Пути совершенствования одновинтовых насосов для реализации современных технологий нефтегазовой промышленности
Аннотация
В статье рассматриваются технологические задачи использования газожидкостных смесей в нефтегазовой промышленности и технические средства для их осуществления. Подробно исследуются особенности рабочего процесса и пути совершенствования одновинтовых насосов для условий перекачки сжимаемого флюида с высоким газосодержанием на входе. Предложена конструктивная схема секционного одновинтового насос-компрессора с модернизированными рабочими органами, обеспечивающая равномерное распределение давления по длине насоса.
Annotation
The article are considers the technological tasks of using gas-liquid mixtures in the oil and gas industry and the technical means for their implementation. Details of the working process and ways to improve single-screw pumps for the conditions of pumping a compressible fluid with a high gas content at the inlet are studied in detail. A constructive scheme of a sectional single-screw pump-compressor with modernized operating elements is proposed, which ensures uniform pressure distribution along the length of the pump.
Инновационные газожидкостные технологии (ГЖТ) находят все большее распространение в нефтегазовой промышленности в процессах механизированной добычи нефти, бурении на депрессии, внутрипромысловом транспорте, экологических и энергосберегающих проектах, а также в системах поддержания пластового давления.
Одним из важных аспектов развития и совершенствования ГЖТ является выбор технических средств для перекачки сжимаемого флюида, их конструктивного исполнения и режимных параметров в зависимости от условий эксплуатации (давления нагнетания, свойств жидкой и газовой фаз, содержания свободного газа и механических примесей в рабочем агенте) и других факторов. газожидкостный нефтегазовый насос флюид
Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации и литературных источников дает основание считать, что одним из наиболее эффективных для перекачки газожидкостных смесей наряду с двухвинтовым насосом [1] и поршневым насосом специального исполнения с бустерной приставкой [2] является одновинтовой насос [3].
Такое положение подтверждается стендовыми испытаниями, проведенными в РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина [4] при исследовании напорной характеристики многозаходного одновинтового насоса с циклоидальным профилем зубьев и кинематическим отношением 5:6 при различном газосодержании на входе (рис. 1).
В последние годы ряд отечественных и зарубежных предприятий освоили производство мультифазных одновинтовых насосов для нефтегазовой отрасли. Так, ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент» (рис. 2) выпускает несколько типоразмеров многозаходных насосов с подачей от 10 до 250 м3/ч и давлением до 4 МПа. Содержание газа может доходить до 80 %. Максимальная приводная мощность 315 кВт [5].
Одним из важных аспектов развития и совершенствования ГЖТ является выбор технических средств для перекачки сжимаемого флюида, их конструктивного исполнения и режимных параметров в зависимости от условий эксплуатации (давления нагнетания, свойств жидкой и газовой фаз, содержания свободного газа и механических примесей в рабочем агенте) и других факторов.
Как показывают технологические проработки, помимо указанных выше областей применения, весьма перспективной с экономической (повышение нефтеотдачи пластов) и экологической точек зрения является утилизация попутного природного газа в процессе эксплуатации нефтяных скважин посредством обратной закачки газа или смеси газа и жидкости в скважину в системе ППД (в частности, переход от воды к газожидкостной смеси) [6].
Однако для реализации данных технологий потребуются специальные компрессоры или мультифазные насосы, которые в этом случае следует именовать как насос-компрессоры. Такие машины должны развивать давление не менее 10 - 15 МПа и перекачивать смесь с содержанием свободного газа до 90 - 95 %.
Возникает резонный вопрос - имеются ли предпосылки для создания таких машин и технологии их изготовления, а также какова степень изученности рабочего процесса подобных устройств и их характеристик.
Основоположник одновинтовых гидравлических машин Р. Муано свой первый патент рассматривал как «устройство, работающее в качестве насоса, компрессора или редуктора» [7]. Однако прототип его изобретения на протяжении десятилетий использовался исключительно в качестве гидравлической машины (насоса или мотора).
