image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 9 2017

Насосы. Компрессоры

01.09.2017 10:00 Влияние на наработку установок электроприводных центробежных насосов подачи и частоты вращения насоса при эксплуатации скважин, осложненных выносом механических примесей
Одним из осложняющих факторов, снижающих наработку установок электроприводных центробежных насосов (УЭЦН) до отказа, являются механические примеси, содержащиеся в пластовой продукции. Эти отказы вызваны двумя причинами: засорением механическими примесями и износом элементов насосного оборудования. В установках ЭЦН различают три основных вида износа: радиальный износ, износ осевых опорных поверхностей и гидроабразивный износ. На износ рабочих органов насоса значительное влияние оказывает характеристика механических примесей: размер и форма частиц, процент песка, индекс агрессивности песка. Эти показатели являются факторами, определяющими возможность использования той или иной конструкции ЭЦН для эффективной работы в скважине. В настоящее время допускаемое содержание механических примесей не привязано к такому важному показателю, как подача насоса. Для современных УЭЦН количество механических абразивных частиц, проходящих через насос за период его эксплуатации, зависит от подачи и может меняться в сотни раз. Для высокодебитных насосов количество механических примесей, проходящих через насос за год эксплуатации, может достигать 500–600 т. Другим важным показателем, влияющим на наработку насосного оборудования, является частота вращения вала насоса. Расчеты показывают, что при увеличении частоты с 50 до 70 Гц наработка до отказа, вызванного износом рабочих органов насоса, снижается в 2,74 раза. Учет значения агрессивности абразивных частиц, подачи насоса и частоты вращения вала насоса позволит оптимизировать конструкцию и повысить эффективность использования установок ЭЦН.
Ключевые слова: установки электроприводных центробежных насосов, износ, механические примеси, индекс агрессивности, частота вращения, подача насоса.
Ссылка для цитирования: Ивановский В.Н., Деговцов А.В., Сабиров А.А., Кривенков С.В. Влияние на наработку установок электроприводных центробежных насосов подачи и частоты вращения насоса при эксплуатации скважин, осложненных выносом механических примесей // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 9. С. 58–64.
Открыть PDF


В настоящее время одним из основных видов оборудования, применяемого для эксплуатации нефтяных скважин, являются установки электроприводных центробежных насосов (УЭЦН). Одним из осложняющих факторов, снижающих наработку УЭЦН до отказа, являются механические примеси, содержащиеся в пластовой продукции. На рис. 1 представлена структура осложненного фонда скважин в ПАО «ЛУКОЙЛ» [1].

Анализ причин отказов, связанных с наличием механических примесей в пластовой продукции, показывает, что эти отказы вызваны в основном засорением механическими примесями и износом элементов насосного оборудования (рис. 2) [2].

1.png 1_1.png

При указании причины отказа УЭЦН очень часто приводится только засорение механическими примесями. На рис. 3 показаны рабочее колесо и направляющие аппараты ЭЦН, проточные части которых засорены механическими примесями.

Однако при комиссионных расследованиях, как правило, выявляется значительный абразивный износ ступиц рабочих колес и направляющих аппаратов и других элементов ЭЦН. В результате абразивного износа рабочих органов они отбраковываются. 

В установках ЭЦН различают три основных вида износа:

  • радиальный износ;

  • износ осевых опорных поверхностей;

  • гидроабразивный износ.

Радиальный износ происходит в результате попадания твердых частиц в радиальный зазор между вращающимися и неподвижными поверхностями, например между валом и опорными втулками, между ступицей рабочего колеса и расточкой направляющего аппарата. Частично этому износу поверхностей препятствует наличие перекачиваемой нефти, обеспечивающей смазывающее воздействие. Для возникновения радиального износа необходимо наличие радиальной силы прижатия, а также размер твердых частиц, превышающий толщину слоя жидкости между трущимися поверхностями и в то же время меньший, чем радиальный зазор между вращающимися и неподвижными деталями. При этом толщина жидкостной пленки обычно составляет ≥50 мкм, а конструктивный зазор между ступицей рабочего колеса и расточкой направляющего аппарата – от 150 до
250 мкм. Этот тип износа наиболее часто встречается в центробежных насосах с плавающей и компрессионной сборкой ступеней (рис. 4).

