Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ литературных источников о работе погружных центробежных насосов при повышенном содержании свободного газа и твердых частиц в жидкости, постановка задач исследований 10
1.1. Анализ литературных источников о влиянии свободного газа на работу погружных электроцентробежных насосов 10
1.2. Обзор и анализ известных методов защиты установок погружных центробежных насосов от вредного влияния свободного газа 13
1.3. Обзор и анализ известных методов защиты УЭЦН от воздействия твёрдых частиц 27
1.4. Основные задачи исследований 31
2. Стендовые исследования центробежных газосепараторов к УЭЦН при различных частотах вращения 33
2.1. Схема стенда и методика проведения экспериментов 33
2.2. Стендовые исследования газосепараторов на мелкодисперсной смеси «вода-ПАВ-газ» с переменным значением частоты вращения вала электродвигателя 42
2.3. Анализ напорных характеристик системы «газосепаратор-погружной насос» при различных частотах вращения вала 55
2.4. Выводы к главе 2 57
3. Промысловый анализ и определение ненадежных элементов проточной части газосепараторов при откачке газожидкостных смесей с твердыми частицами 59
3.1. Анализ причин износа корпуса газосепаратора в месте установки шнека 59
3.2. Методика расчета шнека газосепаратора на пропускную способность 62
3.3. Анализ причин разрушения газосепаратора в области установки сепарационных секций 75
3.4. Выводы к главе 3 77
4. Разработка погружного центробежного сепаратора твердых частиц на приёме УЭЦН 78
4.1. Разработка схемы проточной части погружного центробежного сепаратора твёрдых частиц 78
4.2. Расчёт длины сепарационнои камеры для отделения механических примесей в поле центробежных сил на приёме погружного насоса 83
4.3. Внедрение центробежного сепаратора твёрдых частиц в опытно-промышленное производство на заводе «Новомет-Пермь» 105
4.4. Выводы к главе 4 106
Заключение 107
Литература 109
Приложение 118
- Обзор и анализ известных методов защиты установок погружных центробежных насосов от вредного влияния свободного газа
- Стендовые исследования газосепараторов на мелкодисперсной смеси «вода-ПАВ-газ» с переменным значением частоты вращения вала электродвигателя
- Методика расчета шнека газосепаратора на пропускную способность
- Расчёт длины сепарационнои камеры для отделения механических примесей в поле центробежных сил на приёме погружного насоса
Введение к работе
В настоящее время на нефтяных месторождениях России актуальной задачей является проблема увеличения эффективности механизированной эксплуатации скважин погружными насосами. Например, более 95% нефти в ООО «РН-Юганскнефтегаз» добывается при помощи установок погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН), которые занимают более 2/3 от общей структуры эксплуатационного фонда скважин.
Процесс добычи нефти на многих нефтяных месторождениях страны сопряжен с большим количеством осложняющих факторов. В связи с этим одной из основных задач, стоящих перед нефтяными компаниями, является снижение степени влияния этих факторов на процесс добычи нефти, что позволяет уменьшить затраты и повысить эффективность производства. Например, увеличение (как и снижение) наработки на отказ УЭЦН, в среднем на 10%, стоит компании 000 «РН-Юганскнефтегаз» более полумиллиарда рублей в год (включая затраты на ремонт скважин и оборудования, потери в добыче нефти за время ремонтов) /56/.
Несмотря на то, что с каждым годом увеличиваются объемы вкладываемых финансовых ресурсов в профилактику и устранение последствий влияния осложняющих факторов на работу УЭЦН, проблема влияния осложнений по-прежнему остается острой и актуальной.
Наблюдается прямая взаимосвязь между увеличением глубины спуска погружных систем УЭЦН и средней наработкой на отказ УЭЦН, причем данный процесс характеризуется началом проведения политики интенсификации в компании. Разложив все отказавшие УЭЦН на три условные группы, в зависимости от глубины их спуска, получим следующие результаты: на глубине спуска до 2 км средняя наработка на отказ составляет — 360 суток; в диапазоне спуска 2—2,5 км средняя наработка снижается на 50%, а в диапазоне спуска глубже 2,5 км данный показатель
снижается на 70% по отношению к наработкам УЭЦН, спущенным на глубину до 2 км.
