RU2750079C1

RU2750079C1 - Pump-compressor for oil production with high free gas content at pump intake

Info

Publication number: RU2750079C1
Application number: RU2020128600A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Нонява; Алексей Вячеславович Куршев; Абубакир Ахмадуллович Ишмурзин; Назыра Мухамеджановна Ишмурзина
Original assignee: Публичное акционерное общество "Акционерная нефтяная Компания "Башнефть"
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2021-06-22

Abstract

FIELD: oil industry.SUBSTANCE: present technical solution relates to the field of oil production by electric driven centrifugal pumps. The electric driven centrifugal pump includes two groups of pumping sections. The lower group contains working stages of increased productivity due to the width of the passage channels, gradually tapering from bottom to top. The impeller blades of the lower section of the pump are made of two parts (1, 2). The part (1) adjacent to the outer circumference of the wheel is displaced to the middle of the distance between the inner parts (2) of the blades.EFFECT: invention is aimed at increasing efficiency of the pump by eliminating the negative effect of gas.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к гидромашиностроению, в частности к электроприводным центробежным насосам для добычи нефти, и может быть использовано для повышения эффективности работы насоса при содержании свободного попутного нефтяного газа у приема более 25%. Такая гидравлическая машина функционально носит название «насос-компрессор».The invention relates to hydraulic engineering, in particular to electric driven centrifugal pumps for oil production, and can be used to improve the efficiency of the pump when the content of free associated petroleum gas at the reception is more than 25%. Such a hydraulic machine is functionally called a "pump-compressor".

В нефтедобывающей практике содержание свободного газа у приема насоса принято не превышать 25% по объему, для чего применяют следующие меры:In oil production practice, the content of free gas at the pump intake does not exceed 25% by volume, for which the following measures are applied:

- насос спускают под динамический уровень на глубину, в которой содержание свободного газа не превышает указанную величину;- the pump is lowered under the dynamic level to a depth in which the free gas content does not exceed the specified value;

- устанавливают у приема насоса газосепаратор, в котором происходит отделение большей части свободного газа от нефти и далее отводится в затрубное пространство;- a gas separator is installed at the pump intake, in which most of the free gas is separated from oil and then discharged into the annulus;

- устанавливают у приема насоса «предвключенное устройство - диспергатор», в котором газожидкостная смесь (ГЖС) взаимно диспергируются до квазигомогенного состояния;- a "upstream device - dispersant" is installed at the pump intake, in which the gas-liquid mixture (GLC) is mutually dispersed to a quasi-homogeneous state;

- используют так называемый «конический насос», состоящий из пакетов ступеней различной подачи, убывающей по мере продвижения вверх по насосу.- use the so-called "conical pump", consisting of packages of stages of different delivery, decreasing as you move up the pump.

В настоящее время из вышеперечисленных направлений наибольшее применение нашли насосные газосепараторы и погружение насоса под динамический уровень, где термобарические условия обеспечивают не более 25% по объему свободного газа у приема насоса. Наиболее эффективным считается применение газосепаратора. Однако применение такого оборудования связано с дополнительными расходами и возможными дополнительными осложнениями, которые могут привести к отказам в работе; они являются сложными по конструкции, технологии изготовления и требуют дополнительных материально-финансовых затрат на расходные материалы, изготовление и обслуживание. К тому же, содержание газа в откачиваемой жидкости на протяжении срока эксплуатации насоса не остается постоянным, что снижает целесообразность применения газосепаратора.At present, of the above areas, pumping gas separators and submersion of the pump under a dynamic level, where thermobaric conditions provide no more than 25% by volume of free gas at the pump intake, have found the greatest application. The most effective is the use of a gas separator. However, the use of such equipment is associated with additional costs and possible additional complications that can lead to failures in operation; they are complex in design, manufacturing technology and require additional material and financial costs for consumables, manufacturing and maintenance. In addition, the gas content in the pumped-out liquid does not remain constant over the life of the pump, which reduces the feasibility of using a gas separator.

