Насосные технологии добычи сверхвысоковязкой нефти в экстремальных условиях

С другой стороны, обычные технологии насосной добычи высоковязкой нефти (плунжерные и винтовые насосы) позволяют осуществлять механизированную добычу, но при этом тоже имеют ограничения по вязкости на уровне 9000-10000 сПз и температурам применения. Для винтовых насосов ограничение вязкости не является существенным, зато газовый фактор, приводящий к преждевременным отказам резиновых элементов винтовых насосов[4], существенно ограничивает их применение. Способы механизированной добычи центробежными насосами обычно не применяются на вязкостях свыше 300-400 сСт из-за существенного снижения характеристик.

Технология добычи нефти объемно-роторными насосами (ОРНП) является новой, но уже успела себя зарекомендовать при добыче нефти в диапазоне вязкостей до 1000 сСт. Конструкция насоса не содержит эластомерных рабочих органов (рис. 1), что позволяет снять ограничение по рабочей температуре или составу пластовой жидкости - таких как содержание газа на входе и его состав.

Направлением данной работы являлось исследование возможностей объемных насосов роторного типа при работе на высоковязкой жидкости и при высоком содержании газа. В качестве базы для исследования выбран диапазон вязкостей до 12000 сСт, что основывалось на параметрах нефти ряда месторождений пояса Ориноко в Венесуэле. В ходе исследования были проведены эксперименты по перекачке жидкости объёмно-роторными насосами, исследованы их напорно-расходные характеристики (НРХ), взаимосвязь параметров и вязкости, а также проведены исследования сохраняемости характеристик по времени (ресурсные испытания). Так как конструкция насоса отличается от известных аналогов, потребовалось дополнительно разработать методики испытаний и стенды, применимые к этому типу насоса. На текущий момент в АО Новомет-Пермь разработаны две модели объемно-роторных пластинчатых насосов в двух габаритах ОРНП 5-10 и ОРНП 5А-50. Результаты исследований приведены для насоса ОРНП 5-10.

Раздел 1. Влияние вязкости до 12000 сСт на НРХ

Первоначально были проведены испытания объемно-роторных насосов на масле с вязкостью до 5000 сСт. Принципиальная схема стенда показана на рис. 2.

Рис. 2 Схема стенда

Проведение испытаний на сверхвысоковязкой жидкости потребовало доработки существующего испытательного оборудования, так как высокая вязкость жидкости приводит к большим потерям давления во входных каналах стенда. Поэтому для компенсации этих потерь бак стенда был расположен максимально близко к входным отверстиям насоса, бустерный насос исключен из схемы, а в бак стенда нагнеталось повышенное давление 0,4 МПа при помощи сжатого воздуха. Указанная схема позволяет имитировать скважинные условия при обязательном наличии входного давления не менее 0,4 МПа. Измерения были проведены в диапазоне напоров 0-100 м для исключения повреждения ступеней насоса при большем напоре. Данное ограничение было выбрано из опыта испытаний указанного насоса.

На рис. 3 показаны расходно-напорные характеристики насоса ОРНП5-10 при различных вязкостях. Графики показаны выборочно для того, чтобы показать общий эффект влияния вязкости. Видно, что на интервале вязкостей от 100 до 650 сСт наблюдается рост расхода жидкости при сопоставимом напоре ступеней, что говорит о снижении объемных потерь внутри насоса. Далее сохраняются примерно одинаковые характеристики до вязкости 1000 сСт, и затем наблюдается снижение расхода насоса. Кривые с вязкостями 2500, 5000 и 12000 сСт на графике располагаются ниже, из чего можно сделать вывод о дополнительных потерях энергии в каналах насоса. В основном связывается это с увеличением потерь во входных, выходных и межступенчатых каналах. Тем не менее, в этом диапазоне вязкостей, являющихся недоступными для работы центробежных насосов, устойчивая работа ОРНП сохраняется.

Рис. 3 Расходно-напорные характеристики насоса ОРНП 5-10 при различных вязкостях

Значимым изменением при подобном увеличении вязкости является рост мощности, потребляемой насосом и соответствующее снижение КПД (рис. 4). При этом на типичных рабочих вязкостях насоса наблюдается максимум КПД при фиксированном напоре (40 м/ступень), на большей вязкости точка максимума переносится в область больших напоров.

Рис. 4 Снижение КПД ОРНП5-10 при увеличении вязкости до 12000 сСт

Таким образом, можно сделать вывод о наличии технической возможности для перекачки высоковязких жидкости при помощи объемно-роторных насосов. Следующий вопрос, который при этом возникает износостойкость объемно-роторных насосов и сохраняемость их характеристик.

Раздел 2. Ресурсные испытания на воде

Так как одним из ключевых факторов выбора насоса для подъема пластовой жидкости является его надежность и ресурс, который зачастую определяется параметрами пластовой жидкости, в частности, содержанием абразивных частиц (известны исследования этого влияния на параметры центробежных насосов, полагаем, что общий принцип сохраняется и для объемных), то были проведены испытания по перекачке жидкостей разных вязкостей, имитирующих пластовую жидкости с добавлением абразивных частиц. Испытания проводились на воде и масле вязкостью 100 сСт, до и после испытаний проводилось сравнение расходно-напорных характеристик насоса и износа его компонентов. В качестве абразивного материала использовался кварцевый песок с концентрацией 10 г/л.

