Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Повышение эффективности системы сбора и транспорта продукции нефтяных скважин на основе разработки и применения многофазных насос-компрессоров

ВАК РФ 25.00.17, Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности системы сбора и транспорта продукции нефтяных скважин на основе разработки и применения многофазных насос-компрессоров"

На правах рукописи

САДЫКОВ АЛЬФРЕД ФАЙЗРАХМАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ СБОРА И ТРАНСПОРТА ПРОДУКЦИИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОФАЗНЫХ НАСОС-КОМПРЕССОРОВ

25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений; 05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2003

Работа выполнена в ОАО «ТатНИИнефтемаш» и Казанском государственном технологическом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Максимов Валерий Архипович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тронов Валентин Петрович;

кандидат технических наук Петросян Григорий Григорьевич

Ведущая организация: Отдел энергетики КНЦ РАН, г.Казань

Защита состоится 2 октября 2003 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 222.018.01 при Татарском научно - исследовательском и проектном институте нефти (ТатНИПИнефть) по адресу: 423200, г. Бугульма, ул. М. Джалиля, 32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института ТатНИПИнефть Автореферат разослан «2.9» а&Ьусгд 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, с.н.с.

/О^е Р.З. Сахабутдинов

Чооз -А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

3

Актуальность темы. Одним из важнейших направлений повышения эффективности производства и обеспечения экологической безопасности в нефтяной промышленности является решение проблемы снижения удельных энерго-и ресурсозатрат при добыче нефти и сокращения потерь углеводородов. Возможность успешного решения этой проблемы во многом определяется выбранной схемой обустройства нефтяных месторождений. При обустройстве новых месторождений, а также при эксплуатации истощенных месторождений или месторождений с низким начальным пластовым давлением экономически целесообразным является использование системы совместного сбора и транспорта продукции скважины по одной системе трубопроводов с помощью насос-компрессоров, позволяющей сократить капитальные вложения, повысить нефтеотдачу пластов за счет снижения давления на устье скважины, обеспечить полную утилизацию попутного нефтяного газа с момента начала эксплуатации месторождения, улучшить экологию. Наиболее широкое применение при однотрубной системе нефтегазосбора нашли двухвинтовые насос-компрессорные установки. Однако их дальнейшее внедрение сдерживается необходимостью предварительного решения ряда вопросов, связанных с разработкой надежной методики выбора параметров насос-компрессорных установок при различных режимах работы в системе нефтегазосбора применительно к конкретным нефтепромысловым объектам.

Требует изучения и влияние попутного нефтяного газа при его совместном транспорте с нефтью по однотрубной системе нефтегазосбора на размеры дисперсной фазы водонефтяной эмульсии, от величины которых зависит эффективность процесса обезвоживания и обессоливания нефти.

Следует отметить, что в известной литературе отсутствуют какие - либо конкретные данные о применяемых в двухвинтовых насос- компрессорах зарубежных фирм типах циклоидального профиля винтов, нет практических рекомендаций по выбору геометрических параметров винтовой нарезки (глубина, шаг, величина зазоров) в зависимости от производительности насоса, перепада давления на нем и свойств перекачиваемой среды. Известные методы расчета, опубликованные в трудах отечественных специалистов, касаются, в основном, насосов для перекачки однофазных жидкостей (мазута, минеральных масел, воды и т.п.) или основаны на результатах обработки опытных данных, что ограничивает область их применения условиями проведенных испытаний.

В связи с этим исследование влияния свойств перекачиваемой среды, геометрии проточной части на энергетические характеристики двухвинтовых насос - компрессоров, разработка методики расчета и практических рекомендаций по их проектированию применительно к условиям работы в системе нефтегазосбора является актуальной задачей.

Цель работы. Повышение эффективности промысловой системы сбора и транспорта продукции нефтяных скважин, обеспечение экологической безопасности при добыче нефти на основе разработки и применения многофазных насос-компрессорных установок. .. _

Задачи работы. Для достижения поставленной ц4АИ необходимо ре-

шить следующие задачи:

С.Петербург * 09 30» ***

ЗОЮ

1. Провести сравнительный анализ технологических схем промысловых систем и технических средств сбора и транспорта продукции нефтяных скважин.

2. Разработать методику определения параметров многофазных насос-компрессорных установок применительно к конкретным нефтепромысловым объектам, учитывающую свойства перекачиваемой газоводонефтяной смеси и характеристики трубопроводов системы нефтегазосбора.

