image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 11 2017

Насосы. Компрессоры

01.11.2017 10:00 О влиянии фракционного состава абразивных частиц в добываемой жидкости на виды износа деталей электроцентробежных насосов
В статье с использованием принятых ГОСТ 27674-88 терминов описаны основные виды износа рабочих органов электроцентробежных насосов, имеющие место при добыче жидкости, содержащей абразивные частицы различного фракционного состава. Виды износа оборудования в случае присутствия преимущественно алевролитовых фракций размером до 0,1 мкм и небольшой доли песчаных фракций размером более 0,1 мм показаны на примере песконесущих скважин пластов АВ Самотлорского нефтяного месторождения. В этом случае основными видами износа деталей электроцентробежных насосов с рабочими колесами плавающего типа, рабочими ступенями двухопорной конструкции из материала нирезист тип 1 являются абразивный осевой и абразивный радиальный износы. Поскольку помимо алевролитовых фракций в добываемой жидкости присутствует и небольшое количество песчаных частиц, гидроэрозионный износ также имеет место, хотя в большинстве случаев не является доминирующим. В продукции скважин Ванкорского нефтяного месторождения присутствуют преимущественно песчаные фракции размером 0,3 мм, и основными видами износа являются гидроабразивный промыв направляющих аппаратов и гидроабразивное разрушение лопаток рабочих колес. Приведены примеры типичных видов износа рабочих органов электроцентробежных насосов, обусловленного присутствием в жидкости абразивных частиц различного фракционного состава. Таким образом, на основании изучения видов износа деталей электроцентробежных насосов можно с достаточной для принятия инженерных решений точностью оценить состав твердых фракций, присутствующих в добываемой жидкости. Использование метода анализа видов износа позволит промысловому технологу более точно осуществлять выбор мероприятий по увеличению ресурса работы оборудования, таких как использование технологий защиты от песка и подбор оптимального конструкционного исполнения электроцентробежных насосов и материалов изготовления рабочих ступеней. Представленные в статье примеры видов износа использованы в классификаторе видов отказов оборудования ПАО «НК «Роснефть».
Ключевые слова: повышение наработки электроцентробежных насосов, борьба с песком, эксплуатация скважин в осложненных условиях, износ оборудования.
Ссылка для цитирования: Якимов С.Б., Ивановский В.Н., Деговцов А.В., Елисеев Д.Б., Айгишев Е.В. О влиянии фракционного состава абразивных частиц в добываемой жидкости на виды износа деталей электроцентробежных насосов // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 11. С. 32–38.
Открыть PDF


Как неоднократно указывалось в публикациях российских и зарубежных авторов, основная доля отказов электроцентробежных насосов (ЭЦН) на многих нефтяных месторождениях с терригенными коллекторами происходит из-за износа и засорения рабочих органов механическими примесями.
В процессе эксплуатации рабочие органы ЭЦН подвержены воздействию различных факторов, вызывающих износ, к основным видам которого можно отнести: механическое изнашивание, коррозионно-механическое изнашивание, абразивное изнашивание, гидроабразивное изнашивание и др.

Очень часто при наличии механических примесей в пластовой продукции говорят об абразивном и гидроабразивном износе рабочих органов насоса.
В ГОСТ 27674-88, устанавливающем применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных понятий в области трения, изнашивания и смазки, даются определения этим двум видам износа [1]:

• абразивное изнашивание – механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или твердых частиц;

• гидроабразивное изнашивание – абразивное изнашивание в результате действия твердых тел или твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости.

Многие авторы при описании износа деталей ЭЦН используют термин «эрозионное изнашивание», что неверно. В ГОСТ 27674-88 термин «эрозионное изнашивание» отсутствует, а для процесса изнашивания металла в результате воздействия потока жидкости, в которой отсутствуют абразивные частицы, устанавливается термин «гидроэрозионное изнашивание». Вместе с тем гидроэрозионное изнашивание в чистом виде встречается редко, даже при длительной эксплуатации ЭЦН.

1.png

Как сложная техническая система, работающая в различных скважинных условиях преимущественно в вертикальном, наклонном или – реже – в горизонтальном положении, ЭЦН имеют свои специфические виды износа. Так, следует отметить, что в ГОСТ 27674-88 представлен такой вид износа, как изнашивание при фреттинге – механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микросмещении. Наличие вибрации при работе насосного оборудования в условиях попадания в радиальные зазоры абразивных частиц может приводить к катастрофическому износу за небольшой промежуток времени.

На практике рабочие органы насоса подвержены одновременно нескольким видам износа, кроме того, в большинстве случаев добываемая жидкость является коррозионно активной.
По этой причине изнашивание деталей ЭЦН является коррозионно-механическим, хотя коррозионная составляющая, как правило, невелика.

