автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Разработка, исследование и результаты промышленного использования погружных насосно-эжекторных систем для добычи нефти

?Г6 од '11 ш тя

На правах рукописи УДК 622.276.53.054.23 : 621.67-83

ДРОЗДОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОГРУЖНЫХ НАСОСНО-ЭЖЕКТОРНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Специальность 05.15.06 - Разработка и эксатуатация нефтяных и газовых месторождений.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москиа - 19УХ

I'убога кмколиска в I ЪсулирстсннаИ Академии Нефти п Гача имени П.М.Губкина.

Научный консультант - д.т.н., профессор Мищенко И.'Г.

Официальные оппоненты - д.т.н., профессор ЗaГщeвJO:B.

-д.т.н. Кондратюк А.Т.

-д.т.н., профессор Горбунов А.Т.

Ведущее предприятие - АО «Черногорнефть».

Защита диссертации состоится «&» 1998 года в

минут на заседании диссертационного Совета Д.053.27.04 по защите

часов

диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Государственной Академии Нефти и Газа им. И.М.Губкина по адресу: 117917, Москва, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной Академии Нефти н Газа им. И.М.Губкина.

Автореферат разослан «

Ученый секретарь диссертационного Совета, д.т.н., профессор Сомов Б.Е.

г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Эксплуатация скважин установками погружных центробежных насосов (УЭЦН) является в настоящее время основным способом добычи нефти в России. За последние пятнадцать лет доля нефти, извлеченной на поверхность погружными центробежными насосами (ЭЦН), возросла с тридцати до семидесяти процентов от общей добычи нефти в стране. Эта тенденция, по всей видимости, сохранится и в будущем.

Однако на, многих месторождениях работа серийных установок ЭЦН сталкивается с большими трудностями. Вредное влияние свободного газа, фонтанирование по запрубному пространству, тяжелый вывод на режим после глушения при подземных ремонтах, падение коэффициентов продуктивности скважин из-за глушения и низких забойных давлений - вот далеко не полный перечень осложняющих факторов при добыче нефти установками ЭЦН.

Значительное число скважин эксплуатируется периодически вследствие срывов подачи ЭЦН. Многие скважины вообще находятся в бездействш! из-за невозможности освоить их серийным (даже дорогостоящим импортным) насосным оборудованием.

Кроме того, режимы разработки наших нефтяных месторождений практически никогда не бывают стационарными. С одной стороны, этому способствуют отключения кустовых насосных станций системы поддержания пластового давления из-за аварий и для проюводства ремонтных работ.1 С. другой стороны, нестационарное заводнение с изменением направления фильтрационных потоков является эффективным методом увеличения нефтеотдачн и все шире сознательно применяется на промыслах. В рамках этого метода часто проводят плановые отключения системы заводнения tía месторождении летом и усиленную закачку воды

зимой. Вследствие существенной нестационарности процесса разработки месторождений добывные возможности скважин значительно меняются в течение года, и подобрать серийный ЭЦН так, чтобы он эффективно работал в скважине весь свой период эксплуатации от запуска до отказа, становится практически невозможно.

В связи с этим повышение эффективности добычи нефти погружными • центробежными насосами в осложненных условиях является для нефтедобывающей отрасли нашей страны особо актуальной задачей. Одним из перспективных направлений ее решения является применение погружных насосно-эжекторных систем. Эти установки содержат, помимо погружных центробежных насосов, струйные аппараты (эжекторы), а также газосепараторы.

Цель работы.

Разработка, исследование и промышленное использование новых погружных насосно-эжекторных систем для добычи нефти в осложненных условиях эксплуатации.

Основные задачи исследований.

1. Разработка погружной насосно-эжекторной системы с широкими адаптационными возможностями, способной успешно работать при высоком газовом факторе, и построение теоретической характеристики системы.

2. Экспериментальное исследование влияния давления у входа в насос, _ ненообразующих свойств и вязкости жидкости, а также дисперсности газовой фазы на эффективность откачки погружными центробежными насосами газожидкосгных смесей (ГЖС) из скважин,

и последующая разработка методики учета влияния свободного газа па характеристики ЭЦН при перекачке водонефтегачовых смесей.

г

-53. Разработка нового газосепаратора к погружным центробежным насосам, стендовые и промысловые исследования отечественных сепараторов и сопоставление их характеристик с параметрами газосепаратора одной из ведущих зарубежных компаний.

4. Исследование влияния формы сопла и длины камеры смешения на работу струйного аппарата при откачке жидкости, газа и газожидкосгных смесей.

5. Изучение особенностей совместной работы ЭЦН, газосепаратора и струйного аппарата, а также их взаимовлияния в составе насосно-эжекгорной системы.

6. Определение рациональной геометрии проточной части струйного аппарата при эксплуатации в скважинах различных типоразмеров ЭЦН и разработка методики подбора погружных насосно-эжекгорных систем к скважинам.

7. Практическая проверка и реализация результатов работы в скважинах различных нефтедобывающих районов, выявление особенностей эксплуатации погружных насосно-эжекторных систем в конкретных нефтепромысловых условиях.

Методы решения поставленных задач.

Поставленные ' задачи решались как теоретически, так и экспериментально в стендовых и промысловых условиях. Кроме того, в ряде случаев потребовалось проведение компьютерного моделирования и анализа работы установок в скважинах.

Научная новтна.

1. Разработаны новая погружная насосно-эжекторная система в составе погружного насоса, центробежного газосспаратора и струйного аппарата, а также соответствующий способ эксплуатации скважин. Построена теоретическая характеристика системы, подтвержденная затем экспериментально. Установлено, что эти разработки опережают аналогичные зарубежные исследования на несколько лет.

2. Определены основные факторы и степень их влияния на характеристику ЭЦН при откачке газожидкостной смеси. Предложен новый подход, позволяющий обобщить случаи работы погружных центробежных насосов на модельных и реальных скважинлых газожидкостных смесях. Создана методика расчета характеристик погружных центробежных насосов на водонефтегазовых смесях, охватывающая как бескавитационные режимы, так и режимы искусственной кавитации. Сопоставление расчетных и фактических данных показало их хорошую сходимость.

3. Разработан суперкавипирующий центробежный газосепаратор нового поколения, который значительно эффективнее предшествующего отечественного газосепаратора и по всем параметрам лучше сепаратора ведущей американской фирмы «РЭДА». Предложенный . способ испытаний дает возможность обеспечить дальнейшее

совершенствование газосепараторов и других гидромапшн, применяемых в нефтяной промышленности для откачки газожидкостных смесей.

4. Исследование характеристик струйных аппаратов при откачке жидкости, газа и газожидкосгных смесей позволило установить ряд неизвестных ранее особенностей работы эжекторов, а также уточнить существующие представления об их эксплуатации.

5. Предложены новые параметры - среднеинтегральный коэффициент ' инжекцни по газу и суммарный коэффициент инжекцни. Это позволило обобщить характеристики жидкосгно-газовых эжекторов в различных условиях, а также выполнить анализ работы струйных аппаратов на газожидкостных смесях.

6. Обоснованы новые технические решения в области струйной техники: эжектор, способ работы жидкостно-газового эжектора, способ работы насосно-эжекторной системы и др. Определена рациональная геометрия проточной часта струйного аппарата применительно к его эксплуатации в составе погружной насосно-эжекторной системы.

7. Исследованы особенности совместной работы ЭЦН, газосепаратора и струйного аппарата. Разработаны методики расчета характеристик погружных насосно-эжекторных систем и подбора их к скважинам. Точность рекомендаций расчетов находится в пределах погрешностей промысловых замеров.

Мировая новизна предложенных решений подтверждена выдачей шести патентов Российской Федерации, двух пзтенив СССР и одного авторского свидетельства СССР на изобретения.

Практическая полезность.

Производство оборудования для погружных насосно-эжекторных систем в настоящее время полностью освоено на Лебедянском машиностроительном—заводе (АО «Ле.маз»), Внедрение результатов исследований осуществлено в скважинах акционерных обществ «Кондпетролеум», «Сургутнефтегаз», «ЛукоПл-Лангепаснефтегаз», «Пурнефтегаз», «Черногорнефть», «Варьеганнефтегаз», «Ноябрьскнефтегаз» н ряда других нефтегазодобывающих предприятий.

Промышлешюе использование погружных пасосно-эжекгорных систем позволило перевести режим работы ЭЦН в оптимальный, облегчить вывод на режим скважин (в том числе скважин, длительное время простаивающих), эффективно эксплуатировать установки в условиях нестационарной разработки залежей к при высоких входных газосодержаниях. Успешно освоены бездействующие скважины на различных месторождениях и получена дополшггельная добыча нефти. В осложненных условиях эксплуатации удалось повысить наработку установок на отказ и межремонтный период работы скважин.

Срок окупаемости погружных насосно-эжекторных систем составляет, в

о

среднем, около одного месяца

Апробация работы.

Основные положения и результаты исследований докладывались на Всесоюзных конференциях молодых ученых и специалистов «Молодежь и научно-технический прогресс в нефтяной й газовой промышленности» (Москва, 1981), ((Проблемы комплексного освоения нефтяных и газовых месторождений» (Москва, 1984), <(Пути развития научно-технического прогресса в нефтяной и газовой промышленности» (Москва, 1986), «Роль молодежи в решении конкретных научно-технических проблем нефтегазового комплекса страны» (Москва, 1989), областной конференции ((Машины и установки для добычи и транспорта нефти, газа и газового конденсата» (Сумы, 1988), на 15-й научно-технической конференции молодых специалистов ВНИИнефтемаша (Москва, 1985), на конференциях молодых ученых и специалистов МИНГ им. И.М.Губкина (Москва, 1985, 1987) и СибНИИНП (Тюмень, 1989); на научно-технических совещаниях ПО «Нижневартовскнефтегаз» (Нижневартовск, 1987), Главтюменнефтегаза (Тюмень, 1988), ПО «Красноленинскнефгегаз» (Нягань, 1989), АО «Сургутнефтегаз» (Сургут, 1993), АО «Черногорнефть» (Нижневартовск,

1997); на научных семинарах Особого конструкторского бюро по бесштанговым насосам (Москва, 1982) и кафедры разработки и эксплуатации нефтяных месторождений ГАНГ им. И.МГубкина (Москва, 1997); на научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развитая нефтегазового комплекса России», посвященной 70-летию первого выпуска российских инженеров-нефтяников (Москва, 1994).

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 45 работах, в том числе одном научно-техническом обзоре, тридцати трех статьях, одном учебно-методическом пособии, девяти патентах и одном авторском свидетельстве на изобретения.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и рекомендаций, заключения, списка литературы и приложения. Текст диссертации изложен на 243 страницах и содержит 108 рисунков, 14 таблиц. Список литературы содержит 263 наименования. i

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, ставится основная цель исследований, кратко излагаются научная новизна и практическая полезность работы.

В первой главе анализируются существующие схемы насосно-эжекториых систем, их основные элементы, и ставятся задачи исследований.

Струйные аппараты применяются в настоящее время практически во всех отраслях техники. В этих устройствах осуществляется передача энергии

ог одного потока к другому путем непосредственного контакта (смешения). Наибольший интерес для нефтяной промышленности представляют струйные аппараты, предназначенные для эжектирования потока подсасываемой (откачиваемой или пассивной) среды струей рабочей (активной) жидкости и последующего их совместного транспортирования. Откачиваемая среда может быть жидкостью, газом или газожидкостной смесью.

