Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

TESTING ELECTRIC CENTRIFUGAL PUMP OPERATION IN THE “RIGHT” ZONE

Fattakhov I.G. 1 Kadyrov R.R. 1 Ziyatdinov A.M. 1 Davydov A.Yu. 1 Chervyakov V.O. 1
1 FSBEI of HPE "Ufa State Petroleum Technological University" branch
The paper deals with an essential problem of a pump “right” zone operation, because of that pump wear significantly increases. To avoid the unfavourable factor, the wells are usually subjected to “pressing” decreasing the cross-sectional area of a pipe inside diameter. The work presents the theoretically grounded reasons of arising unfavourable factor of a pump operation – its “right” zone operation and possibility of turning its unfavourable effect into good. Field data from development wells at normal pump service and the pump operation in the “right” zone have been considered by the authors and may serve a real example. There has been made comparative analysis of data followed by conclusions. The paper demonstrates a method of eliminating unfavorable consequences of a pump “right” zone operation.
pump wear
floating of blades
well production rate
liquid dynamic level
annulus (annular space)
column of liquid
line pressure
intake pressure
“right” zone

На начальной стадии разработки месторождений встречается такое явление – работа насоса в «правой» зоне. Это явление характеризуется чрезмерно высоким дебитом жидкости скважины, а также повышением износа насоса при нормальной частоте тока электродвигателя. Скорость износа насоса увеличивается вследствие «всплытия» лопаточек в ступенях насоса и их истирания о верхнюю часть ступени. Поэтому работа насоса в «правой» зоне считается весьма неблагоприятным фактором, и ее всячески стараются избегать при добыче (например, с помощью уменьшения поперечного сечения проходного отверстия).

Однако если разобраться в причине возникновения этого явления, то можно избежать его неблагоприятные последствия или даже обратить его на пользу.

В результате расчетов и сравнения КПД и дебитов насосов, работавших в «правой» зоне, и их номинальных дебитов при данной частоте тока, выходит, что КПД при работе в «правой» зоне может равняться или даже быть больше 1, чего, естественно, быть не может. Из этого следует, что повышение дебита при работе насоса в «правой» зоне - результат работы не насоса, а дополнительных сил, помогающих выталкивать жидкость на поверхность. Для того чтобы выяснить, как это происходит, рассмотрим данные со скважин (при работе их насоса в «правой» зоне и при нормальных условиях):

Насос

ВНН59-2303

ВНН80-2430

ЭЦН80-2350

ЭЦН80-2400

Условия работы

н.у.

в "правой" зоне

н.у.

в "правой" зоне

н.у.

в "правой" зоне

н.у.

в "правой" зоне

55

63

78

108

82

78

73

64

20

20

20

20

20

20

20

20

44

183

43

209

59

216

103

219

F

50

40

50

40

51

40

52

35

2308

1215

2325

1001

2136

953

2184

898

Нсп

2675

2675

2730

2730

-

-

2700

2700

- где Qж – дебит жидкости, F – частота тока, Hд – динамический уровень жидкости, Нсп – глубина спуска насоса, – давление на приеме насоса, – давление на линии

Рис. 1. Дебиты жидкостей и частота тока работы насоса при его работе в н.у. и в пр. зоне

Из данных таблицы и по диаграммам видно, что во всех случаях работы насоса в «правой» зоне динамический уровень жидкости Нд очень высок и, соответственно, давление на приеме насоса очень высоко, то есть именно столб жидкости в затрубном пространстве, создавая давление на приеме насоса, вызывает действие сил, резко увеличивающих отбор жидкости.

При движении пластовой жидкости через насос будет выполняться закон

сохранения массы:

Здесь и – дебиты жидкости и свободного газа в пластовой жидкости, и – соответствующие им плотности жидкости и газа. [1]

Количество пластовой жидкости поступающей в насос и выходящей из него не меняется, но насос не может при установленной частоте тока F прокачивать такое количество жидкости. Соответственно «излишки» прокачиваемой жидкости – не результат работы насоса, а, как уже говорилось, результат действия давления слишком высокого столба жидкости в затрубном пространстве скважины.

Так как скорость движения жидкости в результате работы насоса является постоянной, то скорость всего потока проходящего через насос флюида является повышенной в результате воздействия избыточного давления столба жидкости в затрубном пространстве скважины.

В данном случае уравнение сохранения количества движения жидкости можно свести к уравнению Бернулли:

- где – плотность пластовой жидкости, – давление на приеме насоса, – давление в трубопроводе, – скорость жидкости при входе в насос, – скорость жидкости на выходе из насоса [2].

Рис. 2. Примеры зависимости давления на приеме насоса от уровня жидкости в затрубном пространстве

Скорость и дебит между собой связаны соотношением:

- где – скорость движения жидкости, – дебит пластовой жидкости, – диаметр проходного отверстия [2].

Согласно закону Дарси, рассматривающему движение жидкости в пласте, главной движущей силой жидкости является перепад давления:

- где – проницаемость пласта, – площадь поперечного сечения проходного отверстия, – вязкость пластовой жидкости, L – длина участка пласта, через который фильтруется жидкость, и – давления на участках пласта, между которыми фильтруется жидкость.

При работе насоса в «правой» зоне перепад давления , из-за высокого уровня жидкости в затрубном пространстве, настолько велик, что скорость, с которой жидкость попадает в насос выше скорости, которую насос может создать для жидкости. При этом происходит процесс, как в эжекторном струйном насосе: жидкость, поступающая в насос, перемешивается с жидкостью, находившейся до этого в полости насоса (как в камере смешения струйного насоса), увлекает ее с собой. При этом также задействуется жидкость, находящаяся в «мертвой» зоне насоса, что, в свою очередь, дополнительно повышает дебит (особенно, если для сравнения учитывать, что насос, работая в нормальных условиях, находился под высоким давлением.). При этом создается чрезмерное давление на лопатки насоса, вследствие чего они «всплывают» (поднимаются вверх ступени насоса) и начинают истираться, что, в свою очередь, вызывает скорый износ всего насоса.

Для того чтобы избежать неблагоприятного влияния работы насоса в «правой» зоне («всплывания» лопаток и их скорого износа), необходимо изменить конструкцию ступеней насоса так, чтобы в верхней части ступени, над лопатками находился упорный подшипник. Он будет удерживать лопатки от «всплывания» и тем самым позволит работе насоса в «правой» зоне стать благоприятным фактором работы, позволяющим тратить меньше энергии и добывать большее количество жидкости за меньший промежуток времени.

Учитывая актуальность данной проблемы, рекомендуется внести необходимые коррективы в конструкции насосов, чтобы работа насоса в «правой» зоне перестала быть неблагоприятным фактором, и появилась возможность использования данного фактора разработки в благоприятных целях.

Рецензенты:

Ягубов Э.З., д.т.н., профессор, проректор по учебной работе, ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», г. Ухта;

Кнеллер Л.Е., д.т.н., профессор, профессор, зам. генерального директора по научной работе открытого акционерного общества научно-производственного предприятия «ВНИИГИС», г. Октябрьский.