Тенденция снижения средней наработки на отказ при заглублении УЭЦН отражает степень влияния суммарной составляющей осложняющих факторов на работу насосов. Возможно, эта тенденция связана с конструктивными особенностями материалов и технических решений, которые использует отечественное машиностроение в погружном оборудовании. Ориентация производителей оборудования на массовый спрос со стороны нефтяных компаний, а это оборудование УЭЦН для работы на глубинах до 2 км, привела к устоявшемуся рынку и промышленной номенклатуре, рассчитанной для работы в данных условиях. Существующая стратегия интенсификации добычи направлена на работу УЭЦН в более жестких условиях, что требует изменения устоявшихся взглядов на конструктивные и технологические особенности УЭЦН /56/.
Основными проблемами, осложняющими технологический процесс механизированной добычи нефти, являются засорение и истирание центробежных насосов ЭЦН абразивными частицами в скважинах после гидроразрыва пласта (ГРП) или частицами горных пород, отложения солей на рабочих органах, перегревы и отказы узлов по температуре, а также вредное влияние свободного газа на работу насосов /56, 105/.
Комплексное влияние осложняющих факторов на эксплуатацию скважин (вредное влияние свободного газа, высокая обводненность добываемой продукции, высокие депрессии на пласт, высокие температуры и др.), приводит к массовому отложению солей на рабочих органах погружных насосов и проточной части газосепараторов /66, 68/.
Значительная доля скважин, оборудованных УЭЦН, эксплуатируется при высоких входных газосодержаниях, что приводит к существенному снижению развиваемого давления и подачи насоса.
Известно несколько способов стабилизации работы погружной системы в условиях содержания свободного газа, в частности применение в составе
насосной установки газосепаратора, диспергатора, специальных конструкций электроцентробежных насосов. Проблема состоит в том, что нет научно обоснованной методики по расчету и подбору наиболее эффективной комбинации данных элементов. В настоящее время промышленностью широко освоен серийный выпуск центробежных газосепараторов к УЭЦН не только на территории РФ, но и за ее пределами. Имеются вопросы к надежности как импортных, так и отечественных газосепараторов. В частности, по результатам анализа промысловых испытаний УЭЦН с газосепараторами были выявлены случаи самопроизвольного расчленения газосепараторов и «полет» УЭЦН на забой скважины. Так, например, в 2004 году в ООО «РН-Юганскнефтегаз» произошло 22 аварии - полетов УЭЦН по причине расчленения узлов газосепараторов МНГ(Н) 5А. После комиссионного расследования причин полета установок было принято решение о запрете применения данного типа газосепараторов в компании. Аналогичная ситуация, в связи с участившимися случаями полетов УЭЦН с газосепараторами по причине ненадежной конструкции последних, произошла и с импортными вихревыми газосепараторами (VGSA). Вследствие неустойчивости к воздействиям механических примесей при больших подачах жидкости (более 600 м3/сут) газосепараторы вихревого типа REDA и Centrilift запрещены в эксплуатации скважин ООО «РН-Юганскнефтегаз». Кроме того, резко снижается эффективность сепаратора при увеличении подачи перекачиваемой жидкости, и полностью отсутствует информация об изменении эффективности при различных частотах вращения вала УЭЦН /66/.
Современный период эксплуатации скважин с повышенными депрессиями, в том числе с понижением забойных давлений ниже давления насыщения, и как следствие, увеличение в перекачиваемой скважинной продукции содержания свободного газа и механических примесей, требует решения актуальных задач в области разработки эффективных и надежных средств защиты погружных центробежных насосов.
Целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности эксплуатации скважин погружными центробежными насосами в условиях повышенного содержания свободного газа и твердых частиц (механических примесей) на приёме.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
S получение стендовых характеристик центробежных
газосепараторов и газосепараторов-диспергаторов к УЭЦН при различных частотах вращения вала на моделях реальных скважинных газожидкостных смесей; S определение ненадежных элементов проточной части газосепараторов при откачке газожидкостных смесей с твёрдыми частицами на основе расчетов и промысловых данных; S разработка погружного центробежного сепаратора твёрдых частиц
на приёме погружной насосной установки. Научная новизна работы
Впервые экспериментально показано, что характеристики различных газосепараторов и газосепараторов-диспергаторов к УЭЦН неоднозначно зависят от частоты вращения вала электродвигателя. Впервые выполнена (патент РФ № 2278959) разработка нового приёмного устройства -погружного сепаратора твёрдых частиц с использованием наиболее эффективного центробежного принципа работы и предложена методика расчёта длины его основного элемента - сепарационной камеры в зависимости от размера частицы, конструктивных и режимных параметров. Практическая ценность работы
Получены характеристики эффективности серийно выпускаемых отечественной промышленностью приёмных устройств - газосепараторов и газосепараторов-диспергаторов к УЭЦН в широком диапазоне изменения частоты вращения, позволяющие обоснованно подходить к выбору соответствующего оборудования и режимов работы для рациональной эксплуатации скважин. Определены ненадёжные элементы проточной части
газосепараторов при откачке смесей с твёрдыми частицами и область подач, в которой усиливается опасность разрезания по корпусу, расчленения газосепаратора и «полёта» УЭЦН на забой скважины. Созданный погружной центробежный сепаратор механических примесей позволяет надёжно защищать ЭЦН и газосепаратор от негативного воздействия твёрдых частиц, кратно повысив наработку на отказ в осложнённых условиях. При этом появляется возможность отказаться от закупок более дорогих и гораздо менее эффективных фильтрационных и гравитационных приёмных устройств.
Реализация работы в промышленности. Результаты диссертационных исследований нашли применение в ЗАО «Новомет-Пермь». Характеристики, полученные при исследовании газосепараторов и газосепараторов-диспергаторов в экспериментах с переменной частотой вращения вала, использованы в программе подбора установок погружных насосов к скважинам «Neosel-Pro». Погружной центробежный сепаратор твёрдых частиц внедрён в опытно-промышленное производство на заводе ЗАО «Новомет-Пермь», изготовлены четыре экспериментальных образца. Их промысловые испытания в скважинах, осложнённых сильным влиянием механических примесей, показали высокую эффективность предложенного приёмного устройства. Средняя наработка УЭЦН на отказ выросла практически в 16 раз.
Апробация результатов работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XI Всероссийской технической конференции «Производство и эксплуатация УЭЦН» (г. Москва, 2002г.), XII Всероссийской технической конференции «Производство и эксплуатация УЭЦН» (г. Альметьевск, 2004г.), на трёх научно-практических конференциях «Технология и техника добычи нефти - проблемы и пути их решения» (г. Нефтеюганск, 2002, 2003, 2005 г.г.), и на четырёх международных конференциях «Механизированная добыча 2004, 2005, 2006, 2007» (г. Москва),
Публикации, По теме диссертации опубликовано 9 печатных трудов (в том числе - 1 патент на изобретение).
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных литературных источников и приложения. Работа изложена на 118 страницах и содержит 34 рисунка и 8 таблиц.
Содержание работы.
В первой главе проведён обзор и анализ литературных источников, поставлены основные задачи исследований.
Во второй главе представлены стендовые исследования на газожидкостных смесях (ГЖС) характеристик приёмных устройств -центробежных газосепараторов и газосепараторов-диспергаторов к УЭЦН при различных частотах вращения вала.
В третьей главе проведён промысловый анализ, выполнены соответствующие расчёты и определены ненадёжные элементы проточной части газосепараторов при откачке ГЖС с твёрдыми частицами.
