Объемные насосы «Новомет» – новое решение для добычи нефти

Нефть и Газ Статья
выбрано
energybase

Как в России, так и в мире с каждым годом становится все меньше запасов легкой нефти. По мнению экспертов нефтегазовой отрасли, мировые запасы вязкой нефти значительно превышают запасы легкой, и составляют более 70% всех запасов.

Добыча вязкой нефти требует нетрадиционного уникального подхода.

По мере продолжающегося роста добычи лёгкой нефти доля тяжелой в структуре запасов углеводородов будет возрастать. Во многих промышленно развитых странах мира тяжелая, вязкая нефть рассматривается в качестве основной базы развития нефтедобычи на ближайшие годы. По прогнозам ведущих мировых аналитиков, динамика добычи такого сырья в перспективе будет иметь положительный тренд.

Иными словами, как в ближайшем, так и отдаленном будущем добыча вязкой нефти приобретает ключевое значение.

Автор: Михаил Паначев, Начальник КБ Одновременно-раздельной эксплуатации и объемных насосов АО «Новомет-Пермь»

Традиционные способы добычи вязкой нефти

Обычно в таких условиях используются установки штанговых глубинных (УШГН) и винтовых насосов (УВН). Но применение первых на начальном этапе строительства площадки и размещения оборудования требует больших капитальных затрат. А для вторых необходимо подбирать тип эластомера для каждой скважины, что увеличивает номенклатуру изделий и количество ошибок при подборе. Применение штанг для привода также ограничивает использование этих установок в горизонтальных скважинах.

Предлагаемое решение

Одним из путей решения проблемы является применение объемных насосов с приводом от погружного электродвигателя. Во-первых, отпадает необходимость строительства инфраструктуры скважины, во-вторых, при отсутствии эластомера не требуется индивидуальный подбор насоса.

Проблемы, возникающие при добыче вязкой нефти традиционными способами (плунжерными или винтовыми насосами), можно решить, применив погружной насос объемного действия, который получал бы энергию от погружного электродвигателя. Например — многоступенчатый пластинчатый насос оригинальной конструкции [патент РФ № 2495282] с расположением пластинок в статоре. Общий вид ступени показан на рис. 1.

Рис. 1 Общий вид ступени ОРНП
Рис. 1 Общий вид ступени ОРНП

Объемно-роторный насос пластинчатого типа (далее ОРНП) в сборе показан на рис. 2. Преимущества этого насоса перед плунжерными и винтовыми состоят в следующем:

  • не используются эластомеры;
  • насос может создавать практически любой требуемый напор (путём подбора необходимого кол-ва ступеней);
  • может применяться в горизонтальных скважинах.
  • проведенные испытания показали возможность его применения для перекачивания высоковязкой нефти, вплоть до 5000 сСт.
Рис. 2 Общий вид многоступенчатого пластинчатого насоса
Рис. 2 Общий вид многоступенчатого пластинчатого насоса

Успешные испытания опытного экземпляра привели к разработке и изготовлению такого типа насоса в 2-х габаритах. АО «Новомет-Пермь» производит ОРНП в 5 и 5А габаритах. Характеристика каждого насоса представлена ниже.

Характеристика ОРНП5−10

Изначально данный насос спроектирован и изготовлен в 5 габарите, и предназначен для эксплуатации низкодебитных скважин. Совместно с низкооборотным электродвигателем 117 мм ОРНП5−10 может применяться для э/к от 140 мм.

Этот насос прошел все заводские испытания, в том числе — ресурсные с песком. Для увеличения ресурса элементы насоса выполнены из износостойких материалов.

В том числе насос прошел опытно-промышленные испытания в различных нефтяных компаниях как в России, так и за рубежом.

Таблица 1. Характеристики ОРНП5

Диапазон подач, м3/сут

5−15

Частота вращения, об/мин

500−1000

Номинальная частота вращения, об/мин

750

Рекомендуемая вязкость жидкости, сСт

30−5000

Хотелось бы отметить, что объемные насосы имеют лучшие характеристики при работе на вязкой жидкости. Проведенные испытания подтвердили это.

Напорно-расходные характеристики на разной вязкости в пересчете на одну ступень приведены на рис. 3, 4. Видно, что при увеличении вязкости жидкости напор монотонно растет при одном и том же расходе (из-за уменьшения утечек через зазоры). КПД также при увеличении вязкости растет.

Рис. 3 Напорно-расходная характеристика ступени ОРНП5 на воде (750 об/мин)
Рис. 3 Напорно-расходная характеристика ступени ОРНП5 на воде (750 об/мин)
Рис. 4 НРХ ступени ОРНП5 на жидкости вязкостью 100 сСт (750 об/мин)
Рис. 4 НРХ ступени ОРНП5 на жидкости вязкостью 100 сСт (750 об/мин)

Характеристики ОРНП5А-50

В продолжении развития данного типа насоса разработан ОРНП в 5А габарите c подачей до 50 м3/сут. Как и предшественник, он прошел все заводские испытания и находится на стадии проведения ОПИ в разных компаниях в России, и за рубежом.

