Запасы высоковязкой нефти значительно превышают запасы лёгкой и маловязкой нефти, и в связи с истощением традиционных запасов интерес к таким месторождениям возрастает. Проблема добычи высоковязкой нефти скважинным способом обычно решается при помощи химических либо термических методов, таких как закачка реагентов, нагрев пласта паром или технологии внутрипластового горения. Эти способы требуют больших затрат, поэтому продолжается поиск новых технологий, позволяющих снизить себестоимость добычи. Какие эффективные методы добычи сверхвязкой нефти предлагают российские производители нефтегазового оборудования?
Плунжерные и винтовые насосы позволяют осуществлять механизированную добычу, но при этом имеют ограничения по вязкости на уровне 9000 – 10000 сПз [2, 3] и температурам применения. Для винтовых насосов ограничение вязкости не является существенным, зато газовый фактор, приводящий к преждевременным отказам резиновых элементов винтовых насосов [4], существенно ограничивает их применение. Плунжерные насосы зачастую ограничены предельными напорами, а механизированная добыча нефти центробежными насосами обычно не применяется на вязкостях свыше 300 – 400 сСт из-за существенного снижения характеристик.
Технология добычи нефти объемно-роторными насосами (ОРНП) является новой, но уже успела себя зарекомендовать при добыче нефти в диапазоне вязкостей до 1000 сСт [5]. Конструкция насоса не содержит эластомерных рабочих органов (рис. 1), что позволяет снять ограничение по рабочей температуре или составу пластовой жидкости, таких как содержание газа на входе и его состав.
Направлением данной работы являлось исследование возможностей объемных насосов роторного типа при работе на высоковязкой жидкости и при высоком содержании газа. В качестве базы для исследования выбран диапазон вязкостей до 12 000 сСт, что основывалось на параметрах нефти ряда месторождений пояса Ориноко в Венесуэле.
На текущий момент в АО «Новомет-Пермь» разработаны две модели объемно-роторных пластинчатых насосов в двух габаритах: ОРНП 5-10 и ОРНП 5А‑50.
В ходе исследования были проведены эксперименты по перекачке жидкости объемно-роторными насосами, исследованы их напорно-расходные характеристики (НРХ), взаимосвязь параметров и вязкости. Так как конструкция насоса отличается от известных аналогов, потребовалось дополнительно разработать методики испытаний и стенды применимо к этому типу насоса.
Влияние вязкости на напорно-расходные характеристики ОРНП
Первоначально были проведены испытания объемно-роторных насосов на масле с вязкостью до 5000 сСт. Принципиальная схема стенда [6] показана на рис. 2.
Проведение испытаний на сверхвысоковязкой жидкости потребовало доработки существующего испытательного оборудования, так как высокая вязкость жидкости приводит к дополнительным потерям давления во входных каналах стенда. Поэтому для компенсации потерь бак стенда был расположен максимально близко к входным отверстиям насоса, бустерный насос исключен из схемы, а в бак стенда нагнеталось повышенное давление 0,4 МПа при помощи сжатого воздуха. Указанная схема позволяет имитировать скважинные условия при обязательном наличии входного давления не менее 0,4 МПа.
Измерения были проведены в диапазоне напоров 0 – 100 м для исключения повреждения ступеней насоса при большем напоре. Данное ограничение было выбрано из опыта испытаний указанного насоса.
На рис. 3 показаны расходно-напорные характеристики насоса ОРНП5-10 при различных вязкостях. Графики показаны выборочно для того, чтобы показать общий эффект влияния вязкости. Видно, что на интервале вязкостей от 100 до 650 сСт наблюдается рост расхода жидкости при сопоставимом напоре ступеней, что говорит о снижении объемных потерь внутри насоса. Далее сохраняются примерно одинаковые характеристики до вязкости 1000 сСт, и затем наблюдается снижение расхода насоса. Кривые с вязкостями 2500, 5000 и 12 000 сСт на графике располагаются ниже, из чего делаем вывод о дополнительных потерях энергии во входных, выходных и межступенчатых каналах насоса. Тем не менее устойчивая работа ОРНП сохраняется в диапазоне вязкостей до 12 000 сСт, являющихся недоступными для работы центробежных насосов.
Значимым изменением при подобном увеличении вязкости является рост мощности, потребляемой насосом, и соответствующее снижение КПД (рис. 4). При этом на типичных рабочих вязкостях насоса наблюдается максимум КПД при фиксированном напоре (40 м/ступень), на большей вязкости точка максимума переносится в область больших напоров вправо.
Таким образом, можно сделать вывод о наличии технической возможности для перекачки высоковязких жидкости при помощи объемно-роторных насосов.
