Новое поколение гидрозащиты ПЭД с динамическим лабиринтом для эксплуатации осложненных месторождений с высоким содержанием свободного газа и механических примесей

25.05.2018



Новое поколение гидрозащиты ПЭД с динамическим лабиринтом для эксплуатации осложненных месторождений с высоким содержанием свободного газа и механических примесей

А.В. Трулев, канд. техн. наук, А.А. Сабиров ( ЗАО «Римера», г. Москва, Россия). E-mail: aleksey.trulev@rimera.com

С.Ф. Тимушев, д-р техн. наук (Московский авиационный институт, Россия)

 

Гидрозащита – важная часть установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) для нефтедобычи. Она может состоять из модуля протектора, устанавливаемого над погружным электрическим двигателем (ПЭД) и модуля компенсатора, устанавливаемого под двигателем. Задача гидрозащиты – предотвратить попадание пластовой жидкости в масло ПЭД, выравнивать давление масла ПЭД и пластовой жидкости, передавать мощности от двигателя к насосу.

Российские и зарубежные производители нефтедобывающего оборудования предлагают большое количество моделей гидрозащит, но до сих пор не выработана единая концепция их оптимального конструктивного варианта. Это заметно усложняет работу сервисных служб и ремонтных баз, так как эксплуатация и ремонт каждого типа гидрозащиты имеет свои технологические особенности.

У серийных гидрозащит есть несколько недостатков – например, диафрагма протектора проницаема для газов. Некоторые газы - сероводород Н2S и углекислый газ CO2 - могут образовывать химические соединения с маслом двигателя, снижая его физические свойства [1]. Также могут образовываться кислоты, вызывающие коррозию элементов двигателя, а продукты коррозии снижают ресурс подшипников.

Для надежной работы торцового уплотнения и предотвращения попадания пластовой жидкости в масло погружного электродвигателя (ПЭД), необходимо обеспечить гарантированный положительный перепад давления между маслом и пластовой жидкостью [2]. В противном случае, даже если гидрозащита останется в рабочем состоянии, двигатель может выйти из строя.



Помимо этого конструкция серийной гидрозащиты (Рис. 1) содержит модуль гравитационного лабиринта 5 (длиной около метра), который может иметь одно или два торцевых уплотнения 2. При выходе из строя одного уплотнения, второе осуществляет защиту модуля. Однако оба уплотнения являются подвижными и работают в неблагоприятных условиях. Сверху уплотнение 2 защищено отбойником 1 для защиты от механических примесей, но отбойник не исключает контакт с пластовой жидкостью и твердыми частицами малого диаметра.

Современное отечественное масло «МДПН», которое используется для погружных электродвигателей (ПЭД) и в гравитационных лабиринтах гидрозащиты, представляет собой полусинтетическую основу с добавками. Также используются синтетические масла REDA-5 и Shell Fluid 4600. Плотность масла лежит в пределах 850- 985 кг/м3 [3], и при добыче многокомпонентной пластовой жидкости, плотность масла в гравитационном лабиринте 5 соизмерима с плотностью компонентов нефти [4]. В таких условиях существующие гравитационные лабиринты в гидрозащите не могут обеспечить надежную защиту, так как компоненты масла и пластовых флюидов в лабиринте будут смешиваться, образуя сложные дисперсные системы, содержащие газ, жидкости и твердые частицы.

В свою очередь торцевые уплотнения 2 и 6 гравитационного лабиринта и модуля с компенсирующим элементом в виде поршня или диафрагмы гидравлически связаны с затрубным пространством и компенсирующим модулем. Поэтому при спуске установки в скважину, запуске и остановке двигателя, при температурном изменении объема масла в двигателе изменяется форма диафрагмы или положение поршня в компенсирующем модуле гидрозащиты, выравнивается давление внутри двигателя с давлением в затрубном пространстве. Из затрубного пространства в гравитационный лабиринт затекает пластовая жидкость в объеме около 10% от объема масла в двигателе, что может составлять около 50% от объема гравитационного лабиринта. При этом компоненты пластовой жидкости могут попадать в область торцевых уплотнений 2, 6 и подшипника 3, снижая ресурс этих элементов. Через канал 7 они могут попасть в компенсирующий модуль, вызвать коррозию на внутреннем диаметре корпуса поршневого модуля и отложение соли, привести к заклиниванию поршня.



В связи с этим, инженеры ЦИиР ГК «Римера» предлагают использовать для нефтедобычи новый протектор для гидрозащиты с динамическим лабиринтом (представлен на рис. 2).

