Управление вторичными течениями в ступенях нефтяных насосов для снижения их гидроабразивного износа тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

12£М

/Г>- /

Островский Виктор Георгиевич

Управление вторичными течениями в ступенях нефтяных насосов для снижения их гидроабразивного износа

01.02.05 —Механика жидкостей, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005061566 ............1 3 1'ЮН 2Щ

Пермь-2013

005061566

Работа выполнена в ЗАО "Новомет-Пермь" и в ФГБОУ ВПО "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Сергей Николаевич Пещеренко

Официальные оппоненты: Русаков Сергей Владимирович

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой прикладной математики и информатики Пермского государственного национального исследовательского университета

Сипатов Алексей Матвеевич доктор технических наук, начальник отдела вычислительной газовой динамики ОАО «Авиадвигатель»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский

государственный политехнический

университет

Защита состоится 18 июня 2013 г. в 16-00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.188.05 при ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» по адресу: 614990, г.Пермь, Комсомольский пр., 29, ауд. 4236.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского национального исследовательского политехнического университета.

Автореферат разослан 17 мая 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ДМ 212.188.05 доктор технических наук, доцент

Щербинин А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В нефтедобывающей отрасли для интенсификации добычи нефти повсеместно используются такие технологические приемы, как гидроразрыв пласта и увеличение депрессии на пласт. Как правило, эти операции сопровождаются повышенным выносом частиц породы и пропанта и ускоренным гидроабразивным износом погружного оборудования в процессе его эксплуатации. В настоящее время примерно в 40% скважин Западной Сибири добыча нефти осложнена наличием механических примесей, которые приводят к гидроабразивному износу погружного оборудования. Наиболее опасен износ корпусов направляющих аппаратов ступеней насоса, который способен вызвать расчленение установки и падение ее нижней части на забой скважины. Износ корпуса направляющего аппарата происходит в полости между рабочим колесом и верхним диском направляющего аппарата, т.е. вызван не основным потоком жидкости, а вторичными течениями в этой полости. Структура этих течений, а также механизм износа практически не исследовались.

Поскольку интенсификация добычи нефти является приоритетным направлением развития отрасли, то задача исследования вторичных течений гидроабразивной смеси в полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом с целью повышения надежности погружных насосов в условиях выноса абразивных примесей является актуальной.

Цель работы состояла в снижении гидроабразивного износа ступеней погружных насосов путем управления вторичными течениями гидроабразивной смеси. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи исследования:

1. Моделирование вторичных течений гидроабразивной смеси в полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом.

2. Экспериментальное исследование течения в пограничных слоях.

3. Управление вторичными течениями жидкости в ступени путем изменения геометрии полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом.

4. Разработка методики стендового моделирования гидроабразивного разрушения ступеней погружных нефтяных насосов.

Научная новизна

1. Впервые изучена структура вторичных течений и уточнен механизм накопления абразивных частиц в закрытой полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом погружного насоса.

2. Предложен способ управления вторичными течениями в ступени насоса путем изменения формы полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом, способствующий удалению абразивных частиц из зон износа.

3. Разработаны методики стендового моделирования гидроабразивного разрушения ступеней погружных нефтяных насосов и экспериментальной визуализации течения жидкости в пристеночных областях.

Практическое значение и реализация результатов работы

Способ управления вторичными течениями использован для разработки конструкций ступеней погружных насосов ВНН5-25, ВНН5-79 и ЭЦН5А-225, защищенных от гидроабразивного износа корпусов направляющих аппаратов

[3].

Методика ускоренных сравнительных испытаний ступеней насосов на гидроабразивный износ используется в рамках приемочных испытаний серийных насосов в ЗАО «Новомет-Пермь», о чем имеется акт внедрения.

Личный вклад автора

Автор провел анализ современных подходов к методам исследования и защите ступеней погружного насоса от гидроабразивного износа, разработал методику ускоренных испытаний ступеней погружного насоса на гидроабразивную стойкость, уточнил механизм гидроабразивного износа корпусов направляющих аппаратов, разработал модель гидроабразивного износа межступенчатых уплотнений, на основе которой предложил конструкцию межступенчатых уплотнений, увеличивающих ресурс ступени в два раза, лично провёл все экспериментальные исследования, получил зависимости скорости гидроабразивного износа ступеней от газосодержания, подачи жидкости и частоты вращения вала насоса, провел сравнение полученных экспериментальных данных и результатов численных расчетов. Предложил способ управления вторичными течениями в полости под рабочим колесом.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 6 научных статей, из которых 2 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и наук Российской Федерации, 2 тезиса доклада на всероссийских конференциях, 1 патент РФ на изобретение. Поданы 2 заявки на изобретения. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат экспериментальные исследования, проектирование трехмерных моделей, анализ и обобщение результатов экспериментов.

Достоверность результатов подтверждена объемом лабораторных и стендовых исследований. Достоверность методики ускоренных ресурсных испытаний ступеней подтверждена соответствием износа ступеней при испытаниях, моделирующих гидроабразивный износ, и при промысловой эксплуатации. Эффективность изменения вторичных течений в ступени подтверждена сравнительными испытаниями на износ исходных ступеней и модернизированных.