Кроме общей объемной доли свободного газа в нефти, не менее важным для нормальной работы насоса является дисперсное состояние газонефтяной смеси. Применение диспергирующих ступеней обеспечивает возможность надежной, без срыва подачи работы насоса при откачке высокогазированной жидкости.In addition to the total volume fraction of free gas in oil, no less important for the normal operation of the pump is the dispersed state of the gas-oil mixture. The use of dispersing stages provides the possibility of reliable, without interruption of the pump flow when pumping out highly carbonated liquid.

Эффект диспергирования можно увидеть из следующего примера. Если центробежным насосом попытаться перекачивать однородный газ, то он не сможет создать достаточного напора для преодоления противодавления. Для того, чтобы создать достаточное давление в таком случае, перекачивающий агрегат должен развивать большие обороты.The dispersing effect can be seen from the following example. If you try to pump a homogeneous gas with a centrifugal pump, then it will not be able to create sufficient head to overcome the back pressure. In order to create sufficient pressure in this case, the pumping unit must develop high speed.

Продукция скважины в виде газонефтяной смеси в этой ситуации занимает промежуточное положение между нефтью и газом, и количество оборотов соответственно должно находиться между оборотами насоса и компрессора, что можно регулировать вентильным двигателем.Well production in the form of a gas-oil mixture in this situation occupies an intermediate position between oil and gas, and the number of revolutions, respectively, should be between the revolutions of the pump and compressor, which can be controlled by a valve motor.

Срыв подачи насоса происходит таким образом: вихревые области по мере накопления содержащегося в них газа увеличиваются и занимают все большую и большую часть канала. Когда такой «мешок» распространяется на всю ширину канала, образуется газовая пробка и происходит прекращение подачи насоса («срыв подачи»).The disruption of the pump flow occurs in this way: the vortex areas increase as the gas contained in them accumulates and occupy an increasingly large part of the channel. When such a "bag" extends over the entire width of the channel, a gas lock is formed and the pump stops flowing ("stalling").

Поскольку плотность газа меньше массы жидкости более чем в два порядка, то при попадании газовых скоплений в ступень насоса рабочее колесо не может развивать необходимый напор, насос теряет работоспособность. При смешении фаз раздробленная (диспергированная) нефтяная фаза равномерно распределяется в газовой среде, в результате образуется квазигомогенная газонефтяная смесь, плотность которого занимает промежуточное значение, но гораздо выше газовой среды.Since the density of the gas is less than the mass of the liquid by more than two orders of magnitude, then when gas accumulations enter the pump stage, the impeller cannot develop the required pressure, the pump loses its performance. When the phases are mixed, the fragmented (dispersed) oil phase is evenly distributed in the gaseous medium, resulting in a quasi-homogeneous gas-oil mixture, the density of which is intermediate, but much higher than the gaseous medium.

Поиск патентных аналогов привел к следующим результатам.The search for patent analogs led to the following results.

Известен электроприводной центробежный насосный агрегат для откачки газожидкостной смеси из нефтяных скважин (Патент на полезную модель №187737 - Газосепаратор-диспергатор для погружного центробежного электронасоса. Опубликовано: 2019.03.15.), содержащий многоступенчатый центробежный насос и входное устройство, установленное перед нижней секцией насоса. Входное устройство выполнено в виде газосепаратора-диспергатора, обеспечивающего формирование газожидкостной смеси с однородной структурой путем перемешивания газа с жидкостью при поступлении на прием диспергатора пластовой жидкости.Known electric centrifugal pump unit for pumping a gas-liquid mixture from oil wells (Utility model patent No. 187737 - Gas separator-disperser for a submersible centrifugal electric pump. Published: 2019.03.15.), Containing a multistage centrifugal pump and an inlet installed in front of the lower section of the pump. The inlet device is made in the form of a gas separator-disperser, which ensures the formation of a gas-liquid mixture with a homogeneous structure by mixing gas with liquid when the formation liquid enters the disperser intake.

Данный насосный агрегат имеет недостатки: усложняет насосный агрегат введением газосепаратора-диспергатора, удлиняет длину насосной компоновки, что неприемлемо в пространственно-искривленных скважинах.This pumping unit has disadvantages: it complicates the pumping unit by introducing a gas separator-dispersant, lengthens the length of the pumping arrangement, which is unacceptable in spatially curved wells.

