Эксплуатация нефтяных и газовых скважин

4.4.Эксплуатация нефтяных скважин установками погружных электроцентробежных насосов

Установки погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН) предназначены для откачки из нефтяных скважин пластовой жидкости, содержащей нефть, воду, газ и механические примеси. Компоновка УЭЦН в скважине представлена на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Установка центробежного насоса

Показатели назначения УЭЦН по перекачиваемым средам:

•среда – пластовая жидкость (смесь нефти, попутной воды и нефтяного газа);

•максимальная кинематическая вязкость однофазной жидкости, при которой обеспечивается работа насоса без изменения напора и КПД, – 1 мм2/с;

131

elib.pstu.ru

•водородный показатель попутной воды рН 6,0–8,5;

•максимальное массовое содержание твердых частиц –

0,01 % (0,1 г/л);

•микротвердость частиц – не более 5 баллов по Моосу;

•максимальное содержание попутной воды – 99 %;

•максимальное содержание свободного газа у основания двигателя – 25 %, для установок с насосными модулями-газо- сепараторами (по вариантам комплектации) – 55 %;

•максимальная концентрация сероводорода: для установок обычного исполнения – 0,001 % (0,01 г/л); для установок коррозионно-стойкого исполнения – 0,125 % (1,25 г/л);

•температура перекачиваемой жидкости в зоне работы погружного агрегата – не более 90 °С.

Основным видом погружных электродвигателей, служащих для привода центробежных насосов, являются асинхронные маслонаполненные с короткозамкнутыми роторами двигатели, вертикального исполнения, выполненные в стальном корпусе, цилиндрической формы. При частоте тока 50 Гц синхронная частота вращения их вала равна 3000 об/мин

(частота тока 1 Гц соответствует 1 обороту вала двигателя в секунду). Диаметр электродвигателей, определяемый внутренним диаметром эксплуатационной колонны, находится в пределах от 96 до 130 мм.

Двигатели предназначены для работы в среде пластовой жидкости (смесь нефти и попутной воды в любых пропорциях)

стемпературой до 110 °С, содержащей:

•механические примеси с относительной твердостью частиц не более 5 баллов по шкале Мооса – не более 0,5 г/л;

•сероводород: для нормального исполнения – не более 0,01 г/л; для коррозионно-стойкого исполнения – не более

1,25 г/л;

•свободный газ (по объему) – не более 50 %.

Гидростатическое давление в зоне работы двигателя не более 20 МПа.

132

elib.pstu.ru

Максимальный диаметр установки зависит от типоразмера используемого погружного двигателя, например, УЭЦН5 с ПЭД-103-В5 имеет диаметр 116,4 мм, с ПЭД-117-ЛВ5 – 119,6 мм.

Основные ограничения при установке УЭЦН в скважине:

1)максимальный темп набора кривизны ствола скважи-

ны – 2° на 10 м;

2)максимальное давление в зоне подвески установки –

250 кгс/см2;

3)отклонение ствола скважины от вертикали в зоне установки – не более 40°;

4)интенсивность изменения кривизны ствола скважины

взоне подвески установки – 3 мин на 10 м;

При значительном газосодержании у приема насоса в насосе может возникнуть газовая пробка, что приводит к скачкам давления и выходу насоса из строя. Газ не смазывает подшипники в достаточной степени, при этом КПД насоса снижается. Если приходится сепарировать газ, то общий КПД лифта скважины уменьшается, поскольку наличие газа существенно повышает КПД НКТ.

Для откачивания пластовой жидкости, содержащей от 25 до 55 % (по объему) свободного газа у приемной сетки входного модуля, к насосу подключают модуль-газосепаратор. Газосепаратор устанавливается между входным модулем и моду- лем-секцией.

Наиболее известны две конструкции газосепараторов:

1)газосепараторы с противотоком;

2)центробежные или роторные газосепараторы.

В газосепараторах первого типа, применяемых в некоторых насосах Reda, жидкость при попадании в газосепаратор, вынуждена резко менять направление движения. Некоторые газовые пузырьки сепарируются уже на входе в насос. Другая часть, попадая в газосепаратор, поднимается внутри его и выходит из корпуса.