Струйные аппараты такого рода толькр в исключительных случаях применяются в чистом виде, без использования каких-либо нагнетателей потока рабочей жидкости. Такие ситуации встречаются, например, при использовании для работы эжекторов напора жидкости из водохранилищ гидроэлектростанций и энергии потока в горных районах, где есть возможность создать достаточно большие перепады давлений за счет естественных природных условий.

В подавляющем же большинстве условий эксплуатации, встречающихся на практике, для работы струйного аппарата необходим насос, нагнетающий жидкость под давлением в сопло эжектора.

При этом струйный аппарат и насос, работающие совместно, образуют насосно-эжекторную систему.

При всем многообразии существующих сегодня насосно-эжесторных систем можно выделить три группы принципиальных схем их компоновки, различающиеся по степени использования потока рабочей жидкости.

К первой группе относятся системы, в которых полезно используется лишь пассивный поток. В системах второй фуппы потребителю направляется, кроме потока пассивной среды, весь расход рабочей жидкости. В системах третьей группы полезно используется весь пассивный поток и часть активного потока рабочей жидкости.

Наивысшие значения к.п.д. струйного аппарата в составе насосно-эжекторной системы достигаются в тех случаях, когда полезно используется весь активный поток рабочей жидкости, т.е. в системах второй группы.

Кроме насосов и струйных аппаратов, в состав насосно-эжекторных систем при перекачке неоднородных многофазных смесей могут входить сепараторы.

Струйные аппараты способны успешно дополнять в осложненных условиях эксплуатации установки погружных центробежных насосов. Однако, имеющиеся по этому вопросу литературные источники немногочисленны, что подчеркивает малую изученность данной проблемы.

Первое упоминание о подобной компоновке для эксплуатации скважин относится к 1966 г., когда В.С.Спорышевым было получено авторское свидетельство СССР на способ извлечения газированной жидкости из скважин с использованием ЭЦН, гравитационного газосепаратора и эжектора. Однако это изобретение оказалось неработоспособным и не было реализовано при эксплуатации скважин. ^

В последующих работах И.Т.М]пценко, С.Д.Миронова, В.П.Марьенко, Ю.А.Цепляева, Х.Х.Гумерского и др. предлагались различные комбинации установок ЭЦН со струйными аппаратами. Промысловыми испытаниями были доказаны принципиальная возможность работы эжектора с пофужным насосом и получение при этом технологического эффекта Однако до сих пор не была предложена погружная насосно-эжекторная система, способная эффективно работать в широком диапазоне изменения скважинных условий, в том числе при высоком газовом факторе. Закономерности работы погружных насосно-эжекгорных систем на газожидкостных смесях в опубликованных исследованиях остались практически совершенно неизученными.

Основными элементами погружных насосно-эжекгорных систем являются погружные центробежные насосы, газосепараторы и струйные

аппарагы. Работа этих устройств на газожидкосгной смеси в той или иной мере исследовалась некоторыми авторами.

Наибольшее число опубликованных работ посвящено погружным центробежным насосам. Исследования П.ДЛяпкова, И.Т.Мшценко, И.М.Муравьева, В.И.Игревского, ОГ.Гафурова, А.Н.Кезя, А.Г.Шарипова, М.Г.Минигазимова, В.Н.Филиппова, В.А.Ропалова и др. позволили установить ряд закономерностей откачки насосами ГЖС. Однако вопрос об учете пенообразующих свойств жидкости при оценке влияния газовой фазы на работу центробежного насоса, несмотря на довольно большое число опубликованных исследований, ранее никем не ставился. Кроме этого, недостаточно исследованными были факторы вязкости жидкости, давления у входа в насос и дисперсности ГЖС, а существовавшие методики расчета характеристик ЭЦН могли применяться лишь для бескавитационных режимов работы на ГЖС, да и сами границы между бескавитационными режимами на ГЖС и режимами искусственной кавитации не были четко определены.

Для борьбы с вредным влиянием свободного газа на работу ЭЦН наиболее эффективным решением является применение центробежных газосепараторов. Первый сепаратор этого типа был предложен П.Д.Ляпковым в 50-х годах. В дальнейшем лидерство в данном направлении перешло к ведущим американским фирмам «РЭДА» и «Центрилифт».

В первой половине 80-х годов под руководством П.ДЛяпкова был разработан отечественный модуль насосный - газосепаратор МНГ, который испытывали при откачке крупнодисперсных маловязких и вязких ГЖС. Испытания позволили подготовить сепараторы МИГ к серийному производству и освоить их промышленное изготовление. Однако необходимо отметить, что по своим массога'баритным показателям сепаратор МНГ был заметно хуже своих зарубежных аналогов, а также имел довольно сложную конструкцию.

-131

Следовательно, перед отечественной наукой и промышленностью остро встал вопрос о создании нового сепаратора, полностью соответствующего мировому уровню.

Наибольшую трудность при расчете технологических параметров насосно-эжекторных систем представляет определение рабочих характеристик струйного аппарата. Достаточно точные методики расчета характеристик и рекомендации по определению параметров проточной части струйных аппаратов имеются лишь для откачки однородной жидкости и режимов естественной кавитации.

Уже для случая эжектировагшя газа струей жидкости в литературных источниках приводятся противоречивые сведения. Существующие методики расчета жидкостно-газовых эжекторов справедливы лишь для ограниченного диапазона режимных параметров и конкретных геометрических конфигураций струйных аппаратов.

Несмотря на многочисленные публикации Е.Я.Соколова, Н.М.Зингера, Б.Ф.Лямаева, КГ.Донца, П.Н.Каменева, Е.П.Запорожца, Р.СЛремийчука, Ю.С.Васильева и др. о применении эжекторов в различных отраслях техники, до сих пор нет единого мнения относительно оптимальной формы рабочего сопла струйного аппарата. Недостаточно исследованы закономерности перекачки эжектором газожкдкостной смеси. Требуют своего изучения также особенности совместной работы ЭЦН и струйного аппарата. '

На основе выполненного анализа современного состояния научных познаний в области погружных насосно-эжекторных систем и их основных элементов в конце первой главы поставлены основные задачи исследований.

Цо второй главе представлены теоретические основы создания новой эффективной компоновки погружных насосно-эжекторных систем для добычи нефти.

В последнее время наметилась устойчивая негативная тенденция к ухудшению условий эксплуатации скважин на месторождениях России вследствие вступления залежей с благоприятными геолого-промысловыми параметрами в позднюю стадию разработки и увеличения относительной доли добычи нефти из месторождений с трудноизвлекаемыми запасами. Серийное погружное насосное оборудование для эксплуатации скважин . зачастую просто не может работать в этих условиях.

Принципиальным выходом из создавшейся ситуации является разработка погружной насосно-эжекторной системы для добычи нефти, способной успешно работать в широком диапазоне осложненных условий эксплуатации, в том числе при высоком газосодержании откачиваемой продукции.

В связи с этим были разработаны и запатентованы новые технические решения - способ и устройство для подъема газированной жидкости из скважин с использованием перспективной схемы погружной насосно-эжекторной системы для добычи нефти.

Разработанная погружная насосно-эжекторная система (патент СССР №1825544, 1988 г.) включает в себя струйный аппарат в компоновке с УЭЦН и газосепаратором. Система содержит установленные на насосно-компрессорных трубах (НКТ) погружной центробежный насос, нагнетательный патрубок которого подключен к активному рабочему соплу струйного аппарата, и сепаратор на входе в ЭЦН. Новым в системе является то, что с целью повышения надежности работы, каналы отвода газовой фазы сепаратора и приемная камера струйного аппарата сообщены с затрубным пространством скважины, при этом сепаратор выполнен центробежного типа.

Наличие на выходе насоса струйного аппарата позволяет задать режим ЭЦН в рабочей части его характеристики путем соответствующего подбора размеров выходного сечения активного сопла Кроме того, в предложенном

решении величина полезного расхода продукции, подаваемой на поверхность, включает в себя подачу как эжекгируемой, так и рабочей среды, что существенно увеличивает к.п.д. установки.

Предложенный способ извлечения неоднородной многофазной среды го скважин (патент СССР №1831593, 1988 г.) с применением погружной насосно-эжекгорной системы включает сепарацию свободного газа от потока флюида в стволе скважины и эжектирование части газовой фазы с последующим направлением ее в напорную линию. Новым в способе является то, что с целью повышения эффективности твлечешм жидкости за счет устранения образования отложений твердой фазы (парафина, смол, -асфальтенов, газогидратов) эжектирование осуществляют в зоне, расположенной шисе точки глубины начала выпадения твердой фазы, причем дополнительно эжектируют часть жидкости из затрубного пространства

Эти изобретения позволили создать новую технологию эксплуатации скважин погружными центробежными насосами, возможности которой оказались гораздо шире, чем предполагалось на стадии патентования. Основными преимуществами новой технолог™ являются эффективное использование отсепарированного свободного газа для подъема жидкости, перевод режима работы ЭЦН в оптимальный и способность погружной насосно-эжекторной системы успешно адаптироваться к существенно изменяющимся условиям в процессе вывода скважины на режим и ее последующей эксплуатации.

Следует отметить, что это направление исследований остается в настоящее время одним из немногих в отечественной науке, где мы по-прежнему опережаем мировой уровень. За рубежом (Великобритания, патент №2264147, 1992 г.) подобные разработки ведутся с отставанием на несколько лет."

Анализ теоретической характеристики погружной насосно-эжекторной. системы показал, что эта характеристика состоит из двух частей - левой, в которой струйный аппарат выполняет роль забойного штуцера, и правой, когда эжектор дополнительно откачивает из затрубного пространства ГЖС. Такая форма характеристики обеспечивает системе существенные преимущества по сравнению с серийным ЭЦН при выводе скважин на режим и последующей эксплуатации. При работе в правой части характеристики системы погружной центробежный насос работает в оптимальном режиме, что обеспечивает наибольший межремонтный период, а все шменения, связанные с нестационарносгью разработки месторождений и эксплуатации скважин, берег на себя струйный аппарат. При этом к.п.д. эжектора в составе системы увеличивается почти в два раза за счет полного использования потока рабочей жидкости.

В третьей главе выполнено исследование работы погружных центробежных насосов при откачке газожидкостных смесей го скважин.

Одним из основных элементов погружной насосно-эжекторной системы является погружной центробежный насос. От его параметров при откачке ГЖС во многом зависит эффективность системы в целом.

Исследование влияния различных факторов (газосодержания, давления у входа в насос, пенообразующей способности жидкости и ее вязкости) на рабочую характеристику ЭЦН при откачке ГЖС проводили на специальной лабораторной установке. Для адекватного и достаточно полного моделирования реальной скважшшой многофазной продукции по степени влияния газа на работу насоса применяли следующие смеси: «вода - ПАВ -газ» с различными концентрациями ПАВ (дисолван 4411) и значениями пенообразующей способности до 66 мм (модель маловязких

нефтегазовых и водонефтегазовых смесей, внешней фазой которых является нефть, имеющих соответствующее значение псиообразуюших свойств);

«вода - газ» с 16 мм (модель сильнообводненных низкопенистых водонефтегазовых смесей, внешней фазой которых является пластовая вода) и «масло - газ» с 14 мм (модель, позволяющая изучать изменение степени влияния газа в зависимости от вязкости жидкости).

