Актуальность проблемы защиты установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) от вредного влияния механических примесей является приоритетной во многих нефтяных компаниях. Например, 40 % всех продуктивных пластом мире требует применения методов борьбы с влиянием механических примесей при эксплуатации скважин. В неконтролируемых условиях вынос механических примесей в скважину вызывает износ компонентов эксплуатационной колонны и требует частого проведения дорогостоящих ремонтных работ.
Основными составляющими механических примесей, содержащихся в добываемых и перекачиваемых по промысловым трубопроводам жидкостях, являются породообразующие компоненты, продукты коррозии металла оборудования и трубопроводов, твердые вещества, образующиеся в результате химических реакций взаимодействия перекачиваемых жидкостей, незакрепившийся пропант; выносимый из пласта в процессе освоения скважин. Содержание твердых частиц в единице объема жидкости не только повышает вязкость суспензии, но и меняет закон, характеризующий это явление,
Таким образом, жидкостно-песчаная смесь негативно влияет как на фильтрацию флюида в пласте, так и на эксплуатацию скважин с УЭЦН.
Наибольшее распространение в промысловой практике получили методы ограничения механических примесей на приеме ЭЦН, основанные на применении фильтрующих элементов и сепараторов гравитационного типа действия. Анализ работы этих устройств в лабораторных условиях и на промыслах Западной Сибири позволил выявить существенные недостатки, которые влияют на эффективность отделения твердых частиц от жидкости, перекачиваемой ЭЦН. Область применения фильтрующих и гравитационных средств защиты ЭЦН ограничивается размером и количеством твердых частиц в жидкости. Например, даже использование фильтрационных сеток с минимальными размерами отверстий не позволяет полностью защитить ЭЦН от вредного влияния мелкодисперсных твердых частиц (размером до 75 мкм), которые, попадая вместе с жидкостью в зазоры подшипников и втулок погружной насосной установки, приводят к повышенным вибрациям и последующему заклиниванию.
Некоторые защитные устройства имеют уплотнительные элементы в виде манжет или пакеров. Как показала промысловая практика, применение защитных устройств с уплотняющими элементами приводит к преждевременным отказам ЭЦН из-за их низкой уплотняющей способности в результате повреждений поверхностей при спускомонтажпых работах. Нередки аварийныеситуации, возникающие в результате прилипания уплотнительной манжеты к стенкам эксплуатационной колонны. Неэффективность гравитационных шламоуловителей обусловливается низкими функциональными возможностями гравитациионой сепарации в зоне рабочих подач ЭЦН, а такжев условиях течения неньютоновских жидкостей.
Несмотря па широкий ассортимент фильтрующих устройств предлагаемых в настоящее время на рынке производителей погружного оборудования, использование даже сложных в конструктивном исполнении, прочных и мелкопористых функциональных элементов не позволяет в полной мере защитить насосное оборудование. Это подтверждается явлением облитерации закупориванием коллоидными частицами или продуктами окисления фильтрующегося флюида поверхности фильтра. Нередки случаи когда в результате применения фильтра на приеме ЭЦН происходит его преждевременный отказ из-за снижения подачи вследствии облитерации.
Результаты анализа работы ЭЦН с фильтрующими элементами(определенного типа) на приеме в скважинах месторождении Западной Сибири показывают низкую эффективность фильтрационой
защиты, так как из числа отказавших насосных установок, оборудованных фильтрами, 47 % приходится на засорениерабочих органов механическими примесями .
В результате проведенного анализа работы фильтрующих элементов и сепараторов гравитационного типа можно сделать вывод, что наиболее эффективным способом отделения твердых частиц в трехфазном потоке (нефть – газ – вода) является центробежный. Центробежная сепарация придаст частицам твердой ижидкой фаз центробежное ускорение, превышающее в сотни раз ускорение свободного падения в гравитационном ноле. До создания погружного центробежного газосепаратора к ЭЦМ в нефтяной промышленности применялись газосепараторы гравитационного и фильтрационного принципов действия. Центробежные газосепараторы являются самым надежным средством защиты ЭЦН от вредного влияния свободного газа. От эффективности их работы во многом зависят параметры эксплуатации и наработка на отказ насоса в скважине. В 1951 г. В первые в мировой практике ПД Ляпковым был разработан погружной центробежный сепаратор, испытания которого показали существенно более высокую сепарационную способность по отношению к гравитационным и вихревым сепараторам. И настоящее время большинство УЭЦН в эксплуатирующихся скважинах имеет погружные центробежные газосепараторы.
Основной трудностью при проектировании центробежном сепарации на приеме ЭЦН является ограничение по габаритам скважины, так как, например, в наземных центрифугах главным критерием для эффективной сепарации твердых частиц является диаметр.
