Прогнозирование энергетических параметров малогабаритных многоступенчатых осевых насосов в составе высокопроизводительных погружных электронасосных установок (стр. 1 )

УДК 621.65

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАЛОГАБАРИТНЫХ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ ОСЕВЫХ НАСОСОВ В СОСТАВЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК

, канд. техн. наук, научн. сотр.; , асп.

СумГУ

Погружные центробежные насосы для добычи нефти (ЭЦН) являются составной частью установок погружных центробежных электронасосов (УЭЦН) [1]. Несмотря на постепенно возрастающую конкуренцию со стороны погружных одновинтовых насосов объемного типа [2] УЭЦН как представители класса гидродинамических машин были [3], есть [4] и прослеживаются все тенденции к тому, что еще долгое время будут оставаться в мире одним из основных средств механизированной добычи нефти и жидкости из скважин. Многолетний опыт эксплуатации свидетельствует, что при средних и больших отборах пластовой жидкости (100-150 м3/сут) УЭЦН – наиболее экономичный и наименее трудоемкий по обслуживанию вид оборудования для добычи нефти по сравнению с компрессорной добычей и подъемом жидкости другими типами насосов [3]. Прямым свидетельством этому можно считать тот факт, что темпы использования УЭЦН в нефтедобывающей промышленности неуклонно растут. Так, в начале 80-х годов прошлого века с их помощью в СССР добывалось более 35 % всей нефти страны и более половины жидкости [5]. В 1995 году в странах СНГ УЭЦН эксплуатировались в более чем 47000 нефтяных скважинах, подымая на поверхность в сумме половину всей нефти и более 60 % жидкости [6]. По данным на 2003 год с использованием ЭЦН в Российской Федерации добывается более 70 % всей нефти [7]. Поскольку на Украине нефтяные запасы значительно скромнее, то и количество эксплуатируемых УЭЦН здесь также существенно меньше. По данным на октябрь 2000 года, за НГДУ «Черниговнефтегаз» АО «Укрнафта» числилась 801 установка УЭЦН, с помощью которых разрабатывались 232 скважины [8]. Еще меньше УЭЦН использовалось в остальных НГДУ АО «Укрнафта»: «Ахтырканефтегаз» - в 28 скважинах, «Полтаванефтегаз» - в 21, «Долинанефтегаз» - в 9, «Бориславнефтегаз» - в 4 [6]. Однако в условиях отсутствия на Украине собственного производства насосов типа ЭЦН даже имеющийся парк из порядка 1000 единиц данного вида насосного оборудования требует к себе повышенного внимания.

Увеличение суммарной мощности всех используемых УЭЦН заставляет их проектировщиков и производителей постоянно искать пути повышения эффективности установок и, в частности, насосов. Результаты анализа эксплуатации УЭЦН на нефтепромыслах за последние годы свидетельствуют о существовании стойкой потребности нефтяников в высокопроизводительных насосах рассматриваемого типа. В первую очередь это касается ЭЦН, традиционно используемых для подъема коррозионно-активной пластовой воды из вододобывающих скважин для питания систем поддержания пластового давления (ППД) в нефтяных скважинах. Недостатки широко используемых в настоящее время в странах СНГ для этих целей погружных насосных установок на базе УЭЦН 5А-500 подробно освещены в исследовании [8]. Второе перспективное направление использования высокопроизводительных УЭЦН возникло сравнительно недавно и связано с тем, что в последние годы многие нефтяные компании в Российской Федерации это в первую очередь «Юкос», «Сибнефть» и «Лукойл» осуществляют интенсификацию добычи нефти с применением новейших методов воздействия на пласт [9]. В число таких методов входит и перевод нефтяных скважин на эксплуатацию более производительным насосом.

В работе [8] даны исходные предпосылки, иллюстрирующие целесообразность и подтверждающие принципиальную возможность создания типоразмерных рядов высокопроизводительных погружных скважинных насосов гидродинамического типа на базе высокотехнологичной малогабаритной осевой ступени, состоящей из рабочего колеса в виде шнека постоянного шага и статорного аппарата с упрощенной формой лопаточной системы. В публикации [10] изложено научное и практическое обоснование исходных принципов, на основании которых планируется создание типоразмерных рядов погружных многоступенчатых осевых насосов для скважин малого диаметра, определены их ориентировочные границы по напору и подаче, а также указаны направления, по которым возможно совершенствование существующей базовой конструкции шнековой ступени.