Помимо снижения общей энергоэффективности работы насоса при переходе от жидкости к газожидкостной смеси, что вызвано самим принципом действия объемной гидромашины (уменьшение изотермического КПД при увеличении давления), такое положение, вероятно, обусловлено и тем, что практически добиться плавного нарастания давления сжимаемого флюида в камерах рабочих органов (РО) одновинтовых насосов традиционного исполнения весьма проблематично и тем самым становится трудным обеспечить максимальный уровень общего перепада давления и объемного КПД, а также равномерный отвод тепла.
Для иллюстрации данного принципа рассмотрим принципиальную схему распределения давления в РО многошагового мультифазного насоса при перекачке газожидкостной смеси (рис. 3). Пусть известны подача насоса по жидкой фазе (Qж) давление на входе (рвх) и выходе (рвых) насоса, объемное газосодержание на входе в насос (ввх), а также число контактных линий Л, разделяющих вход и выход РО.
Число ступеней повышения давления по длине РО (на каждой из которых в общем случае возникает определенный межвитковый перепад давления Дpi) будет соответствовать числу контактных линий, при этом число изолированных рабочих камер (шлюзов) будет равно Л - 1, причем в каждой из этих камер находится газожидкостная смесь с различной плотностью с, зависящей от текущего давления и газосодержания (в):
где сж, сг - плотности жидкой и газовой фаз, составляющих смесь при определенном давлении и температуре в камере.
Принимая в первом приближении изотермический процесс изменения состояния газовой фазы, получаем зависимости расхода газа и объемного газосодержания на выходе из насоса:
где е - степень повышения давления, е = pвых / pвх.
Тогда, допуская, что жидкая фаза внутри насоса несжимаемая (сж = const), можно определить объемный расход смеси на входе и выходе насоса:
Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации и литературных источников дает основание считать, что одним из наиболее эффективных для перекачки газожидкостных смесей наряду с двухвинтовым насосом и поршневым насосом специального исполнения с бустерной приставкой является одновинтовой насос.
Рассмотрим простейшую модель одновинтового насоса, в которой не учитывается возможная растворимость газовой фазы в жидкости, а межвитковые перепады давлений не зависят от скорости движения контактных линий или, другими словами, не учитывается эффект фрикционного воздействия в зазорах РО.
В этом случае, зная рабочий объем или идеальную геометрическую подачу насоса (Qи), можно рассчитать расход утечек в зазорах на первой и последней контактных линиях:
Учитывая, что Qг.вх > Qг.вых, получаем, что объемные утечки на входе (на первой линии) меньше, чем объемные утечки на выходе (на последней линии, отделяющей камеры насоса от области нагнетания), т.е.
Следовательно, если использовать классическую квадратичную формулу истечения (как например, для нормальной диафрагмы или сопла), связывающую перепад давления Др и расход ДQ через винтообразную щель, образовавшуюся по длине контактной линии при работе насоса,
где µ - коэффициент расхода, зависящий от конфигурации щели и характера течения (числа Рейнольдса), а f - площадь щели, то можно сделать однозначный вывод о том, что при прочих равных условиях (в данном случае при равенстве диаметральных и осевых размеров винтовых камер, а также размера щели на линии контакта) внутренние межвитковые перепады давления при перекачке газожидкостной смеси будут не одинаковыми (Дрi = var), причем максимальный перепад давления всегда будет возникать на последней контактной линии, отделяющей рабочие камеры от области нагнетания.
Отметим, что данная закономерность, согласно которой распределение давления по длине может быть представлено в виде лестницы с увеличивающейся высотой ступенек (рис. 3б), станет еще более явно выраженной, если учитывать в уравнении (8) увеличение плотности флюида в последних камерах насоса (для примера в случае, если рвх = 0,1 МПа, ввх = 50 %, е = 5, то ввых = 16,7 %, а плотность водовоздушной смеси на входе и выходе насоса соответственно составляет 500 и 830 кг/м3).
Дополнительным фактором, известным из теории [3] и способствующим перераспределению внутренних перепадов давления в РО насоса, является перекашивающий момент на роторе, в результате которого происходит прижатие ротора к полюсу в области высокого давления, искажение расчетной геометрии зацепления (при этом площадь щели f в уравнении утечек (8) становится переменным параметром), что также оказывает влияние на закономерность изменения межвитковых перепадов давления в камерах насоса.