В результате проведенных исследований было установлено, что пенообразующие свойства жидкости являются одним из основных факторов, определяющих степень влияния газа на работу центробежного насоса. Рост пенообразуюгцей способности жидкой фазы ГЖС приводит к существенному снижению вредного влияния газа на характеристику ЭЦН вследствие повышения при этом агрегативной устойчивости смеси и затруднения слияния пузырьков газа в крупные каверны. Эта закономерность проявляется на различных ГЖС независимо от их природы и химического состава («вода - газ», <®ода - ПАВ - газ», «масло - газ», «нефть - газ»), а также величины поверхностного натяжения между жидкостью и газом.

Эксперименты, выполненные на различных смесях, позволили установить, что с увеличением давления у входа в насос снижается вредное влияние свободного газа на рабочие параметры ЭЦН при неизменном газосодержании. Наибольшее влияние давления наблюдается в области 0,1 -0,6 МПА, в дальнейшем степень его влияния уменьшается и при давлениях у входа более 2 МПа практически перестает сказываться на характеристике насоса.

Исследования показали, что влияние вязкости жидкости уж на эффективность откачки насосом ГЖС имеет качественно многообразный характер: в левой части характеристики при < 7,1 мм2 / с с ростом вязкости влияние газа уменьшается; в рабочей и правой областях характеристики до вязкости 7,1 мм11 с измснсннй во влиянии газа нет; при уж> 7,1 мм2'/ с увеличение вязкости жидкости усиливает вредное влияние газа на работу насоса

Специальный цикл исследований был посвящен дисперсности ГЖС и ее влиянию на параметры погружного центробежного насоса Обработка фотографий проб ГЖС, отобранных на входе, а также из различных ступеней, показала, что размеры пузырьков газа в используемых модельных ГЖС имеют тот же порядок, что и в реальной многокомпонентной продукции скважин. Дисперсность газовой фазы примерно одинакова для •смесей <®ода - ПАВ - газ» на входе в насос ЭЦН5-80 и «нефть - газ», по данным Васильева Ю.Н., Максутова Р.А., Башкирова А.И., Бородина Ю.И., в условиях скважины. Диаметр пузырьков газа для движущихся в стволе скважины силыюобводненных водонефтегазовых смесей, внешней фазой которых является пластовая вода, оцененный в работе П.Д.Ляпкова и А.С.Гуревича, также укладывается в кривую распределения пузырьков по размерам на смеси «вода - газ» у входа в насос на установке.

На ГЖС с высокими пенообразующими свойствами наибольшее изменение дисперсности происходит в первых 10-20 ступенях погружного центробежного насоса На малопенистой ГЖС изменение дисперсности заканчивается в пределах одной ступени. Увеличение вязкости жидкости несколько задерживает процесс достижения установившейся дисперсности в потоке малопенистой ГЖС. Равновесный спектр пузырьков формируется в первых десяти ступенях

Эксперименты показали, что в случае работы ЭЦН на ГЖС с высокими пенообразующими свойствами в бескавитационном режиме предварительное диспергирование газа в смеси не приводит к изменению характеристики при прочих равных условиях. При наличии искусственной кавитации в насосе, откачивающем высокопенистую ГЖС, предварительное диспергирование газовой фазы улучшает его характеристику.

Анализ характеристик ЭЦН на газожидкостных смесях и кривых распределения давления по длине насоса позволил выявить принципиально различные закономерности работы многоступенчатого насоса на ГЖС

низкой и высокой пенообразующей способности. При малых значениях и высоких газосодержаниях большинство ступеней насоса, работая в режимах частичной искусственной кавитации, развивает меньший напор, чем на однородной жидкости. При высокой пенообразующей способности группа первых со стороны входа кавитирующих ступеней, создающих в сумме нулевой напор, способствует приготовлению квазигомогенной ГЖС, на которой последующие ступени работают в бескавитационном режиме. Предложенный новый безразмерный параметр - приведенный коэффициент подачи дал возможность обобщить случаи работы ЭЦН различных типоразмеров на высокопенистых модельных и реальных скважинных ГЖС.

Полученные по результатам исследований формулы для учета влияния газа на работу ЭЦН в зависимости от величин газосодержания и давления у входа в насос, пенообразующих свойств и вязкости жидкости, режима работы насоса по подаче легли в основу разработанной методики расчета характеристик ЭЦН на водонефтегазовых смесях. Сопоставление рассчитанных по методике и полученных экспериментально А.Г.Шариповым, М.Г.Минигазимовым и др. характеристик ЭЦН на реальных нефтегазовых и водонефтегазовых смесях показало хорошее соответствие расчетных и фактических величин в широком диапазоне газосодержашш при бескавитационной и кавитационной работе насосов на ГЖС во всеминтервале обводненности. На примере расчета режимов работы ЭЦН на месторождениях Белоруссии и сравнения расчетных и фактических параметров показана целесообразность использования параметра пенообразующих свойств нефти в виде адаптационного коэффициента.

В четвертой главе представлено изучение рабочих параметров газосепараторов к погружным центробежным насосам.

Не менее важным, чем ЭЦН, элементом погружной насосно-эжекторнон системы является газосепаратор.

Анализ использования отечественных сепараторов МНР позволил заключить, что в целом результаты внедрения были, безусловно, положительными.

Вместе с тем опыт применения в различных районах показал, что сепаратор МНГ имеет все же сложную конструкцию, большую массу, подвержен абразивному износу (установлены случаи обрыва установок по • корпусу сепаратора). Кроме того, в условиях высоких входных газосодержаний на некоторых режимах наблюдалось сильное (вплоть до срывов подачи) влияние газа на работу насосов, оборудованных сепаратором МНГ.

Таким образом, возникла настоятельная необходимость создания нового сепаратора, имеющего лучшую эффективность газоотделения в области высоких газосодержаний, более простую конструкцию, а также защищенного от абразивного износа, словом, сепаратора, полностью соответствующего мировому уровню.

Этот сепаратор нового поколения был создан с использованием эффекта суперкавитации в газожидкостном потоке.

Специальные исследования этого явления позволили установить, что при суперкавигационном обтекании профиля лопасти потоком газожидкостной смеси происходит значительное укрупнение газовых пузырьков за счет воздействия перемещающихся интенсивных вихрей между активной частью потока и застойной зоной. В этих вихрях происходит слияние пузырьков в достаточно крупные газовые полости, т.е. наблюдается своеобразное локальное центробежное разделение фаз в потоке. Кроме того, интенсивные вихри отрывают значительные объемы газа от газовых каверн, образующихся в застойной зоне при обтекании профиля лопасти, и перемещают оторвавшиеся крупные газовые полости далее вдоль потока.

Таким образом, установленный эффект укрупнения газовых пузырьков в процессе суперкавитации в газожидкостном потоке открывает новые

перспективы по созданию газосепаратора мирового уровня, поскольку условия сепарации. крупных пузырьков в поле центробежных сил значительно благоприятнее, чем мелких. При этом целесообразно установить в проточной части сепаратора суперкавитирующее лопастное колесо, способное успешно работать в условиях развитой искусственной кавитации. Важнейшей особенностью суперкавигирующнх гндромашин является то, что благодаря особой форме лопаток, а также их взаимного расположения, образующиеся каверны не перекрывают полностью межлопаточные каналы, а являются как бы плавным продолжением профилированных лопастей.

С учетом этих эффектов был предложен новый принцип сепарации ГЖС в поле центробежных сил, на основе которого специалисты АО «Лемаз» разработали конструкцию модуля насосного - газосепаратора МН-ГСЛ к погружным центробежным насосам. Литера «Л» в шифре. нового газосепаратора поставлена в честь замечательного русского ученого П.Д.Ляпкова. Новый газосепаратор МН-ГСЛ имеет длину и массу существенно меньше (примерно в два раза), а также более прост по конструкции, чем сепаратор МНГ. Кроме того, в сепараторе МН-ГСЛ предусмотрена защита внутренней поверхности корпуса от абразивного воздействия мехпримесей, являющаяся «ноу-хау».

Новый принцип сепарации заключается в том, что перед поступлением ГЖС в центробежный разделитель пузырьки свободного газа принудительно укрупняются в суперкавнтирующем колесе путем создания самовентилирующихся газовых суперкаверн в потоке смеси. При этом одновременно с закручиванием потока газожидкостной смеси осуществляется эвакуация образовавшихся крупных газовых пузырей из суперкаверн. Поэтому показатели газоотделения существенно улучшаются при кардинальном упрощении конструкции и снижении массы сепаратора.

Этот газосепаратор нового поколения и соответствующий способ откачки жидкости скважинным насосом защшцены патентом Российской Федерации N»2027912.

Для сравнения сепараторов МНГ и МН-ГСЛ по эффективности газоотделения были проведены специальные стендовые эксперименты на мелкодисперсных ГЖС с затрудненной коалесцещшей газовых пузырьков, что создавало более жесткие условия, чем скважинные. Предложенный способ испытаний и стенд для его осуществления, защищенные авторским свидетельством СССР №1521918 и патентом Российской Федерации №2075654, позволяют создавать новые сепараторы с достаточным запасом прочности по степени газоотделения.

Проведенные стендовые испытания на мелкодисперсной смеси показали, что в зоне высоких входных газосодержаний новый сепаратор МН-ГСЛ имеет явное преимущество над сепаратором МНГ по эффективности отделения газа. При низких входных газосодержаниях сепаратор МН-ГСЛ обеспечивает вполне допустимый уровень остаточного газосодержания, не вызывающий вредного влияния газа на работу ЭЦН.

С целью проверки газосепаратора МН-ГСЛ в реальных скважинных условиях и представления результатов приемочной комиссии для постановки на серийное производство были проведены промысловые испытания на Талинском месторождении.

Условия работы УЭЦН на этом месторождении являются, пожалуй, одними из наиболее сложных в России. К осложняющим факторам в первую очередь относятся высокие, существенно меняющиеся по шющади значения газового фактора нефти и давление насыщения, близкое к пластовому, а также высокая пластовая температура (100°С и выше). Кроме того, вывод многих скважин на режим после текущего ремонта значительно затруднен и занимает длительное время. В продукции скважин присутствуют механические примеси, наблюдаются абразивный износ и засорение

насосного оборудования. Во многих скважинах происходит отложение солей, парафина и гидратов.

На основании полученных материалов и результатов проведенных работ приемочная комиссия заключила, что данные промысловых испытаний, показавшие устойчивую в течение длительного времени работу ЭЦН в .комплекте с газосепаратором МН-ГСЛ в экстремальных условиях эксплуатации на практически безводной нефти Талинского месторождения при значительном (более 80%) газосодержашш на входе свидетельствуют о высокой эффективности нового газосепаратора. Испытания показали также достаточно хорошую эксплуатационную надежность газосепаратора МН-ГСЛ, удобство разборки и сборки. Приемочная комиссия рекомендовала его к серийному производству вместо устаревшего сепаратора МНГ.

В настоящее время серийное производство сепараторов МН-ГСЛ -полностью освоено Лебедянским машиностроительным заводом, выпущено более 3,5 тысяч сепараторов МН-ГСЛ. Они эксплуатируются во всех основных нефтедобывающих районах России, а также на месторождеш1ях Белоруссии.

