Разработка систем для поверхностной перекачки газожидкостной смеси с концентрацией газа до 95%

Актуальность
В настоящее время для увеличения объемов добычи нефти из трудно извлекаемых запасов применяют методы интенсификации - снижение депрессии на пласт, многостадийный гидроразрыв пласта (МГРП). Снижение давления на забое ниже давления насыщения приводит к выделению из нефти летучих углеводородов, образуется газожидкостная смесь с большой концентрацией нерастворенного газа. Увеличение притока методом МГРП также сопровождается увеличением объема не только жидкости, но и газа. Поднятый на поверхность газ многократно увеличивается в объеме.

В соответствии с федеральным законом о запрете сжигания попутного газа, добывающие компании ищут способы его полезного использования. В связи с этим растет число запросов на устройства для поверхностной перекачки газожидкостной смеси с концентрацией газа до 95%.

В настоящий момент на рынке предлагается оборудование для перекачки газожидкостной смеси ГЖС с помощью мультифазных насосных систем производства Zultzer, Borenmann, однако стоимость таких комплексов сопоставима со стоимостью установок для подготовки и транспорта нефти с применением отстойников. На практике часто используются системы на базе струйного насоса, но возникают сложности с расчетом и подбором диаметра сопла, что приводит к заниженным значениям газосодержания перекачиваемой смеси.

Использование обычных центробежных насосов для перекачки газожидкостной смеси с концентрацией газа более 40% приведет к срыву подачи и преждевременному выходу насоса из строя. В подтверждение этого известного факта можно привести типичную напорно-расходную характеристику электроцентробежного насоса при работе на газожидкостной смеси, см. рис.1. Из рисунка 1 видно, что с увеличением концентрации газа до 40% рабочий диапазон насоса сократился до 85-100 м³/сут, при этом напор упал почти в два раза в сравнении с характеристикой на воде без газа (кривая с концентрацией газа 0%).

Рис. 1. Типичная напорно-расходная характеристика
центробежного насоса при перекачке газожидкостной смеси

Таким образом, осуществить задачу перекачки ГЖС с высокой концентрацией газа типичным центробежным насосом не удастся, требуются решения с лучшей эффективностью, но сопоставимые по цене с обычной насосной системой.

Цели и задачи

По результатам проведенного обзора современного состояния оборудования для поверхностной перекачки газожидкостной смеси были сформулированы следующие задачи:

• На основе стендовых и численных исследований разработать системы для поверхностной перекачки газожидкостной смеси на базе струйного и мультифазного насосов.

• Подобрать компоновку мультифазного насоса (число ступеней, частота вращения вала), позволяющую перекачать газожидкостную смесь с концентрацией газа более 90%.

• Аналитическим и экспериментальным способом подобрать компоновку (число ступеней основного насоса, диаметр сопла), позволяющую перекачать газожидкостную смесь с концентрацией газа более 90% системой со струйным насосом.
  
  

Проектирование осевых ступеней

Использование ступеней осевого типа в качестве мультифазных широко распространено в отрасли, см. например, мультифазные ступени Schlumberger (Poseidon), GE (GHP). Движение потока ГЖС по межлопастным каналам такой ступени от входа к выходу в осевом направлении, без поворотов, позволяет избежать появления газовой пробки на входе в рабочее колесо с последующей закупоркой входного сечения, а значит позволяет перекачивать ГЖС с высокой концентрацией нерастворенного газа. В осевых ступенях, так же, как и в центробежных, присутствует сепарация фаз разной плотности в поле центробежных сил, однако площадь входного сечения и ширина межлопастного канала существенно больше, поэтому для полного перекрытия каналов требуется гораздо больше свободного газа в потоке (см. табл. 1)

Таблица 1. Величина предельной концентрации газа (β_max)
в ГЖС для ступеней разного типа

Из рисунка 1 видно, что максимальные подачи при концентрации газа в ГЖС с 0 и 35% отличаются примерно в 2 раза. Этот факт многократно подтверждается накопленным опытом испытаний насосных ступеней на жидкости с газом. Поэтому при разработке мультифазной ступени, учитывая такую деградацию, нужно закладывать максимальную подачу на воде, вдвое превышающую требуемую максимальную подачу ступени на ГЖС. Дополнительным требованием к качеству разработанной ступени является ее монотонно-падающая напорно-расходная характеристика (НРХ).

Внешний вид ступени мультифазного осевого насоса с коммерческим названием МФОН7А-1600 (мультифазный осевой насос 7А габарита с максимальной подачей по ГЖС 1600 м³/сут) приведен на рис. 2. Рабочее колесо ступени содержит геликоидальные лопасти, причем количество лопастей мало для сохранения достаточной ширины проточных каналов. Направляющий аппарат выправляет закрученный рабочим колесом поток, преобразуя кинетическую энергию потока в давление [1]. Именно эту ступень, имеющую самый широкий диапазон подач в линейке серийных насосов Новомет, взяли за основу при разработке системы поверхностной перекачки ГЖС.

Сначала строилась цифровая модель ступени, рассчитывались ее эксплуатационные характеристики с помощью методов численного моделирования. Расчетная НРХ на воде при частоте вращения вала 3000 об/мин. приведена на рис.3. Видно, что характеристика является монотонно-падающей.

Методика испытаний мультифазного насоса

Следующим этапом разработки мультифазного насоса является исследование возможностей многоступенчатой сборки предложенных ступеней по перекачке ГЖС в стендовых условиях. Схема испытательного стенда приведена на рис. 4. Для контроля давления в каждой ступени в корпусе насосной секции были предусмотрены отверстия с установленными датчиками давления. Данные о величине давления на каждой ступени позволяли определить число ступеней в секции, на которых происходит начальная диспергация ГЖС, но давление при этом ступень не создает.

