Исследование переходных процессов в объемно-роторных насосах при откачке жидкости глушения на примере секции насоса ОРНП5А-50

Нефть и Газ Статья
выбрано
energybase

Рассмотрены особенности конструкций и работы объемно роторных пластинчатых насосов (ОРНП) во время перехода с жидкости глушения на нефтесодержащую пластовую жидкость. Предложена методика и приведены результаты экспериментальных исследований по изменению потребляемой мощности, крутящего момента и давлению развиваемого ступенями секции насоса во время переходного процесса.

Показан характер изменения давления по ступеням насоса во время перекачивания однородной жидкости и при переходе с воды на вязкую жидкость. Показано влияние переходного процесса на работоспособность объемно роторных пластинчатых насосов (ОРНП).

Авторы:

  • Островский Виктор Георгиевич (начальник инженерно-технологического центра)
  • Мусинский Артем Николаевич (начальник лаборатории)
  • Юров Олег Борисович (инженер-исследователь)
  • Козлов Игорь Владимирович (инженер-исследователь)

Введение

В настоящее время одним из способов добычи в скважинах с тяжелой нефтью, низким уровнем притока и высокой степенью вязкости является использование объемно-роторных пластинчатых насосов (ОРНП) [3]. Конструкция данного насоса исключает потребность в использовании элементов из эластомера, которые являются самой уязвимой частью в винтовых насосах [4,5]. Вместо них в ОРНП применяются цельнометаллический статор и ротор кулачкового типа (пара трения металл по металлу), общий вид ступени ОРНП показан на рисунке 1. В результате ОРНП обеспечивает добычу высоковязкой нефти, которая содержит механические примеси, имеет повышенное содержание газа в условиях низкого дебита [8,9].

Рис. 1 Общий вид ступени ОРНП

Одним из рисков при эксплуатации насосов на высоковязкой жидкости является переходный процесс после откачки маловязкой жидкости глушения и переходе на высоковязкую жидкость. В ходе данной работы были исследованы процессы, возникающие в ОРНП5А-50 при замене модельной жидкости с воды на масло с вязкостью нефтесодержащей пластовой жидкости во время работы насоса.

Входные данные и методика проведения эксперимента

Испытания секции ОРНП5А-50 проводились при частоте вращения вала 1000 об/мин [1] на испытательном стенде, приведенном на рисунке 2.

Рис. 2 Расположение ОРНП5А-50 на испытательном стенде

Ввиду сложности измерения давлений непосредственно из рабочих камер насоса, был подготовлен специальный образец насоса, в котором между ступеней были добавлены специальные проставки с отверстиями. Корпус насоса дорабатывался, были выполнены резьбовые отверстия напротив проставков. В каждое резьбовое отверстие были закреплены датчики давления, подключенные к анализатору спектра ZetLab-038 для непрерывной записи показаний давления. Расположение датчиков давления приведено на рисунке 3.

Рис. 3 Расположение датчиков давления на корпусе ОРНП5А-50

Для записи крутящего момента, частоты и потребляемой мощности использовался датчик крутящего момента М40, декодер Т45 (USB). Список использованных средств измерения указан в таблице 1.

Таблица 1 — Перечень и характеристики датчиков лабораторного стенда

Наименование СИ

Предел измерения

Погрешность измерения

1

Датчик давления

0.10 МПа

0,5% от ВПИ (± 0,08 МПа)

2

Термометр сопротивления

-50.150 ˚С

1% от текущего значения

3

Датчик крутящего момента М40

-0.1000 Гц

0,2% от текущего значения

4

Расходомер

0.5.450 м3/час

0,2% от текущего значения

5

Акселерометр

0,5…10000 Гц

<5% относительная поперечная чувствительность

В качестве рабочей жидкости использовалась вода и масло 80W-90 с заданной вязкостью (100, 500 или 1000 сСт) [6,7]. Вязкость регулировалась путем изменения температуры жидкости. Зависимость вязкости масла 80W-90 от температуры показана на рисунке 4.

Рис. 4. Зависимость вязкости масла 80W-90 от температуры.

Последовательность проведения испытаний

При работе ОРНП5А-50 на масле при 1000 об/мин положение задвижек стенда подбирали таким, чтобы получить напор 100 м на ступень на вязкой жидкости. Величина напора на ступень была выбрана из результатов ресурсных испытаний как безопасный уровень работы ступеней ОРНП5А-50 [2]. В дальнейшем положение задвижек не менялось.