Аналогом заявляемого насоса-компрессора является погружной насосный агрегат для откачки газожидкостной смеси, содержащий погружной центробежный многоступенчатый насос, включающий, по меньшей мере, две группы насосных ступеней, последовательно установленных на валу насоса (Патент RU №2374497 - Погружной насосный агрегат для откачки газожидкостной смеси. Опубликовано 27.11.2009.). Первая группа представляет собой «предвключенное устройство» для подготовки ГЖС до транспортабельного состояния следующей второй группой, которая представляет обычную насосную секцию. Кроме того, согласно изобретению, по меньшей мере, в первой группе насосных ступеней в верхнем диске каждого из рабочих колес между лопастями выполнены ориентированные вдоль оси вала насоса сквозные отверстия на радиальном удалении от оси вала насоса не более 0,7 радиуса верхнего диска.An analogue of the inventive pump-compressor is a submersible pump unit for pumping out a gas-liquid mixture, containing a submersible centrifugal multistage pump, including at least two groups of pumping stages, sequentially installed on the pump shaft (Patent RU No. 2374497 - Submersible pump unit for pumping out a gas-liquid mixture. Published on November 27th, 2009.). The first group is a "upstream device" for preparing the LHM to a transportable state by the next second group, which is a conventional pumping section. In addition, according to the invention, at least in the first group of pumping stages in the upper disk of each of the impellers, through holes oriented along the pump shaft axis are made between the blades at a radial distance from the pump shaft axis of no more than 0.7 of the upper disk radius.

Недостатком данного насосного агрегата, выбранного в качестве наиболее близкого аналога заявляемого технического решения, является низкая работоспособность насосного агрегата при высоком процентном содержании газа в откачиваемой газожидкостной смеси из-за срывов подачи под влиянием образующихся «газовых пробок». «Сквозные отверстия на радиальном удалении от оси вала насоса не более 0,7 радиуса верхнего диска», ввиду малой пропускной способности не смогут обеспечивать образование дисперсной системы «газ-нефть», в котором дисперсионной средой была бы нефть. Ввиду этого газовые пробки не исчезнут.The disadvantage of this pumping unit, selected as the closest analogue of the proposed technical solution, is the low performance of the pumping unit with a high percentage of gas in the pumped-out gas-liquid mixture due to disruptions in the supply under the influence of the resulting "gas plugs". "Through holes at a radial distance from the pump shaft axis no more than 0.7 of the radius of the upper disk", due to their low throughput capacity, will not be able to ensure the formation of a dispersed gas-oil system, in which the dispersion medium would be oil. In view of this, gas locks will not disappear.

Кроме того, сравнительно высокое процентное содержание свободного газа в перекачиваемой насосом газожидкостной смеси приводит к снижению давления, а значит, и напора, на выходе каждой из насосных ступеней, следовательно, к снижению напора всего насосного агрегата. Для поддержания требуемого напора требуется увеличение количества насосных ступеней, что влечет за собой увеличение габаритных размеров погружного насосного агрегата, повышение стоимости его изготовления.In addition, the relatively high percentage of free gas in the gas-liquid mixture pumped over by the pump leads to a decrease in the pressure, and hence the head, at the outlet of each of the pump stages, therefore, to a decrease in the head of the entire pumping unit. To maintain the required pressure, an increase in the number of pump stages is required, which entails an increase in the overall dimensions of a submersible pump unit, an increase in the cost of its manufacture.

В основу изобретения поставлена задача создания центробежного насосного агрегата для откачки продукции нефтяной скважины, содержащей в своем составе свободного газа более 25% в интервале спуска насоса.The basis of the invention is the task of creating a centrifugal pump unit for pumping out oil well products containing more than 25% of free gas in the pump running interval.

