Проведен анализ целесообразности работы УЭЦН в режиме чередования частот. Показано, что надежность работы УЭЦН в режиме ЧЧ до двух раз ниже, чем при работе в обычных кратковременных периодических режимах, а удельное потребление электроэнергии на тонну добытой жидкости до трех раз выше. Даны рекомендации о границах целесообразного применения режима ЧЧ при эксплуатации малодебитных скважин с помощью УЭЦН.
Режим чередования частот (ЧЧ), или как его еще называют условно-постоянный режим (УПР), является относительно новой разновидностью кратковременного периодического режима работы УЭЦН в скважине, при котором чередуются периоды откачки жидкости с периодами ее накопопления в затрубном пространстве.
Главное отличие данного режима от других периодических режимов работы УЭЦН заключается в том, что процесс накопления жидкости в затрубном пространстве происходит без выключения УЭЦН: происходит лишь снижение рабочей частоты до значения, при котором подача жидкости на поверхности пропадает, а насос имитирует роль обратного клапана, не давая жидкости слиться из НКТ (рисунок 1).
В большинстве случаев режим ЧЧ является вынужденным режимом работы и используется только в малодебитных скважинах в случае, когда притока к скважине недостаточно для работы УЭЦН в постоянном режиме, а работа в обычных кратковременных периодических режимах по времени (КПР), таких как КЭС (режим кратковременной эксплуатации скважин) или ПКВ (режим периодических кратковременных включений), невозможна по причине негерметичности или отсутствия обратных клапанов в подвеске НКТ.
Базовым режимом работы УЭЦН в таких условиях является режим автоматических повторных включений (АПВ) с чередованием периодов откачки (длительностью 30–60 минут) и периодов накопления (длительностью 1–2 часа для ожидания слива жидкости из НКТ и окончания турбинного вращения). Однако при работе УЭЦН в режиме АПВ, за счет продолжительного слива жидкости из НКТ при остановках, суточный дебит скважины, как правило, оказывается значительно меньше, чем при работе УЭЦН в режиме КПР с герметичными обратными клапанами. В целях предотвращения длительного слива жидкости из НКТ при негерметичных обратных клапанах и повышения суточного дебита скважины, технологи добывающих компаний вынужденно прибегают к режиму ЧЧ.
Однако в последнее время наметилась тенденция использования добывающими компаниями данного режима не только вынужденно, но и в плановом порядке. Связано это в первую очередь с месторождениями, осложненными сероводородной коррозией, когда включение в подвеску НКТ двух обратных клапанов и шламоуловителя приводит к увеличению риска негерметичности лифта НКТ вследствие их коррозионного промыва.
Данная статья описывает влияние режима чередования частот на надежность системы УЭЦН, а также демонстрирует рекомендуемые границы целесообразности его применимомсти.
Как видно из рисунка 1, рабочая загрузка подгружного электродвигателя (ПЭД) в период накопления не превышает 25 %, что соответствует работе УЭЦН без подачи. А принимая во внимание тот факт, что период накопления в 1,5–2 раза превышает период откачки, получается, что большую часть времени УЭЦН работает в режиме срыва подачи.
При работе УЭЦН со срывом подачи рабочая точка находится на левой границе напорно-расходной характеристики (НРХ), при этом перекачка жидкости не осуществляется, а практически вся потребляемая насосом энергия преобразуется в тепло, т.к. его КПД в данный момент равен 0 (рисунок 2).
Как показывает практика, при продолжительной работе УЭЦН без подачи, насос может нагреваться до 200 °С и более, что приводит к перегреву рабочих органов ЭЦН, а также к охрупчиванию и ускоренному износу текстолитовых шайб. Критический износ текстолитовых шайб, в свою очередь, приводит к быстрому износу рабочих ступеней насоса и еще большему повышению температуры.
Кроме того, высокий нагрев насоса приводит к интенсификации процесса выпадения солей в насосе, потере эластичности эластомеров гидрозащиты, а также перегреву кабельного удлинителя, прилегающего к телу насоса, что может привести к преждевременному отказу УЭЦН (рисунок 3).
Опасность режима чередования частот заключается еще и в том, что на практике не удается отследить нагрев насоса по показаниям стандартной погружной телеметрии: поскольку термопара стандартного датчика телеметрической системы (ТМС) установлена в основании погружного двигателя, она просто не в состоянии уловить температурные изменения, происходящие в насосной секции 10–15 метрами выше. Отследить нагрев насоса возможно с использованием специального выносного модуля, закрепленного на голове насосной секции и соединенного с основным блоком ТМС сигнальной трубкой, однако датчики такого исполнения дороже, сложнее в монтаже и редко используются на практике.
Указанные факты с высокой долей вероятности могут привести к преждевременному выходу из строя УЭЦН, либо значительно сократить время его безотказной работы в скажине. Так, было проанализировано состояние 9 отказавших УЭЦН, работавших в режиме чередования частот на различных месторождениях. Средняя наработка отказавших УЭЦН составила 245 суток, при этом только один из рассматриваемых УЭЦН отработал гарантийный срок в 365 суток (рисунок 4).
При этом, по результатам комиссионных разборов данных УЭЦН, во всех 9 случаях выявлен перегрев рабочих органов насоса с охрупчиванием текстолитовых шайб и потерей эластичности резино-технических изделий, в четырех случаях наблюдался сильный износ части рабочих ступеней до разрушения, а в трех случаях перегрев привел к отложению солей на рабочих органах насоса.
Данные с различных месторождений России показывают, что средняя наработка на отказ УЭЦН, работающих в режимах КПР, составляет примерно 500 суток и выше. Таким образом, можно сделать вывод, что работа УЭЦН в режиме чередования частот более чем в два раза снижает среднюю наработку УЭЦН по сравнению со ставшими уже стандартными режимами КПР.
Еще одним негативным фактором режима ЧЧ является тот факт, что в режиме накопления УЭЦН не выключается и продолжает потреблять электроэнергию. Поэтому при работе УЭЦН в ЧЧ удельный расход электроэнергии (УРЭ) на тонну добытой жидкости значительно (иногда в несколько раз) больше, чем при работе в КПР, когда УЭЦН на период накопления останавливается.
В трех из рассмотренных выше скважин, следующий за отказавшим УЭЦН работал в режиме КПР, что дает возможность провести сравнение показателей удельного расхода электроэнергии в данных режимах (рисунок 5).
Как видно из графика, показатель УРЭ на тонну добытой жидкости в режиме ЧЧ в 2–3 раза превышает УРЭ в режиме КПР, при этом дебиты скважин в обоих режимах примерно одинаковы.
Заключение
Полученные данные показывают, что эксплуатация УЭЦН в режиме чередования частот более чем в два раза снижает время безотказной работы УЭЦН и в 2–3 раза увеличивает расход электроэнергии на тот же объем добытой жидкости по сравнению с режимами КПР.
Таким образом, можно сделать вывод, что значительно более предпочтительным методом является эксплуатация УЭЦН в режиме КПР с использованием в составе компоновки двух обратных клапанов. При наличии в добываемом флюиде коррозионно-активных компонентов, могут использоваться обратные клапаны из коррозионностойких материалов.
Говоря о целесообразности применения режима ЧЧ, автор рекомендует использовать данный режим только в качестве альтернативы режиму АПВ в случае негерметичности обратных клапанов с целью не допустить снижения дебита скважины из-за долгого ожидания окончания турбинного вращения для слива жидкости из НКТ при остановках УЭЦН. При этом следует помнить, что время безотказной работы УЭЦН, вероятнее всего, значительно снизится, а расход электроэнергии значительно возрастет.