Кроме того, существенное влияние на рассматриваемый процесс будет оказывать и натяг в паре ротор-статор, определяющий напряженно-деформированное состояние обкладки статора и величины натягов и зазоров по длине линии контакта при работе насоса. При этом необходимое увеличение первоначального натяга в РО для перекачки сжимаемого флюида по сравнению со стандартными насосами вызовет повышение внутренних механических потерь и снижение КПД.
Подобная закономерность распределения давления характерна и для рабочего процесса многоступенчатых динамических насосов. Так, ведущие специалисты отечественной школы электроцентробежных скважинных нефтяных насосов отмечают, что при работе на газожидкостной смеси начальные ступени насоса вообще не создают напора. В их камерах происходит перемешивание флюида, измельчение крупных газовых пузырьков и создание квазиоднородной эмульсии, причем чем выше газосодержание на входе, тем большее число ступеней вовлечено в процесс диспергирования смеси и выключено из процесса создания давления [8].
Таким образом, для того, чтобы при проектировании мультифазного одновинтового насоса использовать принцип поршневого компрессора (равномерное сжатие газовой смеси по мере движения поршня внутри цилиндра) следует определенным образом изменить конструкцию насоса и прежде всего его рабочих органов.
В частности, в ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент» при создании мультифазного насоса разработчики внесли некоторые конструктивные изменения, которые позволили повысить эффективность и надежность применения насосов на объектах нефтедобычи. К этим изменениям можно отнести: увеличение длины РО (до 6 м); статоры с равномерной толщиной обкладки; автоматизированное устройство защиты от режима сухого трения при кратковременном отсутствии жидкой фазы, включающее емкость с резервным объемом жидкости, датчик потока и клапанную систему включения вспомогательного насоса [5].
Вместе с тем, помимо указанных конструктивных новшеств общего порядка, для достижения максимальной эффективности мультифазного насоса необходимо провести более «тонкую» модернизацию геометрических параметров РО с целью их наибольшей приспособленности к условиям работы на газожидкостной смеси.
Такие изменения, как это следует из анализа формул объемных потерь (5), (6) и истечения через щель (8), могут осуществляться за счет модификации объема рабочих камер или площади щели, вариации коэффициента расхода, а также введения дополнительных внутренних каналов, связывающих камеры насоса.
Для эффективного использования одновинтового насос-компрессора при перекачке сжимаемых многофазных смесей известны несколько технических решений по конструктивной модернизации РО, направленных на достижение равномерного распределения давления по длине и стабилизации температурного режима:
-создание внутренней рециркуляции перекачиваемого сжимаемого флюида внутри РО насоса за счет коррекции формы винтовой поверхности ротора (выполнение лысок, прорезей и т.п. на выступах ротора) или дренажных отверстий внутри ротора (гидравлических регуляторов), соединяющих камеры с различным давлением [9];
-переменный натяг по длине РО, уменьшающийся от всасывания к нагнетанию, что может быть реализовано, например, путем использования конической поверхности винтового ротора или статора [10];
-переменный объем рабочих камер по длине многошагового насоса, уменьшающийся от всасывания к нагнетанию.
Как показывают технологические проработки, помимо указанных выше областей применения, весьма перспективной с экономической (повышение нефтеотдачи пластов) и экологической точек зрения является утилизация попутного природного газа в процессе эксплуатации нефтяных скважин посредством обратной закачки газа или смеси газа и жидкости в скважину в системе ППД (в частности, переход от воды к газожидкостной смеси).
В теоретическом плане указанные технические решения в целом направлены на оптимизацию процесса утечек вдоль оси насоса (рис. 3) с учетом фактора сжимаемости газовой фазы на пути ее движения внутри винтовых камер от входа к выходу, исходя из условия линейного нарастания давления по длине РО (постоянного перепада давления на i-ой линии контакта: Дрi = const), т.е. полезного использования всей длины винтовой пары, как это происходит при перекачке жидких сред с малоизменяемой плотностью.
Для практической реализации принципа равномерного распределения давления в камерах насоса могут использоваться три конструктивных подхода: