Оптимизация режимов работы скважин установками электроцентробежных насосов на современном этапе добычи нефти

В 2016 году исполнилось 100 лет с момента опробования первого в мире погружного электро-центробежного насоса (УЭЦН) для добычи нефти из скважин, изобретенного нашими соотечественниками А.С. Арутюновым и В.К. Дымовым. Первое успешное промышленное внедрение УЭЦН А.С. Арутюновым было предпринято в 1928 году на месторождении Эль Дорадо (Канзас, США). В Советском Союзе электроцентробежными насосами начали заниматься только с 1950 года после создания особого конструкторского бюро по бес-штанговым насосам (ОКБ БН), которое длительное время возглавлял А.А. Богданов [1].

Первая отечественная установка электроцен-тробежного насоса была успешно опробована в 1951 году в объединении «Грознефть». С этого момента работы по расширению работ и номенклатуры УЭЦН, а также по их усовершенствованию и внедрению постоянно увеличивались.

За последние 20 лет доля нефти, поднятой на поверхность с помощью нефтяных УЭЦН, в России возросла более чем в 2 раза. Эта тенденция имеет устойчивое развитие, которое, скорее всего, сохранится и в будущем. Современными установками электроцентробежных насосов в настоящее время в стране добывают из недр земли более 75 % всей нефти. Поэтому грамотная добыча нефти УЭЦН имеет важное стратегическое значение как для нефтяной промышленности, так и для всей страны и является одним из приоритетных направлений современных методов добычи [2].

В настоящее время отечественный парк УЭЦН располагает широкой гаммой погружных установок для добычи нефти наружным диаметром в габарите от 2А (69 мм по корпусу насоса) до 9 габарита (185 мм по корпусу насоса). Номинальная производительность УЭЦН от 15 до 2000 м3/сут и более. Напор установок подбирается количеством насосных модулей (рабочих ступеней) от нескольких сотен метров до 3000 м вод. ст. [3, 4].

Для управления работой УЭЦН на нефтяных промыслах прошли путь от простого «рубильника» для пуска погружного двигателя до интеллектуальной станции управления, поддерживающей оптимальный режим работы УЭЦН и продуктивного пласта. Однако горно-геологические условия, которые встречаются на практике нефтедобычи, в большинстве случаев изменчивы во времени и по площади нефтяного пласта и требуют постоянного операторского контроля (мониторинга) за работой внутрискважинного оборудования и своевременного упреждения возможных негативных осложнений и отказов в работе УЭЦН. Движение нефти из продуктивного пласта в скважину зависит от целого ряда факторов. Прежде всего, от проницаемости призабойной зоны (k), перепада давлений (ΔР) между пластовым (Рпл) и забойным (Рзаб) давлениями, вязкости флюида пласта (μ), эффективной толщины продуктивного пласта (hэф). Для скважин с горизонтальным окончанием, дополненной системой многостадийных гидравлических разрывов пласта на горизонтальном участке, зависимость дебита скважины становится еще более сложной и неоднозначной, так как накладывается параметр протяженности горизонтального участка (hг) и степени разукрупнения продуктивного пласта на блоки с системой трещин.

Система «пласт – скважина – насос»и ее технологическая оценка

В процессе длительной эксплуатации высоко -производительных скважин некоторые параметры пласта, например, пластовое давление ( Р пл ) в зоне отбора, проницаемость призабойной зоны ( к ), обводненность продукции скважины ( В ) могут существенно изменяться, что приводит к изменению притока (дебита Q ж ) из пласта в скважину. В этой связи целесообразно рассмотреть известные в настоящее время способы регулирования производительности электроцентробежного насоса (ЭЦН), которые могут быть использованы на практике для оптимальной работы системы «пласт - скважина -насос», и провести их технологическую оценку.

Для ограничения (снижения) отбора продук -ции из скважины в настоящее время применяют довольно простой метод создания дополнительного гидравлического сопротивления на устье скважины путем установки штуцера.

Ограничение производительности УЭЦН установкой штуцера

Создание дополнительного сопротивления на устье скважины приводит к изменению напорнорасходной характеристики электроцентробежного насоса (см. рисунок). Линия оптимальной производительности (Qопт) вынужденно смещается в левую зону. При этом отбор продукции скважины ЭЦН снижается. С использованием графоаналитического метода для отечественных ЭЦН установлено, что изменение напора одной ступени (АРс) УЭЦН (в диапазоне их номинальной производительности от 30 до 125 м3/сут) происходит в пределах А = 0,03-0,04 м вод. ст. при изменении производительности рабочей ступени на 1 м3/сут. Таким образом, можно легко определить расчетное значение изменения (увеличения) напора на одну рабочую ступень при снижении производительности насоса по формуле

А Р с =А-( Q т - Q ож ), (1) где А Р _с - расчетное значение увеличения напора на одну ступень, м вод. ст.; Q _т - текущий отбор ЭЦН из скважины, м³/сут; Q _ж - ожидаемый отбор продукции из скважины, м³/сут.

Таким образом, по формуле (1) при известном значении текущего отбора ЭЦН из скважины ( Q _т) и ожидаемом отборе флюида пласта из скважины ( Q _ж) можно рассчитать необходимое изменение (увеличение) напора на одну ступень спущенного в скважину ЭЦН в м вод. ст. В целом, для ЭЦН изменение (увеличение) противодавления на выкидной линии насоса (А Р _ш) и, соответственно, на штуцерной камере можно рассчитать по выражению

А Р ш = А Рс-N , (2)

где N - количество рабочих ступеней насоса, шт.

