Применение центробежно-вихревых насосов для добычи нефти в ОАО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз»

Для увеличения добычи в скважинах с повышенным содержанием газа и повышения их надежности, фирмой «Новомет» была предложена новая для отрасли высокоточная технология изготовления ступеней. Были разработаны и применены новые износо- и коррозионностойкие материалы с повышенными эксплуатационными характеристиками и создано производство насосов нового поколения, которые были внедрены и хорошо себя зарекомендовали в Уральском и Западно-Сибирском регионах. Эта работа была отмечена премией правительства РФ за 2000 год.

Основные модификации насосов «Новомет»:

-          базовая — радиальный и осевые нагрузки от рабочих колес воспринимаются непосредственно ступенями насоса;

-          износостойкая — отличается об базовой наличием дополнительных радиальных подшипников, изготовленных из износостойких материалов, которые воспринимают радиальную нагрузку и уменьшают радиальный износ рабочих органов;

-          пакетная — отличается от базовой наличием дополнительных радиальных и осевых подшипников, воспринимающих радиальные и осевые нагрузки от ступеней и минимизирующие радиальный и осевой износ рабочих органов;

-          коррозионностойкая — элементы насоса изготавливаются из коррозионностойких сталей и сплавов.

Типы сборки ступеней «Новомет»:

-          базовая — допускается свободное перемещение рабочих колес вдоль вала в переделах зазора в направляющих аппаратах;

-          пакетная — рабочие колеса собраны в пакеты, ступицы рабочих колес в пределах пакета соприкасаются друг с другом, пакет опирается на осевую опору;

-          компрессионная — все рабочие колеса закреплены на валу.

Рабочие колеса ВНН имеют дополнительные лопатки на верхней крышке рабочего колеса, выполняющие роль диспергатора (турбулизатора) и создающие вихревой эффект. Это обеспечивает эффективную диспергацию газо-водо-нефтяной среды и существенно повышает напорность ступеней.

Идея конструкции ступеней насоса состоит в совмещении центробежного и вихревого принципов перекачки жидкостей. За счет дополнительной турбулизации жидкости в периферийной зоне центробежных ступеней удалось существенно повысить рабочие характеристики при откачке газонасыщенных сред. Новая конструкция ступени насоса, совмещает высокий напор вихревых ступеней с высоким КПД центробежных. Вихревой венец монтируется вдоль края боковой поверхности рабочего колеса. На сопряженной колесу поверхности наружной крышки направляющего аппарата, располагается боковой кольцевой канал. Ячейки вихревого венца создают в боковом канале дополнительный турбулентный поток, который попадает на лопатки центробежного аппарата, выступающие за пределы боковой крышки. Приобретенная жидкостью турбулентная кинетическая энергия преобразуется в напор, который складывается с давлением создаваемым центробежной частью рабочего колеса. При этом в вихревой зоне происходит интенсивный процесс диспергирования, что повышает устойчивость работы насоса при перекачке нефтеводогазовых смесей. Вихревой эффект позволил увеличить напорность ступеней на 15–25 % (рисунок 1). Была получена крутопадающая напорная характеристика насоса, обеспечивающая устойчивость его работы, как в процессе эксплуатации, так и при запуске скважин. Одновременно возрос коэффициент полезного действия насоса. Удалось создать ступени с характеристиками, существенно превосходящими лучшие мировые образцы (рисунок 1 в).

На рисунке 1 сплошными линиями представлена работа центробежно-вихревых ступеней производства Новомет-Пермь, пунктирными линиями — центробежных ступеней: а)1ВННП5–25 и ЭЦНМ5–18; б)2ВННП5–79 и ЭЦНМ5–80; в)2ВННП5А-124 и FC925 (США).

Наиболее ярко преимущества центробежно-вихревых насосов проявляются при перекачке газонасыщенных сред. Так согласно результатам стендовых испытаний на смеси воздух-вода, концентрация свободного газа на входе в центробежно-вихревой насос может быть в два раза больше, чем у насосов типа ЭЦН (рисунок 2). На практике это приводит к увеличению подачи на 8–15 % при одновременном снижении числа ступеней до 30 %.

Рис. 1. Сопоставление зависимостей напора и КПД ступеней от расхода.

Рис. 2. Зависимость относительного напора насосов от содержания нерастворенного газа на входе: 1 — работа на пресной воде; 2–2ВННП5–59; 3–2ЭЦНП5–60

На рисунке 3 показана зависимость относительного напора от расхода. Относительный напор определялся в долях от напора при нулевом содержании газа. В качестве рабочей среды использовали смесь вода-ПАВ-воздух. Такая смесь принята в качестве модельной для изучения перекачки нефте-водо-газовых сред. При высоком содержании газа измерения удалось провести только в области больших расходов жидкости. Из рисунка видно, что преимущество центробежно-вихревых ступеней тем больше чем выше содержание газа. Однако проблема откачки газонасыщенных сред в полной мере пока не решена в области малых подач характеристика напор-расход возрастающая, а не падающая, которая необходима для устойчивой работы насоса. На данную конструкцию ступеней получены патенты РФ и международный патент.

Детали погружных насосов имеют сложную форму и обычно изготавливаются методом литья в формы из песка (при этом не обеспечивается необходимая гладкость поверхностей деталей) или по выплавляемым моделям (что дорого). Предложенный пермским заводом метод изготовления деталей состоит из двух стадий. На первой отдельные сложнопрофильные элементы деталей формуются из порошка. Разработана оригинальная оснастка и автоматизированная высокопроизводительная технология изготовления таких изделий.

На второй стадии изделия соединяются в требуемые конструкции методами диффузионного соединения через термодинамически высоконеравновесный разделительный слой, совмещенного с пропиткой легкоплавкими компонентами используемых сплавов. Способ соединения обладает новизной и запатентован.

Предложенная технология обеспечивает:

-          более высокую точность изготовления изделий, а значит, балансировку рабочих колес, что уменьшает вибрацию и увеличивает надежность насосов;

-          обеспечивает гидродинамическую гладкость поверхностей деталей;

-          создает возможность изготовления комбинированных изделий, состоящих из износостойких и конструкционных компонент.

Рис. 3. Зависимость напор-расход при различном содержании газа в среде вода-ПАВ-воздух: 1- 5 %; 2–10 %; 3–15 %; 4–20 %; 5–25 %; 6–30 %; сплошная линия — насос 2ВННП5–59; пунктирная линия — 2ЭЦНП5–60

Разработка насосов для работы в осложненных условиях потребовала разработку и применение новых материалов. В скважинах детали насосов подвергаются кумулятивному воздействию гидроабразивного износа и коррозии. Поскольку детали насосов имеют сложную форму, требуются высокая технологичность материала, а также невысокая стоимость, т. к. насосы являются материалоемкой продукцией.

При конструировании новых материалов была применена технология порошковой металлургии, обладающая широкими возможностями управления структурой, а значит и физико-механическими свойствами. Этим методом был создан ряд новых износостойких сталей и разработаны способы их защиты от коррозии и солеотложений. Пары трения из новых материалов имеют в 5–10 раз большую износостойкость в чисто абразивной среде, чем типичные пары трения большинства вы пускаемых насосов.

Коррозионная стойкость разработанных материалов на основе порошковых сталей находится на уровне нирезиста и литой нержавеющей стали. Кроме того, разработана и внедрена серийная технология производства ступеней из нержавеющей стали.

Литература:

1.                  Насосы погружные центробежно-вихревые модульные производства «Новомет». ЗАО «Новомет-Пермь».

2.                  Рекомендации по применению насосов типа ВНН. ЗАО «Новомет-Пермь».