Основные защищаемые положения

1. Структура вторичных течений и механизм накопления абразивных частиц в полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом.

2. Способ управления вторичными течениями в ступени насоса путем изменения формы полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом, снизивший скорость износа корпуса аппарата примерно на порядок.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на всероссийских конференциях «Нефтегазовое и горное дело» г.Пермь в 2009, 2010 и 2011 годах, а также на всероссийской конференции «Математическое моделирование в естественных науках» г.Пермь в 2010 году. Был сделан доклад на конференции «Инновации и новые технологии для механизированной добычи», г.Нижевартовск в 2010 году. Диссертация в целом обсуждалась на научных семинарах кафедр Пермского национального исследовательского политехнического университета «Горные и нефтепромысловые машины», 2012 г., «Вычислительная математика и механика», 2013 г., и кафедре «Механика сплошных сред и вычислительных технологий» Пермского государственного научного национального исследоватетьского университета, 2013 г., а также в Институте механики сплошных сред УРО РАН (г.Пермь), 2013 г.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 102 наименований и одного приложения. Работа содержит 101 страницу, в том числе 83 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение посвящено общей характеристике работы. Обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, рассмотрено краткое содержание глав диссертации.

В первой главе проведен анализ проблемы гидроабразивного износа корпусов направляющих аппаратов ступеней насосов в процессе эксплуатации.

На рис. 1 приведена схема конструкции ступени погружного насоса, а на рис. 2 показана основная зона гидроабразивного износа корпуса направляющего аппарата. Видно, что гидроабразивный износ протекает в полости под рабочим колесом (закрашена красным цветом на рис. 1). Гидроабразивное разрушение корпуса направляющего аппарата может привести к разрушению корпуса насоса и его падению в скважину, (рис. 2).

Стакан направляющего аппарата

|

Рабочее колесо

Рис. 1. Схема конструкции ступени погружного насоса, стрелками показано направление основного потока жидкости

Рис. 2. Слева - поперечный разрез направляющего аппарата (штриховой линией показан первоначальный контур). Справа - сквозные отверстия на корпусе насоса, возникшие вследствие гидроабразивного износа

Описаны основные известные способы защиты корпуса направляющего аппарата от гидроабразивного износа.

Так применение фильтров

(сепараторов) механических примесей не решает проблему, поскольку

отфильтрованные частицы остаются в скважине, заполняя её. Защитные покрытия могут обеспечить защиту от гидроабразивного износа, однако в настоящее время их себестоимость выше, чем самих ступеней, что делает такой способ защиты нерентабельным.

Показано, что удаление абразивных частиц из зон износа при помощи отверстий, см. рис. 3, снижает напор ступени, а торможение их движения радиальными ребрами на верхнем диске направляющего аппарата незначительно увеличивает ресурс ступени, пока ребра не износились (рис.4).

Рис. 3. Поперечный разрез ступени с отверстиями для удаления абразивных частиц го полости под рабочим колесом

Рис. 4. Ступень

аппарата

РЗ? (РайсЬбиИ&ФРпшЬп)

Улучшенные напоэные характеристики и кпд ' «уленей

Увеличенная площади лроходных сечений

с радиальными ребрами на верхнем диске направляющего

Проведен анализ способов моделирования гидроабразивного износа и сравнения ресурса ступеней погружных насосов. Для интенсификации износа и сокращения времени испытаний увеличивают концентрацию абразивных частиц, размер и твердость частиц. Однако подобные испытания не воспроизводят образование сквозных отверстий в стаканах направляющих аппаратов и длятся сотни часов [4], что не позволяет провести сравнение разрабатываемых насосов в приемлемые сроки.

Во второй главе изложены методики исследований, примененные в данной работе.

Разработан стенд (рис. 4) и методика ускоренного моделирования гидроабразивного износа ступеней.

Отдеретие для подачи адразиднага материала

износа ступеней погружных насосов

Основной идеей ускорения испытаний стало применение повышенной частоты вращения вала (скорость износа пропорциональна кубу частоты). Кроме этого насос с электродвигателем размещены в подвешенном состоянии, имитирующем скважинную подвеску, чтобы более точно моделировать скважинные условия.

В качестве абразивных примесей использовался крупный (до 1 мм) и твердый (7,5 баллов по Моосу) кварцевый песок с концентрацией 1% мае. В качестве примера на рис.5 показан износ ступени ЭЦН5А-225 при испытании в

течение четырех часов. Видно, что характер износа тот же, что в эксплуатационных условиях.

Для определения структуры вторичных течений проводили расчеты движения жидкости в полости под рабочим колесом в программном комплексе А^УЗ СБХ с использованием модели

турбулентности к-е. Расчетная сетка полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом имела 700800 тыс. элементов. Размер ячеек увеличивался с коэффициентом 1.2 от границ, где ячейки имели размер -0,07 мм, к центру - до -0.2 мм. Границу на входе в полость считали открытой и задавали давление. Шаг по времени был -3-10"4 с. Расчет завершали, когда максимальные невязки были меньше 10"4. В поперечном сечении полости наблюдали образование крупномасштабных вихрей, типичный вид которых приведен на рис. 6.