Полная напорно-расходная характеристика секции получалась в результате замеров давления на нескольких подачах рабочей жидкости, обычно 8-10 равноотстоящих точек во всем диапазоне подач. Испытания проводились в следующем порядке. Устанавливался расход жидкости, соответствующий первой запланированной подаче. Последовательно выполнялись измерения при 5, 10, 15,…% газа на приеме до срыва подачи. В каждой точке проводились замеры исследуемых величин (подача, напор, мощность, обороты привода), только после достижения установившегося режима работы. После срыва подачи поступление газа в устройство прекращалось. Далее устанавливалась следующая подача по жидкости, и по той же схеме проводились испытания при текущей подаче.

Рисунок 4. Схема испытаний мультифазного насоса
на газожидкостной смеси

Результаты испытаний МФОН7А-1600 при 90% газа

По результатам испытаний и аналитических расчетов следует вывод, что для перекачки ГЖС с содержанием газа 90% нужно не менее 17 ступеней (рисунок 5) [2].

Рисунок 5. Влияние на число ступеней, не создающих напор (диспергирующих ГЖС)

Для перекачки смеси с концентрацией более 90% газа проводили испытания на секции МФОН7А-1600, состоящей из 17 ступеней при частоте вращени вала в 50 Гц. В ходе испытаний на ГЖС была получена НРХ насоса на воде. Затем в систему подавался газ. Были получены точки, где содержание газа в ГЖС превышало 75%. При увеличении газосодержания свыше 85% насос переставал создавать напор (рисунок 6 слева). Так как в нефтяной промышленности принято использовать для работы машин и механизмов частоты 50-60 Гц, то решили провести испытания на частоте в 60 Гц для лучшего диспергирования ГЖС [3,4]. Перед началом испытаний была получена характеристика насоса на воде, а затем удалось получить несколько точек и построить кривую с концентрацией газа 90% при положительном напоре (рисунок 6 справа).

Рисунок 6. Напорно-расходная характеристика мультифазного насоса при концентрации газа 0, 75, 85 и 90%. При частоте 50 Гц слева и 60 Гц справа.

Можно сделать вывод, что сборка мультифазного насоса из 17 ступеней при частоте вращения 60 Гц работоспособна при концентрации газа 90%.

Методика испытаний струйного насоса

С целью подбора оптимальных геометрических параметров струйного насоса (диаметр сопла, диаметр и длина камеры смешения) были проведены исследования с варьированием геометрии струйного насоса. Последовательно устанавливались электроцентробежный насос (ЭЦН) с приводом и струйный насос (рисунок 7). Жидкость прокачивалась по системе при помощи бустерного насоса, затем на электродвигателе задавалась частота 45 Гц, и запускался ЭЦН, при этом все задвижки были полностью открыты. После приработки установки начиналась постепенная подача газа через компрессор на струйный насос (до 95% газа в ГЖС) и записывались данные (Q_ж (подача жидкости, м³/сут), Q_г (подача газа, м³/сут), P_вх (давление на входе в установку, атм), P_с (давление после сопла, атм), P_выхн (давление на выходе из центробежного насоса, атм), β (концентрация газа в ГЖС, %), P_вых (давление на выходе из установки).

Рисунок 7. Схема и фото стенда для испытаний системы на базе струйного насоса

Результаты испытаний системы на базе струйного насоса

Система состояла из основного насоса ЭЦН5-60 длиной 1.5 м. и струйного насоса с диаметром сопла 1,8 мм [5]. Записывали параметры системы при работе на воде (таблица 2, первая строка) и промежуточных газосодержаниях (таблица 2, со 2 по 9 строчки). По результатам испытаний составили таблицу 2, из которой видно, что максимальная концентрация газа, при которой работоспособна система, составляет 93%.

Таблица 2. Параметры работы системы на базе струйного насоса
при перекачке ГЖС

Система на базе струйного насоса может обеспечить высокие давления за счет установки центробежного насоса, работающего на однофазной жидкости, перед струйным насосом. Даже в условиях, когда давление после струйного насоса падает в 2-3 раза, общее давление системы остается более высоким, чем давление, создаваемое мультифазными насосами. Если установить после мультифазного центробежный насос, то будет происходить срыв подачи, так как проточные каналы центробежного насоса меньшего размера и в них образовывается газовая пробка.

Выводы и рекомендации

• На основе стендовых и численных исследований разработаны системы для поверхностной перекачки газожидкостной смеси на базе струйного и мультифазного насосов.

• Экспериментально была подобрана компоновка мультифазного осевого насоса, которая сможет обеспечить перекачку газожидкостной смеси с концентрацией газа 90%.

• Аналитическим и экспериментальным способом подобрана компоновка, позволяющая перекачать газожидкостную смесь с концентрацией газа более 90% системой со струйным насосом.

• Разработанные системы для поверхностной перекачки ГЖС имеют ряд преимуществ в сравнении с аналогами, а именно:
  а. меньшая стоимость
  b. использование зарекомендованных серийных изделий для производства систем
  c. высокий уровень мобильности и транспортабельности
  d. малые осевые нагрузки, не требующие специального узла ввода, являющегося слабым элементом системы.

Департамент инновационных разработок

Мусинский Артем Николаевич

Начальник лаборатории, Лаборатория надёжности и экспериментальных исследований
[email protected]

Одинцов Антон Александрович
Инженер-исследователь, Лаборатория надёжности и экспериментальных исследований

Пещеренко Марина Петровна
Начальник лаборатории газогидродинамики

Брюхова Ксения Сергеевна
Математик, Лаборатория газогидродинамики