3. Провести оценку влияния соотношения газовой и жидкой фаз на дисперсность эмульсии при движении газоводонефтяных смесей по трубопроводам системы нефтегазосбора.

4. Разработать математическую модель изотермического течения вязкой несжимаемой жидкости через систему зазоров в проточной части насос - компрессора с учетом реальной геометрии щелей между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов и режима течения в них.

5. Разработать методики и комплекс программ расчета координат теоретического профиля винта, профиля винта в осевом сечении, профиля дисковой фрезы, геометрии щели между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов с циклоидальным профилем, энергетических характеристик насос — компрессора, которые позволяли бы рассчитывать последние при отсутствии результатов стендовых испытаний насос — компрессоров.

6. Провести теоретические исследования энергетических характеристик многофазного насос — компрессора, определить основные факторы, оказывающие наибольшее влияние на эффективность работы насос-компрессора.

7. Разработать, изготовить и провести стендовые и промысловые испытания опьпно-промышленного образца многофазной д вухвинтовой насос-компрессорной установки, сопоставить опытные данные с результатами теоретических исследований.

Научная новизна. Предложена методика определения параметров насос-компрессорной установки применительно к конкретным нефтепромысловым объектам, учитывающая свойства перекачиваемой газоводонефтяной смеси и характеристики трубопровода. Расчетами показано, что увеличение доли газа в перекачиваемой газоводонефтяной смеси за счет повышения газового фактора или снижения давления в трубопроводе приводит к уменьшению размеров дисперсной фазы до величин, при которых может быть осложнен процесс обезвоживания и обессоливания нефти. Разработана математическая модель, описывающая изотермическое течение вязкой несжимаемой жидкости через систему зазоров в проточной части насос - компрессора с-учетом реальной геометрии щелей между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов и режима течения в них. Установлено, что основные утечки перекачиваемой среды происходят через щели между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов на уплотняющей стороне профиля. Показано, что при перекачивании маловязких жидкостей (например, воды) в этих щелях одновременно могут существовать два режима течения - ламинарный и турбулентный. Выявлено, что основное влияние на величину утечек через щели между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов оказывает приращение зазора на уплотняющей стороне профиля. Показано, что повышение действительной производительности насос - компрессора можно обеспечить за счет увеличения глубины винтовой нарезки без заметного снижения к.п.д. насос-компрессора даже при высоких значениях перепада давления. Новизна разработок

подтверждена патентом РФ и авторскими свидетельствами на полезную модель.

Практическая ценность. Разработанный комплекс программ расчета координат теоретического циклоидального профиля винта открытого типа, профиля винта в осевом сечении, координат профиля дисковой фрезы, утечек перекачиваемой среды через систему зазоров в проточной части насос - компрессора, энергетических характеристик насос - компрессора обеспечивает возможность проектирования двухвинтовых насос - компрессорных установок с оптимальными значениями геометрических параметров для заданного режима работы в системе нефтегазосбора. Получены новые результаты экспериментальных исследований, на основании которых конкретизированы рекомендации по выбору схемы циркуляции уплотняющей жидкости, подаваемой непосредственно в зазоры в проточной части насос - компрессора при перекачивании газа.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработке технической документации установок для перекачивания нефтево-догазовой смеси УНВГ-60/22, УМФ-60/25, третьей ступени установки для подачи воздуха в пласт УНКВ-50/6, погружного насоса НДПН-20/60. Опытно-промышленный образец установки УНВГ-60/22 находится в эксплуатации в НГДУ «Джалильнефть» ОАО «Татнефть». Внедрение подтверждено соответствующими актами.

На защиту выносятся:

1. Методика определения параметров насос-компрессорной установки применительно к конкретным нефтепромысловым объектам, учитывающая свойства перекачиваемой газоводонефтяной смеси и характеристики трубопровода.

2. Результаты оценки влияния соотношения газовой и жидкой фаз на дисперсность эмульсии при движении газоводонефтяных смесей по трубопроводам системы нефтегазосбора.

3. Расчетная схема и математическая модель перетекания перекачиваемой среды через систему зазоров в проточной части насос — компрессора, учитывающая изотермическое двухмерное течение вязкой несжимаемой жидкости в щели между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов.

4. Алгоритм расчета геометрии щели между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов с циклоидальным профилем.

5. Результаты анализа теоретических и экспериментальных исследований энергетических характеристик двухвинтового насос - компрессора.

