных насосов». — М:, Московский энергетический институт, 1976г.-56с.

49. Меерович М.И., Шрагина Л.И. Теория решения изобретательских задач. Минск: Харвест. - 2003. - 428 с.

50. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. «Лопастные насосы». — М., «Машиностроение» 1977г.-288с.

51. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. «Конструкция и расчёт центробежных насосов высокого давления». — М., «Машиностроение» 1971г.-304с. •

52. Муравьёв И.М1, Мищенко И.Т. Эксплуатация погружных центробежных электронасосов в вязких жидкостях и газожидкостных смесях. М.: «Недра», 1969. - 248 с.

53. Муравьёв И.М., Репин Н.Н. Исследование движения многокомпонентных смесей в скважинах. М.: «Недра», 1972 - 208 с.137

54. Овсянников Б.В., Чебаевский В.Ф. Высокооборотные лопаточные насосы М.: Машиностроение, 1975. - 336 с.

55. Пак П.Н., Белоусов А.Я., Тимшин А.И. и др. Насосы АЭС: Справочное пособие / Под ред. П.Н. Пака. — М.: Энергоатомиздат. — 1989.-328 с.

56. Петров В.И., Чебаевский В.Ф. Кавитация в высокооборотных лопастных насосах М.: Машиностроение, 1982. - 192 с.

57. Пирвердян A.M. Гидромеханика глубинонасосной эксплуатации. М., «Недра», 1965, 191 с.

58. Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. Пер. с нем. - 4-е изд., перераб. - М.:Машгиз, 1960. - 683 с.

59. Пчелинцев Ю.В. Полёты насосов. М.: ВНИИОЭНГ, 2003, 392 с.

60. Ропалов В.А. Исследование особенностей работы погружных центробежных насосов на водонефтегазовых смесях. Дис. канд. техн. наук. — М., 1982.-194 с.

61. Соколов Н.Н., Донской Ю.А., Сабиров А.А. «О влиянии геометрических параметров на характеристику ЭЦН»: Управление качеством в нефтегазовом комплексе №2, 2009г., с. 60-61.

62. Соломахова Т.С., Чебышева К.В. Центробежные вентиляторы. Аэродинамические схемы и характеристики. М.: Машиностроение. — 1980.-176 с.

63. Сокорев В.Н. Исследование процесса сепарации газа в условиях искусственной кавитации с целью создания газосепараторов к погружным центробежным насосам с учётом структуры нефтегазовых смесей. Диссертация канд. техн. наук. - М., 1992.

64. Степанов А.И. «Центробежные и осевые насосы». Издание второе. — М., Машгиз, 1960г.- 460с.

65. Стесин С.П., Яковенко Е.А. «Лопастные машины и138гидродинамические передачи». М., «Машиностроение», 1990г. -240с.

66. Трулев А.В. Диссертация на соискание степени к.т.н. «Совершенствование проточных частей газосепараторов, работающих на смесях жидкость-газ», М. 1999.

67. Универсальная методика подбора УЭЦН к нефтяным скважинам (УМП ЭЦН 79). - М.: ОКБ БН, 1979. - 169 с.

68. Фардиев М.А. Анализ «полётов» установок УЭЦН в Западной Сибири -Нефтепромысловое дело, №3 2000 с. 23-26.

69. Филиппов В.Н., Агеев Ш.Р., Задов Е.А., Каплан А.Р. Принципы оптимальной компоновки "WY из стандартных ступеней. Тр./ВНИИ, 1984, вып. 89, с. 40-44.

70. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение. - 1970. - 611 с.

71. Центробежные вентиляторы / Под ред. Т.С. Соломаховой. М.: Машиностроение. — 1975. - 416 с.

72. Чебаевский В.Ф., Петров В.И. Кавитационные характеристики шнеко-центробежных насосов М.: Машиностроение, 1973.

73. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергоатомиздат. - 1984. - 416 с.

74. Чиняев И.А. «Лопастные насосы» Справочное пособие. Л.: Машиностроение. - 1973. - 184 с.

75. Шерстюк А.Н. «Насосы, вентиляторы и компрессоры». М. «Высшая школа», 1972г.- 344с.

76. Интернет сайт программного комплекса «Автотехнолог» http://autotechnologist.com/index.html

77. Freet, T.G., McCaslin, К.Р., Oryx Energy Co. Successful submersible lift operations in gassy horizontal wells, Pearsall Field, Texas. SPE annual139technical conference and exhibition, 4-7 October 1992, Washington, D.C.

78. James F. Lea, Amoco RPM/EPTG; John L. Bearden, Centrilift. ESP's: On and Offshore Problems and Solutions. SPE Mid-Continent Operations Symposium, 28-31 March 1999, Oklahoma City, Oklahoma.

79. Деньгаев A.B. Диссертация на соискание степени к.т.н. «Повышение эффективности эксплуатации скважин погружными центробежными насосами при откачке газожидкостных смесей», М., 2005