+7 495 240-54-57
info@neftegas.info
Для нефтяной промышленности России УЭЦН являются основным видом оборудования, обеспечивающего подъем пластового флюида на поверхность Земли [1].
В связи с постоянным изменением условий эксплуатации нефтяных месторождений инжиниринговые и машиностроительные фирмы создают все новые виды УЭЦН. Необходимо отметить, что только за последние 6–8 лет создано и предлагается нефтяникам больше типоразмеров УЭЦН, чем было создано за все предыдущие годы существования этого вида оборудования. Например, только в базе данных ПО «Автотехнолог» имеется более 2200 типов насосов (ЭЦН), более 1390 типов погружных двигателей (ПЭД), более 250 типов газосепараторов и газовых диспергаторов [2]. Такое количество вариантов оборудования, которое может быть использовано для добычи нефти, приводит, с одной стороны, к тому, что практически для каждой скважины может быть найден оптимальный вариант оборудования, которое обеспечит максимальную эффективность добычи нефти из этой конкретной скважины. С другой стороны, огромное количество типоразмеров оборудования обусловливает неоправданные затраты на изготовление, испытание, хранение, обслуживание, ремонт и т. д. самого оборудования.
В связи с этим, а также по причине широкой распространенности частотно-регулируемого привода ПЭД и технологий циклического или условно-постоянной работы (УПР), снова стал актуальным вопрос о типоразмерном ряде УЭЦН.
Типоразмерный, или параметрический ряд – это ряд значений главного параметра или главных параметров оборудования.
Как известно, создание обоснованных параметрических рядов обеспечивает рациональное применение оборудования с наименьшим количеством типоразмеров машин при широком поле параметров.
Как всякая работа по созданию оборудования, она начиналась со сбора данных по потребности в установках ЭЦН и условиям эксплуатации этого вида оборудования. Эти данные собираются по требуемым параметрам (подача, диаметр скважин, напор), характеристике откачиваемой жидкости, возможным условиям эксплуатации и ремонта.
На базе опыта создания и применения используемых типоразмеров ЭЦН в свое время было выполнено технико-экономическое сравнение с другими типами насосов и определены предпочтительные области применения ЭЦН. Сначала, в 1960–1970-е гг., были определены нижний предел подач (около 40 м3 жидкости в сутки) и физико-химические свойства откачиваемого пластового флюида: малые и средние по вязкости жидкости, наличие механических примесей твердостью до 5 баллов по шкале Мооса – не более 0,1 г/л и т. д.
Для установок ЭЦН был выбран главный параметр для ряда насосов – подача.
Анализ конструкции и продуктивности нефтяных скважин и конструктивная проработка различных исполнений насоса выявили возможные пределы главного параметра (40–700 м3/сут), рациональные диаметры насоса (90–130 мм) и дали базу для анализа коэффициента полезного действия насоса.
В принципе для всего диапазона подач (40–700 м3/сут) можно было бы использовать всего один насос (рис. 1, кривая 1). При этом эксплуатация при разных подачах (например, при 40 или 600 м3/сут) велась бы с весьма малым КПД. Для устранения областей нерационально низкого КПД необходимо увеличить число типоразмеров насосов (рис. 2, кривые 2 и 3) [3].
Анализ потребности в установках ЭЦН с разными подачами дал требуемое количество установок для каждой области подач (40 м3/сут, 100 м3/сут и т. д.).
Это позволило определить затраты на освоение и ремонт различного количества типоразмеров насосов (рис. 1, кривая 1). Чем больше в производстве число типоразмеров n, тем больше затрат на освоение производства насосов (больше проектной документации, больше моделей для литья рабочих органов, приспособлений для изготовления и сборки других элементов насосных установок, больше номенклатура запчастей, приспособлений для ремонта и пр.).
Энергетические затраты (рис. 2, кривая 2) с увеличением числа типоразмеров уменьшаются в связи с возможностью подбора насосных установок с более высоким КПД в области его применения.
По минимуму суммы этих затрат (ординаты по кривой 1 + ординаты по кривой 2) было определено оптимальное число типоразмеров насосных установок, составившее 8 типоразмеров ЭЦН. Это число было взято за основу при выборе ряда значений главного параметра в пределах 40–700 м3/сут. При этом были использованы предпочтительные ряды чисел, построенные по геометрическому ряду с коэффициентом φ = 101/k. Степень k берется равной 5, 10, 20, 40 и т. д. Соответственно, ряды обозначаются R5, R10 и т. д. Могут быть и производные ряды, где коэффициент φ берется в степени, например в третьей: φ = 101/k
Для определения номинальных подач УЭЦН были выбраны числа из рядов R5 и R20/3.
В результате был получен следующий параметрический ряд главного параметра насосов ЭЦН (подача в номинальном режиме): R5 4063100160250; R20/3 360500700.