Как и в 5 габарите, элементы ступени насоса выполнены из износотойких материалов.

Характеристики насоса представлены в табл. 2.

Таблица 2. Краткая характеристика ОРНП5А-50

Диапазон подач, м3/сут

20−50

Частота вращения, об/мин

500−1000

Номинальная частота вращения, об/мин

1000

Рекомендуемая вязкость жидкости, сСт

30−5000

Испытания на разной жидкости подтвердили лучшую характеристику насоса на жидкости большей вязкости.

Напорно-расходные характеристики на разной вязкости в пересчете на одну ступень приведены на рис. 5, 6. Видно, что при увеличении вязкости жидкости при одном и том же расходе (из-за уменьшения утечек через зазоры) — напор растет.

Рис. 5 Напорно-расходная характеристика ступени ОРНП5А на воде (1000 об/мин).
Рис. 5 Напорно-расходная характеристика ступени ОРНП5А на воде (1000 об/мин).

Из этого следует, что при работе на вязкой жидкости нам необходимо применять меньшее количество ступеней, соответственно и стоимость насоса будет ниже.

Рис. 6 Напорно-расходная характеристика ступени ОРНП5А на жидкости вязкостью 100 сСт (1000 об/мин).
Рис. 6 Напорно-расходная характеристика ступени ОРНП5А на жидкости вязкостью 100 сСт (1000 об/мин).

Комплектация ОРНП

Комплектация установки стандартная, и как для УЭЦН. Отличие в том, что применяется низкооборотный электродвигатель с частотой вращения от 100−1500 об/мин. (Рис.7).

Рис. 7 Комплектация ОРНП
Рис. 7 Комплектация ОРНП

Сравнение мощности ОРНП, ЭЦН и ПВЭДН в зависимости от частоты вращения

На графиках (Рис. 8,9) видно, зона рабочих частот ЭЦН с одной стороны ограничена мощностью электродвигателя (правая граница), с другой — минимально необходимым (создаваемым) напором — не менее 20% от номинального (левая граница). При этих границах диапазон изменения подачи составляет 30%.

ОРНП работоспособен в широком диапазоне частот (см. рис. 9). Верхняя граница обусловлена долговечностью конструкции ступеней (1000 об/мин), нижняя — подачей насоса (100 об/мин). При этом мощности электродвигателя достаточно во всем диапазоне частот вращения.

При этих границах диапазон изменения подачи ОРНП больше, чем у ЭЦН, в 3 раза, (см. рис. 9).

Рис. 8 Зависимость напора, мощности ЭЦН и мощности ПВЭДН от частоты вращения
Рис. 8 Зависимость напора, мощности ЭЦН и мощности ПВЭДН от частоты вращения
Рис. 9 Зависимость напора, мощности ОРНП и мощности ПВЭДН от частоты вращения
Рис. 9 Зависимость напора, мощности ОРНП и мощности ПВЭДН от частоты вращения

Опыт внедрения с погружным электродвигателем

На сегодняшний день мы имеем большой опыт внедрения ОРНП в разных компаниях в России и за рубежом.

В табл. 3 представлены наработки ОРНП в разных компаниях (данные на 27.05.2020 г.).

Таблица 3 Опыт внедрения ОРНП

Компания

Дата запуска

Состояние

Наработка

ОРНП5−10

OMV Petrom (Румыния)

20.07.2015

В работе

1766

OMV Petrom (Румыния)

20.02.2017

В работе

1192

OMV Petrom (Румыния)

16.02.2018

В работе

831

АО «Мессояханефтегаз»

12.09.2017

Демонтировано 19.08.2018

341

ООО «Лукойл-Пермь»

22.03.2018

Демонтировано 29.08.2019

511

PDVSA (Колумбия)

26.09.2018

В работе

609

ОРНП5А-50

АО «Мессояханефтегаз»

24.06.2018

Демонтировано 22.01.2019

219

OMV Petrom (Румыния)

25.07.2018

В работе

420

Хотелось бы сказать несколько слов о внедрении оборудования на Восточно-Мессояхском месторождении. Известно, что это месторождение осложнено выносом большого количества мехпримесей до 1600 мг/л. При этом вязкость жидкости порядка 300 сСт и температура 16 °C.

Но даже в таких условиях опытно-промышленные испытания успешно завершились.

ОРНП — решение для замены винтовых насосов с приводом от штанг

Данное решение (Рис. 10) позволит уменьшить риски невозможности запуска (т.к. отсутствует эластомер, момент «страгивания» ниже).

Таблица 4 Краткая характеристика ОРНП с наземным приводом

Габарит

5

Диапазон частот вращения, об/мин

100−400 (ограничено приводом)

Диапазон подач, м3/сут

1−6

2−20

Рекомендуемая вязкость

30−5000

30−5000

Процедура монтажа стандартная:

  1. Монтаж противоотворотного анкера с МС ОРНП и спуск данного оборудования на НКТ;
  2. Фиксация противоотворотного анкера путем поворачивания НКТ;
  3. Спуск насосных штанг с шлицевым якорем до соединения с МС ОРНП;
  4. Подгонка штанг на устье для соединения с приводом.