В четвёртой главе представлена разработка приёмного устройства -погружного центробежного сепаратора твёрдых частиц, теория расчета длины его основного элемента - сепарационной камеры, и результаты внедрения в опытно-промышленное производство ЗАО «Новомет-Пермь»
Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору Дроздову А.Н., а также сотрудникам центра НТТМ «СМЕНА» РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина за помощь в проведении экспериментальных и промысловых исследований.
Обзор и анализ известных методов защиты установок погружных центробежных насосов от вредного влияния свободного газа
Увеличение глубины погружения насоса под динамический уровень жидкости приводит к уменьшению газосодержания смеси у входа в насос за счет возрастания давления. При отсутствии каких-либо ограничений (высокая температура, большой темп набора кривизны ствола скважины и др.) за счет увеличения погружения в некоторых случаях можно сводить входное газосодержание смеси до вполне допустимой для ЭЦН величины -1(Н15%. Однако с увеличением глубины спуска ЭЦН в скважине, из-за возрастания давления и температуры среды, снижается надежность работы установки.
В соответствии с этим, защита УЭЦН от вредного влияния газа путем увеличения глубины погружения насоса под динамический уровень жидкости в скважине целесообразно только при очень малых значениях газового фактора (до 20-30 м /м ) и давления насыщения нефти газом (до 1,5-3 МПа). При более высоких давлениях насыщения и газовых факторах снижение входного газосодержания до величины, не влияющей на рабочую характеристику насоса, связано с необходимостью значительного заглубления насоса, что в настоящее время, когда проводится интенсификация добычи нефти путём существенного снижения забойных давлений, практически не осуществимо. 1.2.2. Подлив дегазированной жидкости.
Данный метод защиты УЭЦН от вредного влияния газа состоит в постоянном подливе дегазированной жидкости в затрубное пространство скважины. Это приводит к искусственному уменьшению объемного содержания газа в поступающей на прием насоса газожидкостной смеси и обеспечивает более устойчивую работу насоса и повышение его КПД /7, 95/. Однако, испытания, проведенные с применением метода подлива воды в сильно обводненных скважинах, оборудованных УЭЦН, показали на недостаточную эффективность данного метода /95/. Производительность скважин по жидкости при этом, в среднем возросла на 5-9 м /сут, по нефти на 1-2 м /сут, что находится в пределах погрешности измерений.
Применение подлива воды в малообводненных скважинах неэффективно вследствие возможного образования высоковязких водонефтяных эмульсий, использование же для этих целей дегазированной нефти может вызвать в свою очередь новые проблемы (например, отложения парафина в кольцевом пространстве скважины). Кроме того, подлив жидкости подразумевает строительство подводящих трубопроводов к каждой скважине с приборами для контроля за расходом жидкости, дополнительные затраты на закачку и подъем подливаемой жидкости. При этом также существенно ухудшаются условия охлаждения погружного электродвигателя, что снижает надежность установки. По этим причинам метод подлива жидкости практического применения не нашел.
Повышение эффективности работы ЭЦН при повышенном газосодержании потока ГЖС при помощи использования конического насоса /8, 72, 102, 114/ заключается в оптимальной компоновке имеющихся в распоряжении пользователя ступеней различных типов. Проточная часть ступеней такого насоса меняется в соответствии с изменением параметров перекачиваемой газожидкостной среды. Оптимальный конический насос должен включать различные типы ступеней: ступеней самой большой производительности, далее по потоку помещаются пакеты ступеней промежуточной и меньшей производительности. Схема конического насоса в настоящее время используется и предлагается некоторыми отечественными изготовителями и американскими фирмами REDA и Centrilift.
Ступени самой большой производительности, устанавливаемые на входе конического насоса, могут пропускать относительно большие объемы свободного газа, поэтому допустимое газосодержание на входе такого насоса выше, чем у серийного центробежного насоса с объемной подачей, равной средней объемной подаче «конического» насоса.
Конический насос, согласно /8/, будет потреблять меньшую мощность, чем наилучший насос обычной конструкции при одинаковых условиях у входа, и электродвигатель будет иметь более низкую температуру, что создает предпосылки для повышения надежности работы электрической части УЭЦН.