С помощью шаровых кранов переключали подачу жидкости на воду и ждали устоявшегося режима, когда вода полностью заменит масло.

Затем переключали подачу жидкости на масло и записывали для дальнейшего анализа сигналы датчиков давления, крутящий момент, частоту и потребляемую мощность.

Давление в ступенях ОРНП5А-50 записывалось с дискретностью 50 000 значений в секунду, а крутящий момент, частоту и потребляемую мощность — 20 000 значений в секунду.

Полученные результаты экспериментальных исследований и их анализ

На рис. 5 приведены этапы переходного процесса с их продолжительностью на примере изменения потребляемой мощности, крутящего момента и частоты, записанные с помощью датчика крутящего момента М40.

Рис. 5 Крутящий момент, частота и потребляемая мощность при вязкости масла 100 сСт

Нас в первую очередь интересует та часть графика, где виден переход с воды на масло заданной вязкости, это выделено красным цветом на графике.

Видно, что частота вращения ОРНП5А-50 оставалась постоянной во время эксперимента (зеленая линия на графике).

График изменения момента и мощности для переходного процесса показан укрупненно на рисунке 6. Частота вращения не показана, так как оставалась постоянной.

Рис. 6 Крутящий момент и мощность во время переходного процесса, вязкость 500 сСт

При переходе с воды на масло резко повышаются мощность и крутящий момент. Причем повышение происходит до значений, которые выше, чем мощность и крутящий момент при работе на чистом масле. Величина превышения 11−19% для различных вязкостей. Далее в течение 30−40 секунд происходит снижение мощности и потребляемого момента до исходных значений на чистом масле. Пульсаций момента зафиксировано не было.

Ранее напорно-расходная характеристика насоса ОРНП5А-50 снималась на масле и на воде, наложим на эти два графика значения подачи и напора, полученные при исследовании переходного процесса. Точки переходного процесса на НРХ показаны на рисунке 7.

Рис. 7 НРХ на воде, масле вязкости 500 сСт и во время переходного процесса

Видно, что точки, снятые в ходе переходного процесса, лежат на кривых НРХ этого насоса на воде и на масле, то есть, во время переходного процесса происходит «скачок» с НРХ насоса на воде к НРХ на масле.

Давление в ступенях ОРНП5А-50 записывалось анализатором спектра ZetLab-038 с дискретностью 50 000 значений в секунду, что позволило увидеть пульсации давления, которые объясняются характером работы ОРНП (рисунок 8).

Рис. 8 Пульсация давления во второй рабочей ступени ОРНП5А-50 во время переходного процесса (Print scrin экрана ПО ZetLab, запись токового сигнала датчика), вязкость 100 сСт

Для наглядности покажем пульсацию давления по ступеням насоса и изменение крутящего момента за один оборот во время переходного процесса (Рисунок 9).

Рис. 9 Изменение давления по ступеням ОРНП5А-50 и крутящего момента за 1 оборот, вязкость 500 сСт

На один оборот насоса приходится несколько периодов изменения давления в ступенях. Величина давления растет с номером ступени и максимальна на пятой ступени.

Покажем усредненные графики распределения давления с учетом пульсации (пунктирные линии) по рабочим ступеням в зависимости от вязкости масла (рисунок 10).

Рис. 10 Распределение усредненных значений давления по ступеням, вязкость 100,500, 1000 сСт

Из графиков на рисунке 9 видно, что характер изменения давления при переходе с воды на масло соответствует характеру изменения крутящего момента и мощности на рисунке 4. А именно, повышение происходит до значений, которые выше, чем мощность и крутящий момент при работе на чистом масле. Величина превышения 11−19% для различных вязкостей. Далее в течение 30−40 секунд происходит снижение мощности и потребляемого момента до исходных значений на чистом масле.

Стоит отметить, что пульсация давления во время переходного процесса растет на всех вязкостях модельной жидкости, затем при выходе насоса на работу на чистом масле амплитуда пульсации давления снижается. С увеличением вязкости масла растет и амплитуда пульсации давления.

На рисунке 11 показано изменение ее максимальных значений давления и относительного изменения пульсации по длине насоса ОРНП5А-50.