Промысловые испытания установок ЭЦН ведущей американской фирмы «ГОДА» с газосепараторами на Талинском месторождении показали убедительное преимущество сепаратора МН-ГСЛ по сравнению со своими иностранными анаюгами. Из-за низкой эффективности сепараторов фирмы «ГОДА» погружные насосы срывали подачу и скважины не удавалось вывести на режим, причем не помогло использование вариатора частоты тока на одной га скважин. Сопоставление результатов испытаний на Талинском месторождении показало, что по сравнению с сепаратором ведущей американской компании «РЭДА» отечественный сепаратор МН-ГСЛ намного эффективнее отделяет свободный газ, а также имеет меньшие габаритные размеры и массу. При этом отечественный сепаратор МН-ГСЛ в несколько раз дешевле своего заокеанского аналога.

Анализ результатов промысловых испытаний и компьютерного моделирования дал возможность установить, что применение эффективных газосепараторов к "УЭЦН, помимо безусловно полезного факта устранения влияния свободного газа на характеристику ЭЦН, имеет и ряд . негативных моментов. Так, существенно уменьшается работа газа по подъему жидкости в насосно-компрессорных трубах вследствие значительного снижения газового, фактора и давления насыщения из-за сепарации газа на приеме ЭЦН. При этом наблюдается подъем продукции по затрубному пространству вследствие газлифтного эффекта, что чревато выпадением отложений твердой фазы в загрубном пространстве и коррозией эксплуатационной колонны, а также может привести к образованию глухих парафино-гидратных пробок. Кроме того, в случае изменения параметров эксплуатации (например, падения пластового давления) ЭЦН с сепаратором не может существенно изменить режим своей работы, поэтому приходится переводить

ч

установку на периодическую эксплуатацию.

Для успешной работы в этих условиях необходима иная технология эксплуатации скважин, а именно - применение погружных насосно-эжекторных систем.

В пятой главе выполнено исследование работы струйных аппаратов при откачке жидкости, газа и газожидкостных смесей.

Многие особенности рабочего процесса струйного аппарата, являющегося основным элементом погружной насосно-эжекторной системы, несмотря на простоту его конструкции, остаются к настоящему времени недостаточно щученными. Для исследования этих процессов были проведены специальные стендовые эксперименты. Они выполнены в соответствии с рекомендациями патента Российской Федерации №2075654, что обеспечивало достаточное для практических целей соответствие стендовых параметров скважшшы.м условиям.

При исследовании струйных аппаратов были испытаны три вида прямоточных одноствольных рабочих сопел, а также многоствольное сопло ,и различные винтовые'сопла

Среди прямоточных одноствольных рабочих сопел наилучшие результаты при эжектировании жидкости и газа обеспечивают коническое сопло с небольшим цилиндрическим участком на выходе и диафрагменное сопло с прямоугольными кромками.

Проведенные исследования позволили установить, что выводы В.А.Копылова и Н.Ф.Мещерякова об улучшении откачки газа эжектором при уменьшении длины камеры смешения справедливы только для крайне левых и правых частей характеристики. В рабочей же области характеристики, наоборот, параметры эжектора при откачке газа повышаются с увеличением длины камеры смешения, что подтверждает применимость для этой зоны выводов Р.Г.Кашпшгэма, Р.Дж.Допкина, Б.Е.Кореннова и др.

Эксперименты показали также, что при откачке однородной жидкости целесообразно применять короткие камеру смешения. Увеличение длины камеры смешения в .данном случае повышает гидравлические потери и снижает рабочие параметры струйных аппаратов.

Согласно работам Ю.Н.Васнльева, ЕП.Гладкова, К.Г.Донца и др., наилучшие результаты по эжектироватпо газа дает применение многоствольных сопел. С целью проверки этого вывода применительно к струйным аппаратам для установок ЭЦН был испытан эжектор, комплектуемый одноствольным и многоствольным диафрагменными соплами. Многоствольное сопло имело 9 отверстий и по суммарной площади стволов было эквивалентно одноствольному соплу. Сопоставление ' полученных параметров показало, что при эжектировании газа многоствольное сопло дает несколько лучшие результаты лишь в крайне левой части характеристики. В рабочей и правой областях наблюдается явное преимущество одноствольного сопла Причиной этого, по-видимому,

является воздействие масиггабного фактора, поскольку геометрические размеры струйных аппаратов для погружных насосно-эжекгорных систем намного меньше, чем в исследованиях Ю.Н.Васильева, Е.П.Гладкова, К.Г.Донца и др.

При откачке жидкости наблюдается иная картина. В бескавигационной зоне характеристики эжекторов с одноствольным и многоствольными соплами практически совпадают. Однако в правой части характеристики воздействие кавитации сильнее проявляется у эжектора с одноствольным соплом. В струйном аппарате с многоствольным соплом вредное влияние кавитации начинает сказываться при заметно более высоких коэффициентах инжекции.

Основным недостатком сопел с прямолинейным течением рабочей среды является то обстоятельство, что наибольшая скорость и пропорциональная ее квадрату кинетическая энергия имеют место в центральной часта струи. На периферии же струи, как раз в той области, где происходят взаимодействие и энергообмен между рабочим и эжектируемым потоками, скорость и энергия минимальны. Таким образом, наблюдается парадокс: даже если струя истекает через сопло с высоким коэффициентом расхода, ее энергия используется в лучшем случае процентов на тридцать, а то и меньше.

Обеспечить более равномерное распределение кинетической энергии по сеченшо потока можно путем его закрутки. В теплообменниках замена прямоточных круглых труб на винтовые овального сечения позволила, по данным Ю.И.Данилова и др., существенно интенсифицировать гидро- и термодинамику процесса. Кроме того, Ю.М.Ермаков показал, что дальность полета закрученной струи жидкости из винтового насадка значительно возрастает. В связи с этим были проведены специальные исследования эжекторов с винтовыми соплами.

Наилучшие показатели при этом были получены у эжектора, имеющего винтовое сопло с предвключенной шаровой полостью. При откачке жидкости его параметры практически идентичны характеристикам струйного аппарата с коническим соплом. При откачке же газа энергообмен между взаимодействующими потоками в струйных аппаратах с винтовыми соплами завершается существенно раньше, чем в эжекторах с другими конструкциями сопел. Следовательно, применение винтовых сопел дает возможность улучшения работы жндкостно-газовых эжекторов при одновременном уменьшении их массогабаригных параметров. На один из эжекторов получен патент Российской Федерации №1732003, другое устройство наход ится в настоящее время в стадии патентования.

Проведенные исследования показали, что характеристики одного и того же жидкостно-газового эжектора, построенные в традиционно применяемых координатах, при изменении давления рабочей жидкости перед соплом существенно отличаются друг от друга. Это сильно затрудняет подбор струйных аппаратов для различных условий эксплуатации насосно-эжекгорных систем.

В связи с этим был предложен новый параметр рабочей характеристики струйного аппарата - среднеюттегральный коэффициент инжекции газа • При работе эжектора давление откачиваемого газа по длине камеры смешения и диффузора возрастает, газ сжимается и частично растворяется в жидкости, так что его объемный расход снижается. Новый параметр учитывает это снижение и по своему физическому смыслу характеризует отношение среднего расхода газа в проточной части струйного аппарата к подаче рабочей жидкости.

Применение нового параметра ^гср позволило вместо серии графиков в традиционных координатах построить одну характеристическую кривую работы эжектора. Эксперименты подтвердили применимость предложенного

способа обобщения характеристик в широком диапазоне изменения рабочего давления для эжекторов, имеющих разные геометрические размеры.

Таким образом, предложенный новый параметр - среднеинтегральный коэффициент инжекщш позволяет обобщить характеристики жидкостно-газовых эжекторов в различных режимах эксплуатации. Это дает возможность пользоваться рабочими характеристиками, едиными для каждого типоразмера эжектора, что существенно упрощает и уточняет процесс подбора струйных аппаратов для насосно-эжекгорных систем.

В дальнейшем на стенде были выполнены исследования характеристик струйных аппаратов на газожидкостной смеси при нагнеташш в рабочее сопло однородной жидкости.

Как показали эксперименты, струйный аппарат устойчиво работает во всей области газосодержаний - от 0 до 1. При малых газосодержаниях величина коэффициента инжекции по жидкости снижается незначтельно. Прй дальнейшем увеличении газосодержания подача жидкости струйным аппаратом начинает уменьшаться интенсивнее. Однако при этом эжектор способен откачивать значительное количество свободного газа.

Интересные результаты получены в области высоких газосодержаний откачиваемой продукции. При наличии некоторой доли жидкости в подсасываемом газе струйный аппарат эжектируег большее количество газа, чем в случае откачки чистого газа, при этом возрастает также давление, создаваемое эжектором. Следовательно, эксперименты показывают, что имеется возможность создания нового способа эжектирования газа путем подачи определенного количества жидкости в приемную камеру струйного аппарата. Существенное улучшение при этом работы Эжектора может быть объяснено повышением эффективности энергообмена между взаимодействующими потоками вследствие интенсификации разрушения струи рабочей жидкости.

На основе исследованного эффекта были созданы новые технические решения: способ работы жидкосгто-газового эжектора (патент Российской Федерации №1735611), насосно-эжекторная установка (патент Российской Федерации №1749556) и способ работы насосно-эжекгорной системы (патент Российской Федерации №2016265). Эти изобретения предназначены для использования не только в добыче нефти и системах нефтегазосбора, но _ и в других отраслях техники, где применяются процессы эжектирования продукшш.

Обнаруженный эффект увеличения расхода подсасываемого газа при подаче в приемную камеру эжектора некоторого количества жидкости проявляется, как показали эксперименты, для струйных аппаратов различных конструкций, за исключением эжекторов с очень длинными (30 диаметров) камерами смешения.

Поскольку в подавляющем большинстве случаев эксплуатации струйный аппарат эжектирует из кольцевого пространства скважины газожидкостную смесь, большое значение имеет поиск рациональной длины камеры смешения - важнейшего геометрического параметра, определяющего эффективность работы эжектора, при, различных газосодержаниях откачиваемой продукции.

С учетом фактора наименьшей подверженности абразивному износу для испытаний эжекторов с различными длинами камеры смешения на газожидкостной смеси было выбрано коническое сопло. Впоследствии именно такие сопла применялись при внедрении погружных насосно-эжекгорных систем на промыслах.

При обработке экспериментальных данных в качестве характеристики безразмерной подачи струйного аппарата на ГЖС предложено использовать новую для стрЧчПюй техники величину суммарного коэффициента инжекции 'Лум- По своему физическому смыслу И^, является средним значением коэффшшет а тгжекшш ГЖС в проточных органах струйного аппарата при

нарастании давления по длине эжектора С учетом этого получено выражение дня суммарного к.п.д. эжектора на ГЖС, определяемого отношением полезной мощности к затраченной.

Предложенные параметры позволили провести анализ экспериментально полученных характеристик струйных аппаратов при откачке ГЖС, который показал, что для подавляющего большинства условий Эксплуатации погружных насосно-эжекторных систем в скважинах рациональная длина камеры смешения составляет 10 ее диаметров. Длинные камеры смешения (20 - 30 диаметров) следует применять только в области газосодержаний откачиваемой продукции, превышающих 90%.

Проведённые эксперименты показали также, что расширение области бескавитационной работы при откачке однородной жидкости приводит к улучшению параметров работы эжектора на ГЖС. Кроме того, характеристики струйного аппарата с коническим соплом, откачивающего ГЖС, в отличие от ЭЦН, практически не зависят от ленообразующих свойств жидкости.