Рис. 6. Образование крупномасштабных вихрей в полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом

В ходе гидроабразивного износа на поверхности проточных каналов образуется волнистый рельеф, подобный рельефу морского дна. Численные расчеты не воспроизводят этот рельеф и вторичные течения, которые формируются микронеровностями поверхности, не моделируемыми в расчете. Для исследования образования этих вихрей была разработана методика

Рис. 5. Поперечный разрез направляющего аппарата после испытаний в гидроабразивной среде

экспериментальной визуализации течения в пристеночном слое, необходимая для нахождения мест износа в проточной полости насоса.

Суть методики:

1. На поверхности ступеней формируется тонкий слой парафина.

2. Ступени собираются в насос, который перекачивает воду с абразивными примесями в течение 5-10 мин.

3. За это время частицы формируют в слое парафина рельеф, который показывает структуру течений в зоне около стенки детали.

На рис. 7 показан рельеф «речного дна», образовавшийся на поверхности деталей. Эксперимент позволяет найти области вихреобразования, а также установить размер вихрей. К примеру, размер вихрей в ступени ВНН5-79 был 2,0-2,5 мм.

Рис. 7. Результаты визуализации течения в пристеночных областях направляющего аппарата

Снизить скорость гидроабразивного износа корпусов направляющих аппаратов можно двумя способами: уменьшая концентрацию абразивных частиц в полости под рабочим колесом или изменяя вторичные течения в полости. Причинами попадания частиц в полость являются сила гравитации и перепад давлений в полости между выходом и входом в рабочее колесо, приводящий к утечкам через межступенчатое уплотнение (с которыми в полость попадают абразивные частицы). Изменяя уплотнение, можно снизить концентрацию частиц в полости.

В третьей главе изучали процесс гидроабразивного износа уплотнения между рабочим колесом и направляющим аппаратом. Предложена новая конструкция межступенчатого уплотнения ступени [7].

Обозначим через 5 - ширину зазора в уплотнении между рабочим колесом и направляющим аппаратом. Скорость износа зависит от

следующих параметров:

- физических свойств твердых частиц: объемной концентрации с, плотности р3, диаметра и твердости Н5;

- свойств жидкости: кинематической вязкости V, плотности р и скорости м> жидкости в зазоре;

- геометрических размеров уплотнения: ширины 5, длины Ь, радиуса кольцевого зазора Я, и твердости металла насоса НМе.

Так как все эти параметры, кроме ж и $ фиксированы, то

Л I V ' ' 5

(1)

Поскольку скорость износа ¡Зя/Ж должна быть пропорциональна энергии переносимой абразивными частицами в единицу времени, т.е произведению кинетической энергии частицы на ее скорость, то разложение функции ^ в ряд Тейлора по первому аргументу начинается с квадратичного члена. Раскладывая F по второму аргументу до линейного члена, получаем:

с1з

л ^ ПГ

>у30)'С,

(2)

где определяется напором АН и скоростью вращения п рабочего колеса, геометрическими размерами зазора Ь, Я. По литературным данным известна и была нами использована связь величин и', Ь, [{, АН для такого типа зазоров. Считали, что коэффициент К при размере частиц свыше 3Л от размера зазора увеличивается на порядок, т.к. происходит заклинивание частиц в зазоре.

Была измерена

зависимость ширины зазора в ступени ЭЦН5А-320 от времени гидроабразивного износа при частоте вращения п = 4500 об/мин, подаче жидкости 500 м3/сут, и напоре, развиваемый одной ступенью АН= 10,5 м. Концентрация

абразивных частиц была: с = 10 кг/м3, радиус уплотнения, II = 0,027 м, длина уплотнения, Ь = 0,006 м, р5 = 2200 кг/м3, а~ 0,6 мм.

На рис. 8 приведено сопоставление результатов эксперимента и расчета при К=2.6*Ю"12. Если предположить, что с уменьшением объема утечек количество абразивных примесей, попадающих в полость под рабочим колесом, пропорционально уменьшается, то для снижения скорости износа

4 6 (

Время, ч

Рис. 8. Изменение зазора в межступенчатом уплотнении: ромбы - экспериментальные данные, линия - расчет

\ \

\ \

\ \ *

\

/ /

корпуса аппарата в два раза необходимо было уменьшить объем утечек вдвое, то есть увеличить гидравлическое сопротивление межступенчатого уплотнения.

Была предложена конструкция ступени с комбинированным

межступенчатым уплотнением (рис.9), в котором осевая скорость движения жидкости в зазоре уменьшилась на 60% (рис. 10).

Для подтверждения результатов проведено испытание ступеней ЭЦН5А-225Э с комбинированными уплотнениями предложенной конструкции, которые сравнивались с исходными ступенями. В

модернизированных ступенях скорость Рис'Консгрукш1Я

_ комбинированного лабиринтного износа стакана аппарата уменьшилась в 7 , ~

г ] уплотнения: 1 и 2 - щелевые

раз (рис. 11). уплотнения, 3 и 4 - лабиринтные

8,00

I 7,00 * -У ф

X 5 6,00 5 0>

т (-.