Износ осевых опорных поверхностей возникает за счет попадания частиц между опорной шайбой и подпятником направляющего аппарата (рис. 5). Эти поверхности также смазываются жидкостью, но осевая нагрузка на них значительно выше, чем радиальная, а пленка жидкости при этом значительно тоньше. Это значит, что абразивное воздействие могут оказывать более мелкие частицы. «Плавающая» одноопорная ступень, работающая в левой области рабочей части характеристики, наиболее подвержена такому износу. Даже тончайший ил может послужить причиной износа опорных поверхностей.

Возникающие в результате абразивного износа увеличенные зазоры, а также работа насоса вне рабочей части характеристики приводят к увеличению вибраций. Возникающие при вибрации дисбалансные силы провоцируют начальное силовое замыкание трущихся поверхностей, между которыми может оказаться абразив, с твердостью по шкале Мооса 6–8 баллов. Абразив плюс значительная сила прижатия поверхностей трения приводят к катастрофическому износу. В результате может очень быстро (в течение нескольких суток) наступить недопустимый с точки зрения усталостной прочности локальный виброабразивный износ пар трения рабочих органов ЭЦН. Установлено, что катастрофический износ осевых сопряжений не приводит к эффекту усиления износа радиальных сопряжений. В то же время износ радиальных сопряжений в значительной степени влияет на износ осевых сопряжений ступеней ЭЦН [3].

1_1_1.png

Наряду с абразивным изнашиванием при больших подачах насоса (обычно более 100–150 м3/сут) может наблюдаться гидроабразивный износ – механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел, находящихся в потоке жидкости. Гидроабразивный износ возникает при наличии достаточно крупных и энергетически активных частиц в результате соударения частиц песка с поверхностями рабочих органов насоса (эффект пескоструйного воздействия) с той лишь разницей, что процесс происходит в жидкой среде. При данном типе износа крупные, с острыми краями частицы значительно более агрессивны, чем мелкие, гладкие, окатанные частицы. Степень и интенсивность износа зависят от свойств материала и импульса частиц (определяемого как масса частицы, умноженная на ее скорость), соударяющихся с поверхностями ступеней. Часто этот тип износа преобладает над другими (рис. 6).

Гидроабразивный износ может также возникать в застойных зонах, где абразивные частички захватываются вращающимися вихревыми потоками жидкости (рис. 6).

Необходимо отметить, что ил и грязь не обладают значительным гидроабразивным воздействием в связи с низким импульсом частиц.

1_1_2.png 

На износ рабочих органов насоса значительное влияние оказывает характеристика механических примесей [4, 5]:

  • размер частиц: наибольшие повреждения наносят частицы, попадающие в определенный диапазон размеров (50–250 мкм);

  • форма частиц: острые, оскольчатые, неправильной формы частицы являются более абразивоактивными по сравнению с более гладкими и округлыми того же размера;

  • процент кварца: находящиеся в пластовых механических примесях частицы кварца обладают наибольшей абразивностью. Это наиболее твердый материал из всех компонентов, содержащихся в пластовых механических примесях. Твердость кварца составляет 7 единиц (баллов) по шкале Мооса, что соответствует микротвердости примерно HV 1000–1100. В связи с этим для повышения износостойкости ЭЦН концевые и промежуточные подшипники должны выполняться из твердых сплавов, имеющих аналогичную или более высокую твердость. Применение подшипников с парой трения «бронза – закаленная сталь» не может обеспечить долгосрочную работу в присутствии кварцевых частиц, так как твердость этих материалов составляет не более HV 250 (бронза) и HV 500–550 (закаленная сталь);

  • процент песка (концентрация механических или взвешенных частиц): иногда приводится в миллионных долях или в эквиваленте в миллиграммах на литр. Исключительно важно знать, какое количество песка будет проходить через насос при его работе.

В зависимости от условий эксплуатации производители насосного оборудования выпускают насосные установки, различающиеся как материалами для изготовления рабочих элементов насос-
ного оборудования, так и типом сборки насоса. В настоящее время применяется плавающая, радиально-стабилизированная, пакетная и компрессионные сборки насосов.