6. Конструкция двухвинтового насос - компрессора, защищенная патентом РФ и авторскими свидетельствами на полезную модель.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII Международной научно - технической конференции по компрессоростроению (Казань, 2001), на Семинаре главных инженеров НГДУ ОАО «Татнефть» (Лениногорск, 2001).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 1 патент РФ на изобретение и 2 а.с. на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 229 е., в том числе 91 рис., 51 табл., расположенных по тексту. Список литературы включает 98 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности темы исследования, сформулированы цель и задачи работы. ■

В первой главе рассмотрены технологические схемы промысловых систем и технические средства сбора и транспорта продукции нефтяных скважин, проведен аналитический обзор конструкций винтовых насосов и насос - компрессоров, геометрии их рабочих органов, рассмотрены известные методы расчета энергетических характеристик двухвинтовых насосов и насос— компрессоров. Наиболее полный сравнительный анализ технологических схем сбора и транспорта продукции нефтяных скважин выполнен Троновым В.П., который сформулировал современные требования к системам нефтегазосбора. В полной мере этим требованиям отвечает однотрубная система нефтегазосбора с использованием насос-компрессорных установок. Подробно вопросы совместного транспорта нефти и газа с использованием насос-компрессорных установок рассмотрен Усковым П.Н., предложившим создавать насос-компрессные установки на основе ротационно-пластинчатых и винтовых компрессоров. Наиболее широкое применение в однотрубных системах нефтегазосбора нашли двухвинтио-вые насос-компрессорные установки, значительных успехов в создании которых добились фирмы "Bornemann" и "Leistritz" (Германия). Некоторый отечественный опыт в разработке и изготовлении таких насос-компрессоров накоплен в ОАО «Ливгидромаш». Конструктивное исполнение винтовых насосов подробно рассмотрены в работах Жмудя А.Е., Пыжа O.A., Женовака Н.Г., Буренина В.В., Балденко Д.Ф., Бидмана М.Г., Калишевского B.JI. и др.

Вопросам профилирования винтов посвящены работы Балденко Д.Ф., Бидмана М.Г., Калишевского B.JI. и др., Рязанцева В.М., Пыжа O.A. Общий подход к расчету координат циклоидальных профилей и инструмента рассмотрен в работе Лашнева С.И. На основании проведенного сравнительного анализа выявлено, что наиболее оптимальными с точки зрения обеспечения достаточно высоких значений энергетических характеристик и технологичности изготовления являются насос - компрессоры с однозаходными винтами с несимметричным профилем открытого типа, обработку которых можно вести дисковой фрезой, обеспечивающей высокую точность изготовления.

Исследованию течения газожидкостных смесей через щели различной формы посвящены работы Хисамеева И.Г., Максимова В.А., Верного A.JL, Куприянова А.К., Алешина В.И., Ахияртдинова Э.М., в которых перекачиваемая смесь «газ - жидкость» рассматривается как «псевдогаз», что позволяет при определении расхода смеси через щели использовать известные соотношения газодинамики. Но такой подход справедлив лишь при расчете винтовых компрессоров маслозаполненного типа, в которых объем масла в газомасляной смеси не превышает 1% объема газа. Исследования Валюхова С.Г., Веселова В.Н., Ходу-са В.В показали, что если в перекачиваемой среде присутствует хотя бы 5% жидкости, последняя отбрасывается к периферии и уплотняет зазоры. В этом случае расчет утечек через щели в проточной части насос - компрессора можно вести как при перекачивании жидкости.

Методы расчета энергетических характеристик двухвинтовых насосов

для перекачивания однофазной жидкости рассмотрены в работах Женовака Н.Г., Жмудя А.Е., Пыжа O.A., Балденко Д.Ф., Бидмана М.Г., Калишевского В.Л. и др. Расчету энергетических характеристик двухвинтовых насос - компрессоров, предназначенных для перекачивания нефтеводогазовых смесей, посвящены работы Рязанцева В.М. Однако, предложенная им методика основана на результатах обработки опытных данных, поэтому область ее применения ограничивается условиями проведенных испытаний. Вместе с тем представляется возможным использовать определенные результаты указанных выше работ при решении задач, поставленных в настоящей работе. Приведены выводы и постановка задачи.