Изучение и анализ видов износа рабочих органов ЭЦН является ключевой задачей, позволяющей разработать научно обоснованные эффективные мероприятия по увеличению ресурса работы оборудования путем подбора оптимальных конструкций и установления оптимального технологического режима его эксплуатации. Такого же мнения придерживаются и зарубежные эксперты [2]. В настоящей статье на примере песконесущих скважин Самотлорского и Ванкорского месторождений показаны основные виды износа рабочих органов ЭЦН, при этом был учтен гранулометрический состав присутствующих в добываемой жидкости абразивных частиц.

Количественный и качественный состав абразивных частиц, присутствующих в добываемой жидкости Самотлорского месторождения, хорошо изучен. Около 70 % всех установок ЭЦН данного месторождения эксплуатируются на фонде скважин пластов группы АВ со средней концентрацией абразивных частиц (КАЧ) 112 мг/л с индексом агрессивности 76 [3, 4]. Абразивные частицы состоят из кварца (89 %), плагиоклаза (10 %) и обломков горных пород (1 %). Доля алевролитовых фракций песка размером менее 0,1 мм в большинстве случаев составляет 80–90 %, доля песчаных фракций размером более
0,1 мм – 10–20 %.

В отличие от Самотлорского месторождения в добываемом флюиде Ванкорского месторождения доля алевролитовых фракций невелика и составляет в среднем всего 7 %. В добываемой жидкости присутствуют в основном песчаные фракции размером более 0,1 мм, доля которых составляет 92,5 %. Средний размер зерен выносимого кварца – 0,3 мм, доля фракций крупнее 0,3 мкм доходит до 47 %. Значения КАЧ варьируют от 50 до 5000 мг/л, средний индекс агрессивности 73.

Из приведенных данных видно, что выносимые абразивные частицы на Самотлорском и Ванкорском месторождениях значительно различаются прежде всего с точки зрения гранулометрического состава (рис. 1).

Основную часть ЭЦН, используемых на Самотлорском месторождении, составляют насосы с рабочими ступенями двухопорной конструкции из материала нирезист тип 1 с колесами плавающего типа с промежуточными радиальными подшипниками, установленными на валу через 0,5 м для радиальной стабилизации ротора насоса. Средний дебит скважин Самотлорского месторождения – 160 м3/сут. На Ванкорском месторождении используются в основном ЭЦН из аналогичных материалов рабочих ступеней пакетной сборки, т. е. не только с радиальной, но и с осевой стабилизацией. Средний дебит скважин Ванкорского месторождения – 458 м3/сут.

1_1.png 

Износ осевых сопряжений

В случаях, когда в добываемой жидкости присутствуют в основном относительно мелкие алевролитовые фракции песка, доминирующими видами износа, вызывающими возникновение параметрического или физического отказа ЭЦН, являются осевой и радиальный. Эти два вида износа характерны для оборудования, используемого при эксплуатации скважин Самотлорского, а также большинства других месторождений Западной Сибири. Данный факт легко объясняется высокой долей абразивных частиц со средним диаметром менее 0,25 мм, способных проникать в зазоры между осевыми и радиальными сопряжениями насоса.
В работе [5] было отмечено, что осевой износ возникает даже в случае полного отсутствия абразивных частиц в добываемой жидкости, т. е. процесс изнашивания осевых сопряжений может быть механическим. Однако при эксплуатации скважин Самотлорского и Ванкорского месторождений абразивные частицы присутствуют всегда, хотя бы в малых концентрациях, поэтому имеющиеся факты осевого износа деталей ЭЦН авторы статьи относят к абразивному изнашиванию.

Процесс осевого изнашивания начинается с изнашивания опорных шайб рабочих ступеней, изготовленных чаще всего из карбонита или текстолита (рис. 2а). После полного разрушения опорных шайб начинается процесс абразивного изнашивания опорных проточек рабочих колес (рис. 2б) и опорных буртов направляющих аппаратов (рис. 2в). При высоких осевых нагрузках, например при работе ЭЦН в левой части расходно-напорной характеристики, интенсивность абразивного изнашивания осевых сопряжений значительно возрастает, что в конечном счете приводит к полному износу и разрушению рабочих колес (рис. 2г).

1_1_1.png 

Износ радиальных сопряжений

Во всех случаях, когда в добываемой жидкости присутствуют абразивные частицы в виде алевролитовых и мелких песчаных фракций, процесс абразивного изнашивания осевых сопряжений ЭЦН происходит одновременно с абразивным изнашиванием сопряжений радиальных, износ которых может приводить к увеличению вибрационных нагрузок на вал насоса и его усталостному разрушению. Абразивному изнашиванию подвержены защитные втулки вала насоса (рис. 3а) и поверхности ступиц направляющих аппаратов (рис. 3б). Изнашиванию в большой степени подвержены и удлиненные ступицы рабочих колес (рис. 3в). На рис. 3г представлен пример радиального износа ступицы рабочего колеса до полного разрушения, а на рис. 3д – односторонний радиальный износ вала насоса, на рис. 3е – радиальный износ вала (более чем на 50 %) и его слом. Часто радиальный износ является причиной преждевременных отказов (например, износ валов на Ванкорском месторождении).