Ч о 5,00 _0

I- го

8 2 4>00

0 *

1 & 3,00 к §

2 5 2,оо 8 55 о

1,00 0,00

15

20

0 5 10

Время, ч

Рис. 10. Осевая скорость движения жидкости в зазоре ступени ЭЦП5А-225: 1 - исходное щелевое уплотнение, 2 - к исходному добавлено одно лабиринтное уплотнение, 3 - к исходному добавлено два лабиринтных уплотнения

Рис. 11. Слева - износ исходного направляющего аппарата ступени ЭЦН5 А-225, справа -износ направляющего аппарата с многоступенчатым комбинированным уплотнением

В главе 4 исследована структура вторичных течений в полости под рабочим колесом при варьировании геометрии полости. Предложена абразивостойкая конструкция ступени, в которой на верхнем диске направляющего аппарата расположены профилированные выступы, перемещающие абразивные частицы в центральную часть ступени, что приводит к снижению концентрации частиц у корпуса аппарата и скорости его износа.

Исследования начались с изучения износа корпусов направляющих аппаратов известных конструкций ступеней: с гладким диском направляющего аппарата и с радиально расположенными ребрами на нем. При гидроабразивных испытаниях первой конструкции появление сквозных отверстий в корпусах аппаратов наблюдалось через 12 часов. Во второй конструкции через 5 часов испытаний ребра были практически полностью изношены, см. рис. 12, а корпус был практически цел.. Это позволило сделать предположение об относительном увеличении ресурса на 30-40%.

На рис. 12 показано поле скоростей жидкости вблизи выступа, где видно, что в переднюю кромку ребра ударяет набегающий поток, а за задней образуются вихри, в которых накапливаются механические примеси и разрушают диск направляющего аппарата и ребро.

Рис. 12. Слева - износ радиально расположенных выступов на верхнем диске направляющего аппарата. Справа - векторы скоростей тока жидкости вокруг ребра

Для увеличения ресурса ступени был разработан ряд конструкций выступов на диске направляющего аппарата, см. рис. 13, в которых снижен эффект удара частиц о переднюю кромку и уменьшено вихреобразование за задней кромкой. Кроме того - абразивные частицы сносятся вторичными течениями от стенок направляющего аппарата в центральную часть ступени.

Сначала были проведены расчеты нескольких вариантов ребер различной длины с прямыми кромками расположенными радиально (рис. 13а и 136). Эффективности конструкций оценивалась по удельному давлению частиц на поверхность ступени.

При повороте выступа (рис. 13в) снижается удельное давление на переднюю кромку выступа, но увеличивается на корпус направляющего аппарата, куда абразивные частицы сносятся вторичными течениями.

Более эффективен был вариант, представленный на рис. 13г, в котором передней кромкой выступа частицы направляются в центральную часть ступени, при этом снижено удельное давление частиц на корпус направляющего аппарата и заднюю кромку выступа. Но передняя кромка так же подвержена интенсивному воздействию частиц.

Рис. 13. Траектории движения частиц в полостях под рабочим колесом при различной геометрии выступов

Для снижения давления частиц на переднюю кромку, её направили параллельно линиям тока жидкости (рис. 14). При этом в пространстве между выступами образовался вихрь, накапливающий в себе абразивные частицы.

Sand.Veiocity \ Ros PT for »8.3800+002

I

Зона вихреобразования

■' H^Wi

Рис. 14. Траектории движения частиц в полости под рабочим колесом с криволинейными кромками выступов Поэтому была изменена форма задней кромки выступа, что позволило добиться отсутствия вихрей в пространстве между выступами. На рис. 15 показаны траектории движения частиц для конечной геометрии выступов. Видно, что частицы, попадающие в полость под рабочим колесом, первоначально движутся параллельно цилиндрической стенке корпуса направляющего аппарата, после чего под действием гравитации попадают в пространство между выступами и, направляемые передней кромкой выступа - в центральную часть ступени.

Ik

Рис. 15. Траектории движения частиц в полости под рабочим колесом ступени с криволинейными кромками выступов и минимальным вихреобразованием

В данной конструкции выступов удельное давление абразивных частиц на стенки направляющего аппарата было минимальным.

Высота выступов определяет не только эффективность перемещения частиц или снижение удельного давления на стенки, но и может изменить напорную характеристику ступени. Для определения этого влияния был проведен ряд экспериментов, в которых измерялась напорно-расходная характеристика ступени ВНН5-25 с выступами высотой 3, 2, 1 и 0 мм (рис.16). При высоте 1 мм выступы не влияют на напорную характеристику насоса, при

высоте 2 мм наблюдается снижение напора на 5%, при 3 мм - более 10%, поэтому максимальная высота выступов задана не более 2 мм.