Рис. 11 Изменение максимальных значений давления с учетом пульсации по длине насоса ОРНП5А-50 (верхние графики) и относительных значений пульсации по длине насоса ОРНП5А-50 (нижние графики)

Видно, что с началом переходного процесса вместе с ростом давления растет амплитуда пульсация самого давления. Пульсация давления достигаем максимума на пике давления, затем снижается до значений установившегося режима. Относительная величина пульсация давления снижается по длине насоса, так как амплитуда пульсации растет значительно медленнее, чем само давление.

Во время протекания переходного процесса была отобрана проба эмульсии после секции ОРНП5А-50, на которой определена динамическая вязкость. Эмульсия содержала 3,8% воды в масле 80W-90. Сравнение графиков динамической вязкости «чистого» масла 80W-90 и его эмульсии показаны на рисунке 12.

Рис. 12 Динамическая вязкость масла 80W-90 и эмульсии, содержащей 3,8% воды

Динамическая вязкость эмульсии выше динамической вязкости «чистого» масла 80W-90 во всем диапазоне температур, что может являться причиной превышения мощности и давления на 11−19% [10].

По результатам испытаний можно сделать выводы.

При переходном процессе с воды на вязкую жидкость происходит увеличение потребляемой мощности и давления насоса. Причем значение обоих параметров становится больше на 11−19% выше для потребляемой мощности и 10−17% для давления, от значений постоянного режима. Общая продолжительность переходного процесса не более 30−35 сек.

Во время переходного процесса образуются эмульсии вода-масло. Динамическая вязкость эмульсии выше, чем динамическая вязкость «чистого» масла. Этим и объясняется, что во время переходного процесса значение крутящего момента и мощности превышает их уровень при работе на масле.

В любом режиме работы ОРНП давление пульсирующее, в том числе при перекачке однородной жидкости (масла или воды).

Величина пульсаций давления зависит от давления ступени. Абсолютные значения колебаний давления увеличиваются по длине насоса, относительные — снижаются.

С началом переходного процесса вместе с ростом давления, растет пульсация самого давления до 55% (от среднего уровня давления), в установившемся режиме пульсация давления до 40% (от среднего уровня давления). Пульсация давления достигаем максимума на пике давления переходного режима, затем снижается до значений установившегося режима.

Полученные при исследовании переходного процесса изменения нагрузки/давления не являются критическими для ступеней ОРПН5А-50. ОРНП может использоваться для откачки жидкости глушения и дальнейшей эксплуатации.

Литература

  1. ГОСТ ISO 9906−2015 Насосы динамические. Гидравлические испытания.
  2. ГОСТ 27851–88 Насосы объемные для гидроприводов. Метод ускоренных сравнительных испытаний на ресурс
  3. Мартюшев Д.Н., Паначев М.В. Установка объемно-роторного насоса для эксплуатации малобюджетного фонда нефтяных скважин: Механизированная добыча нести, № 12, 2015 г.- С18−21.
  4. Паначев М.В. Объемные насосы «Новомет» — новое решение для добычи нефти: Арсенал нефтедобычи, № 22 2020 г. С50−55.
  5. Паначев М.В., Бондарь А. Установка объемно-роторного насоса для эксплуатации малодебитного фонда нефтяных скважин (ОРНП): Арсенал нефтедобычи, № 20 2017 г. С43−45.
  6. Н.Г. Шевченко, В. Э. Дранковский, Е. С. Коваль, А. В. Косоруков К вопросу определения потерь мощности на дисковое трение для ньютоновской и не ньютоновской жидкости погружных насосов: Hydraulic machines and hydraulic units, № 46 (1322) 2018 г. С41−48
  7. Журавлев А. А., Савин Н. П., Филатова Н. О. Исследование зависимости вязкости моторного масла от температуры // Научно-методический электронный журнал «Концепт». — 2016. — Т. 12. — С. 82−86. — URL: http://e-koncept.ru/2016/46217.htm
  8. Объемно-роторный пластинчатый насос [Электронный ресурс]: сайт АО Новомет-Пермь. — URL: https://www.novometgroup.com/rus/products-and-services/artificial-lift/rotary-displacement-pumps/
  9. Установка объемно-роторного насоса АО «Новомет» на месторождении в Румынии: первая тысяча суток работы позади 28 июня 18 г [Электронный ресурс]: сайт energybase.ru.- URL: https://energybase.ru/news/com…
  10. Данилов В.Ф., Литвиненко А.Н., Ахсанов М.М., Тимербаев Р.М. Масла, смазки и специальные жидкости. — Елабуга: изд-во филиала К (П)ФУ, 2013.