133

elib.pstu.ru

В отечественных установках, а также насосах фирмы Centrilift и Reda используются роторные газосепараторы, которые работают аналогично центрифуге. Лопатки центрифуги, вращающиеся с частотой 3500 об/мин, вытесняют более тяжелые жидкости на периферию, и далее через переходной канал вверх в насос, тогда как более легкая жидкость (газ) остается около центра и выходит через переходной канал и выпускные каналы обратно в скважину.

Гидрозащита предназначена для предотвращения проникновения пластовой жидкости во внутреннюю полость электродвигателя, компенсации изменения объема масла во внутренней полости от температуры электродвигателя и передачи крутящего момента от вала электродвигателя к валу насоса.

Основным типом гидрозащиты для комплектации ПЭД принята гидрозащита открытого типа. Ее принцип действия требует применения специальной барьерной жидкости плотностью до 2 г/см3, обладающей физико-химическими свойствами, которые исключают ее перемешивание с пластовой жидкостью скважины и маслом в полости электродвигателя.

Определение глубины подвески УЭЦН. Глубина подвески насоса определяется:

1)глубиной динамического уровня жидкости в скважине Нд при отборе заданного количества жидкости;

2)глубиной погружения УЭЦН под динамический уро-

вень Нп, минимально необходимой для обеспечения нормальной работы насоса;

3)противодавлением на устье скважины Ру, которое необходимо преодолеть;

4)потерями напора на преодоление сил трения в НКТ при движении потока hтр;

5)работой выделяющегося из жидкости газа Нг, уменьшающего необходимый суммарный напор.

134

elib.pstu.ru

Для согласования напорной характеристики ЭЦН с условиями скважины строится так называемая напорная характеристика скважины

Hскв = Нд + ρРуg +hтр −Нг,

где Ру – устьевое давление, Па; hтр – потери на трение, м; Hг – высота подъема жидкости за счет работы газа, м.

В графическом виде напорная характеристика скважины показана на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Напорная характеристика скважины: 1 – глубина (от устья) динамического уровня; 2 – необходимый напор с учетом давления на устье; 3 – необходимый напор с учетом сил трения; 4 – результирующий напор с учетом газлифтного эффекта

После построения напорной характеристики скважины и наложения на этот график реальных напорных характеристик погружных ЭЦН для определения дебита скважины по жидкости (подачи ЭЦН) определяется точка их пересечения и, соответственно, развиваемый насосом напор, равный потерям на-

135

elib.pstu.ru

пора в скважине, подъемнике (колонне НКТ) и выкидном трубопроводе от скважины до замерной установки, и подача ЭЦН (рис. 4.11, 4.12). В результате этого в трубопроводе устанавливается такой расход жидкости Qж (м3/сут), при котором напор, развиваемый насосом, равен полным потерям напора в скважине и трубопроводе.

Рис. 4.11. Согласование напорной характеристики скважины (1) с Н(Q), характеристикой УЭЦН (2), 3 – линия КПД

Для снижения напора насоса снимают ступени в модульсекциях, при этом изменение числа ступеней связано с изменением напора следующим уравнением:

∆Z = Z ∆H .

H0

136

elib.pstu.ru

воды на работу УЭЦН начинается практически с начала работы скважины. Появление в нефти пластовой воды приводит к целому ряду осложнений при эксплуатации УЭЦН.

По своему химическому составу нефть склонна к образованию эмульсий, так как в ее состав входят активные эмульгаторы – асфальтены и смолы. Процессу образования эмульсий также способствуют глина и песок, принесенные с поверхности или из пласта. Поскольку вязкость и устойчивость эмульсии зависят от дисперсности водонефтяных смесей, а УЭЦН является одним из лучших диспергаторов, то в процессе прохождения жидкости через рабочие колеса образуется эмульсия, вязкость которой может повышаться в десятки раз по сравнению с чистой нефтью. Максимальные значения вязкости характерны для эмульсий

собводненностью 40–60 %. Увеличение вязкости негативно отражается на рабочих характеристиках УЭЦН. При работе насоса в интервале обводненности 40–60 % коэффициент относительной подачи насоса в среднем уменьшился примерно в 1,6 раза, а продолжительность безотказной работы насоса сократилась в 1,5 раза. Кроме того, было установлено, что влияние высоковязкой эмульсии на насосы с большей подачей выражено меньше.