Расход, м3/сут

Рис. 16. Изменение наиорно-расходной характеристики ступени ВНН5-25 в зависимости от

высоты выступов

Для практической проверки эффективности конструкции были изготовлены образцы трех ступеней с выступами: 5А-225, 5-25 и 5-79. На рисунках 17-19 показано сравнение износа серийных ступеней и модернизированных. Наилучшие результаты получились на ступени ВНН5-25, в которой скорость износа корпуса аппарата снизилась в 30 раз.

Рис. 17. Гидроабразивный износ направляющих аппаратов ступени ВНН5-25. Слева серийная конструкция, справа - модернизированная

В ступени ЭЦН5А-225 скорость гидроабразивного износа стакана уменьшилась в 10 раз.

В исходной ступени ВНН5-79 изнашивался как корпус направляющего аппарата, так и его верхний диск. Скорость гидроабразивного износа корпуса снизилась в 4 раза, а верхнего диска в 5 раз.

Рис. 18. Гидроабразивный износ направляющих аппаратов ступени ЭЦН5А-225Э. Слева серийная конструкция, справа - модернизированная

Рис. 19. Гидроабразивный износ направляющих аппаратов ступени ВНН5-79. Слева серийная конструкция, справа - модернизированная

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые в стендовых условиях смоделирован шдроабразивный износ корпусов направляющего аппарата ступени.

2. Изучена структура вторичных течений и уточнен механизм гидроабразивного разрушения корпусов направляющих аппаратов — накопление абразивных частиц на внутренней стороне корпуса направляющего аппарата в полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом, сопровождающееся образованием мелкомасштабных вихрей в этой зоне.

3. Разработан способ управления вторичными течениями в полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом, позволяющий снизить

скорость гидроабразивного износа корпусов направляющих аппаратов путем удаления абразивных частиц из зоны максимального износа.

4. Изменены вторичные течения в ступенях ЭЦН5А-225Э, ВНН5-25, ВНН5-79 плавающего исполнения, за счет размещения профилированных выступов на верхнем диске направляющего аппарата, что позволило снизить скорость износа и увеличить ресурс стаканов направляющих аппаратов от 4 до 30 раз

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Островский В.Г. Механизм гидроабразивного износа ступеней нефтяных насосов / В.Г. Островский, М.О. Перельман, С.Н. Пещеренко // Бурение и нефть. - 2012. - №10. - С.36-38.

2. Островский В.Г. Методика моделирования гидроабразивного износа ступеней нефтяных насосов / В.Г. Островский, С.Н. Пещеренко, A.JI. Каплан // Горное оборудование и электромеханика. Новые технологии — 2011.— №12, С. 38-42.

Публикации в других изданиях:

3. Пат. 2454579 Российская Федерация, МПК F 04 D 13/10. Ступень многоступенчатого погружного насоса центробежного типа / Островский В.Г., Пещеренко М.И., Пещеренко С.Н. - 2011103573/06; опубл. 27.06.2012 Бюл. №18.

4. Островский В. Г. Влияние утечек на рабочие характеристики и надежность нефтяных насосов / В. Г. Островский, М. П. Пещеренко // Научные исследования и инновации. — 2011 .— Т. 5, № 2 .— С. 171-176.

5. Островский В.Г. Исследование причин разрушения погружных газосепараторов / В.Г. Островский, В.Ю. Горохов // Тезисы докладов 4-й Всероссийской конференции «Нефтегазовое и горное дело». ПНИПУ. - Пермь, 2011.-С.148

6. Островский В. Г. Моделирование утечек рабочей жидкости в зазоре между рабочим колесом и направляющим аппаратом нефтяного насоса / В. Г. Островский, М.П. Пещеренко // Тезисы докладов 19-й Всероссийской школы-конференции молодых ученых и студентов "Математическое моделирование в естественных науках". Российская академия наук; Российский фонд фундаментальных исследований; Пермский край. Министерство промышленности, инноваций и науки; Пермский государственный технический университет; Институт механики сплошных сред.— Пермь, 2010 .— С. 82-83.

7. Островский В.Г. Надежность энергоэффективного оборудования «Новомет» при повышенном содержании механических примесей / В.Г.Островский // Инженерная практика. - 2011. - №5. - С.58-61.

8. Островский В.Г. Расчет скорости гидроабразивного износа межступенчатых уплотнений погружного насоса / В.Г. Островский, С.Н. Пещеренко // Вестник ПНИПУ. - 2012. - №5. - С.70-75.

9. Островский В.Г. Стендовое моделирование коррозионно-абразивного разрушения направляющих аппаратов нефтяных насосов / В. Г. Островский, С. Н. Пещеренко // Научные исследования и инновации. — 2010. — Т. 4, № 1 .— С. 86-88 .— ISSN 1996-6709.

Подписано в печать 15.05.2013. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 940/2013.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства Пермского национального исследовательского

политехнического университета 614600, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел.:(342)219-80-33.

