Физико-химические процессы, геолого-технологические факторы влияющие на эффективность технологии винтовых насосных установок

Основной задачей для увеличения добычи нефти на малодебитных и осложненных месторождениях, является оптимизация механизированного фонда скважин путем внедрения нового технологического оборудования, достаточно перспективными могут стать объемные винтовые насосы с погружным вентильным электродвигателем, рассчитанные на откачку пластовой жидкости из скважин с дебитом от 1 м3/сут., с вязкостью свыше 30 мПа·с, обводненностью до 99%, высоким газовым фактором.

Эффективность применения винтовой насосной установки, зависит от различных условий, в которых она работает.

Традиционно считается, что число аварий от содержания воды в добываемой продукции проявляется в коррозионном разрушении скважинного оборудования, в том числе и УЭВН, в связи с агрессивностью пластовых вод. Причем, проблема коррозии обостряется на месторождениях, вступивших в позднюю стадию разработки с применением заводнения нефтяных пластов различными типами вод. Высокая обводненность продукции скважин может негативно повлиять на применение технологии винтовых насосных установок.

Одним из основных факторов определяющих влияние газа на работу насоса, является газосодер-жание у входа в насос. Отрицательное влияние газа на работу всех типов насосов общеизвестно. Винтовые насосы наиболее устойчиво работают в области газосодержания перекачиваемой жидкости до 20%. Попадание крупнодисперсной газожидкостной смеси на вход насоса свыше 20% приводит к срыву подачи. Одна из актуальных проблем – устранение вредных влияний газовых пробок на винтовые насосы. Подача насоса периодически нарушается поступлением больших порций газа в прием насоса. Это, очевидно, связано перемежающимся движением нефти и газа в скважине до приема насоса. Сплошные газовые полости образуются при давлениях ниже давления насыщения за счет укрупнения образовавшихся газовых пузырьков при движении продукции скважины по обсадной колонне.

Укрупнение связано тем, что состоянию устойчивого равновесия системы способствует минимум отношения площади его поверхности к объему. Оно наступает при полном расслоении и фаз. При поступлении больших скоплений газа в насос происходит Разрыв потока жидкости, свободное пространство насоса заполняется газом.

Происходит кратковременный срыв подачи насоса. Нагрузка на узлы насосной установки снижается. Срыв подачи насоса, кроме того, способствует перегреву и выходу из строя приводной части установки. Нагрузка на насос резко возрастает, детали насосной установки испытывают хлесткий удар. При повторяющихся ударах детали работают на переменную нагрузку и на усталостное разрушение. Вся установка начинает работать с вибрацией, обусловливающейся изменением параметров характеристики насоса.

Содержание механических примесей в скважинной продукции также существенно влияет на эффективность применения винтовых насосов, так как при откачке продукции с большим содержанием механических примесей происходит повреждение поверхности статора.

Наиболее важный физический фактор, учитываемый при работе насосных установок – кавитация. Это гидравлические пустоты в потоке жидкости, которые возникают из-за местного понижения давления (или увеличения скорости потока). Когда кавитационный пузырек попадает в область повышенного давления, он лопается и высвобождает разрушающую энергию. Гидравлические удары вызы- вают вибрацию, которая воздействует на ротор насоса и вызывает износ составных механизмов (подшипников, валов, уплотнений). Наибольший вред от кавитации проявляется, если при внедрении не были учтены законы гидравлики и гидродинамики.

Завихрения так же влияют на эффективность применения технологии. Водовороты в потоке возникают из-за неравномерностей скорости и направления тока жидкости. Их называют объемными завихрениями. Обычно наблюдается круговое завихрение потока вокруг насоса, которое усиливается в самом узком месте на входе в насос. Направление вихря в водовороте может совпадать с направлением вращения ротора или быть ему противоположным. Завихрение потока на входе насоса по направлению вращения ротора снижает КПД и теплоотдачу. Закручивание потока в противоположном направлении смещает рабочую точку насоса вправо и вверх относительно номинальной величины. Негативный эффект противоположных вихревых потоков проявляется в увеличении потребляемой мощности и снижении кавитационного эффекта насоса. Вероятные признаки предварительного завихрения потока – шум, кавитация, быстрый износ подшипников и уплотнений. Локальные завихрения еще более интенсивны, чем объемные, и ведут к образованию воронок. Они вызывают гидравлические удары, изнашивают движущиеся механизмы насоса, усиливают вибрацию и кавитацию, захватывают воздух и уменьшают величину подачи потока.

Возникновение вибрации при работе насосного оборудования обусловлено механическими колебаниями во вращающихся деталях насосов, перепадами давления жидкости, радиальными гидродинамическими силами в потоке.

Другие причины вибрации – засоры в насосе, неоптимальный режим работы насоса, большая кавитация, высокое воздухосодержание в потоке жидкости, неисправность пары ротор-статор.

Наибольшим нагрузкам из-за вибрации подвергаются те узлы насосов, в которых поток жидкости создает разнонаправленные силы. Явление кавитации всегда увеличивает вибрацию, как следствие – растёт шум и увеличивается износ механизмов. Наиболее уязвимы в этом плане вращающиеся узлы и механизмы. Важно для эффективной работы насоса и увеличения наработки на отказ правильно выбрать расстояние от нижней точки ротора до нижней точки статора, то есть правильная подгонка ротора в статор, так как если данное расстояние выбрано не правильно, то велика вероятность слома переводника передающего вращения от привода насоса на ротор.

Таким образом, несмотря на очевидные преимущества УЭВН обладает рядом недостатков, которые необходимо учитывать при подборе оборудования, для конкретного месторождения, с учетом влияния всех физико-химических процессов и геолого-технологических факторов на работу насоса.