Проблемы повышения надежности скважинных винтовых насосных установок

Винтовые насосы с поверхностным приводом получают все большее распространение на нефтяных месторождениях Казахстана, так как они позволяют обеспечить возможность добычи пластовой жидкости повышенной вязкости с большим содержанием механических примесей и газа, а также снизить себестоимость добычи нефти за счет их низкой стоимости и высокой надежности. Как показал опыт их эксплуатации на месторождениях РК, на показатели надежности основных узлов винтовой насосной установки (поверхностный привод, вращательная и лифтовая колонны, винтовой насос), в основном, оказывают влияние эксплуатационные факторы. Ресурс их работы оказался ниже нормативных. Причем, основной причиной выхода их строя при эксплуатации на месторождениях Казахстана является недостаточный ресурс эластомеров.

Так, проведенная оценка частоты и влияния удельного веса отказов винтовых насосных установок с поверхностным приводом (УНВП) производства фирм «KUDU» (Канада), «SBS» (Австрия), «Netzsch» (Германия) и «АЗНО» (Совместно Канада-Россия-Казахстан), эксплуатировавшихся на месторождениях «Кайнармунайгаз» и «Кумколь» с применением методов статистического анализа подтверждает этот вывод (см. рис.1). Как следует из диаграммы, основную долю составляют отказы связанные с отказом вращательной колонны и погружным винтовым насосом. Устранив соответствующие причины выхода из строя УНВП, можно снизить вероятность отказа установок на 94%. Причем основными видами отказов являются выход из строя ротора или статора винтового насоса. Отказы вращательной колонны можно минимизировать или исключить за счет применения легко реализуемых технических мероприятий, например, оснащением колонны штанг центраторами, применением более прочных штанг и др.

Отказы винтовых погружных насосов имеют больше системный характер, зависящий от физико-механических свойств эластомеров и свойств пластовых флюидов. Для повышения надежности установки в первую очередь необходимо выявить причины отказов винтового погружного насоса .

Таблица 1. Причины отказов винтовых погружных насосов

В результате устранения отказов, вызванных снижением физико-химических свойств эластомеров обойм, можно на 76% снизить вероятность выхода из строя винтового насоса. Следовательно, для выявления глубинных причин отказов винтовых насосов необходимо провести более тщательный и подробный анализ причин разрушения их обойм.

Одной из основных причин отказов статора является разрушение резиновой обоймы. Под влиянием большого количества абразива твердой фазы флюида, высокой частоты вращения происходит критический износ резиновой обоймы. Как следствие резко возрастают объемные утечки, соответственно снижается подача винтовой насосной установки, поэтому при высоком содержании твердых включений во флюиде обычно стремятся применять резины менее твердые и более упругие (износостойкие), с меньшими остаточными деформациями. Хорошие результаты дает применение в нижней части хвостовиков песочных сепараторов.

В зарубежной практике основные применяемые виды эластомеров подразделяются на нитрильные каучуки (Buna N или HNBR) и сополимеры акрилонитрила (CAN) и бутадиена. По аналогии с отечественными каучуками СКН, эластомеры классифицируют по содержанию акрилонитрила от 15 до 50% (25% - среднее, 35% -высокое, более 40% - сверхвысокое содержание) в зависимости от количества которого получают ряд различных химических и физических свойств.

Разнообразие, выпускаемых зарубежными производителями, марок эластомеров обойм винтовых насосов позволяет использовать их с учетом определенных скважинных условий, с соответствующими химическими и физическими свойствами. В табл. 2 приведены основные показатели эластомеров Ultra-Flex, среди которых есть резины, отличающиеся повышенной термостойкостью (марка 152), износостойкостью (марка 103), стойкостью к воздействию сероводорода (марки 140, 152, 157), но обладающих малой сопротивляемостью к другим разрушающим факторам. Одним словом они применимы только в осложненных скважинах с известными условиями. Единственным эластомером с универсальными показателями может считаться Ultra-Flex 157, который одинаково работоспособен во всех осложненных скважинах.

Основным отличием в зарубежной технологии изготовления эластомеров является вулканизация каучуков путем выборочного насыщения (гидрирования) большей части бутадиеновой составляющей акрилонитрил-бутадиенового полимера, в то время как большинство эластомеров в отечественной практике подвергают серной вулканизации [3]. Воздействие сероводорода в скважине приводит к еще большему отверждению и, в конечном итоге, к разрыву эластомера.

Менее актуальными, но существенными факторами, определяющими совершенство винтовых насосов, являются технология их изготовления, оптимизация геометрии ротора и оптимизация режимов эксплуатации.

Таблица 2. Основные физико-химические показатели эластомеров Ultra-Flex [каталог фирмы Robbins & Myers Energy Systems, Inc. (США)]

Дальнейшее развитие и продвижение обойм винтовых насосов (ОВН) в нефтяной промышленности, несмотря на большое количество оригинальных разработок (как в плане общей компоновки гидромашины, так и в отношении геометрии РО), защищенных патентами, в немалой степени тормозится ограниченными возможностями конструкторов при выборе эластомеров обкладки статоров.

