XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Аварии установок погруженных центробежных насосов для добычи нефти, так называемые РС-отказы (расчленения самопроизвольные) или «полеты», проблема последних десятилетий, но до сих пор она кардинально не решена. Ущерб от РС-отказов настолько велик, что любые попытки решения проблемы оправданы. За год по всем регионам происходит более тысячи «полетов», и при средней величине ущерба за один случай более 500 тыс. рублей, общие потери составляют более 500 млн. руб. в год. Несмотря на то, что уже накоплен определенный опыт борьбы с РС-отказами, все еще продолжаются споры о причинах и мерах по устранению аварий. Причины «полетов» в настоящее время полностью не изучены, но имеющиеся эксплуатационные данные позволяют считать, что они в основном связаны с вибрацией.

Источниками вибраций являются:

Уровень вибрации, который уже заложен в конструкции 6,5 мм/с;

Дополнительные уровни вибрации, возникающие после ремонта и монтажа УЭЦН;

Основные источники вибрации, возникающие при эксплуатации, которые приводят к критическому уровню вибрации – износ рабочих органов, кривизна скважин, неправильный подбор и т.д.

Рассмотрим, где происходит обрыв УЭЦН
УШГН (Установка ШГН, Установка штангового глубинного насоса) — это глубинные насосы штангового типа. Представляют собой устройство, при помощи которых можно откачивать жидкие среды из скважин, характеризующихся значительной глубиной.

Оборудование УШГН состоит из погружной части, плунжера, шарового и обратного клапана. Основные узлы привода УШГН: рама, балансир с поворотной головкой, траверса с шатунами, редуктор с кривошипами и противовесами, стойка в виде усеченной четырёхгранной пирамиды. УШГН является одной из наиболее распространенных в мире установок для добычи нефти. Преимущества УШГН: обладает высоким коэффициентом полезного действия, возможность применения двигателей различного типа. К недостаткам относятся: ограничение по глубине скважин и малая подача насоса.

Принцип работы При перемещении плунжера вверх в нижней части камеры насоса создается разрешение давления, что способствует всасывание перекачиваемой жидкой среды через входной клапан.

Схема добычи нефти

С помощью ШГН:

Высасывающий клапан

Нагнетательный клапан

Штанга

Тройник

Устьевой сальник

Балансир станка качалки

Кривошипно — шатунный механизм

Электродвигатель

Головка балансира

Насосные трубы.

УЭЦН (Установка ЭЦН, Установка электроприводного центробежного насоса) УЭЦН относится к погружным бесштанговым насосным установкам. Оборудование УЭЦН состоит из погружной части, спускаемой в скважину вертикально на колонне НКТⁱ, и наземной части соединённые между собой погружным силовым кабелем.

Погружное оборудование УЭЦН

Погружная часть оборудования УЭЦН представляет собой насосный агрегат, вертикально спущенный в скважину на колонне НКТ, состоящий из ПЭД (погружного электродвигателя), узла гидрозащиты, модуля приёма жидкости, самого ЭЦН, обратного клапана, спускного (дренажного) клапана. Корпуса всех узлов погружной части УЭЦН представляют собой трубы, имеющие фланцевые соединения для сочленения друг с другом, за исключением обратного и спускного клапанов, которые прикручиваются к НКТ резьбой. Длина погружной части в собранном виде может достигать более 50 метров. Частью погружного оборудования так же является погружной бронированный трёхжильный кабель, длина которого на прямую зависит от глубины спуска погружной части УЭЦН.

ЭЦН(Электроприводной центробежный насос) для добычи нефти представляет собой многоступенчатую и в общем случае многосекционную конструкцию. Модуль-секция насоса состоит из корпуса, вала, пакета ступеней (рабочих колес и направляющих аппаратов), верхнего и нижнего радиальных подшипников, осевой опоры, головки, основания. Пакет ступеней с валом, радиальными подшипниками и осевой опорой помещаются в корпусе и зажимаются концевыми деталями. Исполнения насосов отличаются материалами рабочих органов, корпусных деталей, пар трения, конструкцией и количеством радиальных подшипников.