Учитывая положительный опыт эксплуатации данного типа насосов при больших частотах вращения, наработка данного оборудования при частотах 100−400 об/мин будет только больше.

Рис. 10 Схема ОРНП с приводом от наземного электродвигателя
Рис. 10 Схема ОРНП с приводом от наземного электродвигателя

Сложности и проблемы внедрения ОРНП

Современные реалии нефтедобывающей отрасли таковы, что внедрение любых сложных технологических инноваций не обходится без преодоления первоначальных проблем, сложностей и «детских болезней» опытного оборудования. И рассматриваемая в данной статье технология имеет в своем послужном списке неудачные попытки внедрения, умолчать о которых никак нельзя.

Так, при внедрении в Оренбургнефти наработка установки ОРНП5−10 составила менее 30 суток, после чего произошел клин установки и ее демонтаж. При проведении разбора и последующих лабораторных анализов рабочих органов насоса было установлено, что причиной клина стало выкрашивание специального композиционного сплава, применяемого для покрытия различных элементов, работающих в сложных условиях кавитационно-эрозионного и ударно-абразивного износа. Лабораторные пробы показали наличие сульфидов железа, что свидетельствует о наличии в скважинной жидкости сероводорода. В силу особенностей химического состава покрытия рабочих органов ОРН, наличие даже небольшого количества сероводорода в скважине вызывает взаимодействие его с покрытием, его скоротечное вымывание и, как следствие, невозможность продолжения работы насоса, его клин.

Несмотря на то, что об ограничении на наличие в скважине сероводорода при внедрении ОРНП известно, его не всегда получается учесть при подборе скважины — так как при его незначительном содержании и работе в скважине УЭЦН в коррозионностойком исполнении, сероводород никак себя не проявляет и попросту не берется в расчёт службами заказчика.

Второй неудачный запуск был осуществлен на месторождении Казахстана: установка отработала после запуска всего несколько часов, после чего была демонтирована по причине клина. При проведении разбора оказалось, что все рабочие органы — от входного модуля до выкида насоса — наглухо забиты механическими примесями (Рис. 11).

Вывод: в данной ситуации ОРНП сыграл роль «насоса-жертвы» при отсутствии подготовки скважины после ГТМ. Насос решено отревизировать, и после согласования с заказчиком принять решение о продолжении опытно-промышленных испытаний.

Для преодоления всех этих ограничений специалистами «Новомет» уже ведется поиск нового состава твердосплавного покрытия, а также технологий его нанесения, обеспечивающих стойкость к наличию сероводорода. Также сегодня нашими специалистами совместно с заказчиками при внедрении установок ОРН проводится более тщательный контроль планируемых к внедрению скважин, в том числе на наличие сероводорода, что гарантирует длительную безотказную эксплуатацию и наработку, превышающую наработку установок ЭЦН и винтовых насосов — ведь примеров удачного внедрения с наработками более 1000 суток гораздо больше.

Рис 11. Насос ОРНП, забитый механическими примесями после пробного запуска в Казахстане
Рис 11. Насос ОРНП, забитый механическими примесями после пробного запуска в Казахстане

Заключение

Подводя итог сказанному, отметим:

  • В АО «Новомет-Пермь» для добычи вязкой нефти предложена оригинальная конструкция объемно-роторного насоса, которая имеет ряд преимуществ перед другими видами машин объемного типа. Путем подбора необходимого числа ступеней данный насос может создавать практически любой требуемый напор, применяться в скважинах с горизонтальным участком.
  • Напор ОРНП на вязкой жидкости на порядок выше, чем у аналогичных малодебитных центробежных насосов. В отличие от них напор данного насоса с увеличением вязкости растет. Благодаря новому оборудованию удастся сократить затраты на добычу нефти вообще, и особенно — на добычу вязкой нефти.
  • В отличие от ЭЦН, широкий диапазон регулирования частоты вращения позволяет и подачу регулировать в широком диапазоне. Отсутствие эластомера в конструкции позволяет упростить подбор насоса для скважин.
  • Ввиду отсутствия эластомера насос работоспособен при температурах до 170 °C.
  • При проведении ОПИ в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» достигнуто снижение удельного энергопотребления на 1 м3 добываемой продукции в 2,6 раза по сравнению с предыдущей эксплуатацией ЭЦН.

Установки ОРНП производства АО «Новомет-Пермь» успешно проходят эксплуатацию как на многочисленных месторождениях России, так и за рубежом. При этом максимальная наработка превысила 1400 суток. Достигнутые результаты объясняются преимуществами технологии, которая непрерывно развивается. В частности, сегодня прорабатывается возможность производства оборудования как на меньшую подачу — менее 10 м3/сут, так и на большую — свыше 100 м3/сут.