Диссертация (Усовершенствование методики определения характеристики центробежных насосов для добычи нефти при работе на вязкой жидкости)

На правах рукописиЯнгулов Павел ЛеонидовичУСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКИЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ ПРИ РАБОТЕ НА ВЯЗКОЙЖИДКОСТИСпециальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы(нефтяная и газовая промышленность)Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 20132Работа выполнена на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовойпромышленности ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти игаза имени И.М. Губкина», г. МоскваНаучный руководитель:кандидат технических наук, доцентПекин Сергей СергеевичОфициальные оппоненты:Захаров Михаил Николаевичдоктор технических наук, профессор,МГТУ имени Н.Э.

Баумана,профессор кафедры «Основыконструирования машин»Мисюрко Василий Михайловичкандидат технических наук, доцент,ЗАО «УК РУНАКО»,заместитель директора НТЦпо направлению насосноеоборудованиеВедущая организация:ОАО «ОКБ БН КОННАС»Защита состоится «25» июня 2013 года в 11-00 на заседании диссертационногосовета Д212.200.07 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный университетнефти и газа имени И.М.Губкина» по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект,65, корп.1, ауд. 612.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при ФГБОУ ВПО«Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина».Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными гербовой печатьюподписями просим направлять по адресу: 119991, ГСП-1, г.

Москва, Ленинскийпроспект, 65, корп.1. Российский Государственный Университет нефти и газа имениИ.М.Губкина, Учёный совет.Автореферат разослан «___» мая 2013 г.Ученый секретарь диссертационногосовета, кандидат технических наукЭ.С. Гинзбург3Общая характеристика работыАктуальностьисследования.Внастоящеевремяпогружнымиэлектроприводными центробежными насосами (ЭЦН) на нефтяных месторожденияхдобывается около 70% нефти в России от общего объема добычи, а в некоторыхрегионах страны эта цифра выше.Вязкостьперекачиваемойжидкостиоказываетбольшоевлияниенахарактеристику насоса. В связи с этим, изучение влияния вязкой нефти нахарактеристики ЭЦН (подача, напор, КПД) при добыче нефти представляет огромныйинтерес, т.к.

за счёт разработки запасов вязких и тяжелых нефтей, Россия могла быежегодно получать до 25-30 млн.т. нефти дополнительно.Инженерные работники производят выбор оборудования при помощи различныхпрограмм подбора оборудования, в которыхиспользуются методики пересчетахарактеристики ЭЦН с воды на вязкую жидкость. При правильном подбореоборудования к скважине происходит не только оптимизация рабочих параметров, но идостигается требуемая долговечность и снижается энергоёмкость оборудования.Конструкции нефтяных насосов постоянно совершенствуются: появляются новыетехнологии производства ступеней, например, порошковая, или новые конструкцииступеней: центробежно-вихревые, энергоэффективные.

Поэтому обобщенные методики,разработанные несколько лет назад, могут дать результаты с большими погрешностями.В связи с этим, очень актуальна проблема, связанная с корректным определениемдействительной характеристики насосных установок при работе на вязкой жидкости.Целью диссертационной работы является усовершенствование методикиопределения характеристики центробежных насосов для добычи нефти при работе навязкой однофазной жидкости.Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:разработка методики проведения стендовых экспериментальных работ;создание стенда для проведения экспериментов;получение напорных и энергетических характеристик испытываемых ступенейЭЦН на модельных жидкостях различной вязкости;получение формул для определения пересчетных коэффициентов при эксплуатации4в оптимальном режиме на вязкой жидкости.Научная новизна работыУсовершенствованаметодикадляопределениярабочегодиапазонахарактеристики ступеней ЭЦН при его работе на вязких однофазных жидкостях, взависимости от режима течения жидкости с учетом модифицированного расчета числаРейнольдса и коэффициента быстроходности.Разработана схема испытательного стенда (заявка на полезную модель №2012157437), позволяющая производить испытания сборок ступеней при различнойвязкости жидкости для любого диаметрального габарита ступеней ЭЦН.Получены характеристики на вязкостях от 1 до 100 сСт для ступеней ЭЦН пятогогабарита,выполненныхлитьемизматериаловнирезист,комбинированныхвысокопрочных пластиков с чугуном, и ступеней изготовленных методом порошковойметаллургии из чугуна ЧВШГ, при частоте вращения вала 2910 об/мин.Практическая значимость работыУсовершенствованная методика определения рабочего диапазона характеристикиЭЦН при работе на вязкой однофазной жидкости используется в программномкомплексе подбора и диагностики состояния скважинных насосных установок«Автотехнолог+Соль».Вертикальный стенд, созданный для испытания рабочих ступеней ЭЦН,используется для научных и учебных исследований.Реализация работыРезультаты диссертационных исследований успешно внедрены в программныйкомплекс подбора и диагностики состояния скважинных насосных установок«Автотехнолог+Соль», который используется в следующих нефтяных компаниях:«ТНК-ВР», ОАО «Лукойл», ОАО «НГК «Славнефть».Апробация результатов работыМатериалы диссертации докладывались и обсуждались на 9-ой Всероссийскойнаучно-технической конференции «Актуалные проблемы развития нефтегазовогокомплекса России» (г.