Ввиду вышеизложенного следующим этапом на пути создания указанных типоразмерных рядов является построение для выбранных размерных групп установок по полученным в работе [10] соотношениям прогнозируемых линий оптимальной мощности малогабаритных многоступенчатых осевых насосов в составе высокопроизводительных погружных электронасосных установок с последующим определением на их основе практически необходимого диапазона, а также конкретных значений коэффициентов быстроходности модельных шнековых ступеней, которые планируется использовать при построении рядов. Решению этой задачи и посвящена данная статья.

При построении прогнозируемых линий оптимальной мощности (рис. 1-3), состоящих из точек в координатах "напор-подача", соответствующих совпадению потребляемой насосом мощности и номинальной мощности привода [10], использовались данные, полученные в результате обзора каталогов [11-14] ведущих компаний-производителей погружных электродвигателей (ПЭД) для комплектации УЭЦН (табл.1-3). При этом предпочтение, в первую очередь, отдавалось ПЭД с меньшими осевыми габаритами, поскольку уровень экономичности ПЭД различных марок примерно одинаковый. Вертикальной пунктирной линией на рис.1-3 отмечены максимальные значения подачи на режиме максимального КПД для ЭЦН соответствующего типоразмера, которые в настоящее время производятся в странах СНГ [10,15]. Отрезки линий оптимальной мощности, расположенные правее указанной линии, находятся в области подач малогабаритных многоступенчатых осевых насосов, которые в УЭЦН не достижимы [10]. Участки линий оптимальной мощности, расположенные левее вертикальной пунктирной линии, лежат в области прогнозируемых подач создаваемых высокорасходных погружных насосов, о которой можно говорить как о конкурентной между ними и уже существующими ЭЦН. Как видно из рис.1-3, по количеству ступеней и суммарной осевой длине их сборки разрабатываемые насосы близки к насосам типа ЭЦН, количество ступеней в которых может превышать 900 [16], а длина - может доходить до 20 м [10].

Выражение для определения коэффициента быстроходности шнековой ступени, имеющей максимальный напор при КПД не менее 60%, можно записать как

, (1)

где = 2910 об/мин - частота вращения вала ПЭД [11-14];

- подача насоса, м3/сут;

- максимальный напор шнековой ступени со статорным аппаратом, имеющим лопаточную решетку прямых пластин, при экономичности не менее 60%. Здесь индекс - обозначение типоразмера ().

Значения для типоразмеров 5, 5А и 6, вычисленные по выражению, приведенному в публикации [10], составили: =2,65 м, =3,50 м, =4,35 м.

Таблица 1 - Технико-экономические показатели лучших из серийных ПЭД для погружных УЭЦН габарита 5 ведущих в СНГ компаний-производителей

Номер на рис.1	Марка ПЭД	Компания-производитель	Мощность ПЭД, кВт	КПД ПЭД, %
1	2	3	4	5
1	ПЭДУ 12-103РВ	ОАО "Привод"	12	79,5
2	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	16	81,0*
3	ПЭДУ 20-103РВ	ОАО "Привод"	20	80,5
4	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	22	81,0*
5	ПЭДУ 25-103РВ	ОАО "Привод"	25	80,5
6	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	28	81,0*
7	ПЭДУ 30-103РВ	ОАО "Привод"	30	80,5
8	ПЭДУ 32-103РВ	ОАО "Привод"	32	80,5
9	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	36	81,0*
10	ЭДБ38-103В5	ОАО "Борец"	38	81,0*
11	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	40	81,0*
12	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	45	81,0*
13	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	50	81,0*
14	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	56	81,0*
15	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	60	81,0*
16	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	63	81,0*
17	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	70	81,0*
18	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	75	81,0*
19	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	80	81,0*
20	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	90	81,0*
21	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	100	81,0*
22	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	110	81,0*
23	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	120	81,0*
24	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	130	81,0*
25	РППЭД-ЯкВт-103	АЛМАЗ	140	81,0*
* Из заявленного в каталоге [11] общего диапазона экономичности ПЭД, составляющего 81-87 %, принято значение КПД ПЭД, равное 81%

Таблица 2 - Технико-экономические показатели лучших из серийных ПЭД для погружных УЭЦН габарита 5А ведущих в СНГ компаний-производителей