Компоновка, включающая в себя основной насос ВНН, ГН и МФОН, прошла стендовые испытания, в ходе которых была доказана ее способность работать в условиях газосодержния до 90%. Дальнейшие испытания в скважине с содержанием газа на приеме насоса 97% также завершились с положительным результатом. Кроме того, оборудование было успешно использовано для поверхностной перекачки газожидкостной смеси (ГЖС) с содержанием газа до 85%.
Линейка устройств для работы в условиях высокого газового фактора (Гф) АО «Новомет-Пермь» представлена газостабилизаторами, мультифазными насосами и газосепараторами (рис. 1).
Рис. 1.
В условиях высокого Гф происходит деградация напорно-расходной характеристики (НРХ) насоса (рис. 2). При малых подачах во время прохождения ГЖС через рабочее колесо (РК) отмечается высокая центробежная сила, что вызывает сепарацию газа, который скапливается у центра РК и со временем приводит к закупориванию его проходного сечения, что, в свою очередь, становится причиной срыва подачи. По мере увеличения уровня подачи расход жидкости падает. Это связано с тем, что из-за разной плотности скорость прохождения газа через рабочие органы насоса примерно в 1000 раз меньше, чем скорость жидкости.
Рис. 2.
Эксперименты, проведенные в ИТЦ АО «Новомет-Пермь», показали, что при работе на ГЖС первые ступени не создают напора, а лишь подготавливают смесь – диспергируют ее, уменьшая размер газовых пузырьков. Последующие же ступени, начиная с 80-й, создают напор подобно тому, как это происходит при работе на однофазной смеси. Этот принцип был взят за основу при проектировании таких устройств, как газостабилизатор и диспергатор.
Газостабилизатор
Газостабилизатор (ГСН) гомогенизирует и прокачивает ГЖС через начальный участок, препятствуя образованию неподвижных газовых пробок. Газостабилизатор предназначен для работы в условиях содержания свободного газа на приеме насоса до 50%, обеспечивает устойчивую работу в широком диапазоне подач и отличается абразивостойкостью.
ГСН состоит из двух видов ступеней – осевых или напорно-диспергирующих, и лабиринтных или диспергирующих (рис. 3). В модернизированном варианте газостабилизатора на лопатках РК предусмотрены отверстия, которые дополнительно увеличивают диспергацию ГЖС, а лабиринтная ступень расположена после осевой ступени.
Рис. 3.
Мультифазный осевой насос
Мультифазный осевой насос (МФОН) гомогенизирует, сжимает ГЖС и прокачивает ее через основной насос, не допуская при этом разрыва сплошности потока и предотвращая образование неподвижных газовых пробок (рис. 4).
Благодаря увеличенной ширине каналов РК и направляющего аппарата (НА) осевой ступени устройство может работать в условиях содержания свободного газа до 75%, и при любой обводненности.
Рис. 4.
Газосепаратор (ГН) с геликоидальным шнеком
Газосепаратор (ГН) с геликоидальным шнеком II поколения (рис. 5) снижает содержание нерастворенного газа в перекачиваемой ГЖС, обладает высокой стойкостью к абразивному износу и может работать при содержании свободного газа до 90%.
Геликоидальный шнек переменного шага представляет собой совмещенный напорный и сепарационный узел и отличается от обычных шнеков загибом лопасти от входа к выходу с 90 до 30º относительно оси. Мехпримеси при работе устройства попадают на лопасти шнека, что позволяет защитить гильзу от их попадания, и таким образом, увеличить наработку газосепаратора на отказ (НнО).
Рис. 5.
Рис. 6.
Газосепараторы вихревого типа
В конструкции энергоэффективного газосепаратора вихревого типа III поколения присутствуют вихревая камера и шнек небольшого размера, который необходим только для закрутки и прокачки устройства (рис. 6). По сравнению с ГН с геликоидальным шнеком, данный вид сепаратора отличается улучшенными сепарационными характеристиками и пониженной потребляемой мощностью, что обеспечивает высокую энергоэффективность работы устройства.
Оптимальная длина вихревой камеры для каждого габарита насоса была определена в процессе испытаний. Данная зависимость была описана безразмерным уравнением, которое в дальнейшем позволило проектировать газосепараторы для различных условий, добиваясь в каждом случае максимального коэффициента сепарации.