Для определения диаметра сопла штуцера можно воспользоваться формулой из [5]

б ож = Ц f - 1,41 у Р р, (3) где ц - коэффициент расхода сопла, принимается 0,9; f - площадь сечения сопла штуцера, см²; Р р - перепад давления, 10МПа; Q _ож - расход жидкости через сопло, л/с.

Энергетические характеристики УЭЦН 5А-100

Из уравнения (3) выразим расчетную площадь сопла ( f )

f =---Qож    =Td_,(4)

1,41-ц- JPp4

где d – диаметр сопла штуцера, см.

После преобразования выразим диаметр сопла штуцера ( d )

d = -QO^, см.(5)

P р

Пример 1

Для скважины № 2016, в которой работает установка УЭЦН5А-100-2200 (326 рабочих колес-ступеней), при динамическом уровне 1900 м необходимо снизить отбор жидкости с 100 м3/сут до 80 м3/сут с помощью установки одинарного износостойкого штуцера с проведением расчета его диаметра.

Решение

По формуле (1) определим расчетное значение изменения (увеличения) напора на одну ступень ЭЦН в метрах водяного столба при снижении отбора из скважины со 100 до 80 м3/сут с применением способа штуцирования

Δ Р с = Δ·( Q т – Q ож ) =

= 0,035·(100 – 80) = 0,7 м вод. ст.

По выражению (2) определим расчетный перепад на штуцере

Δ Р ш = Δ Р с ∙ N = 0,7∙326 =

= 228 м вод. ст. = 2,28 МПа.

По формуле (5) определим расчетное значение штуце ра

Q       0,926

d = v™ =        - 0,44 см - 4,4 мм.

P р     22,8

Регулирование отборов из скважины изменением частоты питающего напряжения

Другим прогрессивным способом регулирования отборов из скважин является изменение частоты питающего напряжения на станции управления УЭЦН. В рабочей зоне производительность ЭЦН и число оборотов вала насоса находятся в прямой зависимости. Другими словами: с увеличением числа оборотов вала на 10 %, производительность ЭЦН увеличивается также на 10 % и наоборот: снижение чисел оборотов вращения вала насоса приводит к линейному снижению его производительности. Это важное качество одной из характеристик ЭЦН может быть эффективно использовано для управления работой добывающей скважины, оборудованной УЭЦН.

Пример 2

Для гипотетической скважины № 2016 с начальной производительностью 100 м3/сут необходимо снизить отбор жидкости из скважины с помощью частотного регулирования до 80 м3/сут. Для этого воспользуемся формулой

ῳ ож = ῳ т ∙ Q ож / Q т , (6) где ῳ_ож – ожидаемая частота питающего напряжения; Q _ож – ожидаемый отбор жидкости из скважины; Q _т – начальная производительность скважины; ῳ т – текущая (промышленная) частота питающего напряжения (50 Гц).

Для определения ожидаемой частоты ῳ ож по условиям примера 1 подставляем известные значения. При этом получим: ῳ ож = 50·80/100 = 40 Гц. Однако при снижении частоты вращения вала ЭЦН его напорная характеристика может существенно снизиться, и нового напора может быть недостаточно, чтобы обеспечить подъем скважинной продукции из скважины. Так, при снижении частоты питающего тока до 40 Гц новый напор ЭЦН определим по формуле

Н ож = Н т ∙ῳ н ²/ῳ п ². (7)

Для определения ожидаемого напора (Н_ож) по условиям примера 1 подставляем известные значения в формулу (7). При этом получим: Н ож = 2200·40²/50² = 1408 м.

При динамическом уровне в скважине по примеру 1 указано, что динамический уровень в скважине находится на глубине 1900 м. Следовательно, нового расчетного напора, развиваемого ЭЦН при частоте 40 Гц (1408 м), будет явно недостаточно, чтобы обеспечить подъем жидкости из скважины.

На основании предварительных расчетов можно сделать вывод о том, что при снижении частоты питающего тока до 40 Гц напор установки снизится на 36 % с угрозой прекращения подачи скважинной жидкости ЭЦН в систему нефтесбора. В этой связи, прежде чем принять решение о применении того или иного способа регулирования отборов из скважины следует просчитать все последствия принимаемых решений.

Выводы

Рассмотрены два способа регулирования отборов из скважин. При установке одинарного штуцера требуется инженерный расчет по определению диаметра сопла штуцера. Приведенные в работе расчетная методика и формулы позволяют быстро принять правильное решение по подбору диаметра сопла штуцера. Если на арматуре устья скважины установлен дискретный штуцер, то проведенный предварительно расчет диаметра штуцера позволит в сжатые сроки нормализовать работу скважины с минимальными рисками на отказ УЭЦН.

Применение частотного регулирования работы УЭЦН в скважине в настоящее время имеет приоритетное направление, так как современные станции управления в автоматическом режиме могут (в узком диапазоне отклонения дебитов) подстраиваться под добычные возможности скважины и тем самым существенно снижать трудозатраты на контроль и обслуживание скважины со стороны технического персонала промысла.