УДК 621.67.018.2:622.243.954 Разработка экспериментального

УДК 621.67.018.2:622.243.954
Разработка экспериментального стенда для создания виброгасящих устройств УЭЦН
Канев П. И. bondpk@inbox.ru
Научный руководитель – Селиванов Д.Г.
Ухтинский государственный технический университет, г.Ухта
Установки погружных центробежных насосов предназначены для откачивания из
нефтяных скважин, в том числе наклонных, пластовой жидкости, содержащей нефть, газ и
механической примеси. Установки выпускаются двух видов (модульные и секционные) и
трех исполнений (обычное, коррозионностойкое и повышенной износостойкости).
Наиболее эффективны эти насосы при работе в скважинах с большими дебитами.
Очевидно, что по дебитам центробежные насосы превосходят штанговые насосы, а по
энергоемкости они предпочтительнее газлифта.
На рисунке 1 приведена схема оборудования добывающей скважины установкой
погружного центробежного электронасоса.
При работе установки насос 6 откачивает жидкость из скважины на поверхность по
насосно-компрессорным трубам 10. Насос 6 приводится в действие погружным
электродвигателем 2, электроэнергия к которому подводится с поверхности по кабелю 17.
Охлаждение двигателя 2 производится потоком скважинной продукции.
Погружной центробежный насос изготавливают в секционном (ЭЦН) или модульном
(ЭЦНМ) исполнении. Установки ЭЦНМ могут работать с жидкостями, содержащими до 0,5
г/л механических примесей, тогда как обычные установки - с жидкостями, содержащими до
0,1 г/л механических примесей. В зависимости от диаметрального габарита применяемых в
комплекте установок погружных центробежных электронасосов, электродвигателей и
кабельных линий установки условно делятся на 4 группы 5,5А и 6, 6А.[1]
Широко применяются варианты комплектации насосов средней секции с
дополнительным входным модулем – приёмной сеткой - вместо нижней секции, а также
модуль-головкой – вместо верхней секции. В этом случае насосы называются модульными
(тип ЭЦНМ).
Входной модуль служит для приёма и грубой очистки от механических примесей
перекачиваемой продукции.
Следует отметить, что модульный принцип компоновки ЭЦН, принят отечественным
насосостроением в конце 1980-х годов, а парк модульных ЭЦН в крупных
нефтедобывающих компаниях, например, таких как «Сургутнефтегаз», «ТНК-ВР» на
сегодняшний день составляет значительную долю (50% и более).[2]
Эксплуатация погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти
осуществляется по стратегии наработки скважинного оборудования на отказ.
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия.
Применительно к оборудованию УЭЦН, УЭЦНМ выделяютследующие разновидности: отказ
установки в целом,
отказ насоса,погружного электродвигателя, гидрозащиты,
электрокабеля, колонны труб НКТ и т. д.
Начиная с 90-х годов, в промысловой практике появился новый вид отказов,
получивший название «полет ЭЦН», заключающийся в аварийном падении погружного
насосного агрегата или его частей на забой скважины.
Падение скважинного оборудования сопровождается повреждением забоя скважины,
заклиниванием упавшего оборудования в обсадной колонне.
1 – компенсатор; 2 - погружной электродвигатель (ПЭД); 3 – протектор; 4 - приёмная сетка;
5 – сепаратор; 6 – насос; 7 - ловильная головка; 8 - обратный клапан насосный;
9 - спускной клапан; 10 - колонна насосно-компрессорных труб (НКТ); 11 – колено;
12 - выкидная линия; 13 - обратный клапан устьевой; 14, 16– манометры; 15 - устьевая
арматура; 17 - кабельная линия; 18 - соединительный вентиляционный ящик;
19 - станция управления; 20 – трансформатор; 21 - динамический уровень жидкости в
скважине; 22 - пояса для крепления кабельной линии к НКТ; 23 - эксплуатационная колонна
скважины
Рисунок 1- Схема оборудования добывающей скважины установкой погружного
центробежного электронасоса
Экономические потери при таких авариях настолько велики, что в статистике отказов
УЭЦН они выделены в отдельную форму учета и анализа показателей надежности УЭЦН.
