Подбор установки электроцентробежного насоса к скважине

Под подбором УЭЦН к скважине следует понимать определение типоразмера установки, обеспечивающей планируемую добычу пластовой жидкости при наиболее оптимальных и экономичных показателях работы установки [2]. Первые методики подбора появились одновременно с появлением первых УЭЦН и впоследствии совершенствовались. Среди отечественных методик наиболее широкое распространение получили методики П. Д. Ляпков, Ю. А. Разутов, C. Линев, В. Н. Филипова и некоторые другие. Данные методики предназначены для ручного подбора УЭЦН, и впоследствии на их основе были разработаны алгоритмы для программ подбора оборудования на ЭВМ.

Итак, основной задачей подбора является обеспечение стабильной работы установки с заранее запланированными показателями. Для начала расчета установки необходимо знать ряд величин, определяющих работу системы пласт-скважина-УЭЦН. Перечень этих величин довольно большой, в него входят данные о планируемом дебите, физических свойствах и составе пластового флюида, данные о скважине, различные значения давлений и т. д. Очень кратко, возможный алгоритм подбора установки можно представить следующим образом:

Имея исходные данные и запланированный дебит, определяется глубина спуска насоса, такая, чтобы содержание свободного газа на приеме насоса было в пределах нормы [2]. По выбранной глубине подвески, типоразмеру обсадных и насосно-компрессорных труб, а также по планируемому дебиту, обводненности, газовому фактору, вязкости и плотности пластовой жидкости и устьевым условиям определяется потребный напор насоса. Далее по планируемому дебюту и рассчитанному напору насоса подбирается установка, характеристики которой наиболее близки к расчетным. Производится пересчет характеристик установки к условиям пластовой жидкости. Далее производится расчет потребной мощности, выбор двигателя, определение минимально допустимой скорости движения жидкости для охлаждения, расчет температуры основных элементов насосной установки и других параметров. В заключении проводится проверка возможности использования выбранной установки для освоения скважины. Более подробно с процессом ручного подбора УЭЦН к скважине можно ознакомиться в пособиях [2,3].

Ниже рассмотрен упрощенный алгоритм ручного подбора УЭЦН к скважине при низком газовом факторе.

Дано:

Таблица 1 — Данные для подбора УЭЦН к скважине.

Решение:

Определяем площадь внутреннего канала НКТ при V_ср = 1,3 м/с по формуле:

.

Внутренний диаметр НКТ по формуле:

.

Ближайший больший d_вн имеют НКТ диаметром 48 мм (d_вн = 40 мм). Скорректируем выбранное значение V_ср = 130 см/с:

.

Депрессия, которую необходимо создать путем уменьшения давления на пласт будет равна:

.

Число Рейнольдса по формуле:

.

Относительная гладкость труб по формуле:

.

где Д — шероховатость стенок труб, принимаемая для незагрязненных отложениями солей и парафина труб равной 0,1 мм:

.

Коэффициент л возможно определить по определяют по графику или числу Рейнольдса, независимо от шероховатости, если Re > 300:

.

Глубина спуска насоса по формуле:

.

Потери на трение в трубах по формуле:

.

Потери напора в сепараторе по формуле:

.

Величина необходимого напора определяется по формуле:

.

Для полученного дебита Q = 100 м³/сут и напора Н_с =1185 м выбираем один из подходящих насосов одной из фирм-производителей, в данном случае это установки фирмы Алнас. На графике (рисунок 24) представлена рабочая характеристика 0215ЭЦНАКИ 5−100И на 100 ступеней. Максимальное КПД 0,57.

Из полученной рабочей области характеристики найдем, что при дебите 100 м³/сут напор для 100 ступеней ЭЦН на воде составит 600 м. На графике представлен напор для воды, пересчитаем его для реальной жидкости (100 ступеней):

.

Рисунок 24 — Рабочая характеристика насоса 0215ЭЦНАКИ 5−100И на 100 ступеней.

Для совмещения характеристик насоса и скважины определим по формуле (5.12а) число ступеней Z, которое нужно насосу:

.

При установке штуцера на выкиде из скважины мы совмещаем напоры ЭЦН и скважины, но уменьшаем подачу ЭЦН, одновременно уменьшая его КПД. Полезная мощность электродвигателя определяется по формуле:

.

где з_н — КПД насоса по его рабочей характеристике (0,55), с_ж — наибольшая плотность откачиваемой жидкости.

Учитывая, что КПД передачи от двигателя до насоса (через протектор) составляет 0,92 ч 0,95 (подшипники скольжения), определим необходимую мощность двигателя:

.

Выбираем электродвигатель Алнас, ЭДТ 28−117М, что обозначает погружной электродвигатель, мощностью 8 кВт, термостойкий, диаметром корпуса 117 мм. Гидрозащиту выбираем Г (К)ТМА 5ЛД, что обозначает гидрозащита коррозионностойкая, модульная, термостойкая (до 120 ⁰C), габарита 5, в составе гидрозащиты лабиринтный и диафрагменный модули, производства Алнас.

После подбора ЭЦН и ПЭД, осуществляется подбор кабеля, трансформатора, проверка скорости движения жидкости для охлаждения ПЭД:

Дано: Расстояние до СУ 100 м, температура на приеме насоса 80.