1_1_3.png

В соответствии с общими техническими требованиями по ГОСТ Р 56830-2015 в отношении механических примесей в скважинной продукции предусмотрены следующие исполнения насосов в зависимости от показателей скважинных условий [6]:

1) обозначение насосов в зависимости от диапазона изменения числа взвешенных твердых частиц (КВЧ), мг/л:

М1: 0 ≤ КВЧ ≤ 200;

М2: 200 ≤ КВЧ ≤ 500;

М3: 500 ≤ КВЧ ≤ 1000;

2) обозначение насосов в зависимости от диапазона изменения концентрации абразивных частиц с твердостью 6 и более баллов по шкале Мооса во взвешенных твердых частицах, мг/л:

А1 при концентрации (К) в % = 0;

А2 при К < 20;

А3 при 20 < К < 70;

А4 при 70 < К ≤ 100.

Таким образом, в ГОСТе предусмотрено при определении условий эксплуатации при подборе оборудования для конкретной скважины учитывать не только содержание КВЧ в добываемой продукции, но и количество агрессивных частиц (КАЧ) с твердостью по шкале Мооса более 6. О необходимости учитывать КАЧ при подборе УЭЦН к условиям эксплуатации говорится и в других исследованиях [11].

Многие нефтяные компании разрабатывают свои технические требования, в которых указываются не только скважинные условия, но и требования к материалам и типам сборки насосного оборудования для соответствующих скважинных условий [7]. Некоторые из них представлены в табл. 1.

В зарубежной практике для оценки влияния механических примесей на работу УЭЦН используются показатели содержания песка (абразивных частиц) и индекса агрессивности (AI) [8].

Содержание (количество) песка определяется как [4, 10, 11]:

• малое <10 мг/л;

• cреднее 11–50 мг/л;

• большое 51–200 мг/л;

• очень большое >200 мг/л.

AI песка может быть рассчитан по результатам лабораторных анализов образца песка из скважины и зависит от размеров частиц, их формы, кислотной растворимости и процентного содержания кварца.

AI определяется по формуле [8]:

AI = 0,3 (% частиц меньше 0,25 мм) + 10.(1 – Кокр) + 10.(1 – Ксф) + 0,25 (% нерастворимого осадка) + 0,25 (% кварца),

где «% частиц меньше 0,25 мм» – суммарный процент частиц в пробе диаметром менее 0,25 мм; Кокр – коэффициент округлости частиц по шкале API; Ксф – коэффициент сферичности частиц по шкале API; % нерастворимого осадка – процентное содержание нерастворимого в кислоте осадка; % кварца – процент содержания зерен кварца в пробе.

Износ РК, НА и других деталей центробежных насосов может быть вызван частицами с абсолютной твердостью более 5 по шкале Мооса. К этим частицам относятся кварц, плагиоклаз и обломки пород с острыми краями [9].

1_1_4.png

AI указывается в процентах от 0 до 100, более высокий показатель соответствует большей агрессивности среды.

На рис. 7 представлены области применения различных конструктивных исполнений насоса в зависимости от параметров механических примесей [4, 10].

Анализ технических требований к УЭЦН показывает, что содержание механических примесей не привязано к такому важному показателю, как подача насоса. Современные УЭЦН имеют номинальную подачу от 20 до 3000 м3/сут. При этом при одном и том же содержании КВЧ (мг/л) в пластовой продукции количество механических абразивных частичек, проходящих через насос за период его эксплуатации, меняется в сотни раз.

Например, при подаче насоса 100 м3/сут и при содержании КВЧ 1000 мг/л за гарантийный срок эксплуатации (365 сут) через насос пройдет около 36,5 т КВЧ. С увеличением подачи до 1500 м3/сут при сохранении этого же содержания КВЧ масса частичек, проходящих через насос за гарантийный срок, увеличится до 547,5 т. Если предположить, что одинаковый процент частиц попадает в зазоры пар трения (рис. 4а и 5а), а также участвует в гидроабразивном износе, то при расходе жидкости 1500 м3/сут износ рабочих органов насоса за гарантийный срок эксплуатации увеличится в 15 раз. Таким образом, большая подача насоса при одном и том же содержании КВЧ мг/л неизбежно будет приводить к уменьшению наработки на отказ насосного оборудования.