В шестой главе рассмотрены особенности совместной работы погружного центробежного насоса, газосепаратора и струйного аппарата.

С целью экспериментальной проверки теоретической характеристики погружной насосно-эжекторной системы были проведены стендовые испытания в ГАНГ им. И.М.Губкина и на Лебедянском машиностроительном заводе.

Особенности совместной работы ЭЦН л_струйного аппарата вначале были исследованы при откачке жидкости н газа на стенде в ГАНГ им. И.М.Губкина. При этом было отмечено, что изменение противодавления на выходе из системы при откачке жидкости в области положительных подач струйного аппарата изменяет подачу только у эжектора, а производительность и давление ЭЦН остаются практически неизменными.

Эксперименты показали, что наличие обратного клапана в приемной камере струйного аппарата является необходимым условием успешной- работы насосно-эжекторной' системы в скважине. Напорные характеристики струйного аппарата при откачке жидкости состоят из двух участков -наклонной линии бескавигашонной работы и вертикального кавитационного участка Поскольку давление в приемной камере эжектора было близко к атмосферному, паровая кавитация существенно сокращала область работы струйного аппарата.

Характеристика эжектора при откачке газа несколько отличается по сравнению с откачкой однородной жидкости. Однако при подсасывании эжектором газа, так же как и в случае откачки жидкости, режим работы ЭЦН в составе насосно-эжекторной системы остается практически неизменным.

На стендовой характеристике системы можно четко выделить две области: левую, где струйный аппарат является забойным штуцером, и правую, в которой эжектор включается в работу и откачивает дополнительное количество продукции.

Эксперименты по снятию совместной характеристики ЭЦН и серийно изготовленных образцов струйных аппаратов, выполненные на стенде Лебедянского машиностроительного завода, подтвердили результаты, полученные на стенде в ГАНГ им. И.МГубкина.

Таким образом, стендовые исследования показали справедливость модели, заложенной в расчет теоретической характеристики погружной насосно-эжекторной системы. Единственным отличием фактической стендовой характеристики от теоретической при откачке однородной жидкости является вертикальный кавитационный участок в правой части. Его появление вызвано тем, что давление на приеме эжектора было близким к атмосферному. В реальных условиях скважин величины давлений на приеме насосно-эжекторной системы значительно больше, поэтому там вертикального кавитационного участка не будет.

Важнос значение для эксплуатации насосно-эжекторных систем, имеет вопрос о работе струйного аппарата при истечении через сопло газожидкостной смеси. В случае, если присутствие газа в рабочей жидкости не *' влияет на характеристику эжектора, значительно снижается необходимость установки газосепаратора в систему. Если же наличие свободного газа в рабочей жидкости ухудшает работу системы, наличие газосепаратора становится обязательным.

Эксперименты, поставленные с целью решения этого вопроса, показали, что эжектор работает устойчиво с неизменными параметрами только в зоне небольших газосодержаний рабочей среды (примерно до 12 -15%). Поэтому установка сепаратора является обязательным условием успешной работы системы ЭЦН со струйным аппаратом в скважине.

При расчете работы насосно-эжехторной системы, содержащей ЭЦН с газосепаратором и струйным аппаратом, необходимо подобрать диаметр сопла таким образом, чтобы режим работы силового ЭЦН находился в оптимальной зоне характеристики. При этом следует учесть, что в целях унификации номенклатуры изготовляемых струйных аппаратов при серийном производстве целесообразно по возможности ограничить набор типоразмеров эжекторов. Наиболее приемлемым с этой точки зрения является вариант, в котором один типоразмер струйного аппарата пригоден для использования с различными по напорности типоразмерами ЭЦН одной номинальной подачи.

Проведенные расчеты позволили выполшпь условие, чтобы точки совместной работы ЭЦН и сопла находились вблизи от оптимального режима ЭЦН. Так, для насосов ЭЦН5-125 расчетный диаметр сопла эжектора составил 3,5 мм. Точки пересечения характеристик сопла и всех типоразмеров ЭЦН5-125 по подаче находятся в непосредственной близости от оптимального режима характеристики:

-33!

для ЭЦН5-125-1200 - 123м*/сут, ЭЦН5-125-1300 - 128м7суг, ЭЦН5-125-1800 - 137м3/суг'. Аналогичным образом были определены и диаметры сопел эжекторов применительно к другим типоразмерам ЭЦН, серийно выпускаемых на заводах России.

Для определения режима работы установки ЭЦН с газосепаратором и струйным аппаратом в\ скважине была создана методика расчета характеристики,—погру>кной насосно-эжекторной системы. Методика базируется на выполненных теоретических и экспериментальных исследованиях и позволяет по известным параметрам газожндкостной смеси на входе в систему, характеристике ЭЦН и геометрическим размерам струйного аппарата найги давление, развиваемое системой «ЭЦН -газосепаратор - струйный аппарат». Задаваясь различными значениями ; подачи ГЖС, можно построить рабочие характеристики погружной насосно-эжекторной системы.

Эта методика вошла затем составной частью в разработанную методику подбора погружных насосно-эжекторных систем к скважинам, применимую в широком диапазоне условий.

При расчетах по методике пользователь задает желаемый диапазон дебитов жидкости из скважины - от минимального до максимального. После этого диапазон дебитов разбивается на ряд значений подачи, для каждой из которых определяется давление, требуемое для подъема продукции из скважины. Таким образом рассчитывается напорная характеристика скважины.

Затем осуществляется поиск точек пересечения напорной характеристики скважины с характеристиками УЭЦН с гаэосепаратором и струйным аппаратом. Расчеты ведутся как для л срой, так и правой ветвей

хараюгеристик погружных насосно-эжекторных систем. В случае подбора нескольких установок потребитель вправе самостоятельно решить, какой из предложенных вариантов наиболее подходит для текущей геолого-промысловой ситуации разработки месторождения.

Проверка разработанной методики подбора осуществлялась по исходным данным для скважин Федоровского, Покамасовского и СевероСургутского месторождений Западной Сибири, в которых проводились испытания погружных насосно-эжекторных систем с соответствующим авторским надзором за внедрением. Сопоставительный анализ показал, что наблюдается вполне удовлетворительная сходимость расчета и практики, среднее различие между расчетными и фактическими дебетами составляет 6,8%. Следовательно, точность рекомендаций находится в пределах погрешности промысловых замеров дебита скважин.

В седьмой главе представлены результаты промышленного использования погружных насосно-эжекторных систем.

После выполнения теоретических и стендовых исследований были начаты промысловые испытания погружных насосно-эжекторных систем. Первые эксперименты были проведены на Талинском месгорождешш АО «Кондпетролеум». В процессе этих испытаний была отлажена конструкция струйного аппарата и подобран материал для рабочего сопла эжектора, обеспечивающий эксплуатацию без износа в течение нескольких лет.

Анализ особенностей эксплуатации погружных насосных и насосно- . эжекторных систем на Талинском месторождении показал, что эффект частичной сепарации легкой нефти с большим газовым фактором в захрубное пространство обводненных скважин приводит к существенным осложнениям в работе серийных установок ЭЦН. Режимы эксплуатации становятся нестационарными, снижается дебит и происходят срывы подачи, что приводит к потерям в добыче нефти и преждевременным отказам

установок. Единственной технологией, позволяющей успешно решить эти проблемы, является применение погружных насосно-эжекторных систем.

Внедрение погружных насосно-эжекторных систем в обводненных скважинах Талинского месторождения позволило увеличить дебиты скважин и получить дополнительную добычу нефти, обеспечило стабильную . эксплуатацию и существенное повышение наработок на отказ. Тем самым было подтверждено теоретическое положение о том, что эксплуатация системы в правой части характеристики обеспечивает увеличение наработок за счет поддержания режима ЭЦН в оптимальной зоне и способности струйного аппарата успешно работать на многофазных средах.

В связи с тем, что в осложненных условиях Талинского месторождения групповые замерные установки (ГЗУ) «Спутник» работают крайне ненадежно, замер дебилов скважин, оборудованных погружными насосно-эжекгорными системами, производили с помощью мерных емкостей. Однако следует отметить, что этот способ замера, обеспечивающий высокую точность определения дебита, связан с трудностями организационно, технического порядка Поэтому было выполнено обобщение промысловых характеристик погружных насосно-эжекторных систем в координатах «дебит жидкости - динамический уровень». Имея такие графики, можно по замеренному уровню оперативно оценить дебит жидкости в случае неработоспособности ГЗУ.

Графический анализ показал, что точки, полученные в скважинах различных месторождений Западной Сибири при эксплуатации определенного типоразмера системы, можно обобщить единой зависимостью. Эта характеристика имеет тот же вид, что и теоретическая характеристика погружной насосно-эжекторной системы, что еще раз свидетельствует о правильности предложенной расчетной модели. Подобные графики построены и для других типоразмеров систем.

Внедрение на Талинском месторождении показало, кроме этого, что эксплуатация погружных насосно-эжекгорных систем в правой части характеристики, способствующая повышению наработок установок на отказ, росту дебетов жидкости и получению дополнительной добычи нефти, является также и эффективным методом повышения нефтеотдачи пластов.

С целью проверки эффективности новой технологии в иных геолого-промысловых условиях было осуществлено опытно-промышленное внедрение погружных насосно-эжекгорных систем в НГДУ «Федоровскнефть» АО «Сургутнефтегаз». Газовые факторы нефтей Сургутского района меньше, чем на Талинском месторождении, однако проблемы, связанные с нестационарными режимами освоения и эксплуатации добывающих скважин, существуют и здесь.

Промысловые испытания показали, что в скважинах АО «Сургутнефтегаз» удалось реализовать такие преимущества погружных насосно-эжекгорных систем, как: способность успешно адаптироваться к существенно . изменяющимся условиям работы; возможность эксплуатировать ЭЦН в оптимальном режиме; облегчение вывода скважин на режим после глушения при подземном ремонте; повышение наработки установох на отказ; увеличение дебита жидкости и добычи нефти из скважин; возможность уменьшения глубины спуска ЭЦН.

Срок окупаемости погружных насосно-эжекторных систем при эксплуатации в скважинах, по данным НГДУ «Федоровскнефть», составил чуть больше месяца (33 суток).

Внедрение новой технологии в скважинах АО (Лукойл Лангепаснефтсгаз» показало, что применение погружных насосно-эжекгорных систем является эффективным средством для вывода скважин из бездействия в осложненных условиях эксплуатации и получения дополнительной добычи нефти. Установки ЭЦН с газосепараторами и струйными аппаратами успешно адаптируются к процессам существенного

юменения добывшее возможностей скважнн при выводе на режим и нестационарной фильтрации флюидов в пласте. Эта технология дает возможность надежно эксплуатировать скважины при значительном падении пластового давления в залежи, а также при очень высоких входных газосодержаниях.

В АО «Пурнефтегаз» практически все месторождения содержат нефти с высоким газовым фактором, что создает немалые трудности для эксплуатации серийных установок ЭЦН.

В этих условиях применение первой партии погружных насосно-эжекторных систем принесло положительные результаты. На Комсомольском месторождении удалось перевести на постоянный режим трудноосваиваемые скважины, эксплуатировавшиеся ранее серийными установками ЭЦН периодически, со срывами подачи. На Западно-Пурпейском и Барсуковском месторождении были освоены находившиеся в бездействии скважины, которые не удавалось запустить в работу с применением дорогостоящего импортного оборудования.