Другая форма осложнения – появление высокоминерализованной пластовой воды, что приводит к сильной коррозии и активному солеотложению в органах насоса. Это связано

свысокой коррозионной активностью пластовой воды. Сочетание воздействия высокоминерализованной воды и электрического тока приводит к возникновению электрохимической коррозии металла. Если к этим факторам добавляется низкое

забойное давление, то происходит активное солеотложение в рабочих органах насоса.

Постоянным спутником нефти при ее добыче является газ. При попадании газа в рабочие органы насоса образуются газовые каверны, величина которых соизмерима с размерами канала ступени. При этом происходит ухудшение энергообмена между рабочим колесом и жидкостью.

138

elib.pstu.ru

Частицы жидкости, окружающие пузырек, находятся под действием все возрастающей разности давления жидкости и давления внутри пузырька и движутся к его центру ускоренно. При полной конденсации пузырька происходит столкновение частиц жидкости, сопровождающееся мгновенным местным повышением давления, достигающего сотен мегапаскаль. В результате разрушается рабочая поверхность насоса. Все это приводит к ухудшению рабочих характеристик насоса.

Другой проблемой является повышение температуры откачиваемой жидкости, с возрастанием глубины спуска насоса. Долговечность материала изоляции кабеля и обмоточного провода погружного электродвигателя (ПЭД) уменьшается с увеличением температуры, что может привести к пробоям в изоляции и выходу из строя ПЭД.

Использование кустового способа бурения привело к целому ряду осложнений при спуске и эксплуатации УЭЦН. Выявлено, что в интервалах набора кривизны, составляющих 2° и более на 10 м ствола, возрастает количество отказов оборудования, чаще происходит падение установок на забой скважины. Причина заключается в возникновении изгибающих и сминающих сил, воздействующих на силовой кабель и корпуса узлов УЭЦН. Другой проблемой при эксплуатации наклонных скважин при помощи УЭЦН является искривление ротора, что приводит к повышению вибрационного воздействия. Повышенные виброперемещения вызывают знакопеременные напряжения в области соединения узлов УЭЦН между собой и с НКТ, стимулируя их разрушение в месте соединения. Кроме искривления ротора причинами вибраций может стать изменение геометрических параметров рабочих колес, вследствие износа.

Для защиты кабеля при спуско-подъемных работах применяют центраторы.

Повышение степени дисперсности газовой фазы увеличивает величину критического газосодержания до Г = 0,25. Это достигается при помощи применения диспергаторов.

139

elib.pstu.ru

Напор, развиваемый ступенью, растет по мере роста его порядкового номера. Это обусловлено изменением физикохимических свойств газожидкостного потока по мере его продвижения, в первую очередь дисперсностью газовой фазы.

Однако появление газа в водонефтяных смесях, обладающих повышенными вязкостями, а также в нефтях с неньютоновскими свойствами приводит к увеличению показателей работы насоса. Это обусловливается разрушением структурных связей в жидкости за счет выделения газа. В результате повышается текучесть жидкости.

В добываемой жидкости находятся различные механические примеси. Это могут быть соли, продукты разрушения пласта и механические примеси, принесенные с дневной поверхности при ремонтах скважин. Создание на забое скважины перепада давления приводит к частичному разрушению скелета горной породы. Мелкие частицы породы вместе с жидкостью попадают в насос и абразивно изнашивают поверхности рабочих колес.

Для предупреждения осложнений, связанных с содержанием механических примесей в продукции скважины, необходимо контролировать содержание механических примесей. Согласно техническим условиям предельное содержание механических примесей в добываемой жидкости должно составлять

0,1–0,5 г/л [9].

4.5. Эксплуатация скважин винтовыми насосами

Недостатками УШСН и УЭЦН являются сложность в обслуживании, неустойчивость в работе при добыче жидкости с высоким содержанием механических примесей и газа. С целью устранения отмеченных недостатков, а также для решения проблемы откачки жидкости повышенной вязкости разработаны установки винтовых насосов, обладающие целым рядом преимуществ перед насосами других типов. По сравнению с УЭЦН при эксплуатации установок винтовых насосов (УВН)

140

elib.pstu.ru