Этот метод может быть применен при небольших газосодержаниях в откачиваемой жидкости. Кроме того, компоновка насоса по конической схеме связана с определенными неудобствами, особенно при использовании ступеней разных диаметральных габаритов, при высоких газосодержаниях применение конических насосов не дает достаточного эффекта.
Для целей оптимальной компоновки конического насоса к конкретной скважине с заданными исходными данными имеется отдельная программа, разработанная в ОАО «ОКБ БН «КОННАС».
Стендовые исследования газосепараторов на мелкодисперсной смеси «вода-ПАВ-газ» с переменным значением частоты вращения вала электродвигателя
На примере стендовых испытаний газосепаратора-диспергатора ГДНК5 производства ЗАО «Новомет-Пермь» была апробирована методика проведения испытаний и обработки полученных результатов. Газосепаратор ГДНК5 (рис. 2.1) был разработан в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина по заказу ЗАО «Новомет-Пермь». Стендовые испытания первого экспериментального образца были проведены на экспериментальном стенде РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина в 2002 г. Основным преимуществом ГДНК5 по отношению к аналогичным газосепараторам других типов, является оптимальная конструкция кавернообразующего колеса и применение эффективного диспергирующего устройства, включенного в конструкцию газосепаратора. После проведения подготовки экспериментального стенда, газосепаратор ГДНК-5 был установлен внутри модели эксплуатационной колонны скважины. Его испытания были проведены на пяти различных режимах по начальной подаче жидкости: 50, 90, 120, 150 и 200 м /сут. На каждой начальной подаче жидкости были проведены восемь испытаний при различных значениях частоты вращения вала электродвигателя (табл. 2.1.1).
Подача насоса ЭЦН5-125 определяется не только остаточным газосодержанием, но и тем обстоятельством, что часть жидкости была сброшена газосепаратором в затрубное пространство вместе со свободным газом, и поэтому не прошла через насос. Также представлены зависимости коэффициента сепарации газосепаратора Кс от газосодержания на входе в газосепаратор /Зех. Каждый рисунок соответствует определенному значению начальной подачи насоса (2жнач, заданной подпорным насосом и диаметром сопла струйного аппарата, используемого для подготовки мелкодисперсной газожидкостной смеси, путем диспергирования воздуха до мельчайших пузырьков.
Следовательно, кривые Рн(0вх) и ()Ж(/Зех) качественно характеризуют эффективность работы газосепаратора для заданной газожидкостной смеси. По ним можно оценить влияние остаточного свободного газа на рабочие параметры насоса ЭЦН. Также в течение экспериментов контролировали потребляемую мощность системы «насос-газосепаратор» и строили зависимости потребляемой мощности (Nnomp) от газосодержания на входе в газосепаратор Д .
ГДНК5 для QM.Ha4 = 120 м3/сут Следует различать входные газосодержания (Д ) газожидкостной смеси, используемые для построения указанных зависимостей, и газосодержания газожидкостной смеси, поступающей в газосепаратор. Часть свободного газа вследствие естественной сепарации на приеме поднимается вверх по затрубному пространству между корпусом газосепаратора и обсадной колонной и не попадает в газосепаратор. Поэтому газосодержание смеси, поступившей в газосепаратор, будет всегда меньше входного газосодержания. Кроме того, замеряемый коэффициент сепарации фактически определяется естественной сепарацией пузырьков газа по затрубному пространству и принудительной сепарацией собственно газосепаратором. Для данных стендовых условий, при движении мелкодисперсной газожидкостной смеси «вода-ПАВ-газ» естественная сепарация крайне мала и ей можно без особой погрешности пренебречь. Замеренный коэффициент считается коэффициентом сепарации газосепаратора (Кс), а газосодержание смеси подаваемой к приемной сетке газосепаратора - газосодержанием на входе в газосепаратор (ДЛ).