Во второй главе рассмотрен способ профилирования силовой и уплотняющей сторон несимметричного циклоидального профиля винта открытого типа. Алгоритм расчета координат теоретического профиля винта, профиля винта в осевом сечении, профиля дисковой фрезы разработан исходя из основных предпосылок теории зацепления и рекомендаций, изложенных в работах Лаш-нева С.И., Амосова П.Е., Сакуна И.А., Пыжа O.A., Балденко Д.Ф., Бидмана М.Г., Калишевского В.Л. и др. Алгоритм расчета реализован в виде программы, позволяющей наряду с численными значениями координат упомянутых профилей получать их графические изображения. Из взаимного расположения винтов и результатов расчета профиля винта в осевом сечении получено выражение для вычисления зазора в произвольной точке щели между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов h.

Расчеты показывают, что геометрия щелей между винтовыми поверхностями как на уплотняющей (рис. 1), так и на силовой сторонах профиля носит сложный кососимметричный конфузорно - диффузорный характер, а изменение зазоров как по длине, так и по ширине щели является явно нелинейным. При этом основное влияние на формирование геометрии щели оказывает приращение зазора А5 = h - 5, , где бг - минимальный гарантированный зазор между винтовыми поверхностями.

В третьей главе представлены исходные уравнения для расчета энергетических характеристик двухвинтовых насос - компрессоров. В зазорах проточной части насос-компрессора, снабженного системой циркуляции части

а) б)

Рис. 1 Геометрия щели между винтовыми поверхностями яа уплотняющей стороне профиля. Сечения по ширине (а) и длине (б) щели.

жидкой фазы перекачиваемой нефтеводогазовой смеси, всегда находится жидкость. Поэтому вычисление утечек и определение действительной производительности насос - компрессора можно вести как при перекачивании жидкости.

1 {о^н ^_ТТТЕьм

<34,1+2/ ЯШ/ \fi4Ji4

«ш/

Рис. 2 Схема перетекания жидкости через систему за-юров в проточной части насос - компрессора

Расчетная схема (рис. 2) учитывает перетекание жидкости из полости нагнетания во всасывающую полость через систему зазоров трех видов, имеющих место в проточной части двухвинтовых насос — компрессоров:

- зазор 8„ между цилиндрическими поверхностями расточки корпуса и выступов винтов;

- зазор 8„, образованный цилиндрическими поверхностями выступов одного винта и цилиндрическими поверхностями впадин другого винта;

- щель между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов.

Уравнения баланса расхода для полостей, относящихся к ведущему и ведомому роторам, имеют следующий вид

ДО; +<& + <2'2 -<3а, -<52.ы -<ЗГ -<2? =0; (1)

А<5]+, = <2,.ы ,42 + <3"з + Р°з + 0«* + <34,+4 =0. (2)

где О®,, <3®2, - утечки через зазор 5В из полостей 3+1, 3+2, 3+3

в полости3-1, 3, 3+1 соответственно, О",, - утечки через

зазор 5Н из полостей ], ¿+1, 3+2, 3+3 вполостиЗ-2, 3-1, 3, 3+1 соответственно, С?2,+ь Рз1+2. <2з,.з, 1+з > - утечки через щели между винтовыми поверхностями; 1,2,3,4 - номера границ Г щели (рис. 3); ¡, ¡+1, ¡+2, ¡+3, ¡+4 - номера щелей.

Суммарные утечки жидкости из полости нагнетания во всасывающую полость подсчитаны по формуле

<3уг=0? + <2и + ОГ + ++ Ой*, + 0..м + + <5,.1+2+<3з 1+з (3)

2 - 2

2дм.

Рис. 3 К определению области течения жидкости в [цели между винтовыми поверхностями

Для определения утечек через зазор 8„ было использовано известное выражение для вычисления расхода вязкой несжимаемой жидкости через кольцевую щель, которое для рассматриваемого случая имеет следующий вид н _ Ян -(я -а) 8Н

где а =агсо8(11„ /Я,,); = 0,5-(К„ + Л,,) - радиус центроиды, Н - шаг винтовой нарезки, ц - коэффициент динамической вязкости жидкости, Р;, - давление в полостях j и\+2, разделенных выступом винтовой нарезки, Я,,, - радиусы поверхностей выступов и впадин винтовой нарезки.

Утечки через границы щели между винтовыми поверхностями определяются следующими равенствами

<3*.| = ^-п-Л, (4)

гк-

где Г, - рассматриваемая граница, к = 1,2, 3,4 - номера квадрантов, где расположена граница, п - единичный вектор внешней нормали к границе Г,, сЬ - элементарная длина границы, V = (Ух, Уг) - расход жидкости на единицу длины в рассматриваемой точке границы.