Структура условного обозначения ЭЦН

На сегодняшний день с освоением новых месторождений нефти с осложнёнными условиями её добычи и применением технологий, повышающих нефтеотдачу пластов на уже эксплуатируемых месторождениях, приводит к уменьшению межремонтного периода эксплуатации традиционного нефтедобывающего оборудования, в том числе и ЭЦН. Этот факт требует от производителей увеличения модельного ряда, выпускаемого ими оборудования, которое может соответствовать условиям конкретных скважин. В связи с чем, выпускаются новые модели ЭЦН, имеющие конструктивные особенности рабочих органов, технологию их плавки и материал, из которого их изготавливают, расположение осевых и радиальных опор и многое другое. Все эти особенности отражены в условных обозначениях модели насоса, которые, нередко, каждый производитель формирует согласно своим техническим условиям, несмотря на создание государственного стандарта на этот тип оборудования.

Аварии установок погружных центробежных насосов для добычи нефти, так называемые PC-отказы (расчленения самопроизвольные) или «полеты», проблема последних десятилетий, но до сих пор она кардинально не решена. Ушерб от PC-отказов настолько велик, что любые попытки решения проблемы оправданны. За год по всем регионам происходит более тысячи «полетов», и при средней величине ущерба за один случай более 500 тыс. рублей, общие потери составляют более 500 млн. руб. в год [20,86]. Ііесмотря па то, что уже накоплен определенный опыт борьбы с PC-отказами, все еще продолжаются споры о причинах и мерах по устранению аварий. Причины «полетов» в настоящее время полностью не изучены, но имеющиеся эксплуатационные данные позволяют считать, что они в основном связаны с вибрацией.

Источниками вибрации являются:

1) уровень вибрации, который уже заложен в конструкции 6,5 мм/с;

2) дополнительные уровни вибрации, возникающие после ремонта и монтажа УЭЦН;

3) основные источники вибрации, возникающие при эксплуатации, которые приводят к критическому уровню вибрации - износ рабочих органов, кривизна скважин, неправильный подбор и т.д.

Рассмотрим, где происходит обрыв УЭЦН:

- модуль-головка или ловильная головка - верхняя секция ЭЦН,

- соединение между ПЭД и компенсатором,

- по корпусу ЭЦН,

- по корпусным деталям протектора,

- по резьбовой части НКТ,

- по резьбе обратного клапана,

- фланцевые соединения. Опытом эксплуатации УЭЦН установлена взаимосвязь между распределением уровней вибрации и наработками на отказ погружных агрегатов.

Общая точка зрения заключается в том, что PC-отказ наступает в результате усиленной вибраиии и пульсации давления изношенного насоса, которые приводят к разрушению крепежных элементов и других слабых мест в насосной установке. Прочность и износостойкость элементов конструкции являются важнейшими показателями функционирования и ресурса установки. Рентгеноструктурный анализ, фрактографические и другие виды исследования изношенных поверхностей деталей позволяют утверждать, что в центробежных насосах встречаются практически все виды механизмов изнашивания: абразивное, адгезионное, эрозионное, усталостное, коррозионное. Влияние загрязненности жидкости абразивными частицами на МРП доказано опытом эксплуатации УЭЦН. Тип, размер и форма абразива влияют на характер и интенсивность изнашивания материалов электропогружных установок. Абразивы (проппант после ГРПⁱⁱ и песок) засоряют ЭЦН. Исследования в области изменения уровня мехпримесей показали, что интенсивность выноса имеет резкие «пики» (уровень КВЧ увеличивается в несколько раз) при изменении параметров - при запусках УЭТЩ или увеличениях частоты в процессе работы, но значительно снижается при стабильной долговременной работе систем.

Попадание проппанта в зазор радиальной пары трения приводит к резкому увеличению момента трения вследствие «пропахивании» частицами рабочих поверхностей и при развитии процесса - к заклиниванию [63]. Заклинивание рабочих колес может приводить к перекосу вала и к преждевременному его слому. Центробежный насос начинает испытывать вибрационные нагрузки, которые вызывают маятниковый эффект и в конечном итоге приводит к отвороту шлицевых муфт и отрыву фланцевого соединения между насосом и погружным двигателем.