Основным результатом испытаний было сравнение деградации характеристик объемно-роторных насосов и центробежных. Для последних типичным критерием успешности является снижение напора до 25% и КПД до 20%. Для объемного насоса критерий снижения напора на 25% заменен на снижение расхода на 25%.

Типичная картина изменения характеристик ОРНП5-10 в ходе ресурсных испытаний показана на рис. 5. При этом проведена оценка возможности компенсации падения расхода при увеличении частоты вращения до 1000 об/мин. Изменение КПД при этом составило 14 пунктов (сопоставимо с изменением КПД центробежных насосов в ходе аналогичных испытаний).

Рис. 5 Изменение характеристик ОРНП5-10 в ходе ресурсных испытаний

Нужно отметить, что деградация характеристик в большой степени зависит от вязкости перекачиваемой жидкости и напора насоса. Как следствие, задавшись допустимым снижением характеристик, указанных выше, можно определить предельно допустимые напоры для различных диапазонов вязкости жидкости (рис. 6), при которых снижение характеристик при износе не превышает заданных пределов. Также из соображений соблюдения условий усталостной прочности элементов насоса предельный напор для всех вязкостей был ограничен величиной 100 м/ступень.

Рис. 6 Оценка предельно допустимого напора ступени ОРНП5-10

Раздел 3. Работа с газом

Целью этих испытаний было определение предельно возможных концентраций газа, при которых наблюдается стабильная работа насоса, и оценка деградации его характеристик. Согласно методике испытаний первоначально настраивается рабочая точка на чистой жидкости, а затем последовательно увеличивается газосодержание. При этом рабочая точка смещается в область низких подач и напоров влево вниз (рис.7). Поэтому для измерения характеристик до 100 м при газосодержании 60% максимальный напор на чистой жидкости был кратковременно увеличен со 100 м до 200 м.

Результаты показаны на рис. 7 и 8, где соответственно отображены расходно-напорные характеристики и КПД.

Рис. 7 Расходно-напорные характеристики насоса ОРНП5-10 при различном газосодержании на 750 об/мин при вязкости 400 сСт

Рис. 8 КПД насоса ОРНП5-10 при различном газосодержании на 750 об/мин при вязкости 400 сСт

Видно, что в исследованной области насос может перекачивать жидкость с газосодержанием до 60%, что существенно выше максимального предельного газосодержания центробежных насосов. При этом снижается подача смеси и КПД насоса. Негативных последствий для деталей насоса обнаружено не было.

Выводы

1. Проведены исследования по изучению работы объёмно-роторных насосов на высоковязкой жидкости и при высоком содержании газа. Показано, что ОРНП способен перекачивать жидкости вязкостью до 12000 сСт.
2. При работе ОРНП на высоковязкой жидкости наблюдается некоторое снижение характеристик из-за повышения сопротивления входных и выходных каналов насоса. В частности, максимальный КПД в рабочем диапазоне напоров снижается примерно в 5 раз в сравнении с КПД при вязкости 600 сСт.
3. Исследована деградация характеристик насоса вследствие износа и предложен метод компенсации снижения напора при помощи повышения частоты вращения.
4. Установлено, что ОРНП способен справиться с высоким содержанием газа на входе до 60%.
5. Полученные результаты и тот факт, что материалы насоса не имеют ограничений по температуре и составу пластовой жидкости, обеспечивают применение ОРНП в условиях, недоступных для винтовых и центробежных насосов.

Список литературы

1. Бекбаулиева А.А., Арсакбаева А.К. Способы добычи и технологии, используемые для извлечения высоковязкой нефти. Проблемы и достижения современной науки том: 2, Номер: 1 (5),  2018 Стр 35-43
2. https://www.hms.ru/pumps_catalog/?SECTION_ID=290&ELEMENT_ID=944
3. Брот А.Р. Установки винтовых насосов как способ эффективной эксплуатации малодебитных скважин. Инженерная практика 7 / 2010
4. Тимашев Э.О., Ямалиев В.У. Анализ причин разрушения эластомеров обойм винтовых насосов // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело.
5. Паначев М.В. Объемные насосы Новомет - новое решение для добычи нефти. Neftegas.ru 2020. https://neftegaz.ru/science/booty/543667-obemnye-nasosy-novomet-novoe-reshenie-dlya-dobychi-nefti/
6. Пещеренко С. Н. Влияние вязкости жидкости на рабочие характеристики насоса ЭЦН7А-1000 / С. Н. Пещеренко, Д. Н. Лебедев, Д. А. Павлов // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2018. Том 4. 4. С. 64-79.
7. Якимов С.Б., Шпортко А.А., Сабиров А.А., Булат А.В. Влияние концентрации абразивных частиц в добываемой жидкости на надежность работы электроцентробежных погружных насосов. Территория НЕФТЕГАЗ. 2017;(6):50-56.
8. Механизм гидроабразивного износа ступеней нефтяных насосов / В. Г. Островский, М. О. Перельман, С. Н. Пещеренко // Бурение & нефть. - 2012. - 10. - С. 36-38.,