Поставленная задача решается тем, что в электроприводном центробежном насосе, включающем, по меньшей мере, две группы последовательно соединенных насосных секций, нижняя из которых содержит рабочие ступени повышенной производительности, постепенно снижающейся по мере уменьшения объемного расхода перекачиваемой газожидкостной смеси, а верхняя - обычного исполнения, рабочие колеса нижней секции насоса отличаются от известных тем, что лопасти по длине выполнены из двух частей, прилегающая к внешней окружности колеса часть смещена на середину расстояния по окружности между внутренними частями лопастей. Причем она может иметь винтообразную рабочую поверхность с поворотом 45° к концу выхода перекачиваемой среды. Вход перекачиваемой продукции в направляющий аппарат без резких поворотов приводит к снижению гидравлических потерь.The problem is solved by the fact that in an electrically driven centrifugal pump, which includes at least two groups of series-connected pump sections, the lower of which contains working stages of increased productivity, gradually decreasing as the volumetric flow rate of the pumped gas-liquid mixture decreases, and the upper one is of conventional design, the impellers of the lower section of the pump differ from those known in that the blades are made of two parts in length, the part adjacent to the outer circumference of the impeller is displaced to the middle of the circumferential distance between the inner parts of the blades. Moreover, it can have a helical working surface with a 45 ° rotation to the end of the pumped medium outlet. The entry of the pumped product into the guide vanes without sharp turns leads to a decrease in hydraulic losses.

Двухуровневые лопатки обеспечивают смешение и формирование однородной дисперсной системы путем распыления жидкости при ее внезапном расширении в газовой среде, давление которого ниже давления нефти, пропорционально отношению массы жидкости к массе газа.Two-level blades provide mixing and the formation of a homogeneous dispersed system by spraying a liquid when it suddenly expands in a gaseous medium, the pressure of which is lower than the oil pressure, in proportion to the ratio of the mass of the liquid to the mass of the gas.

Сущность изобретения поясняется конкретным примером.The essence of the invention is illustrated by a specific example.

По второму закону Ньютона масса тела, умноженная на ускорение, представляет силу, приобретенную теломAccording to Newton's second law, the mass of a body multiplied by acceleration represents the force acquired by the body

Перемножив обе части основного уравнения (1) на скорость υ и произведя вычисление производных от сложных функций, получимMultiplying both sides of the basic equation (1) by the velocity υ and calculating the derivatives of complex functions, we obtain

Поскольку m и υ постоянные величины, a F=p⋅ƒ, где р и ƒ - давление на выкиде и площадь выкидной поверхности рабочего колеса, проинтегрировав (2), получимSince m and υ are constant values, a F = p⋅ƒ, where p and ƒ are the discharge pressure and the area of the discharge surface of the impeller, integrating (2), we obtain

где

n - число оборотов вала центробежного насоса; R - радиус рабочего колеса по внешней кромке; р - давление нагнетания, развиваемое насосом; (Q⋅t) - объем квазигомогенной нефтегазовой смеси, подаваемый насосом, масса которого составляет m.Where

n is the number of revolutions of the centrifugal pump shaft; R is the radius of the impeller along the outer edge; p is the discharge pressure developed by the pump; (Q⋅t) is the volume of a quasi-homogeneous oil and gas mixture supplied by a pump whose mass is m.

Как явствует из формулы (3) масса m объема V=Q⋅t перекачиваемой среды (нефть + газ) формирует давление р на выходе насоса, достаточное для преодоления противодавления. При этом применение вентильного двигателя в качестве привода насоса не исключается.As is clear from formula (3), the mass m of the volume V = Q⋅t of the pumped medium (oil + gas) forms a pressure p at the pump outlet, sufficient to overcome the back pressure. In this case, the use of a valve motor as a pump drive is not excluded.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показаны области движения жидкости и газа: 1 - часть лопасти, прилегающая к внешней окружности; 2 - часть лопасти, прилегающая к внутренней окружности; 3 - условно принятая линия границы раздела фаз; 4 - область, заполненная нефтью; 5 - область, заполненная газом.The essence of the invention is illustrated by the drawing, which shows the areas of movement of liquid and gas: 1 - part of the blade adjacent to the outer circumference; 2 - part of the blade adjacent to the inner circle; 3 - conventionally accepted line of the phase boundary; 4 - an area filled with oil; 5 - area filled with gas.