Таблица 2 — Данные о выбранном ПЭД.

Решение:

Сечение жилы кабеля выбирают по номинальному току электродвигателя, исходя из плотности i рабочего тока в этом кабеле:

.

Выберем кабель с полиэтиленовой изоляцией КПБК З x 10 мм и КПБП 3×10 мм с рабочим напряжением 500 В, допустимым давлением до 5 МПа и температурой до 90 °C и размером 13,6×33,8 мм.

Длина кабеля должна быть равна глубине спуска насоса плюс расстояние от скважины до станции управления и небольшой запас на ремонт кабеля:

.

Сопротивление кабеля осуществляется по формуле:

.

где с = 0,0175 Ом· мм²/м — удельное сопротивление меди при t = 0 °C; б = 0,004 — температурный коэффициент для меди; t_з — температура на заборе у приема насоса; S — площадь поперечного сечения жилы кабеля.

Потери мощности в кабеле, кВт, определяются по формуле:

.

где I — рабочий ток в электродвигателе, A; Lк — длина кабеля, м; R — сопротивление кабеля, Ом/м.

Мощность трансформатора должна быть:

:

.

где Рэд, зэд — полезная мощность и КПД электродвигателя соответственно; ДРк — потери мощности в кабеле. Для определения величины напряжения во вторичной обмотке трансформатора найдем величину падения напряжения в кабеле, В:

.

Rк = R· 10³

— активное удельное сопротивление 1 км кабеля, Ом/км; Хо — индуктивное удельное сопротивление кабеля (Хо = 0,1 Ом/км); cosц — коэффициент мощности электродвигателя; sinц — коэффициент реактивной мощности; Lк — длина кабеля, км.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора:

.

Этому условию удовлетворяет трансформатор ТСБЗ-100 [7] с пределами регулирования во вторичной обмотке 900−1300 В и мощностью 84,5 кВт на отпайке 1200 В Для работы ПЭД без перегрева необходимо чтобы скорость движения жидкости в интервале спуска ПЭД была больше некоторого, установленного для данного двигателя значения. Скорость движения охлаждающей жидкости в расположении электродвигателя определим по формуле:

.

Полученная скорость превышает необходимую скорость охлаждения (0,08 м/с) по характеристике электродвигателя.

В качестве СУ подходит СУ Электон-05−250, газосепаратор не нужен.

Таблица 3 — Выбор типоразмера оборудования.

Выше был приведен очень упрощенный пример ручного подбора УЭЦН к скважине. Однако, как было сказано выше, на сегодняшний день подбор оборудования к скважине производится автоматически с помощью программ на ЭВМ. Плюсы использования компьютеров для расчета установок очевидны: Машинный подбор позволяет многократно сократить время на обработку информации и подбор оборудования, многократно увеличить точность подбора, свести к минимуму вероятность человеческой ошибки. Кроме того, использование машинного подбора позволяет отказаться от многих упрощений, неизбежно используемых при ручном подборе, что также повышает точность подбора [2]. Существует довольно большой выбор ПО как отечественных, так и западных производителей для расчета УЭЦН. Сущность машинного подбора такая же, как и при ручном подборе, но с множеством дополнительных параметров и возможностей.

Рисунок 25 — Окно ввода данных о пласте в программе NovometSel-Pro.

Рисунок 26 — 3D модель скважины в программе NovometSel-Pro [1].

Программы подбора УЭЦН в целом аналогичны друг другу, в качестве примера рассмотрим программу NovometSel-Pro от компании НОВОМЕТ. Программа имеет ряд преимуществ в сравнении с аналогами. Вот некоторые возможности программы: Построение индикаторной кривой проводится с учётом изменения проницаемости призабойной зоны из-за выделения в ней свободного газа; расчет периодической эксплуатации УЭЦН; Ориентация в расчете на максимальный КПД насоса; моделирование процесса вывода скважины на режим; Анализ работы ЭЦН в скважине; Расчёт прогиба установки при спуске в скважину; расчет необходимой длины теплостойкого кабельного удлинителя; расчет конического насоса и другие возможности. Более подробно особенности в следующей статье [1].

При машинном подборе первым делом специалисты отсылают заказчику опросный лист, в который необходимо ввести имеющиеся данные о пласте, скважине, инклинометрии, физических свойствах флюида, работавшей на скважине установке. Далее полученные данные вводят в поля программы. На рисунке 25 показано окно ввода данных о пласте. После ввода данных производится их анализ компьютером и подбор наиболее подходящей установки из числа имеющихся. Определяются параметры работы установки, ее компоновка, выводится графическая характеристика работы насоса. Вообще данная программа способна выдавать огромное количество текстовой и графической информации, возможно трехмерное построение модели скважины с указанием ее кривизны (рисунок 26) [1].

В целом, современные компьютерные программы, ориентированные на подбор установок к скважине решают широкий спектр задач возникающих в технологии нефтедобычи. Данные технологии на сегодняшний день используются повсеместно и хорошо справляются с поставленными задачами. Рациональный подбор оборудования позволяет добиваться эффективной работы скважины, что приводит к экономии значительных средств.