Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

На начальной стадии разработки месторождений встречается такое явление – работа насоса в «правой» зоне. Это явление характеризуется чрезмерно высоким дебитом жидкости скважины, а также повышением износа насоса при нормальной частоте тока электродвигателя. Скорость износа насоса увеличивается вследствие «всплытия» лопаточек в ступенях насоса и их истирания о верхнюю часть ступени. Поэтому работа насоса в «правой» зоне считается весьма неблагоприятным фактором, и ее всячески стараются избегать при добыче (например, с помощью уменьшения поперечного сечения проходного отверстия).

Однако если разобраться в причине возникновения этого явления, то можно избежать его неблагоприятные последствия или даже обратить его на пользу.

В результате расчетов и сравнения КПД и дебитов насосов, работавших в «правой» зоне, и их номинальных дебитов при данной частоте тока, выходит, что КПД при работе в «правой» зоне может равняться или даже быть больше 1, чего, естественно, быть не может. Из этого следует, что повышение дебита при работе насоса в «правой» зоне - результат работы не насоса, а дополнительных сил, помогающих выталкивать жидкость на поверхность. Для того чтобы выяснить, как это происходит, рассмотрим данные со скважин (при работе их насоса в «правой» зоне и при нормальных условиях):

- где Qж – дебит жидкости, F – частота тока, Hд – динамический уровень жидкости, Нсп – глубина спуска насоса, – давление на приеме насоса, – давление на линии

Рис. 1. Дебиты жидкостей и частота тока работы насоса при его работе в н.у. и в пр. зоне

Из данных таблицы и по диаграммам видно, что во всех случаях работы насоса в «правой» зоне динамический уровень жидкости Нд очень высок и, соответственно, давление на приеме насоса очень высоко, то есть именно столб жидкости в затрубном пространстве, создавая давление на приеме насоса, вызывает действие сил, резко увеличивающих отбор жидкости.

При движении пластовой жидкости через насос будет выполняться закон

сохранения массы:

Здесь и – дебиты жидкости и свободного газа в пластовой жидкости, и – соответствующие им плотности жидкости и газа. [1]

Количество пластовой жидкости поступающей в насос и выходящей из него не меняется, но насос не может при установленной частоте тока F прокачивать такое количество жидкости. Соответственно «излишки» прокачиваемой жидкости – не результат работы насоса, а, как уже говорилось, результат действия давления слишком высокого столба жидкости в затрубном пространстве скважины.

Так как скорость движения жидкости в результате работы насоса является постоянной, то скорость всего потока проходящего через насос флюида является повышенной в результате воздействия избыточного давления столба жидкости в затрубном пространстве скважины.

В данном случае уравнение сохранения количества движения жидкости можно свести к уравнению Бернулли:

- где – плотность пластовой жидкости, – давление на приеме насоса, – давление в трубопроводе, – скорость жидкости при входе в насос, – скорость жидкости на выходе из насоса [2].

Рис. 2. Примеры зависимости давления на приеме насоса от уровня жидкости в затрубном пространстве

Скорость и дебит между собой связаны соотношением:

- где – скорость движения жидкости, – дебит пластовой жидкости, – диаметр проходного отверстия [2].

Согласно закону Дарси, рассматривающему движение жидкости в пласте, главной движущей силой жидкости является перепад давления:

- где – проницаемость пласта, – площадь поперечного сечения проходного отверстия, – вязкость пластовой жидкости, L – длина участка пласта, через который фильтруется жидкость, и – давления на участках пласта, между которыми фильтруется жидкость.

При работе насоса в «правой» зоне перепад давления , из-за высокого уровня жидкости в затрубном пространстве, настолько велик, что скорость, с которой жидкость попадает в насос выше скорости, которую насос может создать для жидкости. При этом происходит процесс, как в эжекторном струйном насосе: жидкость, поступающая в насос, перемешивается с жидкостью, находившейся до этого в полости насоса (как в камере смешения струйного насоса), увлекает ее с собой. При этом также задействуется жидкость, находящаяся в «мертвой» зоне насоса, что, в свою очередь, дополнительно повышает дебит (особенно, если для сравнения учитывать, что насос, работая в нормальных условиях, находился под высоким давлением.). При этом создается чрезмерное давление на лопатки насоса, вследствие чего они «всплывают» (поднимаются вверх ступени насоса) и начинают истираться, что, в свою очередь, вызывает скорый износ всего насоса.

Для того чтобы избежать неблагоприятного влияния работы насоса в «правой» зоне («всплывания» лопаток и их скорого износа), необходимо изменить конструкцию ступеней насоса так, чтобы в верхней части ступени, над лопатками находился упорный подшипник. Он будет удерживать лопатки от «всплывания» и тем самым позволит работе насоса в «правой» зоне стать благоприятным фактором работы, позволяющим тратить меньше энергии и добывать большее количество жидкости за меньший промежуток времени.

Учитывая актуальность данной проблемы, рекомендуется внести необходимые коррективы в конструкции насосов, чтобы работа насоса в «правой» зоне перестала быть неблагоприятным фактором, и появилась возможность использования данного фактора разработки в благоприятных целях.

Рецензенты:

Ягубов Э.З., д.т.н., профессор, проректор по учебной работе, ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», г. Ухта;

Кнеллер Л.Е., д.т.н., профессор, профессор, зам. генерального директора по научной работе открытого акционерного общества научно-производственного предприятия «ВНИИГИС», г. Октябрьский.