Создание параметрического ряда насосов ЭЦН позволило при разработке провести широкую унификацию деталей: для всех типоразмеров насосов изготавливалось только 15 типов ступеней, использовалось четыре размера вала по диаметру, три размера корпусов по диаметру и три размера корпусов по длине. Такая унификация существенно облегчала и снижала стоимость изготовления и ремонта ЭЦН.
Однако в дальнейшем количество представителей параметрических рядов насосов ЭЦН по значению подачи в номинальном режиме стало стремительно расти, появились номинальные подачи в 15; 18; 20; 25; 30; 35; 45; 50; 60; 80; 125; 200; 320; 400; 800; 1000; 1500; 2000 м3/сут и более*. Такое расширение параметрического ряда было связано с политическими причинами (например, с «подготовкой трудового подарка» к очередному съезду правящей партии), с решением коммерческих задач (предложение потребителям «новых видов» оборудования), а также с появлением новых объектов нефтедобычи, для которых применение других видов скважинных насосных установок или иных видов механизированной добычи нефти становилось экономически нецелесообразным. При этом существенно возросло количество типов ступеней (центробежно-вихревые, центробежно-осевые, полуоткрытые, открытые, двухопорные и т. д.), диаметральных размеров корпусов, ступеней и валов насосов.
Аналогичные процессы происходили в создании приводных электродвигателей, гидрозащиты, кабельной продукции и станций управления.
Необходимо отметить, что есть случаи, когда имеющие совершенно разные обозначения изделия обладают практически идентичными рабочими характеристиками (рис. 3). Фирмы-производители зачастую просто смещают в нужную сторону границы рабочей части характеристик насосов и указывают значения номинальных значений подачи, вписанные в обозначение насоса ЭЦН.
Все более широкое использование в установках ЭЦН частотно-регулируемого привода (ЧРП), в том числе на основе синхронных электродвигателей на постоянных магнитах (вентильные электродвигатели), позволило некоторым разработчикам оборудования выдвинуть тезис о возможности существенного сокращения необходимого числа представителей параметрического ряда ЭЦН. Применение ЧРП позволяет за счет изменения частоты вращения роторов ЭЦН получать различные, отличающиеся в 1,2–4,0 раза от первоначальных, значения подачи насоса в оптимальном (или номинальном) режиме. Следовательно, считают эти разработчики оборудования, можно существенно расширить рабочие области применения любого представителя типоразмерного ряда ЭЦН и в несколько раз сократить оптимальное количество типоразмеров центробежных насосов для добычи нефти (рис. 4).
Другим фактором, позволяющим сделать вывод о возможности существенного сокращения необходимого числа представителей параметрического ряда ЭЦН, является научно обоснованное расширение применения циклической (периодической, условно-постоянной и т. д.) эксплуатации скважин с помощью УЭЦН [4].
Условно-постоянный режим (УПР) работы УЭЦН позволяет использовать для эксплуатации мало- и среднедебитных скважин (с дебитами до 40–50 м3/сут) эффективные высокодебитные насосные установки, которые не только повышают энергоэффективность добычи нефти (рис. 5), но и увеличивают наработку до отказа скважинного насосного оборудования. На рис. 5а указана причина возможного быстрого отказа СНО – недостаточная скорость движения пластовой жидкости для охлаждения погружного электродвигателя.
Анализ представленной информации позволяет сделать вывод о необходимости пересмотра существующей практики создания параметрического ряда лопастных насосов для добычи нефти [5].
В частности, предлагается следующий параметрический ряд главного параметра скважинных лопастных насосов (подача в номинальном режиме при частоте вращения ротора насоса 2910 об/мин): 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 800; 1000; 1600; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6300; 8000 м3/сут.
При этом номинальные значения подачи не должны отличаться от подачи в оптимальном режиме более чем на 10–20 % (большее значение отклонения подачи относится к насосам с номинальной подачей до 63 м3/сут).
Для номинальных дебитов от 25 до 160 м3/сут графики КПД представителей параметрического ряда должны будут выглядеть следующим образом (рис. 6).
Уменьшение количества представителей типоразмерного ряда ЭЦН по основному параметру – подаче в номинальном режиме – позволит существенно снизить затраты не только фирм-производителей этого вида оборудования, но и сервисных компаний и нефтяников. Все это приведет к значительному снижению совокупной стоимости владения основным видом нефтедобывающего оборудования – установок электроприводных лопастных насосов.
В статье не освещены вопросы использования различных конструктивных и технологических приемов создания ступеней ЭЦН (использование рабочих колес с различными коэффициентами быстроходности и разных условных диаметров, применение различных технологий изготовления элементов ступеней, вариантов комплектации насосных секций или модулей ступенями разной конструкции и/или с разными величинами основного параметра и т. д.), которые автор планирует рассмотреть в следующей публикации.