По состоянию на середину 1997 г. погружные насосно-эжекторные системы были внедрены на Таяинском, Федоровском, Северо-Сургутском, Ляиторском, Покамасозском, Урьевском, Нивагальском, Самотлорском, Северо-Варьеганском, Вынгалуровскоч Вынгаяхинском, Комсомольском, Западно-Пурпейском, Барсукопском, Тананыкском, Уренгойском, Ломовом и некоторых других месторождениях России, а также на промыслах Белоруссии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

I. Разработаны, исследованы теоретически и экспериментально и запатентованы погружная • насосно-эжекторная система, а также способ эксплуатации скважин с ее использованием. Система,

содержащая ЭЦН, центробежный газосепаратор и струйный аппарат, позволяет надежно добывать нефть при высоким газовом факторе и может успешно адаптироваться х изменяющимся в широком диапазоне эксплуатационным условиям. Эти разработки в настоящее время заметно превышают мировой уровень. За рубежом подобные исследования ведутся с отставанием на несколько лет.

2. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что

■ характеристика погружной насосно-эжекторной системы состоит из

двух частей - левой, в которой струйный аппарат выполняет роль забойного штуцера, и правой, в которой эжектор дополнительно откачивает продукцию скважины из затрубного пространства. Такая форма характеристики обеспечивает системе существенные преимущества по сравнению с серийными ЭЦН при выводе скважин на режим и последующей эксплуатации, особенно в условиях изменяющихся во времени параметров разработки. В правой части характеристики погружной центробежный насос работает в оптимальном режиме, что обеспечивает наибольший межремонтный период, а все изменения подачи, связанные с нестационарностью эксплуатации, компенсирует струйный аппарат. В этом случае к.п.д. эжектора в составе системы увеличивается почти в два раза за счет полезного использования всего потока рабочей жидкости.

3. По результатам экспериментальных исследований ЭЦН на различных по свойствам ГЖС установлены основные факторы, определяющие степень влияния свободного газа на работу погружного центробежного насоса. Получены зависимости по учету влияния газа, на основе которых разработана методика расчета характеристик ЭЦН на водонефтегазовых смесях, охватывающая как бескавнтЬционные режимы работы на "ГЖС, так и режимы искусственной кавитации. Сопоставление результатов расчета и фактических характеристик

ЭЦН показало их хорошую сходимость при откачке нефтегазовых и водонефтегазовых смесей в широком диапазоне газосодержаний и во всем интервале обводненности.

4. Предложен новый принцип эффективной сепарации свободного газа" из ГЖС, на основе которого разработан и запатентован суперкавитирующий газосепаратор МН-ГСЛ. Стендовые исследования показали, что газосепаратор МН-ГСЛ существенно превосходит своего предшественника - сепаратор МНГ. По результатам промысловых испытаний газосепаратор МН-ГСЛ рекомендован приемочной комиссией к серийному производству, освоен промышленностью и широко применяется в нефтедобывающих регионах страны.

5. Промысловые исследования убедительно доказали, что газосепаратор МН-ГСЛ по сравнению с сепаратором ведущей американской фирмы «РЭДА» намного эффективнее отделяет свободный газ, а также имеет меньшие габариты и массу. При этом отечественный сепаратор МН-ГСЛ в несколько раз дешевле своего заокеанского аналога

6. Установлено, что применение эффективных газосепараторов к УЭЦН, несмотря на снижение вредного влияния свободного газа, имеет и негативные моменты при эксплуатации скважин. Так, существенно уменьшается работа газа по подъему жидкости в насосно-компрессоршх трубах. Отсепарированный свободный газ вызывает подъем продукции по затрубному пространству, что приводит к коррозии и износу эксплуатационной колонны, а также к выпадению отложений твердой фазы и образованию прочных ларафино-гидратных пробок. Кроме того, ! установка ЭЦН с сепаратором не может успешно адаптироваться к «сменяющимся условиям эксплуатации. Для решения ' этих проблем необходима иная

. технология добычи нефти, а именно - применение погружных насосно-эжекгорных систем.

7. При откачке струйными аппаратами жидкости и газа наилучшие результаты достигаются при использовании конических, диафрагмеиных и винтовых сопел. С учетом фактора абразивного износа рекомендовано для использования в составе погружных -насосно-эжекторных систем применять конические сопла

8. Обобщены характеристики жидкостно-газовых эжекторов в различных режимах эксплуатации и найдены критерии для аналща струйных аппаратов при откачке ГЖС.

9. Установлено, что при эжекгаровании газа подача некоторого количества жидкости в приемную камеру существенно увеличивает коэффициент инжекции газа и давление, развиваемое струйным аппаратом. С использованием этого эффекта предложены и запатентованы новые технические решения в области струйной техники.

10. Для подавляющего большинства условш! эксплуатащш погружных насосно-эжекгорных систем в скважинах рациональная длина камеры смешения составляет 10 ее диаметров. Длинные камеры смешения (20 - 30 диаметров) следует применять только для очень высоких газосодержаний откачиваемой продукции.

11. Экспериментальные исследования показали, что наличие эффективного газосепаратора является обязательным условием успешной работы ЭЦН со струйным аппаратом в скважине.

12. На базе обобщения всех накопленных к настоящему времени теоретических и экспериментальных исследований разработана методика подбора погружных нэсосно-эжекторных систем к скважинам, точность рекомендаций которой находится в пределах погрешностей промысловых замеров.

-4113. Внедрение погружных насосно-эжекторных систем в скважинах Талинского месторождения АО «Кондпетролеум)> позволило увеличить дебигы скважин и получить дополнительную добычу нефти, обеспечило стабильную эксплуатацию и существенное повышение наработок установки на отказ.

14. Использование погружных насосно-эжекторных .систем в АО «Сургутнефтегаз» дало возможность эксплуатировать ЭЦН в оптимальном режиме в широком диапазоне изменения эксплуатационных условий, увеличить дебеты жидкости и добычу нефти из скважин, а также облегчить освоение и вывод скважин на режим и повысить наработку УЭЦН на отказ. Была обеспечена надежная работа установок в скважинах при отключениях системы поддержания пластового давления и нестационарных режимах разработки месторождений. При этом уже за первые неполные семь месяцев эксплуатации систем был достигнут экономический эффект, превышающий более чем в шесть раз затраты на внедрение. Срок окупаемости погружной насосно-эжекторной системы составил около одного месяца

15. Применение погружных насосно-эжекторных систем на месторождениях АО «Лукойл - Лангепаскефтегаз» и АО «Пурнефтегаз» оказалось эффективным средством для вывода скважин с осложненными условиями из бездействия.

16. Погружные насосно-эжекторные системы успешно адаптируются к процессам существенного изменения добывных возможностей скважин при освоении и выводе на режим и нестационарно": разработке месторождений, а также дают возможность надежно эксплуатировать скважины при значительном снижении пластового давления и при очень высоких входных газосодержаниях.

17. В настоящее время тяружные насосно-эжекторные системы широко используются на многих месторождениях России, а также на промыслах Белоруссии. Оборудование для погружных насосно-эжекторных систем серийно выпускается на Лебедянском машиностроительном заводе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Дроздов А.Н. Исследование процесса обтекания потоком газожид-косгной смеси модели лопасти рабочего колеса центробежного насоса - В кн.: Молодежь и научно-технический прогресс в нефтяной и газовой промышленности: Тез. докл. Всесоюзной конф. молодых ученых и специалистов. - М., 1981, с. 155.

2. Дроздов А.Н. Влияние конценгращш ПАВ на характеристику погружного центробежного насоса при работе на газожидкосгной смеси. - Нефтепромысловое дело, 1981, №12, с. 9 -11.

3. Ляпков П.Д., Игревский В.И., Дроздов АЛ. Исследование работы погружного центробежного насоса на смеси вода - газ. - Нефтепромысловое дело, 1982,Ха4, с.19-21.

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

5. Ляпков П.Д^Игревский В.И., Дроздов А.Н. Влияние давления у входа в погружной цетробежный насос на его характеристику при работе на смеси вода - ПАВ - газ. - Нефтепромысловое дело, 1982, №6, с.16 - 18.

6. 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. 1 б -

7. Промысловые испытания УЭЦН с газосепаратором /Балыкин В.И., Дроздов А.Н., Игревский В.И. и др. - Нефтяное хозяйство, 1985, №1, с.62 - 65.

8. Ляпков П.Д., Игревский В.И., Дроздов А.Ц, Работа погружных цент- .. робежных насосов на вязких газожидкостных смесях - Нефтепромысловое дело и транспорт нефти, 1985, №2, с. 11 - 14.

9. Выбор рабочих параметров погружного центробежного насоса при откачке газожидкостной смеси из скважины /Дроздов А.Н., Игревский В.И., Ляпков П.Д., Филиппов В.Н. - Обзорная информация, серия «Нефтепромысловое дело». - М.: ВНИИОЭНГ, 1986, вып.11, 50с.

J 0. Ляпков П.Д., Игревский В.И., Дроздов А.Н. Дисперсность газовой . фазы в проходящем через погружной центробежный насос потоке газожидкостной смеси. - Изв. вузов. - Нефть и газ. - Баку: АзИНЕФЕХИМ им. М.Азизбекова, 1986, №4, с.55 - 59.

11. Приемочные испытания опытных образцов газосепаратора к УЭЦН /Балыкин В.И., Дроздов А.Н., Игревский В.И. и др. - Нефтяное хозяйство, 1986, №12, с.69 - 71.

12. Игревский В.И., Дроздов А.Н. Освоение скважины погружным центробежным электронасосом в условиях высокопродуктивного трещиноватого пласта. - Нефтяное хозяйство, 1987, №5, с.52 - 56.

13. Ляпков П.Д., Дроздов А.Н. Изменение давления насыщения и кривой разгазирования пластовой нефти вследствие частичной сепарации газа у входа в ЭЦН. - Экспресс-информация «Нефтепромысловое дело». - - М.: ВНИИОЭНГ, 1987, №6, с.4 - 7.

-4414. Результаты испытаний газосепараторов к УЭЦН на месторождениях Западной Сибири и Сахалина / Дроздов АЛ, Игревский В.И., Саль-манов Р.Г. и др. - Тр. /МИНГ, 1987, вып. 199, с. 110 -115.

15: Опыт внедрения газосепараторов к УЭЦН в ПО «Варьеганнефтегаз» / Игревский В.И, Дроздов А.Н., Ляпков П.Д. и др. - Нефтяное хозяйство, 1987, №12, с.49 - 51.

16. Дроздов А.Н. Исследование работы модернизированного газосепаратора 1МНГ5 к погружным центробежным насосам. - В кн.: Машины и установки для добычи и транспорта нефти, газа и газового конденсата: Тез. докл. областной конф. - Сумы, 1988, с.14-15.

17. Дроздов А.Н. Обзор современных конструкций газосепараторов к погружным центробежным насосам. - В сб.: Труды научно-техн. конф. молодых ученых и специалистов МИНГ им. И.М.Губкина. Секция разработки нефтяных и газовых месторождений. Москва, 2627 февраля 1987 гУ Моск. ин-т нефти н газа. - М., 1988, с.7-18.- Деп. во ВНИИОЭНГ 26 мая 1988 г., №1560-нг.

