АНАЛИЗ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ПРИЁМНЫХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИНАХ

Современное развитие нефтегазовой отрасли характеризуется ростом доли трудноизвлекаемых запасов и усложнением условий разработки месторождений, что обусловлено истощением легкоизвлекаемых ресурсов, увеличением обводнённости продукции и вовлечением в эксплуатацию коллекторов с неоднородным строением. В данных условиях повышение эффективности добычи нефти в значительной степени обеспечивается внедрением новых технологий бурения и совершенствованием применяемого внутрискважинного оборудования. Одним из наиболее эффективных технологических решений, позволяющих повысить коэффициент извлечения нефти и дебиты скважин, является использование горизонтальных скважин, обеспечивающих увеличение площади контакта со вскрытым продуктивным пластом.

Для механизированной добычи нефти в горизонтальных скважинах широкое распространение получили электроцентробежные насосные установки, отличающиеся высокой производительностью, возможностью эксплуатации на значительных глубинах и адаптацией к различным геолого-промысловым условиям. Вместе с тем, условия работы электроцентробежных насосов в горизонтальных скважинах существенно отличаются от условий эксплуатации в вертикальных и наклонно-направленных скважинах. Распределённый характер притока пластовой жидкости по длине горизонтального ствола, асимметрия обтекания входной зоны, повышенное газосодержание продукции и наличие механических примесей формируют нестабильные гидродинамические условия на входе в насос. Это приводит к ухудшению условий всасывания, снижению производительности ЭЦН, возникновению нерасчётных режимов работы и ускоренному износу рабочих органов [1, с. 72–75].

Ключевую роль в обеспечении устойчивой работы электроцентробежного насоса играет приёмное устройство, предназначенное для подвода пластовой жидкости во всасывающую зону насоса и формирования начальных условий течения потока перед первой ступенью. Именно в приёмном устройстве закладываются гидродинамические параметры, определяющие характер работы насосной части. В условиях горизонтального расположения оборудования требования к конструкции приёмного устройства существенно возрастают за счёт неравномерного распределения притока пластовой жидкости, разделения газожидкостной смеси по сечению ствола (газ располагается в верхней части, жидкость — в нижней) и асимметричного обтекания входной зоны насоса, что приводит к ухудшению условий всасывания электроцентробежного насоса. Асимметричность притока приводит к неравномерному распределению скоростей по периметру входной зоны, в отдельных участках формируются зоны повышенной турбулентности и локальные области застойного течения [2, с. 1]. Одновременно в верхней части горизонтального ствола происходит накопление свободного газа, поступление которого во всасывающую зону насоса негативно влияет на рабочие характеристики ЭЦН и повышает вероятность возникновения газовых пробок [3, с. 90–94].

Дополнительным осложняющим фактором является наличие механических примесей в продукции скважин [4, с. 27–31]. В горизонтальных стволах твёрдые частицы склонны к осаждению в зоне размещения приёмного устройства в нижней части ствола. Их попадание в насос приводит к увеличению гидравлического сопротивления на входе, частичному перекрытию входных отверстий, абразивному износу рабочих колёс и направляющих аппаратов. Совокупное воздействие газового фактора, механических примесей и неравномерного притока делает приёмное устройство одним из наиболее уязвимых элементов электроцентробежной насосной установки при эксплуатации в горизонтальных скважинах.

Эксплуатационный опыт применения электроцентробежных насосных установок в горизонтальных скважинах показывает, что традиционные конструктивные решения приёмных устройств не в полной мере учитывают специфику условий притока пластовой жидкости в горизонтальном стволе. На практике при работе ЭЦН наблюдаются нестабильные режимы всасывания, связанные с неравномерным распределением фаз по сечению ствола, поступлением свободного газа во входную зону насоса и периодическим накоплением механических примесей в области приёма. Указанные факторы приводят к снижению производительности насосных установок, росту динамических нагрузок на элементы насоса и сокращению межремонтного периода эксплуатации. В условиях нестационарного притока пластовой жидкости традиционные приёмные устройства не обеспечивают выравнивания структуры потока перед первой ступенью насоса и достаточной защиты от абразивного износа, что обуславливает необходимость целенаправленного совершенствования конструкции приёмного устройства с учётом особенностей работы ЭЦН в горизонтальных скважинах.

Целью работы является повышение надёжности и устойчивости работы электроцентробежных насосов в горизонтальных скважинах за счёт совершенствования конструкции приёмного устройства. В рамках исследования выполнен анализ условий работы приёмного устройства в горизонтальном стволе скважины и рассмотрены основные эксплуатационные проблемы, влияющие на режим всасывания.

На основе выполненного анализа обосновано перспективное направление совершенствования приёмного устройства, ориентированное на комплексное воздействие на основные факторы, определяющие режим всасывания. В качестве прототипа предлагается конструкция газоограничивающего приёмного устройства [2], предназначенного для преимущественного забора пластовой жидкости из нижней части горизонтального ствола, где концентрация свободного газа минимальна.

Рисунок 1.  Схема газоограничивающего приёмного устройства электроцентробежного насоса для горизонтальной скважины

На рисунке 1 изображена схема газоограничивающего приёмного устройства электроцентробежного насоса для эксплуатации в горизонтальной скважине, содержащая: 1 — нагнетательный патрубок насоса, 2 — обсадная колонна, 3— пластовая жидкость, 4 — всасывающий патрубок насоса, 5 — адаптер (переходной элемент между приёмным устройством и насосом), 6 — свободный газ в скважине, 7 — приёмное устройство (газоограничивающий входной узел), 8 — трубчатый адаптер, 9 — погружной электроцентробежный насос, 10 — узел уплотнения (протектор), 11 — погружной электродвигатель, 12 — продуктивный пласт.

Совершенствование данной конструкции целесообразно осуществлять путём интеграции в приёмное устройство дополнительных функциональных элементов. Перспективным решением является внедрение фильтрующего элемента во входной зоне для задержания механических примесей и снижения абразивного износа рабочих органов насоса. Размещение фильтрующего элемента непосредственно в зоне входных отверстий позволяет защитить насос от попадания крупных частиц без существенного усложнения общей компоновки установки [2, с. 1].

Для повышения устойчивости режима всасывания и уменьшения влияния асимметричного притока целесообразно предусмотреть в конструкции приёмного устройства направляющие элементы, формирующие более упорядоченный и симметричный поток перед первой ступенью электроцентробежного насоса. Формирование выровненного поля скоростей позволяет снизить турбулентность, уменьшить гидравлические потери во входной зоне и повысить стабильность работы насоса при изменяющихся условиях притока. Совмещение функций газоограничения, фильтрации механических примесей и стабилизации потока обеспечивает комплексное воздействие на основные факторы, формирующие режим работы электроцентробежного насоса в горизонтальных скважинах.

Таким образом, выполненный анализ показывает, что приёмное устройство является ключевым элементом электроцентробежной насосной установки, определяющим устойчивость и надёжность её работы в условиях эксплуатации горизонтальных скважин. Существующие технические решения в основном направлены на компенсацию отдельных осложняющих факторов и не обеспечивают комплексного улучшения условий всасывания. Предложено перспективное направление совершенствования приёмного устройства, предусматривающее одновременное снижение влияния газового фактора, защиту от механических примесей и формирование более равномерного потока перед насосной частью. Реализация данного подхода позволяет повысить ресурс электроцентробежных насосов, снизить вероятность отказов и обеспечить более стабильные режимы работы насосного оборудования при разработке месторождений с использованием горизонтальных скважин.