Одной из наиболее значимых причин таких аварий является воздействие
вибрационных нагрузок, возникающих в УЭЦНМ в процессе его эксплуатации и
приводящих к усталостному разрушению конструкции насоса, либо к развитию стресскоррозии, в том случае, если эксплуатация оборудования происходит в скважинах с
коррозионно-активной средой.
Проблема возникновения вибрации, приводящей к разрушению конструкции насоса,
просматривается исключительно в ЭЦНМ отечественного производства в виду особенностей
конструкции входного модуля.
Одним из подразделенийнефтедобывающего предприятия была предоставлена
информация о статистике аварий типа «полёт» для УЭЦНМ с января по октябрь 2015
года(рисунок 2).Представленные сведения показывают, чтона сегодняшний день проблема
снижения количества «полётов» насосного агрегата остается актуальной.
Для исследования воздействия вибрации, на скважинное оборудование и колонну
НКТ на кафедре МОНиГП ФГБОУ ВО УГТУ был разработан экспериментальный стенд,
позволяющий воссоздавать необходимую величину вибрации, соответствующую той,
которая действует на насос и НКТ при их эксплуатации в скважине, а также разрабатывать и
испытывать виброгасящие устройства для уменьшения негативного воздействия на насос и
НКТ (рисунок 3).
обрыв ПЭД
(16%)
обрыв
компоновки НКТ
(3%)
обрыв подвески
НКТ (8%)
обрыв по телу
насоса (3%)
другое (67%)
обрыв по
фланцевому
соединению (3%)
Рисунок 2 – Статистика количества аварий типа «полет ЭЦН» за период:
январь 2015 – октябрь 2015 г
Вибрационный стенд позволяет воспроизводить и измерять величину вибрации при
разных скоростях вращения вибронагружающего устройства; при различной величине
дисбаланса вибронагружающего устройства, а также при различных углахнаклона
испытываемыхэлементов насоса и НКТ.
Вибрационный стенд представляет собой основание 14, жестко закрепленное
нафундаменте, регулируемую раму 9, с возможность изменения угла наклона,
электродвигатель 15. Крутящий момент на вибронагружающее устройство передается с
помощью клинового ремня 12 от шкива электродвигателя13 на шкив 10 вала 7. Стенд
снабжен съемным нагружающим устройством, выполненным в виде эксцентрика 11.
Исследуемыйэлемент насоса (например, модуль-секция 4 с корпусом насоса 2), нижней
частью связан со стаканом 8, а в верхней части при помощи болтов 2соединяется с обсадной
трубой 3. Стенд позволяет устанавливать разрабатываемые виброгасящие устройства 5 и
исследовать их влияние на работу насоса и НКТ.
1 - корпус насоса; 2 - соединение болтовое; 3 - обсадная труба;4 – модуль-секция;
5 - проектируемый виброгаситель;6 – подшипники; 7 – вал; 8 – стакан;
9 -рама (регулируемая);10 - шкив ведомый; 11 – эксцентрик; 12 – ремень;
13 - шкив ведущий; 14 – основание; 15 – электродвигатель.
Рисунок 3 – Стенд динамический
На работающем стенде можно производить измерение как осевой, так и радиальной
составляющей вибрации.Величину вибрации на стенде можно регулировать, изменяя
дисбаланс вибронагружающего устройства, величина которого зависит от
массы
эксцентрика 11 и скорости вращения вала 7. Скорость вращения ведомого шкива может
изменяться путем смены ведущего шкива 13. Воспроизводимая с помощью стенда величина
виброускорения будет находиться в диапазоне от 1м/с2до 40 м/с2 т.к. именно в этом
диапазоне возникают негативные воздействия вибрации на насосный агрегат в процессе его
эксплуатации в скважине. [3]
Библиографические ссылки:
1.Справочник по нефтепромысловому оборудование / Под редакцией Е.И.Бухаленко.
– М.: Недра, 1983. -560с.
2.Союз
производителей
нефтегазовогооборудования.
Режим
доступа:http://www.derrick.ru/?f=z&id=8329;
3. Бочарников, В.Ф. Вибрации и разрушения в погружных центробежных насосах для
добычи нефти [Текст]: Учебное пособие для вузов / В.Ф. Бочарников, Ю.В Пахаруков, –
Тюмень: ТюмГНУ, 2005 – 141 с.
Подпись автора
Подпись научного руководителя