Подводя итог по проведенным стендовым испытаниям центробежного газосепаратора ГДНК5, сравнивая его с известными решениями различных фирм-производителей, необходимо привести обобщение полученных результатов. По всем результатам проведенных стендовых исследований строятся зависимости максимально допустимого входного газосодержания (Дх) от начальной подачи жидкости ж.на ) при уровне остаточного газосодержания на входе в насос Дст = 0,25.
Газосепаратор ГДНК5А был разработан в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина по заказу ЗАО «Новомет-Пермь». Пробные стендовые испытания первого выпущенного образца были проведены на стенде кафедры Р и ЭНМ в начале 2002 года. Данные испытания включали в себя серию экспериментов при различных модификациях проточных частей газосепаратора, с целью определения наилучшей конструкции для серийного производства /30/. Одним из преимуществ ГДНК5А является применение диспергирующего устройства, включенного в конструкцию газосепаратора.
Пробные стендовые испытания первого выпущенного заводом образца были проведены на стенде кафедры РиЭНМ в конце 2000 года. Повторные испытания серийно выпускаемой модели газосепаратора были проведены в 2001 году. Эти испытания показали, что МН ГД5 является полным аналогом МН-ГСЛ5 по своим сепарационным качествам (разница в пределах погрешности). Газосепаратор МН-ГСЛ5 с 1993 года и до настоящего времени серийно выпускается заводом ОАО «ЛЕМАЗ» (г. Лебедянь Липецкой обл.) и является самым распространенным сепаратором, применяемым на нефтяных месторождениях РФ.
Методика расчета шнека газосепаратора на пропускную способность
Расчет напорных характеристик осевых насосов проводят чаще всего по расчетному диаметру, определяемого из условия равенства напора потока на этом диаметре среднеинтегральному напору колеса, полученному в результате интегрирования энергии всех элементарных струек. Экспериментальные исследования, проведенные на шнеках с различными геометрическими параметрами, показали, что расчетный диаметр приблизительно соответствует среднеквадратичному диаметру шнека /76/:
Максимальный напор шнека составляет 508 м /сут, при этом шнек не развивает напор, при увеличении подачи шнек развивает отрицательный напор, т.е. является гидравлическим сопротивлением.
Режим q3 = 1 характеризуется тем, что на всех радиусах шнека угол натекания потока равен углу установки лопаток шнека с эквивалентной решеткой пластин. Отсюда следует, что на указанном режиме работы напор шнека отрицательный. Шнек является гидравлическим сопротивлением.
На основе представленной методики расчета основных параметров работы шнека были построены напорно-энергетические характеристики работы шнека МН ГСЛ5 при стандартной частоте вращения вала 2910 об/мин (рис.3.4)
Входной участок большинства насосов с высокими антикавитационными свойствами не целиком заполнен потоком, движущимся от входа в колесо к лопаткам. Часть сечения на периферии заполнена противотоками, движущимся обратно - от лопаток колеса к входу насоса (рис. 3.5) /94/.
Схема течения потока на входе в шнек при т 0,5 1 - шнек; 2 - вихревая зона; 3 - обратные токи; 4 - прямотоки; 5 -условная граница вихревой зоны и активного потока; 6 - активный поток. Сильно закрученные в сторону вращения колеса обратные токи размываются основным потоком и увлекаются обратно в рабочее колесо. Образуется так называемая вихревая зона, частицы которой как бы не участвуют в процессе течения жидкости через насос.
Оставшаяся часть входного сечения заполнена потоком, который является - «активным» потоком. Расход жидкости через сечение активного потока шнека равен расходу жидкости через погружной насос.
При увеличении производительности насоса, которое может возникнуть в результате увеличения частоты вращения вала, размеры вихревой зоны уменьшаются и при некотором критическом расходе, вихревая зона исчезает совсем - все сечение на входе в насос заполнено активным потоком.
