Перспективы создания и применения скважинных насосных установок для добычи нефти в осложненных условиях
Эксплуатация основных нефтяных месторождений Западной Сибири на сегодняшний день характеризуется практически полным переходом на механизированные методы добычи, повсеместным старением фонда скважин, интенсификацией добычи нефти и сопутствующими этому проблемами. Наиболее ярко эти проблемы проявились на давно и интенсивно эксплуатируемых нефтяных месторождениях Нижневартовского и Сургутского районов. Здесь форсированные отборы нефти привели к тому, что на сегодняшний день добыча нефти характеризуется высокой обводненностью пластовой жидкости и большим содержанием в ней механических примесей. Можно с уверенностью сказать, что аналогичная ситуация вскоре сложится и на других месторождениях Западной Сибири.
Вышеуказанные факторы привели к тому, что резко сократился межремонтный период (МРП) работы оборудования и скважины, возросло количество «полетов» установок электроприводных центробежных насосов (УЭЦН) на забой скважины (так называемые РС-отказы), повысились затраты на проведение подземного ремонта (ПРС) и как следствие резко возросла себестоимость добываемой нефти. Характерная для этого периода разработки месторождения высокая обводненность также ведет к повышению эксплуатационных затрат на добычу нефти и, следовательно, к нерентабельности эксплуатации целого ряда скважин. При увеличении обводненности продукции скважин очень острой становится и проблема электрохимической коррозии. Интенсификация добычи нефти требует увеличения депрессии на продуктивные пласты, что приводит к снижению забойного давления, увеличению глубины спуска насосных установок и резкому осложнению условий эксплуатации скважинных насосных установок. Осложнение связано с несколькими факторами, среди которых необходимо отметить увеличение температуры откачиваемой жидкости, возрастание доли свободного газа на приеме насоса, увеличение выноса механических примесей из пласта за счет возрастания депрессии, отложение парафина и солей на элементах скважинного оборудования. Кроме того, интенсификация добычи нефти потребовала применения высоконапорных и высокодебитных установок, которые стало трудно размещать. Все перечисленные выше причины требуют разработки новых технических и технологических решений при создании и эксплуатации скважинных насосных установок, среди которых основную роль в добыче нефти в настоящее время играют установки электроприводных центробежных насосов. Каковы же основные направления и перспективы создания и применения скважинных насосных установок для добычи нефти в осложненных условиях?
Во-первых, это переход на габарит насосов 5А и 6 в скважинах с диаметром обсадных колонн 148 мм. За счет увеличения диаметра рабочего колеса с 5-го до 5А габарита можно на 40% увеличить подачу и на 15–25% - напор насоса (для 6-го габарита подача может увеличиться на 90%, напор - на 40-52%). Эти цифры получаются из известных зависимостей, используемых в теории работы центробежных насосов. Подача рабочего колеса насоса определяется по формуле
Q= f(D3 ),
где Q – подача насоса, D – характерный диаметр рабочего колеса, а напор ступени насоса - по формуле H=f(D2 ), где Н- напор ступени насоса.
Практически все отечественные производители насосов уже ведут активную работу в этом направлении, уже созданы и прошли промысловые испытания мало- и среднедебитные центробежные насосы габарита 5А, которые показали хорошие результаты.Во-вторых, напор и подачу насоса можно существенно увеличить при переходе на повышенные частоты вра-щения ротора центробежного насоса. Именно по пути увеличения частоты вращения ротора УЭЦН за счет повышения частоты питающего тока (например, при применении тирристорных или транзисторных преобразователей частоты тока) пытаются идти сейчас на некоторых нефтяных промыслах.При увеличении частоты вращения рабочего колеса центробежного насоса подача будет увеличиваться в прямой пропорции, напор - в квадратичной, а мощность - в кубической зависимости:
Qн = f (n), Hн = f (n2 ), Nн = f (n3 ),
где - n -частота вращения колеса насоса, Nн - мощность насоса.
Однако при переходе на повышенные частоты вращения и частоты питающего электротока необходимо помнить об ограничениях, накладываемых на этот параметр существующими конструктивными особенностями УЭЦН. К ним относятся:
• линейная зависимость мощности погружного электродвигателя (ПЭД) от частоты вращения ротора - NПЭД = f (n);- степенная зависимость величины вибрации и радиальных нагрузок от частоты вращения за счет дисбаланса ротора Ррад = f (n2);
• повышенные индуктивные потери в кабельной линии при повышении частоты питающего ПЭД электротока;
• более быстрое «старение» материала изоляции кабеля при повышении частоты питающего ПЭД электротока.
Некоторых из указанных недостатков лишен новый вид погружных электродвигателей, который получил уже некоторое распространение на российских нефтяных промыслах - вентильный электродвигатель. Применение этого вида электрической машины позволяет повысить на 10–12% КПД двигателя, обеспечить малый «перегрев» ПЭД; обеспечить высокую скорость (частоту) вращения ротора; обеспечить возможность отслеживания режима работы установки по изменению тока; создать «интеллектуальное» нефтепромысловое оборудование. Конечно, и при применении вентильных двигателей существуют достаточно большие проблемы, не все из которых имеют на сегодняшний день однозначное решение. Например, необходимо определить рациональные границы изменения частот вращения ротора установки, определить оптимальное количество типоразмеров насосов и двигателей; необходимо разработать новые материалы для узлов и деталей насоса, двигателя, гидрозащиты, кабеля, работающих при больших частотах вращения и питающего электротока.Нельзя забывать и о тех решениях, которые были когда-либо разработаны для УЭЦН, но по каким-то причинам не получили широкого внедрения. К таким решениям можно смело отнести так называемые «открытые» рабочие колеса центробежных насосов. «Открытые» рабочие колеса не имеют передних и задних дисков и обладают интересными особенностями, среди которых - возможность работы на жидкостях с большим содержанием свободного газа; увеличенный напор ступени; уменьшение монтажной высоты ступени. Все это вместе взятое позволяет получить высоконапорный насос меньшей длины, который не будет «бояться» влияния свободного газа на приеме насоса. Кроме того, «открытые» рабочие колеса легко можно изготавливать с помощью штамповки из листовой нержавеющей стали, что позволит решить и проблемы отложения парафина и солей на поверхности колеса, и проблемы электрохимической коррозии. Необходимо сказать и о направлениях, связанных с рациональной эксплуатацией УЭЦН. Здесь очень важным является применение протекторных устройств по защите кабельных линий, правильный вывод установок на режим, применение «интеллектуальных» станций управления работой оборудования, применением скважинных телеметрических комплексов, использование для правильного подбора оборудования и его рабочих параметров современных и апробированных методик и компьютерных программ.