18. Дроздов А.Н. Опытная эксплуатация методики «НАСОС МИНГ-ОКБ БН» - В сб.: Труды научно-техн. конф. молодых ученых и специалистов МИНГ им. И.М.Губкнна. Секция разработки нефтяных и газовых месторождений. Москва, 26-27 февраля 1987 г./ Моск. ин-т нефти и газа. -М., 1988, с. 19-32. -Деп. во ВНИИОЭНГ 26 мая 1988г., №1560-нг.

19. Дроздов А.Н. Анализ работы погружных центробежных насосов с газосепараторами в ПО «Ногликинефтегаздобыча». - Экспресс-информация «Техника и технология добычи нефти и обустройство нефтяных месторождений». - М.: ВНИИОЭНГ, 1988, №12, с.6 -7.

20. Исследование работы газосепаратора 1МНГ5 к УЭЦН на вязких газожидкостных смесях/ Ляпков П.Д., Игревский В.И., Дроздов А.Н. и др. - Нефтяное хозяйство, 1989, №4, с.41 - 44.

21. Дроздов АН. Экспериментальные исследования работы струйных аппаратов с погружными центробежными электронасосами при перекачке жидкости и газа - В кн.: Роль молодежи в решении конкретных научно-технических проблем нефтегазового комплекса страны: Тез. докл. Всесоюзной конф. - 1989, с.184.

22. A.c. СССР №1521918. Стенд для испытаний газосепараторов /Авт. изобрет. Дроздов АН., Васильев М.Р., Варченко ИВ. и др. - М. ют F 04 Д 15/00, заявл. 25.08.1987, опубл. 15.11.1989, Б.И. №42.

23. Дроздов А.Н. Обобщение характеристик жидкостно-газовых эжекторов. - Экспресс-информация «Техника и технология добычи нефти и обустройство нефтяных месторождений» - М.: ВНИИОЭНГ, 1991, №9, с. 18 - 22.

24. Патент РФ №1732003. Эжектор /Авт. изобрет. Ермаков Ю.М., Дроздов А.Н. -М. кл. F04 F5/02, заявл. 29.11.1989, опубл. 07.05.1992, Б.И.№17.

25. Патент РФ №1735611. Способ работы жидкостно-газового эжектора /Авт. изобрет. Дроздов А.Н., Игревский В.И., Кузнецов П.Б. и др. -М кл. F04 F 5/04, заявл. 21.03.1990, опубл. 23.05.1992, Б.И.№19.

26. Патент РФ №1749556. Насосно-эжекгорная установка /Авт. изобрет. Дроздов А.Н., Игревский В.И., Бажайюш С.Г., Танеев Р.Г. - М. кл. F 04 F 5/54, заявл. 21.03.1990, опубл. 23.07.1992, Б.И,№27.

27. Патент СССР №1825544. Устройство для подъема газированной жидкости из сквагины /Авт. изобрет. Дроздов А.Н., Игревский В.И., Лягасов П.Д., Мищенко М.Т., Богомольный Г.И. -М. кл. F 04 F 5/54, заявл. 29.06.1988, зарегисгрирслно в Госрсестре изобретений СССР 12.10.1992. .

28. Патент СССР №1831593. Способ извлечг.л- неоднородной многофазной среды из скважины /Авт." изобрет. Дрозда А.Н., Игревский

В.И., Ляпков П. Д., Мищенко И.Т., Богомольный Г.И. - М. кл. Б 04 Е 5/54, заявл. 29.06.1988, опубл. 30.07.1993, Б.И.№28.

29. Дроздов А.Н., Демьянова Л.А. Исследование процесса эжекгирова-ния струйного аппарата при истечении через сопло газожндкостной смеси. - Нефтепромысловое дело, 1994, №3 - 4, с. 12.

30. Губкин А.Н., Дроздов А.Н., Игревский В.И. Промысловые испыта-- ния газосепаратора МН-ГСЛ5 к погружным центробежным насосам.

- Нефтяное хозяйство, 1994, №5, с.60 - 62.

31. Дроздов А.Н., Демьянова Л .А. Исследование работы струйного аппарата при различных длинах камеры смешения и эжектировании струей жидкости газожидкостной смеси. - Нефтепромысловое дело, 1994, №6, с.4-7.

32. Патент РФ №2016265. Способ работы насосно-эжекгорной системы /Авт. изобрет. Дроздов А.Н. -М. кл. Б 04 Б 5/54, заявл. 14.06-1991, опубл. 15.07.1994, Б.ЮШ.

33. Дроздов А.Н., Игревский В.И. Стендовые испытания сепараторов 1МНГ5 и МН-ГСЛ5 к погружным центробежным насосам. -Нефтяное хозяйство, 1994, №8, с.44 - 48.

34. Дроздов А.Н. Исследование работы установок погружных центробежных насосов фирмы «РЭДА». Часть 1. - Нефтяное хозяйство,

1994, Л® 10, с.47-50.

35. Дроздов А.Н. Исследование работы погружного центробежного насоса при откачке газожидкостной смеси. - М.: ГАНГ им. И.МТубкина, 1994. - 29 с.

36. Дроздов А.Н. Исследование работы установок погружных центробежных насосов фирмы «РЭДА». Часть 2. - Нефтяное хозяйство,

1995, №1 -2, с.30-32.

37. Патент РФ №2027912. Способ откачивания жидкости скважшшым насосом и газосепаратор скважинного центробежного насоса/Авт.

изобрет. Ляпков П.Д., Дроздов А.Н., Игревский В.И. и др. - М. кл. V 04 Д 13/10, Е 21 В 43/38, заявл. 28.02.1991, опубл. 27.01.1995, Б.И.№3.

38. Дроздов А.Н. Исследование работы установок погружных центробежных насосов фирмы «РЭДА». Часть 3. - Нефтяное хозяйство,

1995, №5 - 6, с.70 - 72.

39. Дроздов А.Н., Демьянова Л.А. Стенд для испытаний гидравлических машин, применяемых в нефтяной промышленности. -Нефтепромысловое дело, 1996, №3 - 4, с.22 - 27.

40. Ермаков Ю.М., Дроздов А.Н. Винтовые насадки в развитии струйных аппаратов. - Вестник машиностроения, 1996, №4, с.43 - 44.

41. Дроздов А.Н., Андриянов А.В. Опытно-промышленное внедрение погружных насосно-эжекгорных систем в НГДУ «Федоровскнефть». - Нефтяное хозяйство, 1997, №1, с.51 - 54.

42. Патент РФ №2075654. Способ испытаний гидравлических машин и электродвигателей к ним и стенд для его осуществления /Авт. изобрег. Дроздов А.Н., Демьянова Л.А. - М. кл. Г 04 Б 5/54, Р 04 В 51/00, заявл. 14.03.1995, опубл. 20.03.1997, Б.И.№8.

43. Дроздов А.Н., Бахир С.Ю. Особенноста эксплуатации погружных насосных и насосно-эжскгоркых систем на Талинском месторождении. - Нефтепромысловое дело, 1997, №3, с.9 - 16.

44. Дроздов А.Н., Мохов М.А., Алияров Э.Г. Освоение бездействующих скважин на Покамасовском месторождении. - Нефтяное хозяйство, 1997, №8, с.44 - 47.

45. Патент РФ№2090228. Насадок/Авт. изобрет. Ермаков Ю.М., Дроздов А.Н., Савин В.Ф. -М. кл. А62С31/02, заявл. 12.07.1993, опубл. 20.09.1997, Б.И.№26.

.г •

\

4-1

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ

И.М.ГУБКИНА

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОГРУЖНЫХ НАСОСНО-ЭЖЕКТОРНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.15.06 - Разработка и эксплуатация нефтяных и

газовых месторождений

Диссертация на соискание ученой степени доктора

технических наук

На правах рукописи

УДК 622.276.53.054.23:621.67-83

ДРОЗДОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

Москва - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................ 6

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ НАСОСНО-ЭЖЕКТОРНЫХ СИСТЕМ, ИХ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................................................................................... Ю

1.1 Принципиальные схемы и основные элементы насосно-эжекторных систем....................................................................................................... И

1.2 Анализ литературных источников об установках погружных центробежных насосов со струйными аппаратами................................15

1.3 Анализ существующих исследований о работе погружных насосно-эжекторных систем и их основных элементов при откачке газожидкостных смесей из скважин.......................................................

1.3.1 Влияние свободного газа в откачиваемой скважинной продукции на работу погружного центробежного насоса............................. 18

1.3.2 Обзор отечественных и зарубежных конструкций газосепараторов к УЭЦН.................................................................... 25

1.3.3 Современные представления об откачке струйными аппаратами жидкости, газа и газожидкостных смесей...................... 31

1.4 Основные задачи исследований............................................................ 33

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ НОВОЙ ЭФФЕКТИВНОЙ КОМПОНОВКИ ПОГРУЖНЫХ НАСОСНО-ЭЖЕКТОРНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ............................. 35

2.1 Разработка перспективной схемы погружных насосно-эжекторных систем для добычи нефти........................................................................35

2.2 Теоретическая характеристика погружной насосно-эжекторной системы...................................................................................................46

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2......................................................................................... 55

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОГРУЖНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ПРИ ОТКАЧКЕ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ

ИЗ СКВАЖИН.........................................................................................57

3.1 Экспериментальное исследование влияния свободного газа на

характеристики погружных центробежных насосов.........................53

3.1.1 Конструкция установки и методика проведения экспериментов................................................................................. 58

3.1.2 Исследование влияния газа на характеристику погружного центробежного насоса при работе на смесях «вода-газ» и «вода-ПАВ-газ»................................;............................................... ь2

3.1.3 Результаты исследования работы погружных центробежных насосов на вязких газожидкостных смесях «масло-газ»............. 79

3.1.4 Зависимость степени влияния газовой фазы на работу погружного центробежного насоса от пенообразующих свойств

жидкости........................................................................................ 87

3.2 Исследование дисперсности используемых газожидкостных смесей и влияние предварительного диспергирования свободного газа на работу погружного центробежного насоса.......................... 93

3.3 Анализ среднеинтегральных параметров погружных центробежных насосов, работающих на газожидкостных смесях............................ 107

3.4 Методика расчета характеристик погружных центробежных насосов при откачке водонефтегазовых смесей из скважин............ 120

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.................................................................................... 142

4. ИЗУЧЕНИЕ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОСЕПАРАТОРОВ К ПОГРУЖНЫМ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ НАСОСАМ................................... 146

4.1 Промысловые испытания сепараторов МНГ.................................. Т46

4.2 Использование эффекта суперкавитации для создания газосепаратора нового поколения.....................................................

4.3 Стендовые исследования газосепараторов МН-ГСЛ и МНГ........... 157

4.4 Промысловые приемочные испытания и промышленное освоение газосепаратора МН-ГСЛ......................................................................