Пермский национальный исследовательский политехнический

университет ЗАО Новомет-Пермь

Островский Виктор Георгиевич

Управление вторичными течениями в

ступенях нефтяных насосов для снижения их гидроабразивного износа

01.02.05 — Механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Пещеренко Сергей Николаевич доктор физико-математических наук

Пермь - 2013

Содержание

Введение 4

1 Гидроабразивный износ погружных насосов 6

1.1 Механизм гидроабразивного износа................................6

1.2 Недостатки типовых износостойких конструкций насосов .... 11

1.3 Методики ресурсных испытаний..................20

1.4 Постановка задачи исследования..................23

2 Методики исследований вторичных течений в ступенях насоса 25

2.1 Методика стендового моделирования гидроабразивного износа ступеней погружных насосов....................25

2.1.1 Влияние коррозионного фактора на гидроабразивный износ насоса.........................28

2.1.2 Влияние частоты вращения вала..............32

2.2 Методика численного моделирования вторичных течений в полости................................36

2.3 Методика визуализации вторичных вихревых течений......41

2.4 Выводы по главе...........................44

3 Закономерности гидроабразивного износа ступеней, вызванного вторичными течениями 45

3.1 Закономерности гидроабразивного износа типовых

конструкций насосов.........................46

3.1.1 Влияние газа на износ многоступенчатого насоса .... 46

3.1.2 Особенности гидроабразивного износа ступеней ВНН и ЭЦН типов..........................49

3.1.3 Влияние формы полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом на скорость износа корпуса направляющего аппарата..................52

3.1.4 Влияние подачи насоса на скорость гидроабразивного износа.............................52

3.1.5 Сравнение и выбор материалов ступеней.........55

3.2 Расчет скорости гидроабразивного износа межступенчатых

уплотнений погружного насоса...................59

3.2.1 Модель износа уплотнений.................60

3.3 Изменение конструкции межступенчатого уплотнения для снижения гидроабразивного износа................64

3.4 Выводы по главе...........................70

4 Изменение вторичных течений в полости под рабочим

колесом 71

4.1 Исследование вторичных течений в полости под рабочим колесом 71

4.2 Снижение износа ступени за счет изменения вторичных течений 77

4.3 Экспериментальная проверка износостойкости ступеней.....79

4.4 Выводы по главе...........................87

Заключение 88

Список литературы 90

Введение

При интенсификации добычи нефти при помощи гидроразрывов пласта или увеличении депрессии [39], помимо роста дебита жидкости усиливается вынос механических примесей [12,27,37,80]. Поэтому при работе погружного насоса в скважине в него может попасть значительно большее количество примесей, чем то, на которое он рассчитан. Это приводит к интенсивному гидроабразивному износу элементов погружного насоса, что является одной из основных проблем в нефтпромысловой промышленности [7]. Известные способы борьбы с выносом механических примесей из пласта [43] малоэффективны при существующих темпах отбора жидкости.

В целом, наличие механических абразивных примесей является наиболее распространенным осложняющим фактором для порядка 40% скважин, а для некоторых месторождений - более 50% осложненных скважин [15].

Отсутствие эффективных способов защиты ступеней погружного насоса, методов проектирования таких ступеней и методик исследования вторичных течений и процесса гидроабразивпого износа определило актуальность и тематику работы.

Цель работы состояла в исследовании и управлении вторичными течениями гидроабразивиой смеси в ступенях погружных насосов для снижения гидроабразивного износа. На основе исследования процесса износа разработаны конструкции ступеней погружного насоса, в которых вторичные течения изменены таким образом, чтобы снизить скорость гидроабразивного износа стаканов направляющих аппаратов не менее, чем в два раза.

В первой главе проведен анализ литературных данных по гидроабразивному износу нефтепромыслового оборудования и эксплуатации скважин в осложненных условиях [6,10,28,62, 70,90] и по методам защиты от механических примесей [38, 56, 57, 59, 68, 88]. С учетом материалов по исследованию гидроабразивного износа и коррозии [11,85,86], проведен анализ процесса гидроабразивного разрушения ступеней погружных насосов. Рассмотрены способы защиты погружных насосов без изменения вторичных течений в ступени и с их изменением. Проведен анализ существующих способов испытаний на гидроабразивный износ и поставлены задачи исследования.

Во второй главе дается обзор экспериментальных и расчетных методик,

использовавшихся при выполнении работы. Проведен анализ факторов, влияющих на скорость гидроабразивного износа, на основании чего разработана методика ускоренного моделирования гидроабразивного износа ступеней, приведено описание стенда, спроектированного для её реализации. Для определения характера вторичных течений разработана методика расчетной визуализации движения жидкости в пазухе под рабочим колесом, позволяющая определить области накопления механических примесей. Для более подробного изучения движения жидкости в пристеночном слое и процесса разрушения поверхности детали разработана методика экспериментальной визуализации турбулентных течений.

В третьей главе проведен анализ гидроабразивного разрушения типовых конструкций насосов. Проведен анализ причин разрушения корпусов направляющих аппаратов - попадание абразивных частиц в полость под рабочим колесом через уплотнение и накопление частиц в этой полости у корпуса направляющего аппарата. Приведена методика расчета скорости гидроабразивного износа межступенчатых уплотнений, позволяющая проводить сравнение уплотнений при гидроабразивном износе. Описан способ изменения вторичных течений через межступенчатое уплотнение, позволяющий снизить скорость гидроабразпвного износа уплотнений и уменьшить количество абразивных частиц, попадающих в полость под рабочим колесом. На основе способа разработана и испытана конструкция ступени погружного насоса, в которой скорость износа уплотнений снижена в два раза, а скорость износа стакана направляющего аппарата в семь раз.

В четвертой главе проведено исследование вторичных течений в пазухе между рабочим колесом и направляющим аппаратом и описан способ управления вторичными течениями при помощи размещения профилированных выступов на верхнем диске направляющего аппарата. Приведены расчеты нескольких конструкций выступов, выбрана рациональная конструкция, которая была применена для трех типов серийных ступеней насоса. Приведены результаты экспериментальной проверки эффективности способа на примере трех ступеней, показавшие, что скорость гидроабразпвного износа корпусов направляющих аппаратов при изменении вторичных г. ечений можно снизить в 4-30 раз.

(

1 Гидроабразивный износ погружных насосов

1.1 Механизм гидроабразивного износа

Гидроабразивный износ - изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности материала под воздействием абразивных частиц в потоке жидкости. Это распространенное явление во многих отраслях техники, которое характерно для всех типов лопастных насосов, работающих при перекачке сред с абразивными частицами [84], в особенности для машин, перекачивающих гидросмеси с большим содержанием примесей, таких как грунтовые, песковые и шламовые насосы [20], для лопастных винтов судов и турбин [65] Вопросам проектирования таких насосов посвящены многие работы [21, 29, 30, 66, 71, 79, 83, 89], и их конструкции изначально рассчитаны на интенсивное воздействие гидроабразивного износа, а их эксплуатация предполагает периодические ремонты и замену изнашиваемых частей. При этом многие насосы, изначально не предназначенные для перекачки абразивных смесей, не могут длительное время работать в условиях интенсивного гидроабразивного износа [93]. В частности это касается погружных нефтяных насосов [25,87]. С учетом того, что затраты на остановку, подъем, ремонт и повторный спуск прогружного насоса зачастую превышают себестоимость самого насоса, увеличение наработки насоса дает существенный экономический эффект.

Механизм гидроабразивного износа можно разделить на несколько процессов. При ударе абразивной частицы о поверхность детали под углом близким к нормали возможна деформация металла, если сила удара больше предела текучести металла [84]. На поверхности детали образуется вмятина, пластически выдавленный металл образует наплыв вокруг вмятины. Последующие удары частиц образуют новые вмятины и перемещают наплывы. В итоге на металл оказывается знакопеременное воздействие, приводящее к усталостному разрушению.

Кроме этого абразивные частицы могут воздействовать на поверхность детали как резец, снимающий стружку [89]. Износ, вызванный одной частицей малозначителен, но при перекачке пластовых жидкостей с большим количеством примесей происходит многократное воздействие частиц на металл насоса, и с высокой скоростью гидроабразивного износа.

Проблема гидроабразивного износа проявляется в проточных каналах ступеней насосов, в межступенчатых уплотнениях и особенно часто для корпусов направляющих аппаратов. На рис. 1.1 слева показан разрез направляющего аппарата после эксплуатации в скважине. На стыке верхнего диска и корпуса аппарата наблюдается образование канавки (выделена стрелкой), которая со временем эксплуатации углубляется и может привести к сквозным разрушениям корпуса насоса (тот же рисунок, справа). Пунктирной линией показан изначальный контур направляющего аппарата.

Этот вид разрушения появляется в замкнутой полости между рабочим колесом и направляющим аппаратом, которая не относится к основной проточной полости ступени. На рис. 1.2 стрелками показано направление основного потока жидкости в ступени погружного насоса. Красным цветом выделена полость между рабочим колесом и направляющим аппаратом, в которой происходит основной износ. Из рисунка видно, что основной поток жидкости не должен попадать в эту полость. Обозначим течение жидкости в этой полости, не относящееся к основному потоку, как вторичные течения, наличие и характер которых и вызывают интенсивный гидроабразивный износ корпуса направляющего аппарата.

Рис. 1.1. Типовые примеры гидроабразивного износа корпуса направляющего аппарата (слева) и корпуса насоса (справа)

Разрушение корпуса насоса способно вызвать расчленение установки и полет её нижней части в скважину. Это вызывает длительную остановку работы скважины для устранения последствия аварии или её закрытие.

Кроме этого гидроабразивный износ межступенчатых уплотнений, также вызванный вторичными течениями, приводит к деградации напора ступеней (рис. 1.3).

Корпус направляющего аппарата

Рис. 1.2. Направление потока жидкости в проточных каналах ступени погружного насоса. Красным показана полость, в которой появляются вторичные течения

При значительном износе уплотнений, создаваемого насосом напора может быть недостаточно для обеспечения постоянного расхода жидкости, в некоторых случаях напор изношенного насоса недостаточен для подъема жидкости до поверхности, что является отказом насосной установки.