Исходя из анализа состояния вопроса можно констатировать, что в ближайшие годы их совершенствование будет осуществляться за счет повышения качества материалов рабочих органов и совершенствования технологий их изготовления, оптимизации компоновки, геометрии и режимов эксплуатации.

Используемые в течение многих десятилетий в отечественной практике синтетические нитрильные резины не могут удовлетворять разнообразным условиям применения ОВН при перекачке углеводородов с различными физико-химическими свойствами. Определенный прогресс в этом направлении связан с разработками фирмы РЕАМ [10], где проводятся НИОКР в области комбинированных методов модификации свойств эластомеров, в том числе создания т.н. «скользких» резин.

Западные компании придают выбору эластомеров первостепенное значение, образно называя эластомер статора «сердцем» насоса. Так, фирма РСМ/Kudu предлагает заказчику 5 модификаций резины твердостью от 52 до 76 единиц по Шору, каждая из которых специально предназначена для эксплуатации насоса в определенных условиях (фрикционный износ; воздействие сероводорода, углекислого газа, ароматических веществ). Термостойкость резин находится в пределах 120-160°С. Эффективным способом повышения надежности насосной пары является переход на конструкцию статора с постоянной толщиной эластичной обкладки, а также использование композитных материалов и пластмасс.

Немаловажное значение для совершенствования ОВН и улучшения их характеристик играют технологические факторы. Методики комплексного расчета зубонарезного инструмента и допусков на профили зубьев, учитывающие неравномерность усадки резины и хромового покрытия, позволяют повысить качество формообразования винтовых поверхностей роторов за счет снижения погрешностей профиля и шероховатости поверхности зубьев ротора и сердечника статора, а также назначения оптимального натяга в зацеплении [3].

При проектировании ОВН существует возможность выбора альтернативных вариантов роторов, отличающихся своими геометрическими параметрами (контурным диаметром и безразмерными коэффициентами). Выбор оптимальной в заданных условиях эксплуатации формы плоской и пространственной геометрии роторов является одной из основных задач, стоящих перед конструкторами и эксплуатационниками. Применительно к ОВН критериями оптимальности геометрии ротора служат максимум давления, КПД или ресурса насоса.

Резерв совершенствования ОВН связан и с поиском конструктивных изменений, способствующих повышению надежности и долговечности насосного агрегата, а также улучшения его ремонтоспособности: переход на вставной вариант скважинного насоса; использование в ВШНУ схемы насоса со вторым дополнительным статором, вступающим в зацепление после износа и осевого перемещения ротора (А.с.2037662); переход на модульную конструкцию увеличенной длины с целью повышения давления насоса или снижения контактных напряжений в паре. Наиболее перспективным представляется применение в качестве передаточного механизма планетарного редуктора, размещаемого между насосом и ПЭД.

Повышение эффективности использования ОВН (особенно скважинных насосов) в значительной степени зависит от режима эксплуатации. Существует целый ряд компьютерных программ подбора насосного оборудования для добычи нефти и режима его работы для конкретной скважины. Одна из них, успешно зарекомендовавшая себя на практике, — программа

«Автотехнолог», разработанная в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина на основе универсальной модели системы пласт-скважина-насосная установка, использует в качестве исходной информации типовые скважинные данные нефтедобывающего предприятия и постоянно обновляемую базу данных о характеристиках оборудования отечественных и зарубежных производителей.

Реализация оптимальных режимов ОВН связана с использованием регулируемых приводов (электрических и гидравлических). Наиболее перспективно использование установок с частотно- регулируемым электроприводом переменного тока, обеспечивающим широкий диапазон изменения скорости.

Анализ показывает, что наработку винтовых насосов, в первую очередь, можно значительно увеличить за счет использования эластомеров, состав которых выбран исходя из конкретных скважинных условий и применения мер по предотвращению оседания песка и образования песчаных пробок.

Причем, при подборе эластомеров для изготовления обойм винтовых насосов большое внимание необходимо уделять выбору марки резины, исходя из следующих условий:

• химических свойств добываемой жидкости и ее влиянием на эластомер;
• наличием в жидкости механических примесей, их абразивностью и величиной отдельных частиц;
• величиной развиваемого насосом давлением нагнетания;
• принятыми значениями натягов или зазоров в парах обойма-винт и желаемыми формами характеристики насоса Q-H;
• наличием значительного количества растворенного в нефти газа; числом оборотов, эксцентриситетом и массой винта;
• температурой пластовой жидкости.

Учет этих факторов, вкупе с вышеперечисленными требованиями, может существенно увеличить ресурс работы винтовых насосных установок при их эксплуатации на месторождениях Казахстана.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А. и др. Скважинные насосные установки для добычи нефти. - М.: ГУП «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. - 824 с.
2. Крылов А.В. Одновинтовые насосы. -М.: Гостоптехиздат, 1962. - 154с.
3. Шайдаков В.В. Свойства и испытание резин. - М.: Химия, 2002. - 235 с.