4.5 Сопоставление параметров работы отечественного газосепаратора МН-ГСЛ5 и сепаратора ведущей американской фирмы «РЭДА»..... 178

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4..................................................................................... 199

5. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СТРУЙНЫХ АППАРАТОВ ПРИ ОТКАЧКЕ ЖИДКОСТИ, ГАЗА И ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ.....202

5.1 Влияние формы сопла и длины камеры смешения на работу струйного аппарата при откачке жидкости и газа............................. 202

5.2 Обобщение характеристик жидкостно-газовых эжекторов............ 227

5.3 Закономерности работы струйных аппаратов на газожидкостных смесях................................................................................................ 234

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5.................................................................................... 265

6. ОСОБЕННОСТИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА, ГАЗОСЕПАРАТОРА И СТРУЙНОГО АППАРАТА................................................................................................ 267

6.1 Стендовая характеристика совместной работы погружного центробежного насоса и эжектора..................................................... 267

6.2 Оценка влияния газосепаратора в погружной насосно-эжекторной системе на характеристику струйного аппарата................................ 274

6.3 Расчет характеристики погружной насосно-эжекторной системы

при откачке газожидкостной смеси................................................... 277

6.4 Методика подбора погружных насосно-эжекторных систем к скважинам........................................................................................... 284

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6................................................................................ 288

7. ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОГРУЖНЫХ НАСОСНО-ЭЖЕКТОРНЫХ СИСТЕМ......................................................................... 290

7.1 Особенности эксплуатации погружных насосных и насосно-эжекторных систем на Талинском месторождении АО «Кондпетролеум».................................................................................291

7.2 Опытно-промышленное внедрение погружных насосно-эжекторных систем в НГДУ «Федоровскнефть» АО «Сургутнефтегаз»...............311

7.3 Освоение бездействующих скважин на Покамасовском месторождении АО «Лукойл-Лангепаснефтегаз»..............................322

7.4 Внедрение погружных насосно-эжекторных систем на месторождениях АО «Пурнефтегаз».................................................. 336

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 7............................................................................ 341

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ........................................... 343

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................. 348

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................ 350

ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................................................................. 378

ВВЕДЕНИЕ

Эксплуатация скважин установками погружных центробежных насосов (УЭЦН) является в настоящее время основным способом добычи нефти в России. За последние пятнадцать лет доля нефти, извлеченной на поверхность установками ЭЦН, возросла с тридцати до семидесяти процентов от общей добычи нефти в стране. Эта тенденция, по всей видимости, сохранится и в будущем.

Вместе с тем во многих нефтедобывающих районах установки ЭЦН эксплуатируются в скважинах крайне неэффективно. Вредное влияние свободного газа, нестационарность разработки нефтяных месторождений, освоение и тяжелый вывод на режим после глушения скважин и другие осложняющие факторы существенно затрудняют добычу нефти погружными центробежными насосами. Значительное число скважин эксплуатируется периодически вследствие срывов подачи ЭЦН из-за вредного влияния газа. Многие скважины вообще находятся в бездействии из-за невозможности освоить их серийным насосным оборудованием, даже дорогостоящими установками импортного производства.

В этих условиях весьма перспективным направлением является применение погружных насосно-эжекторных систем. Эти установки содержат, помимо силового насоса, струйные аппараты, а также газосепараторы. Однако известные до настоящего времени погружные насосно-эжекторные системы невозможно использовать для добычи нефти в осложненных условиях, в частности, при высоком газовом факторе нефти. Кроме того, работа отдельных элементов погружных насосно-эжекторных систем при откачке газожидкостных смесей из скважин изучена крайне недостаточно.

Отсутствие эффективных насосно-эжекторных систем явилось серьезным сдерживающим фактором, не позволяющим эксплуатировать

скважины в осложненных условиях. Невозможность нормальной добычи нефти из этих скважин крайне негативно сказывалась также на состоянии разработки месторождений. В зонах расположения бездействующих и эксплуатирующихся не в оптимальном режиме скважин оставались невыработанными значительные запасы нефти, что отнюдь не способствовало достижению высокой нефтеотдачи пластов.

Следовательно, создание насосно-эжекторных систем для добычи нефти 7 способных работать в осложненных условиях, является важной народнохозяйственной задачей. Для ее решения необходимо разработать теорию и провести цикл экспериментальных исследований предложенной новой погружной насосно-эжекторной системы, позволяющей надежно эксплуатировать скважины, осложненные вредным влиянием свободного газа, тяжелым освоением и выводом на режим, нестационарностью работы пластов и скважин и другими негативными факторами.

Учитывая изложенное выше, целью данной диссертации является разработка, исследование и промышленное использование новых погружных насосно-эжекторных систем для добычи нефти в осложненных условиях эксплуатации.

Для решения указанных проблем автором выполнен большой объем теоретических и экспериментальных исследований. Эксперименты проводились как в лаборатории на специальных стендах, так и в реальных промысловых условиях. Кроме того, в ряде случаев потребовалось проведение компьютерного моделирования и анализа работы установок в скважинах.

В результате исследований, изложенных в диссертации, разработаны и запатентованы новая погружная насосно-эжекторная система в составе центробежного насоса, газосепаратора и струйного аппарата, а также соответствующий способ эксплуатации скважин. Теоретические характеристики системы подтверждены экспериментально. Из анализа

патентной и технической литературы установлено, что наши разработки опережают аналогичные зарубежные исследования на несколько лет.

Проведенные исследования работы основных элементов системы при откачке газожидкостных смесей позволили установить целый ряд неизвестных ранее закономерностей. На основе обнаруженных эффектов разработаны и запатентованы новые технические решения, в частности, суперкавитирующий центробежный сепаратор МН-ГСЛ. Исследования показали, что сепаратор МН-ГСЛ значительно эффективнее своего предшественника - отечественного газосепаратора МНГ, а также по всем параметрам лучше сепаратора ведущей американской фирмы «РЭДА». Также запатентованы новые технические решения, относящиеся к области струйной техники (эжектор, способ работы жидкостно-газового эжектора, способ работы насосно-эжекторной системы и др.). Установленные закономерности, а также исследованные особенности совместной работы газосепаратора, погружного центробежного насоса и струйного аппарата учтены при разработке методики подбора погружных насосно-эжекторных систем к скважинам.

Широкое промышленное использование результатов исследований осуществляется в настоящее время в скважинах акционерных обществ «Кондпетролеум», «Сургутнефтегаз», «Лукойл-Лангепаснефтегаз», «Пурнеф-тегаз», «Черногорнефть», «Нижневартовскнефтегаз», «Варьеганнефтегаз», «Ноябрьскнефтегаз», «Томскнефть», «Оренбургнефть», «Белоруснефть» и «Уренгойгазпром». Промышленное применение погружных насосно-эжекторных систем позволило перевести режим работы ЭЦН в оптимальный, облегчить освоение и вывод скважин на режим (особенно скважин, длительное время простаивающих), эффективно эксплуатировать установки в условиях нестационарной разработки и при высоких входных газосодержаниях, успешно освоить бездействующие скважины, получить дополнительную добычу нефти и повысить межремонтный период работы

оборудования и скважин. Срок окупаемости системы, в среднем, около одного месяца. Серийный выпуск оборудования для погружных насосно-эжекторных систем на лицензионной основе в настоящее время производится на Лебедянском машиностроительном заводе.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ НАСОСНО-ЭЖЕКТОРНЫХ СИСТЕМ, ИХ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

Струйные аппараты (эжекторы) применяются в настоящее время практически во всех отраслях техники. В этих устройствах осуществляется передача кинетической энергии от одного потока к другому путем непосредственного контакта (смешения) /215/.

Наибольший интерес для нефтяной промышленности представляют струйные аппараты, предназначенные для эжектирования потока подсасываемой (откачиваемой или пассивной) среды струей рабочей (активной) жидкости и последующего их совместного транспортирования. Откачиваемая среда может быть жидкостью, газом, твердым (сыпучим) телом или газожидкостной смесью.

Следует отметить, что струйные аппараты такого рода только в исключительных случаях применяются в чистом виде, без использования каких-либо нагнетателей потока рабочей жидкости. Такие ситуации встречаются, например, при использовании для работы эжекторов напора жидкости из водохранилищ гидроэлектростанций /38/ и энергии потока воды в горных районах, где есть возможность создать достаточно большие перепады давления за счет естественных природных условий /232/.

В подавляющем же большинстве условий эксплуатации, встречающихся на практике, в том числе и в нефтяной промышленности, для работы струйного аппарата необходим насос, нагнетающий жидкость под давлением в сопло эжектора.

При этом струйный аппарат и насос, работающие совместно, образуют насосно-эжекторную систему.

1.1 ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НАСОСНО-ЭЖЕКТОРНЫХ СИСТЕМ

Системы, содержащие насосы и струйные аппараты, позволяют существенно расширить функциональные возможности серийного насосного оборудования. При рациональном проектировании системы значительную часть полезной работы в установке совершает насос, а струйный аппарат выполняет технологические функции, для которых насос использовать нецелесообразно (перекачка газов, газожидкостных смесей и т.п.).

При всем многообразии существующих сегодня насосно-эжекторных систем /118, 194, 159, 56, 209, 218 и др./ можно выделить три группы принципиальных схем их компоновки, различающиеся по степени использования потока рабочей жидкости.

К первой группе относятся системы, в которых полезно используются лишь пассивный поток (рис. 1.1). Рабочая жидкость, нагнетаемая насосом, циркулирует при этом по замкнутому контуру с расходом Ор, а пассивная

среда откачивается эжектором из приемного резервуара с подачей Q„ и направляется в нагнетательный резервуар. Поток откачиваемой продукции, поступающий к потребителю, отбирается либо после эжектора (рис. 1.1,а), либо после насоса (рис. 1.1,6).

Кроме того, существуют системы, в которых, помимо пассивного потока, в той или иной мере полезно используется также и поток рабочей жидкости (рис. 1.2). В системе, схема которой представлена на рис. 1.2,а, потребителю направляется, кроме потока пассивной среды QH, весь расход рабочей жидкости Qp. При этом эжектор и насос могут откачивать продукцию как из

одного, так и из разных приемных резервуаров. Что же касается системы, показанной на рис. 1.2,б, то в данном случае часть рабочей жидкости после отделения от нее пассивной среды возвращается в приемный резервуар с расходом AQ (трубопровод возврата показан на рис. 1.2,6 штриховой линией).

Схемы насосно-эжекторных систем, в которых полезно используется только пассивный поток: после эжектора (а) и

после насоса ( б ).

з

а

¿Г

I - насос, 2 - эжектор, 3 - приемный резервуар, 4 тателышй резервуар

Рис. 1.1

- нагне-

Схемы насосно-эжекторных систем, в которых полезно используется, кроме пассивного потока, полностью( а ) или частично ( б ) рабочий поток.

а

I - насос, 2 - эжектор, 3 нетательный резервуар

приемный резервуар, 4 - наг-

Рис. 1.2

Такие компоновки применяются, например, в некоторых случаях гидротранспорта твердых веществ /118/. При этом полезно используются весь пассивный поток и часть активного потока рабочей жидкости.

В зависимости от того, в какой степени используется потребителем

активный поток, к.п.д. струйного аппарата в составе насосно-эжекторной *

системы г] будет иметь различные значения. Согласно /118, 222/ величина rf определяется как

N +rN

* пас акт

г! =-

N...........<!i>

где Nпас - мощность, полученная пассивным подсасываемым потоком;

N акт ~ остаточная мощность активного потока на выходе из эжектора;

Мпояи - полная мощность, затраченная активным потоком; г - коэффициент использования активного потока.

Значения г могут меняться от нуля до единицы. В случае, если полезно используется только пассивный поток (схемы, представленные на рис. 1.1), г=0. Когда полезно используется также весь активный поток (схема