При рассмотрении проблемы гидроабразивного износа необходимо учитывать стойкость материала деталей ступени к гидроабразивному износу и коррозии. Наличие коррозионных веществ в жидкости многократно ускоряет процесс гидроабразивного разрушения ступеней насоса [95], так как при работе насоса поверхностные слои металла реагируют с коррозионными веществами в перекачиваемой жидкости. При этом на поверхности металла образуется пленка, которая в большинстве случаев менее прочная, чем основной металл, вследствие чего абразивные частицы разрушают верхние слои металла. После снятия верхних слоев начинают взаимодействовать с агрессивной жидкостью следующие слои металла, и процесс повторяется.

В качестве основных материалов для рабочих ступеней нефтяных насосов в настоящее время используются [31-34,81]:

- серый чугун;

- высоколегированный чугун - нирезист;

Расход, мЗ/сут

Рис. 1.3. Типичный пример деградации напорно-расходной характеристики ступени насоса вследствие гидроабразивного износа: 1 - новая ступень ВНН5-20, 2 - изношенная ступень ВНН5-20

- высоколегированная литая сталь - ВНЛ;

- железографитовый порошковый композит;

- высоколегированные порошковые стали;

- низколегированные порошковые стали.

Нелегированные материалы используются для подъема неагрессивных пластовых жидкостей. Они имеют низкую коррозионную стойкость [75]. Высоколегированные материалы имеют повышенную коррозионную стойкость, образуя прочные пленки при взаимодействии с агрессивной средой, и могут быть использованы для перекачки жидкости с высокой коррозионной активностью [60].

Использование материалов с более высокой коррозионной и гидроабразивной стойкостью зачастую ограничивается стоимостью конечных изделий и использование корозионностойких исполнений насосов приводит к снижению рентабельности нефтедобычи. Особенно важен выбор

материала для ступеней насоса, изготовленных методами порошковой металлургии, так как из-за особенностей производства, такие ступени имеют более высокую себестоимость. Применение ступеней, изготовленных методами порошковой металлургии оправдано, так как из-за более низкой шероховатости проточных каналов они имеют сравнительно высокий КПД. Но такие ступени изготавливаются в основном из нелегированных материалов, поэтому не обладают высокой стойкостью к гидроабразивному износу, особенно при дополнительном воздействии коррозии, что приводит к массовым отказам таких насосов из-за гидроабразивного износа.

Дополнительным осложняющим фактором является то, что в российской практике принято оценивать только концентрацию взвешенных частиц (КВЧ) в добываемой жидкости, соответственно подбор погружного оборудования производится, исходя из этого параметра [24,26]. Такая оценка не эффективна для абразивных примесей в используемых в настоящее время скважинах, так как кроме увеличения концентрации примесей, возможно увеличение твердости (выше 5 баллов по Моосу) и размера частиц [23], а также попадание пропанта в добываемую жидкость. Более полно влияние параметров абразивных примесей учитывается в формуле расчета абразивности среды [92]:

AI = 0.3(%частиц меньше 0.25 мм) + 10 • (1 - К0) + 10 • (1 - Ка) + +0.25(%иераств. в кислоте остатка) + 0.25(%кварца),

где, К0 - коэффициент округлости по API (American Petroleum Institute); Ks - коэффициент сферичности no API.

Применение этой формулы ограничивается неполными данными по выносимым механическим примесям и нежелание нефтяных команий отказываться от простой методики подбора по КВЧ. С учетом того, что нет единой методики оценки абразивности механических примесей, подбор погружных насосов зачастую производится неправильно, что приводит к преждевременным отказам. Большая часть погружных насосов, работающих на месторождениях России, подобрана по критерию КВЧ в базовом, а не в износостойком исполнении. При перекачке жидкости, содержащей абразивные частицы, например вследствие гидроразрыва

пластов, ресурс насосов базового исполнения сравнительно мал (для некоторых месторождений 200-300 суток). При этом использование износостойких модификаций насоса не всегда позволяет увеличить наработку на отказ, так как проблема гидроабразивного износа корпусов направляющих аппаратов одинакова для всех исполнений насосов.

При оценке интенсивности гидроабразивного износа необходимо учитывать частоту вращения вала насоса [95]. В последнее время выпускается большое количество насосов с увеличенной частотой вращения ротора [45]. С одной стороны данное изменение значительно снижает металлоемкость насоса [9], с другой - уменьшается ресурс некоторых узлов и требуется использование износостойких модификаций. Зависимость скорости гидроабразивного износа от частоты вращения вала степенная, с показателем степени, по различным данным, от 3 до 5 [20,84,95]. Учитывая то, что надежность корпусов направляющих аппаратов и межступенчатых уплотнений не всегда достаточна при работе на наиболее часто используемой частоте вращения 2910 об/мин, при увеличении частоты вращения ресурс насоса ещё более снижается. Поэтому необходима модернизации конструкции ступеней насоса для повышения их гидроабразивной стойкости.

1.2 Недостатки типовых износостойких конструкций насосов

Производители погружных насосов зачастую не приводят информацию о способах защиты погружного оборудования от механических примесей, указывая только предельно допустимое содержание взвешенных частиц для различных исполнений насосов [31-34,81]. Необходимая информация може