Гидроабразивный износ

Поскольку, как было показано, в добываемой жидкости нефтяных месторождений с терригенным коллектором присутствуют в основном абразивные частицы кварца и плагиоклаза диаметром 0,05–0,1 мм, гидроабразивное изнашивание в большинстве случаев не является основным видом износа деталей ЭЦН. Скорость гидроабразивного износа зависит не только от среднего диаметра абразивных частиц, но и от их концентрации, размера, плотности, отношения твердости изнашиваемой детали и твердости абразивных частиц, коррозионного фактора, силы прижатия к поверхности и частоты вращения насоса. Данная зависимость описана в [6].

В случае наличия в добываемой жидкости алевролитовых фракций песка и незначительной доли более крупных песчаных фракций, а также при подачах насосов до 250 м3/сут гидроабразивному изнашиванию прежде всего подвержена внутренняя поверхность корпуса направляющего аппарата в зоне выхода жидкости из рабочего колеса, в результате чего вначале появляются сквозные промывы (рис. 4а), а затем происходит полное разрушение корпуса направляющего аппарата (рис. 4б). Гидроабразивному изнашиванию подвергается и проточная часть корпуса направляющего аппарата в зоне выхода жидкости в следующее рабочее колесо (рис. 4в). На рис. 4г представлен типичный пример гидроабразивного износа проходных отверстий опорного подшипника ЭЦН. Поскольку в данных условиях гидроабразивное изнашивание лопаток рабочих колес незначительно, заметной деградации расходно-напорной характеристики в процессе эксплуатации ЭЦН обычно не происходит. Как правило, параметрический отказ из-за снижения расходно-напорной характеристики наступает из-за увеличения утечек жидкости, вызванных увеличением радиальных и осевых зазоров вследствие процесса абразивного изнашивания и реже вследствие гидроабразивного промыва направляющего аппарата. Данные выводы подтверждают исследования зависимости деградации расходно-напорной характеристики ЭЦН, эксплуатирующих скважины пластов группы АВ Самотлорского месторождения [7]. Как было установлено, после сравнительно длительного периода нормальной эксплуатации, в течение которой деградации расходно-напорной характеристики не происходит, наступает момент, после которого скорость деградации резко увеличивается, что и приводит к параметрическому отказу оборудования. Меньшая часть параметрических отказов ЭЦН вследствие резкого снижения расхода жидкости происходит из-за гидроабразивного изнашивания. Процесс гидроабразивного изнашивания направляющих аппаратов происходит даже на скважинах Самотлорского месторождения с дебитом до 40 м3/сут [8]. Анализ актов дефектации рабочих ступеней ЭЦН, отработавших на скважинах пластов АВ Самотлорского месторождения более года, показал, что гидроабразивный износ направляющих аппаратов наблюдается в 12,7 % случаях при непрерывной и в 6,1 % случаях при периодической эксплуатации. В большой степени гидроабразивному износу подвержены и газосепараторы классического типа с вращающимися рабочими органами (шнек, рабочее колесо и т. д.), причем количество изнашиваний до полного разрушения корпуса прямо пропорционально среднему диаметру абразивных частиц, присутствующих в жидкости [9]. При этом причиной отказа насос-
ного оборудования не всегда является гидроабразивный износ.

1_1_2.png

В то же время в случае наличия в добываемой жидкости песчаных фракций со средним диаметром 0,3 мм и расходе насосов более 250 м3/сут, что характерно для Ванкорского месторождения, гидроабразивный износ может доминировать над осевым и радиальным и приводить к отказу оборудования.
Характерные для высокодебитных скважин виды износа корпуса опорного подшипника, корпуса направляющего аппарата и рабочей ступени ЭЦН показаны на рис. 4д–з. При сравнении рис. 4б и 4ж видно, что зоны охвата гидроабразивным износом сильно различаются. Если в случае преимущественного присутствия алевролитовых фракций песка при относительно небольших расходах гидроабразивный износ направляющих аппаратов происходит по нижней образующей, то в случае наличия относительно крупных песчаных фракций и при высоких расходах жидкости гидроабразивный промыв происходит по центру корпуса.

Выводы

1. Виды абразивного и гидроабразивного изнашивания насосного оборудования в значительной степени зависят от гранулометрического состава присутствующих в добываемом пластовом флюиде абразивных частиц.

2. Анализ характерных видов износа деталей ЭЦН и основных параметров работы системы «пласт – скважина – насосная установка» обеспечивает возможность оценочного понимания фракционного состава выносимого песка и, на основании данной возможности, разработки и внедрения мероприятий по повышению ресурса работы скважинного оборудования.



← Назад к списку


im - научные статьи.