Основным параметром, по которому можно оценить область возникновения обратных токов, является комплексный параметр т, равный отношению подачи Q к расходу Q0, при котором поток входит безударно на лопатки колеса:
Зависимость относительных площадей зон обратных токов и активного потока от параметра т Таким образом, с уменьшением расхода ниже критического (когда m mKp) размеры вихревой зоны возрастают, и при нулевом расходе она занимает все сечение шнека входного модуля насоса (газосепаратора). Согласно вышеупомянутому расчету, расход газожидкостной смеси, при котором для шнека газосепаратора МН ГСЛ5 т=0,5, оптимальной подачей является 210 м /сут. При конструировании газосепаратора МН ГСЛ5 номинальная подача смеси была заложена 250 м /сут. Таким образом, согласно выполненному расчету можно выделить три характерные зоны работы шнековой ступени в центробежном газосепараторе:
Зона 1 (рис. 3. 5) - номинальная подача шнека газосепаратора выше, чем у погружного насоса и при этом образуются обратные токи смеси. Также недостатком работы сепаратора в этой зоне является повышенный сброс пластовой жидкости в затрубное пространство и при наличии в продукции механических примесей может привести к эрозии эксплуатационной колонны. Особо это может проявляться при выводе скважины на режим.
Зона 2 (рис. 3.5)- зона работы газосепаратора, в которой не возникают обратные токи. При этом стоит отметить, что оптимальная работа шнека будет лежать в диапазоне подач от 210 м3/сут до 400 м3/сут. Правая граница формируется минимальным значением напора, создаваемым шнеком для прокачки пластовой продукции через сепаратор.
Зона 3 (рис. 3. 5) - зона работы газосепаратора, в которой не возникают обратные токи, но при этом сепаратор является гидравлическим сопротивлением. Стоит отметить, что с подобной проблемой сталкиваются практически все выпускаемые в мире центробежные газосепараторы, т.к. в любой конструкции в качестве силовой ступени используется шнековое колесо.
Разрушение газосепараторов в области установки сепарационных секций характерно для установок, работающих с высокой обводненностью и наличием механических примесей в пластовой продукции.
Полет насосного оборудования в скважине 3912 куста 435а Южно-Балыкского месторождения ООО «РН-Юганскнефтегаз» произошел в январе 2004 года. Газосепаратор МНГ5А №А200445 работал в составе установки ЭЦН 400-2000. Наработка установки составила 64 сут (рис. 3.7). Газосепаратор МНГ5А работал с высокой обводненностью (83%), при этом давление на приеме установки превышало давление насыщения и составляло 7,85 МПа, т.е. газосодержание продукции - 0%. При достаточно высоком значении количества взвешенных частиц (826 мг/л) в откачиваемой продукции, поступающую в проточную часть газосепаратора, произошел износ корпуса в месте выхода потока из сепарационной секции. В данном случае наблюдается завихрение потока, связанное с переходом от вращающихся сепарационных барабанов к стационарному рассекателю газосепаратора.
Расчёт длины сепарационнои камеры для отделения механических примесей в поле центробежных сил на приёме погружного насоса
Технологические операции разделения неоднородных систем под действием центробежной силы называются центрифугированием /14, 99/. Машины и аппараты, в которых осуществляется центрифугирование, называются центрифугами или центробежными сепараторами. Обычно к центрифугам относят только те машины, характерной особенностью которых является вращающийся вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной оси ротор. Неподвижные аппараты, в которых центробежная сила возникает благодаря вращению потока жидкости (или газа) со взвешенными в нем твердыми частицами, классифицируют как циклоны.
Скорость вращения ротора центрифуги и расстояние обрабатываемой неоднородной системы от оси его вращения - важнейшие технические характеристики, определяющие напряженность развиваемого силового поля.
Возникает дополнительная центробежная сила, которая придает частицам твердой и жидкой фазы центробежное ускорение, в 10-100 раз превышающее ускорение свободного падения в гравитационном поле. Наложение на механические примеси центробежных ускорений способствует более полному извлечению тонких частиц тяжелых механических примесей /99/.