Динамический лабиринт 2 в виде динамической втулки в форме перевернутого колокола для защиты торцевого уплотнения поршневого модуля 4 содержит неподвижное уплотнение 1, которое, в отличие от подвижных торцевых уплотнений серийной гидрозащиты, не подлежит износу. Такой динамический лабиринт обеспечивает длительную работу установки даже при выходе из строя торцевого уплотнения компенсирующего модуля поршневого или диафрагменного типа. За счет газовой области, которая образуется в верхней части лабиринта, устраняется возможность проникновения ионов соли из пластовой жидкости в масло ПЭД.

    Это подтверждается результатами проведения опытно промысловых испытаний, где установка работала с обратным клапаном, который не закрылся при заправке двигателя маслом до спуска в скважину более двух месяцев, при этом износ деталей динамического лабиринта не выявлен.

Расчеты показывают, что применение динамической втулки (верхнего газового колокола) в гидрозащите с динамическим лабиринтом обеспечивает в 300 раз более эффективную сепарацию механических примесей по сравнению с традиционным гравитационным лабиринтом, так как центробежное ускорение, определяющее градиент давления (1), в соответствующее число раз больше ускорения свободного падения.


 

Где:

P – давление;

R – радиус динамической втулки;

p – плотность.

UL – окружная скорость динамического лабиринта.

 

Высокий градиент давления приводит к эффективной сепарации пузырьков газа из пластовой жидкости внутрь «колокола» и к удалению из него твердых частичек кварцевого песка. Помимо этого, в верхнем динамическом лабиринте образуется газовая область - за счет этого торцевое уплотнение 3 (см. рис. 2) отделено не только от механических примесей, но и от самой пластовой жидкости. Оно работает в замкнутой масляной области и гидравлически не связано с компенсирующим элементом, поэтому при спуске, запуске и остановке двигателя через торцевое уплотнение 3 и подшипник 4 не протекает жидкость, контактирующая с затрубным пространством, которая может содержать механические примеси.

Отметим, что при замене гравитационного лабиринта на динамический монтажная длина гидрозащиты уменьшается по сравнению с серийными аналогами на 20-40%. Это снижает себестоимость и стоимость ремонта за счет меньшего числа деталей.

При наличии насосного устройства, которое обеспечивает положительный перепад давления между маслом и пластовой жидкостью в районе торцевого уплотнения, компенсирующий элемент может быть установлен в модуле компенсатора под двигателем. В этом случае конструкция еще более упростится и ее стоимость снизится, в связи с отсутствием вала для передачи мощности от двигателя к насосу, который сейчас проходит через протектор. Также снизится усилие, необходимое для страгивания поршня, так как он будет двигаться только по внутреннему диаметру корпуса компенсирующего модуля.

 

Выводы:

1.                 Сотрудниками Центра исследований и разработок ГК «Римера» разработана конструкция гидрозащит поршневого и диафрагменного типа с динамическим лабиринтом для защиты торцевого уплотнения компенсирующего модуля.

2.                 В конструкции гидрозащиты диафрагменного типа отсутствует гравитационный лабиринт - за счет этого монтажная высота уменьшается на 20-40% и снижается стоимость ремонта из-за меньшего числа деталей.

3.                 При наличии насосного устройства, которое обеспечивает положительный перепад давления между маслом и пластовой жидкостью в районе торцевого уплотнения, компенсирующий элемент может быть установлен в модуле компенсатора под двигателем.

 

Список литературы:

1.       Маркин А.Н., Низамов Р.Э. Суховерхов С.В. Нефтепромысловая химия: практическое руководство. Владивосток: Дальнаука, 2012 г, 288 стр.

2.      Голубев А.И. «Уплотнения и уплотнительная техника», справочник, М.: Машиностроение, 1986.- 464 с. (страница 449).

3.      Агеев Ш.Р. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение. Энциклопедический справочник. Пермь: ООО «Пресс-Мастер», 2007 г, 645 стр.

4.      Барсукова В.В., Домиденко К.А., Крылова С.М. «Нефти и газовые конденсаты России», справочник, том 2. Нефти Сибири. Москва, 2002 г, 160 стр.

 

Подрисуночные подписи:

Рис. 1. Эскиз верхней части серийной гидрозащиты

1 - отбойник, 2 - торцевое уплотнение гравитационного лабиринта, 3 – подшипник, 4 - трубка для подвода пластовой жидкости, 5 - гравитационный лабиринт, 6 – торцевое уплотнение компенсирующего модуля, 7 -  канал в компенсирующий модуль.

Рис. 2. Эскиз верхней части гидрозащиты с динамическим лабиринтом

1 – верхний газовый колокол, 2 – нижний газовый колокол, 3 - торцевое уплотнение компенсирующего модуля, 4 – подшипник, 5 - трубка для подвода пластовой жидкости, 6 - гравитационный лабиринт, 6 – торцевое уплотнение компенсирующего модуля, 7 - канал подвода в компенсирующий модуль


Возврат к списку


Обратная связь