Другим важным показателем, влияющим на наработку насосного оборудования, является частота вращения вала насоса. В соответствии с техническими требованиями предусмотрена возможность изменения частоты тока двигателя от 35 до 70 Гц, что соответствует частотам вращения от 2100 об/мин до 4200 об/мин.
При использовании вентильных приводов частоты вращения достигают 5000–6000 об/мин.

На практике эту возможность очень часто используют для поддержания заданного дебита скважины в процессе эксплуатации УЭЦН. Производителями насосного оборудования устанавливается гарантийный ресурс работы УЭЦН 365 сут, однако при этом не указывается частота вращения ротора насоса. Вместе с тем известно, что скорость износа увеличивается практически в кубической зависимости от частоты вращения.

Следовательно, расчетная величина износа за одинаковый промежуток времени в зависимости от частоты вращения будет определяться выражением:

1_1_5.png,                            (1)

где ∆h1, ∆h2 – изменение линейных размеров в результате износа; n1 и n2 – частоты вращения вала.

Если предположить, что наработка (Тнар) УЭЦН определяется временем достижения критического износа Δhmax, то формулу 1 можно переписать следующим образом:

1_1_6.png                              (2) 

Отсюда:

1_1_7.png                     (3)

В табл. 2 представлены результаты расчетов наработки в зависимости от частоты вращения, при этом принималось, что при частоте 50 Гц (3000 об/мин) гарантийная наработка составляет 365 сут.

Расчеты показывают, что при увеличении частоты с 50 до 70 Гц наработка до отказа, вызванного износом рабочих органов насоса, снижается в 2,74 раза.

Таким образом, в новой редакции Единых технических требований (ЕТТ) на УЭЦН при установлении предельно допустимой концентрации КВЧ необходимо будет учитывать:

  • значение агрессивности абразивных частиц;

  • значение подачи насоса;

  • значение частоты вращения вала насоса.

Такие ЕТТ обеспечат более точное определение расчетного времени работы скважинного оборудования в осложненных условиях эксплуатации, а также заставят фирмы – изготовители УЭЦН подходить к вопросам создания и комплектации насосных установок с учетом факторов, рассмотренных в настоящей статье.

Таблица 1. Технические требования, предъявляемые к УЭЦН

Table 1. Engineering requirements to electrically driven centrifugal pumps

Обозначение 

Legend

Н-1

Н-2 Н3-ЛЧ (легированный чугун нирезист)  

H3-ACI (alloy cast iron Ni-resist)

Н1-СЧ (серый чугун) 

Н1-GCI (gray cast iron)

Н1-ПЛ (полимер) 

Н1-Pl (polymer)

Н1-ПС (порошковые стали) 

Н1-PS (powdered steels)

Н2-ЛЧ (легированный чугун нирезист) 

Н2-ACI (alloy cast iron
Ni-resist)

Н2-ПЛ (полимер) 

Н2-Pl (polymer)

Н2-ПС (порошковые стали) 

Н2-PS (powdered steels)

Содержание твердых частиц (КВЧ), мг/л 

Hard particles content (Particles content), mg/l

100

200

500

1000

Микротвердость частиц, баллов по Моосу
(ГОСТ 6370-83) 

Particles micro-hardness, Mohs number (GOST 6370-83)

До 5 

Up to 5

До 7 

Up to 7

До 5 

Up to 5

До 7 

Up to 7

До 7 

Up to 7

Конструкция исполнения насосных секций 

Pump section variation design

Плавающий 

Floating

Плавающий или компрессионный 

Floating or compression

Пакетный или компрессионный 

Packet or compression

Возможность увеличения частоты оборотов 

Possibility to increase the rotation frequency

От 35 до 60 Гц (импорт – до 70 Гц) при достаточной мощности ПЭД, поставляемого в комплекте 

From 35 to 60 Hz (import – up to 70 Hz) provided that there is a sufficient capacity of the submersible electric motor which is delivered as a set


Таблица 2. Изменение наработки УЭЦН от частоты вращения

Table 2. Changes of the running time of electrically driven centrifugal pumps depended on the rotation frequency

Частота, Гц (об/мин) 

Frequency, Hz (r/min)

50 (3000)

55 (3300)

60 (3600)

65 (3900)

70 (4200)

Наработка, сут 

Running time, days

365

274

211

166

133

 




← Назад к списку


im - научные статьи.