Также специалисты ИТЦ АО «Новомет-Пермь» разработали высокодебитный вихревой газосепаратор ГН5-600, способный обеспечивать стабильную работу основного насоса при подаче до 600 м3/сут и при концентрации газа на входе от 55 до 85%. Для работы в условиях экстремально высокого газосодержания рекомендуется дополнительная установка МФОН.
Сепарационные характеристики ГН5-600 сохраняются в течение длительного времени, что было подтверждено в ходе ресурсных испытаний (рис. 7).
Рис. 7.
Данный газосепаратор может применяться с различными типами насосов (рис. 8). При этом, чем выше подача насоса, тем ниже уровень газосодержания на входе, при котором можно использовать данное устройство. В условиях экстремально высокого газосодержания мы рекомендуем применять данный газосепаратор в связке с мультифазным насосом.
Рис. 8.
Проведение испытаний
В процессе стендовых испытаний, проведенных в ИТЦ АО «Новомет-Пермь», при подаче на входе в газосепаратор 1000 м3/сут газа и 300 м3/сут жидкости, коэффициент сепарации составил 0,77. На основе этих данных было рассчитано газосодержание внутри насоса, которое составило 48%. Но, за счет работы МФОН содержание газа в ГЖС, поступающей в ЭЦН, было снижено до 35%.
Для подтверждения полученных результатов были проведены повторные стендовые испытания в ИТЦ АО «Новомет-Пермь» и стендовые испытания в РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, в ходе которых использовалась компоновка ВНН5-79 + МФОН5 + ГН5-250, давление на входе составило 2 атм. В процессе испытаний специалистами ИТЦ и РГУ были получены примерно одинаковые показатели коэффициентов сепарации, расхождения составили не более 2-3%, то есть, в пределах погрешности (рис. 9, табл.). По результатам испытаний было установлено, что система ВНН – МФОН – ГН устойчиво работает при содержании газа на приеме насоса до 90%.
Рис. 9.
Табл. 1.
|
№ |
Qсм, м3/сут |
βвх, % |
Коэффициент сепарации (РГУ) |
Коэффициент сепарации (Новомет) |
|
1 |
50 |
70 |
0,88 |
0,88 |
|
2 |
85 |
70 |
0,82 |
0,83 |
|
3 |
165 |
60 |
0,70 |
0,68 |
|
4 |
55 |
60 |
0,86 |
0,88 |
|
5 |
160 |
50 |
0,69 |
0,73 |
|
6 |
210 |
50 |
0,59 |
0,55 |
После проведения стендовых испытаний, данная компоновка была спущена в скважину с концентрацией газа на приеме насоса 97%, где стабильно проработала в течение трех месяцев без срывов подачи. Следует отметить, что за счет естественной сепарации на вход в газосепаратор ГЖС поступала с содержанием газа 87- 91%, а на входе в МФОН показатель составлял 37-44% (рис. 10).
Рис. 10.
Помимо работы в скважине МФОН был применен для поверхностной перекачки ГЖС с высоким газосодержанием. Для этих целей был выбран МФОН7А-1600, а компоновка была собрана из 17 диспергирующих ступеней. Количество ступеней было подобрано экспериментальным путем, для этого в процессе испытаний на вход установки подавалась ГЖС с содержанием газа 75-85%, а частота вращения насоса составляла 3000 об/мин. Для достижения входной концентрации газа 90% частота вращения вала насоса была увеличена до 4000 об/мин. В результате 17 ступеней позволили подготовить ГЖС и создать напор аналогичный напору на воде (рис. 11). Мультифазный насос был установлен предвключенно, а уже затем был установлен основной насос, который осуществлял перекачку ГЖС без срывов подачи.
Рис. 11.
Выводы
Таким образом, разработанные ИТЦ АО «Новомет-Пермь» газосепараторы вихревого типа обладают всеми преимуществами газосепараторов с геликоидальным шнеком, такими как высокая абразивная стойкость и высокая надежность. При этом газосепараторы вихревого типа отличаются улучшенными сепарационными характеристиками, увеличенным диапазоном подач и меньшим потреблением мощности (около 0,3 кВт).
Компоновка ГН + МФОН позволяет эксплуатировать УЭЦН при Гф 90%, а МФОН в 7А габарите можно использовать как в скважине, так и для поверхностной перекачки ГЖС с концентрацией газа до 90%. По запросам заказчиков возможна разработка МФОН в других габаритах.
Артем Мусинский
Инженер-исследователь ИТЦ АО «Новомет-Пермь»
Автор: А. Мусинский