Расслоение продукции скважины на газ и нефть в каналах рабочих колес неоспоримо и доказано многими исследованиями. Лопасти рабочих колес нижней секции насоса выполнены из двух частей, прилегающая к внешней окружности колеса часть 1 смещена на середину расстояния между внутренними частями 2 лопастей. Внешняя часть 1 рабочих лопастей имеет винтообразную рабочую поверхность с поворотом 45° к концу выхода перекачиваемой среды.The separation of well production into gas and oil in the channels of the impellers is undeniable and proved by many studies. The blades of the impellers of the lower section of the pump are made of two parts, the part 1 adjacent to the outer circumference of the impeller is displaced to the middle of the distance between the inner parts 2 of the blades. The outer part 1 of the working blades has a helical working surface with a 45 ° rotation towards the end of the pumped medium outlet.

Центробежный насос для добычи нефти, выполненный согласно изобретению, работает следующим образом. Продукция скважины в виде газонефтяной смеси, продвигаясь вдоль канала рабочего колеса, подвергается действию центробежных сил. В итоге происходит расслоение на нефть и на газ. В нефтяной полости давление жидкости кратно больше и соответствует отношению плотностей нефти и газа. Поэтому, жидкая фаза, проваливаясь при своем движении вдоль лопасти в полость с низким давлением, рассыпается на мелкие частицы, образуя с находящимся там газом высокодисперсную среду.A centrifugal pump for oil production according to the invention operates as follows. The well production in the form of a gas-oil mixture, moving along the channel of the impeller, is subjected to the action of centrifugal forces. As a result, stratification into oil and gas occurs. In the oil cavity, the fluid pressure is several times higher and corresponds to the ratio of the densities of oil and gas. Therefore, the liquid phase, falling as it moves along the blade into a cavity with low pressure, disintegrates into small particles, forming a highly dispersed medium with the gas located there.

Внешняя часть 1 лопасти выполнена в виде винтовой поверхности с углом поворота на всю ее длину на 45 градусов, что обеспечивает плавный переход потока в направляющий аппарат, тем самым уменьшив гидравлические потери.The outer part 1 of the blade is made in the form of a helical surface with an angle of rotation for its entire length by 45 degrees, which ensures a smooth transition of the flow into the guide vanes, thereby reducing hydraulic losses.

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является:The technical result achieved by the invention is:

- повышение работоспособности центробежного насосного агрегата путем предотвращения срывов подачи насоса под действием газовых пробок при объемном содержании свободного газа более 25%;- increasing the efficiency of the centrifugal pumping unit by preventing disruptions of the pump supply under the action of gas plugs with a volume content of free gas of more than 25%;

- возможность уменьшения подвески скважинного насоса, тем самым экономить в насосно-компрессорных трубах, кабельной линии, количества спускоподъемных операций при подземном и капитальном ремонтах;- the possibility of reducing the suspension of the borehole pump, thereby saving in tubing, cable lines, the number of tripping operations during underground and capital repairs;

- снижение давления нагнетания насоса за счет привлечения попутного нефтяного газа в нефтеподъемный процесс, в результате чего имеем экономию расхода электроэнергии;- reducing the pump discharge pressure by attracting associated petroleum gas to the oil lifting process, as a result of which we save energy consumption;

- уменьшение осложнений в работе УЭЦН, в том числе РС-отказов скважинного оборудования.- reduction of complications in the operation of the ESP, including RS-failures of downhole equipment.

Claims

1. An electrically driven centrifugal pump, including two groups of pumping sections, the lower of which contains working stages of increased productivity due to the width of the passage channels, gradually tapering from bottom to top, characterized in that the blades of the impellers of the lower section of the pump are made of two parts, adjacent to the outer circumference the part of the wheels is shifted to the middle of the distance between the inner parts of the blades.

2. The pump according to claim 1, characterized in that the outer component of the impeller blades has a helical working surface with a 45 ° rotation to the end of the pumped medium outlet.