Пользуясь значением центробежного ускорения, приходим к одному из основных показателей, характеризующих центрифугу с точки зрения пригодности ее для разделения неоднородных систем той или иной степени дисперсности - к так называемому фактору разделения Фр199/. Фактором разделения называют безразмерное отношение значения центробежного ускорения ап к значению ускорения силы тяжести g: Часто проводят аналогию между фактором разделения Фр и критерием Фруда Fr, который является отношением квадрата характеристики скорости к произведению характерной длины на ускорение силы тяжести. Однако следует заметить, что эта аналогия является формальной, так как физический смысл обоих критериев совершенно различный, и Фр характеризует напряженность центробежного поля в потоке инерционных сил и сил тяжести.
Увеличение центробежной силы происходит быстро при повышении скорости вращения ротора (квадратичная зависимость) и медленно при увеличении размера (радиуса) ротора (прямая пропорциональность). Рассматривая особенности вращательного движения, следует учитывать, что помимо центробежной силы, может возникнуть так называемая кориолисова (поворотная) сила инерции FK. Источником кориолисовой силы является кориолисово ускорение, т.е. ускорение, возникающее вследствие движения материальной частицы не только по окружности, но и в радиальном направлении. Кориолисова сила определяется по формуле K = 2-m-co-ur -sina (4.11) где т - масса частицы; vr- скорость частицы относительно ротора; а - угол между осью вращения и относительной скоростью. Кориолисова сила равна нулю, если частица находится в покое по отношению к вращающемуся ротору или если ее относительное перемещение происходит параллельно оси вращения. Характерными особенностями центробежного поля, отличающим его от поля силы тяжести, являются его неоднородность и направленность силовых линий по радиусам от центра вращения. Гравитационное поле считается однородным с параллельно направленными силовыми линиями. Поверхности уровня в центробежном поле, т.е. поверхности, по которым при движении тела сила не совершает работы, представляют собой концентрические цилиндры, описанные вокруг оси вращения. Силовые линии располагаются по нормалям к этим поверхностям.
Обычно в центробежных сепараторах и центрифугах учитывают только действие центробежного поля. Это справедливо и по отношению к расчетам процессов сепарации твердых частиц на приеме УЭЦН, когда влиянием силы Кориолиса и гравитационного поля можно пренебречь.
Как известно, установившееся движение мелких шарообразных частиц в вязкой жидкости описывается законом сопротивления Дисперсность, плотность, форма твёрдых частиц и вязкость дисперсионной среды могут оказывать существенное влияние на процессы сепарации механических примесей /65/. Каждый из рассмотренных выше физических и физико-химических параметров дисперсных систем в отдельности не позволяет судить о способности этих систем к разделению под действием того или иного силового поля, включая центробежное. Чтобы найти обобщенные характеристики разделяемости неоднородных дисперсных систем, рассмотрим закономерности их разделения в поле сил тяжести при наличии идеальных условий - таких, как сферическая форма частиц, одинаковый их размер.
Пусть гладкая и плотная частица движется в неограниченной несжимаемой жидкости под действием постоянного фактора, причем силы трения превосходят по величине силы инерции. При этом коэффициент сопротивления обратно пропорционален значению числа Рейнольдса. Для сферических частиц Стоксом получено следующее уравнение: Fcmp=a wd (4-16) где Fconp - сопротивление, испытываемое частицей при движении; ц - вязкость дисперсной среды; v - скорость движения частицы; d- диаметр частицы; а=3 (в результате экспериментального исследования П.Н. Беляниным /13/ уточнено значение а=3, 8175). П.Д. Ляпковым /61/ показано, что в достаточно широком диапазоне чисел Рейнольдса коэффициент а с приемлемой для практики точностью можно принять равным 4. Если концентрация твердой фазы суспензии велика, то сопротивление дисперсной среды осаждающимся частицам твердой фазы зависит от концентрации последней в суспензии и от формы частиц. Процесс осаждения частиц в концентрированных суспензиях может рассматриваться как течение дисперсной среды по извилистым каналам между частицами дисперсной фазы. При изменении концентрации суспензии меняется очертание элементарных потоков, а изменение промежутков между частицами отражается на относительной скорости движения дисперсной среды.