При проектировании погружного центробежного сепаратора механических примесей была построена модель расчета длины сепарациониой камеры в зависимости от дисперсности твердых частиц, перекачиваемых не только в однородной маловязкой среде, но и в условиях, приближенных к промысловым. На ее основе был спроектирован экспериментальный образец центробежного сепаратора механических примесей с длиной сепарациониой камеры до 2 м, который способен отделять твердые частицы диаметром до 15 мкм (рис. 1). Эффективность и надежность эксплуатации достигаются проведением центробежной сепарации перед обтеканием погружного электродвигателя откачиваемой жидкостью и размещением центробежного сепаратора под электродвигателем, что позволяет существенно увеличить диаметр сепаратора, а также обеспечением надежной защиты от солеотложепий и вредного влияния газа. На разработанное устройство был получен патент РФ № 2278959 от 08.09.04 г. «Погружная насосная установка для добычи нефти».
Исследования в области интенсивного выноса механических примесей из пласта показали проявление резких пиков интенсивности выноса (концентрация твердых частиц увеличивается в несколько раз) при изменении параметров; при запусках насосных установок или увеличении частоты тока в процессе работы, но значительное ее снижение при стабильной долговременной работе системы, Следовательно, основной целью применения погружного центробежного сепаратора механических примесей является повышение эффективности вывода на стационарный режим и эксплуатации ЭЦН в условиях вредного влияния механических примесей. Поставленная цель достигается при реализации следующих мероприятий: 1) защите УЭЦН от резких пиков интенсивности выноса механических примесей из пласта при его запуске; 2) сепарации и накоплении в специальном контейнере твердой фазы; 3) предварительной подготовке газовой фазы в проточной части центробежного сепаратора механических примесей, т.е. в отличие от традиционной схемы эксплуатации скважин с использованием УЭЦН при применении сепаратора механических примесей в ЭЦН происходит двухступенчатая сепарация газа; 4) обработке жидкости ингибитором солеотложепий в виде брикетов, установленных в сепараторе; 5) гидравлическом разобщении очищенной и пластовой жидкости за счет гидрозатвора, что обеспечивается функциональными возможностями центробежного сепаратора механических примесей.
Высокая эффективность центробежного принципа отделения механических примесей была подтверждена, в частности, при стендовых испытаниях наземного центробежного сепаратора, предназначенного для отделения твердых частиц перед силовым ЭЦН в составе мини-станции гидропривода струйных насосов. Наибольшие значения коэффициента сепарации kcполучены при отделении пропанта (fec=98 %), при сепарации комбинированной пробы механических примесей (проппант и кварцевый песок) йс составлял не менее 82 %.
Изготовленные в ЗАО «Новомет-Пермь» экспериментальные образцы погружного центробежного сепаратора механических примесей были отправлены па промысловые исследования в ОАО «Славнефть-Мегиоинефтегаз». В качестве объекта испытаний были выбраны часто ремонтируемые скважины, кроме того, одна скважина была взята с учетом ее освоения после проведения в ней гидравлического разрыва пласта (ГРП) (рис. 2).
В результате испытаний центробежного сепаратора механических примесей в скважине с условным номером А Лагапского месторождения удалось повысить наработку на отказ (от 3 сут перед внедрением сепаратора до 209 сут), на 20.03-07 г. скважина находилась в работе, при этом необходимо отметить заметное снижение количества взвешенных частиц н жидкости при отборе устьевых проб {рис. 3).
Скв. В Покамасовского месторождения до испытания центробежного сепаратора механических примесей относилась к часто ремонтируемому фонду (средняя наработка на отказ – 33 сут), после его применения текущая наработка на отказ увеличилась \и составила 209 сут (на 20.03.07 г. скважина находилась в эксплуатаций) Из-за низкой продуктивности скважины насосная уста-новка периодически отключалась. Несмотря на это, при после-дующих включениях насосной установки заклинивания не происходило(в отличие от штатной ситуации при эксплуатации ЭЦН),что характеризует надежную работу погружного сепаратора мех. примесей (ПСМ).
Скв.С Ново-Покурского месторождения после проведения ГРП неодноктратно подвергалась оптимизации работы путем эксплуатации высокопроизводительных насосных установок (УЭЦН5-125),что приводило к частым отказам из-за засорения рабочих органов ЭЦН. Однако после испытаний сепаратора механических примесей основная нагрузка по защите от твердых частиц пришлась насепаратор. В процессе промысловых испытаний рассмотренного сепаратора в четырех скважинах, эксплуатация которых осложнена наличием механических примесей, были повышены наработки па отказ, и скважины из часто ремонтируемого фонда переведены в режим оптимальной эксплуатации (по отношению к осложняющему фактору вредного влияния механических примесей). Накопленная добыча нефти с момента испытаний составила 14,4 тыс. т