Москва, 2012), на научно-технической конференции ОАО«РИТЭК», посвященной 20-летию компании (г. Москва, 2012), 67-ой Международноймолодежной научной конференции «Нефть и газ - 2013» (г. Москва, 2013 г.).5ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 8 печатных трудов (в том числе – 4 статьи вжурналах, входящих в перечень ВАК, 1 заявка на полезную модель, имеетсяположительное заключение).Структура и объём работыДиссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, спискалитературы и приложения. Работа изложена на 148 страницах и содержит 103рисунков, 30 таблиц и имеет 5 приложений.Основное содержание работыВовведенииработыдаетсяобоснованиеактуальности,необходимостиметодической разработки темы исследования, сформулированы цели и задачидиссертационной работы, показываются научная новизна и практическая значимостьработы.В первой главе проведён обзор и анализ литературных источников, поставленыосновныезадачиисследований.Проанализированыхарактеристикиосновныхроссийских месторождений с вязкой и тяжелой нефтью.В результате анализа литературных источников определено расположениересурсов вязкой нефти по административным регионам России (рисунок 1), в которыхвязкость откачиваемой нефти значительно (в 10-100 и более раз) превышает вязкостьводы.

Наиболее вязкие нефти находятся на территориях Республики Татарстан (25,5%),Тюменской области (32,6%) и Республики Коми (10,8%).Говоря о влиянии вязкости на перекачиваемую жидкость центробежныминасосами, необходимо отметить огромный вклад Ляпкова Петра Дмитриевича, которыйобобщил данные по испытаниям центробежных насосов и дал свою методику пересчетахарактеристики с воды на вязкую жидкость, которая основана на экспериментальныхданных. Многие отечественные нефтяные компании используют способы пересчета,основанные именно на методике П.Д.

Ляпкова.6Самарская1,6%Пермский край1,1%Ненецкий АО Оренбургская4,6%0,4%Томская1,1%Другие0,4% Тюменская32,6%Татарстан25,5%Удмуртия2,7%Сахалинская1,5%ЧеченскаяРеспублика0,9%Коми10,8%Красноярскийкрай0,4%Иркутская3,4%Башкортостан7,2%ЯмалоЯкутияНенецкий АО 0,8%4,9%Рисунок 1 - Распределение ресурсов вязкой нефти по административным регионамРоссии.Для случая, когда рассматривается влияние только вязкой однофазной жидкости наработу центробежного насоса, Ляпков П.Д. получил следующие формулы:(1)(2)(3)При определении КПД Ляпков П.Д.

вводит две формулы определения пересчетныхкоэффициентов, в зависимости от некоторого значения числа Рейнольдса. Это в своюочередь означает, что весь поток при разных значениях вязкости жидкости он делит надва режима. Соответственно, критическое значение числа Рейнольдса при переходе изпервого режима во второй равно 4624. Но возникает вопрос, возможно и остальныеформулы для определения коэффициентов изменения подачи и напора необходимо былоопределять при различных режимах течения жидкости?Как известно из условия подобия, справедливы следующие формулы:7(4)(5)(6)Поданнымформуламлегкоопределитькоэффициентыпересчета,знаяхарактеристики насоса на вязкой жидкости.

В дальнейшем были использованы именноэти формулы при обработке данных, полученных при испытании.В работах Ляпкова П.Д., Шищенко Р.И., Иппена А.Т., Суханова Д.Я.и др.отмечено, что влияние вязкости на характеристику насоса определяется главнымобразом величиной числа Рейнольдса (Re).Ляпков П.Д. рассчитывал число Рейнольдса по формуле (7), так как для егоопределения не требуется знания размеров проточной части насосов, которые обычнобывают неизвестными инженерным работникам. Поэтому Ляпков П.Д.

её использовал всвоих расчетах.(7)На данный момент нельзя указать универсальную форму числа Re, включающуюкакой-либо конкретный линейный размер насоса и конкретную скорость потока внасосе, которая была бы одинакова, характерна для всего насоса во всем диапазонеизменения числа Re. Так как проточные каналы рабочих ступеней насоса относительнокоротки и имеют сложную конфигурацию, а жидкость в разных точках каналов имеетразличную скорость. Любое нарушение распределения скоростей потока, вызванное,например, изменением площади или направления течения, изменяет структуру потока вканале.

Т.е. одно и то же значение числа Рейнольдса не обеспечивает подобия потоков.Рассмотрим определение числа Рейнольдса, когда имеются только силы трения исилы инерции. Упругие силы, возникающие вследствие изменения объема, не будемучитывать, т.е. будем предполагать, что жидкость несжимаема.Из классического определения числа Рейнольдса:(8)Будем рассматривать сечение на выходе рабочего колеса (см. рисунок 2),представляющее собой прямоугольную изогнутую трубу.8Рисунок 2 – Рабочее колесо (эскиз).Течение в трубах прямоугольного и квадратного сечения было исследовано Сен, где υ - средняя скоростьВенаном. В нашем случае, расход насосапотока в прямоугольном канале, м/с. Используем число Рейнольдса по Сен-Венанудля всех режимов течения жидкости, с учетом того, что формула выведена дляпрямоугольного сечения. Тогда число Рейнольдса будет определяться:,где(9)Q- подача насоса, м3/с;a1 – ширина канала рабочего колеса, м;b1 - высота канала рабочего колеса, м;- кинематическая вязкость, м2/с.Длярасчетакоэффициентагидравлическогосопротивленияλудобноиспользовать формулу Черчилля, справедливую во всем диапазоне чисел Рейнольдса,включая ламинарный режим течения:(10)(11),(12)9гдеRe – число Рейнольдса;Δ – шероховатость, м;d - диаметр трубопровода, м.Для трубы прямоугольного сечения, предлагается рассматривать приведенныйгидравлический диаметр равный:(13)На основании проведенного анализа были приняты цель и задачи работы.Во второй главе описана методика проведения стендовых экспериментальныхработ.ЗаданыусловияиспытанийступенейЭЦН.Описанытехнологическиеособенности разрабатываемого стенда и модельной жидкости, погрешности измерений,испытываемых ступеней ЭЦН.