Механизм абразивного изнашивания, заключающийся во внедрении в мягкий материал твердых частиц и абразивном воздействии на более мягкую деталь, характерен для пар трения типа резина-сталь, латунь-чугун и т. д. Недостаточная износостойкость опор скольжения и торцевых утоплений приводит к увеличению зазоров и, как следствие, перетоку жидкости в рабочих ступенях, увеличению дисбалансов вращающихся масс, которые увеличивают амплитуды хшлебаний корпуса насоса и НКТ. Механизм взаимодействия абразивных частиц с поверхностями ірения меняется по мере увеличения зазоров. По мере увеличения зазоров возрастает интенсивность изнашивания, увеличивается эксцентриситет из-за уменьшения центрирующей силы и увеличения силы смещения вследствие увеличения центробежной силы, действующей на ротор при несовпадении центра тяжести и оси вращения, и возникновения несимметрии эпюр давления, действующих на наружную поверхность рабочего колеса. Наличие зазоров во фланцевых соединениях при ослаблении затяжки болтов ведет к возникновению ударных сил, разрушающих насосную установку.

Проблема абразивного изнашивания обостряется по следующим причинам: глубина скважин имеет тенденцию к увеличению, а скорости вращения привода насосов к возрастанию. Абразивный и адгезионный виды изнашивания наиболее часто встречаются в малодебитных насосах.

Фрактографические исследования крепежа и фланцев, разрушенных в процессе эксплуатации, указывают на усталостный характер их разрушения, которое происходит при действии на конструкцию сил с переменной во времени амплитудой.

Изнашивание радиальных опор (концевые подшипники, защитная втулка, направляющий аппарат) приводит к возникновению динамических нагрузок в корпусных деталях и НКХ возникновению поперечных колебаний, которые моїут вызвать отказ установки по критерию усталостной прочности [63]. Усталостное разрушение резьбовых деталей, фланцев, корпусов и т.д. -результат действия многоцикловых переменных нагрузок, источником которых являются различные процессы в насосе. В настоящее время не существует удовлетворительной системы идентификации отказа по критерию усталостной прочности, анализа его возможных причин в ЦБПОⁱⁱⁱ при расследовании аварий.

Причина разрушения деталей ЭЦН в процессе эксплуатации связана также с коррозионным поражением металла. Одной из существенных причин быстрого изнашивания трущихся поверхностей является образование ржавчины на этик поверхностях, когда скважина сильно обводнена. Чугун, из которого изготовлены рабочие колеса и направляющие аппараты, на поверхностях трения окисляется и обе контактирующие поверхности интенсивно изнашиваются, т.к. твердость окислов железа превосходит твердость этих поверхностей существенно. Повышение обводненности и минерализации добываемой жидкости, её бактериальное поражение являются объективной причиной ускоренной коррозии оборудования.

Процесс коррозионного разрушения происходит поэтапно:

1-ый этап - сульфидная коррозия,

2-ой этап - отслоение продуктов коррозии,

3-ий этап - механический износ за счет взаимодействия поверхности деталей с частицами песка,

4-ый этал - наводороживание металла в процессе которого происходит образование трещин СКРН и выкрашивание отдельных фрагментов металла.

Одной из наиболее опасных форм коррозии является сульфидно -коррозионное растрескивание под напряжением (СКРН), а наиболее распространенный механизм - электрохимическое растворение, Исследования, выполненные в ОАО «ВНИИТНефть», показали, что в подавляющем большинстве случаев первопричиной разрушения пар «опора-колесо-втулка» является хрупкое (из-за наводороживания) разрушение поверхностных слоев деталей и уже последующий гидроабразивный износ продуктами коррозии, попадающими в зону трения.

Механизм разрушения фреттшг - коррозии возможен при контактном взаимодействии поверхностей отверстия рабочего колеса и вала. Физической основой возникновения фреттинг - коррозии являются характер движения колеса, определяемый дисбалансом, кориолисовыми силами, и существование колебаний колеса относительно вала с малой амплитудой.

Список литературы.

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%B3%D0%BB%D1%83%D0%B1%D0%B8%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BD%D0%B0%D1%81%D0%BE%D1%81

https://studexpo.ru/581517/geologiya/analiz_prichin_avariynosti_skvazhinah_oborudovannyh_uetsn

https://studbooks.net/1772935/geografiya/tehniko_tehnicheskiy_razdel

Код для цитирования: Скопировать