Характеристики насоса ОРНП5А-50М
Для больших дебитов была разработана конструкция объемно-роторного насоса с номинальной подачей 50 м3/сут. В ходе эксплуатации была выявлена следующая особенность: при эксплуатации скважин с малой вязкостью жидкости глушения
приходилось комплектовать насос большим количеством ступеней, чем это необходимо для добычи вязкой пластовой жидкости.
Поэтому в конструкцию были внесены изменения, позволяющие уменьшить уровень утечек внутри ступени. Конечные характеристики модернизированного насоса
ОРНП5А-50М показаны на рис. 5 и 6. Из рис. 5 видно, что существует возможность гибкого регулирования подачи насоса за счет частоты вращения.
Рис. 6 показывает улучшение характеристик модернизированной ступени ОРНП5А-50М по сравнению с предыдущей конструкцией ступени ОРНП5А-50
на воде.
В большинстве случаев в диапазоне напоров до 100 м характеристики можно описать линейными функциями, в которых левая точка описывается значением теоретической подачи, а наклон кривой зависит от вязкости жидкости, что облегчает
прогнозирование характеристик на жидкостях с различной вязкостью.
Работа объемно-роторного насоса с газом
Целью данных испытаний было определение предельно возможных концентраций газа, при которых наблюдается стабильная работа объемно-роторного насоса, и оценка деградации его характеристик. Согласно методике испытаний первоначально
настраивается рабочая точка на воде, а затем последовательно увеличивается газосодержание. При этом рабочая точка смещается в область низких подач и напоров, на рис. 7 влево вниз.
Поэтому для измерения характеристик до 100 м при газосодержании 60 %
максимальный напор на чистой жидкости был кратковременно увеличен со 100 до 200 м.
Результаты для насоса ОРНП 5-10 показаны на рис. 7 и 8, где соответственно отображены расходно-напорные характеристики и КПД при различном
газосодержании.
Видно, что в исследованной области насос может перекачивать жидкость с газосодержанием до 60 %, что существенно выше максимального предельного
газосодержания центробежных насосов. При этом снижается подача смеси и КПД насоса.
После проведения испытаний и разбора насоса негативных последствий для деталей насоса обнаружено не было, что является преимуществом в сравнении
с винтовыми насосами.
Выводы
• Проведены исследования по изучению работы объемно-роторных насосов на
высоковязкой жидкости и при высоком содержании газа. Показано, что ОРНП способен перекачивать жидкости вязкостью до 12 000 сСт.
• При работе ОРНП на высоковязкой жидкости наблюдается некоторое снижение характеристик из‑за повышения сопротивления входных и выходных каналов насоса. В частности, максимальный КПД в рабочем диапазоне напоров снижается
примерно в 5 раз в сравнении с КПД при вязкости 600 сСт.
• Исследованы характеристики модернизированной ступени ОРНП5А-50М на воде и показано существенное улучшение характеристик, позволяющее оптимизировать подбор насоса при откачке маловязкой жидкости глушения.
• Установлено, что ОРНП способен справиться с высоким содержанием газа на входе до 60 %.
• Полученные результаты и тот факт, что материалы насоса не имеют ограничений по температуре и составу пластовой жидкости, обеспечивают применение ОРНП в условиях, не доступных для винтовых и центробежных насосов.
Литература
1. Бекбаулиева А.А., Арсакбаева А.К. Способы добычи и технологии, используемые для извлечения высоковязкой нефти. Проблемы и достижения современной науки том: 2, Номер: 1 (5), 2018. С. 35–43.
2. https://www.hms.ru/pumps_catalog/?SECTION_ID=290&ELEMENT_ID=944
3. Брот А.Р. Установки винтовых насосов как способ эффективной эксплуатации малодебитных скважин. Инженерная практика № 7 / 2010.
4. Тимашев Э.О., Ямалиев В.У. Анализ причин разрушения эластомеров обойм винтовых насосов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело».
5. Паначев М.В. Объемные насосы Новомет – новое решение для добычи нефти. Neftegas.ru 2020. https://neftegaz.ru/science/booty/543667-obemnye-nasosy-novomet-novoe-reshenie-dlya-dobychi-nefti/
6. Пещеренко С.Н. Влияние вязкости жидкости на рабочие характеристики насоса ЭЦН7А-1000 / С.Н. Пещеренко, Д.Н. Лебедев, Д.А. Павлов // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2018. Том 4. № 4. С. 64–79.
7. Якимов С.Б., Шпортко А.А., Сабиров А.А., Булат А.В. Влияние концентрации абразивных частиц в добываемой жидкости на надежность работы электроцентробежных погружных насосов. Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017, (6), с. 50–56.
8. Механизм гидроабразивного износа ступеней нефтяных насосов / В.Г. Островский, М.О. Перельман, С.Н. Пещеренко // Бурение & нефть. – 2012. – № 10. – С. 36–38.
