В статье представлены результаты экспериментальных исследований дисперсности газовой фазы по длине электроприводного многоступенчатого центробежного насоса (ЭЦН) на газожидкостной смеси. Проведен анализ влияния различных факторов (газосодержание смеси, давление на входе в насос, частота вращения вала) и сформулированы основные закономерности изменения диаметра газового пузырька по длине ЭЦН при его работе на водовоздушной смеси.
Введение
Доля скважин, оснащенных установками электроприводных центробежных насосов (УЭЦН), в РФ составляет более чем 67 % [7]. При эксплуатации многих скважин серийными УЭЦН компании-операторы сталкиваются с таким осложняющим фактором, как наличие свободного газа у приема глубинно-насосного оборудования (ГНО). Большое количество свободного газа в добываемой продукции является причиной деформации напорно-расходных и энергетических характеристик электроприводного центробежного насоса (ЭЦН) и приводит к нестабильной работе насоса и срыву подачи.
На практике защитные модули ЭЦН часто применяются бессистемно, по инерции. Например, центробежные газосепараторы на приеме ЭЦН применяют в скважинах без учета оценки параметра входного газосодержания, хотя зачастую более высокую эффективность лифтирования скважинной продукции можно достичь применением диспергирующих устройств, конических насосов, использованием мультифазных ступеней [1]. Данный подход может привести к преждевременным отказам, дополнительным операционным затратам. Для оптимизации режима работы скважин, оборудованных УЭЦН, необходимо изучить физические процессы, определяющие работу электроприводных центробежных насосов при откачке газожидкостных смесей (ГЖС), с акцентом на менее изученное свойство ГЖС – дисперсность.
Отечественными и зарубежными авторами дисперсность газовой фазы была отмечена как фактор, который определяет эффективность работы ЭЦН на ГЖС. Под дисперсностью газовой фазы в настоящей работе понимается диаметр газового пузырька диаметр пузырька газа, мм).
В экспериментальных исследованиях дисперсности газовой фазы для визуализации потока ГЖС применялись различные типы оборудования. В работе [5] пробы ГЖС отбирали в пробоотборник из ступеней насоса напротив выхода из каналов рабочего колеса и камеры через специальные штуцера. В других исследованиях [8, 11] для получения визуального доступа к газожидкостному потоку внутри насоса были проведены модификации рабочих ступеней и их покраска.
Авторы [11] в своих опытах исследовали зависимость объемной доли газа на распределение пузырьков газа по размерам, при повышении значения объемного расходного газосодержания ГЖС наблюдается увеличение эквивалентного диаметра пузырьков газа. Однако эксперименты были проведены для небольших значений входного газосодержания (объемно-расходным газосодержанием принято называть отношение объемного расхода газа объемный расход газа, м3/с) через рассматриваемое сечение при термодинамических условиях в нем к объемному расходу смеси жидкости объемный расход жидкости, м3/с) и газа при тех же условиях(1)):
Противоположное поведение наблюдалось со скоростью вращения вала – с увеличением скорости уменьшался эквивалентный диаметр пузырьков газа [11].
Авторы [8] также изучали зависимость размера пузырьков газа от объемного газосодержания при различных скоростях вращения вала насоса.
Эксперименты по исследованию дисперсности газовой фазы по длине электроприводного центробежного насоса для различных модельных смесей («вода – газ», «масло – газ», «вода – ПАВ – газ») были проведены в работах [5]. Также автором были проведены опыты по изучению влияния давления на входе в насос на размеры газовых пузырьков. Увеличение давления на входе вызывало незначительное уменьшение среднеобъемного диаметра по длине насоса при неизменном числе пройденных ГЖС ступеней. Для исключения фактора влияния давления, развиваемого ступенями насоса, эксперименты проводились на режиме нулевого напора (в правой области рабочей характеристики насоса).
Совместив напорно-расходную характеристику (НРХ) насоса и зависимость диаметра пузырька от объемно-расходного газосодержания авторы работы [2] обнаружили, что ухудшение параметров работы насоса интенсифицировалось при достижении определенного переходного среднего диаметра пузырька.
Авторами [12] создана трехмерная гидрогазодинамическая модель, при помощи которой можно было прогнозировать размеры пузырьков газа для различных условий работы насоса, и проведен сравнительный анализ существующих моделей прогнозирования .
В таблице 1 представлены основные условия проведения исследований различных авторов.
Методика проведения экспериментальных исследований
Для изучения изменения дисперсности газовой фазы по длине электроприводного многоступенчатого центробежного насоса в лаборатории кафедры разработки и эксплуатации нефтяных месторождений РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина была собрана установка, упрощенная схема которой представлена на рисунке 1.
В качестве исследуемого насоса использовался ЭЦН5-50 со ступенями радиального типа, количество ступеней которого составляло Zст (количество ступеней ЭЦН) – 118. Эксперименты по изучению изменения дисперсности ГЖС по длине ЭЦН проводились на модельной смеси с предвключенным жидкостно-газовым (ЖГЭ) 2 при входных давлениях насоса Рвх (давление у входа в ЭЦН, Мпа), равных 0,6, 1,1, 2,1 МПа, а также при частотах тока, равных 40, 50, 60 Гц. В роли модельной смеси выступала смесь «вода – газ», где в качестве газа использовался воздух.