Ух = —

дР

дР

■—-х) -

(5)

12ц-К, ах 12ц-Кг Зг

проекции расхода жидкости на единицу длины на оси ОХ и ОХ, Кч, К£ - коэффициенты турбулентности, учитывающие режим течения,

дР дР

со - угловая скорость вращения роторов,

Эх' дг

■ градиенты давлений вдоль

осей ОХ, 02, Ь - текущее значение зазора в рассматриваемой точке области течения, х, г - координаты рассматриваемой точки. Текущее значение зазора задается в виде массива Ь = Т (х, г). Градиенты давления, входящие в уравнения (5) находятся из уравнения РеЙнольдса, которое для случая двухмерного изотермического течения вязкой несжимаемой жидкости имеет следующий вид

ас [к, д\

д

+Я

к.

эр] эь ,, 4аь

— =12ц С0-2— + 12цчп-(К,-х)—.

дг ) ох дг

(6)

Граничными условиями для уравнения Рейнольдса являются равенство давлений на границах щели давлениям в примыкающих к рассматриваемым границам полостях.

Утечки из полости }+2 в полость j через зазор 8В шириной Н/2 находятся из выражения

(7)

я ' 1 дР ,и , МЯн-Я.) о

где 9г=-~—~——■•у-(п-у)+----у+ш-К, - скорость движения

2ц-К ,01 п

жидкости в зазоре. Градиент давления — находится из уравнения Рейнольдса,

дг

которое для случая одномерного течения записано в следующем виде

Л, ,

Граничными условиями для уравнения Рейнольдса (8) являются:

Ь*" ~ " ~ : Р) .

г = --

д_ дг

Р = Р,

дР ' дг

(8)

>2 ;

г^+Ьн.

где Ьэкв - эквивалентная длина щели.

Текущее значение зазора в щели находится из выражения

к-а. + и.

1-Л-

(9)

где 5„ - минимальное значение зазора; ъ - текущее значение координаты вдоль

оси 02, изменяющейся в пределах -.

2 2

Рассмотрен алгоритм расчета живой площади поперечного сечения винтов £, приведены выражения для вычисления теоретической производительности насос - компрессора (?т = £ • Н • п, где п - частота вращения винтов, действительной производительности (?д = (?т - 0)Т, объемного к.п.д. По = СЬ / Ог • Двухвинтовые насос - компрессоры относятся к машинам внешнего сжатия. Теоретически сжатие газа, находящегося в отсеченной полости двухвинтового насос - компрессора, происходит, как и в компрессорах типа Руте, обратным потоком сжатого газа из полости нагнетания в момент соединения отсеченной полости с полостью нагнетания. Обратный поток газа повышенной плотности приводит к увеличению количества газа в рассматриваемой полости,

для последующего вытеснения которого в полость нагнетания необходимо совершить дополнительную работу, благодаря которой теоретическая индикаторная диаграмма компрессоров объемного типа с внешним сжатием имеет форму, близкую к прямоугольной, а объемньгё расход газожидкостной смеси на выходе из насос - компрессора, несмотря на повышение давления, практически остается таким же, как и на входе.

Это позволяет нычислягь теоретическую мощность двухвинтового насос -компрессора при любом фазовом составе перекачиваемой смеси как при работе на несжимаемой жидкости

NT = QT-(PH-P«), (10)

где NT - теоретическая мощность, Рн, Рю - давление в нагнетательной и всасывающей полостях насос - компрессора.

Показано, что тепло, выделяемое при сжатии газовой фазы перекачиваемой среды, поглощается ее жидкой фазой или жидкостью, подаваемой в зазоры проточной части насос - компрессора при перекачивании чисто газовой фазы.

Согласно приведенной в диссертации числовой оценке при наличии в перекачиваемой среде хотя бы 5% жидкой фазы разогрев последней даже при Р2 / Pi = 10 не превышает 8°С. Это означает, что процесс перекачивания газожидкостных смесей в двухвинтовых насос — компрессорах идет практически при постоянной температуре, а расчет потерь мощности на трение в зазорах проточной части можно вести в изотермической постановке.

Анализ составляющих потерь мощности на трение в зазорах проточной части насос-компрессора показывает, что значительная их часть приходится на потери Ng в зазорах бп, в которых всегда находится жидкость. При перекачивании жидкости становятся заметными «дисковые» потери мощности на трение N.. и N. на боковых поверхностях полостей винтов, вращающихся в слое неподвижной жидкости. Суммарные потери мощности на трение в насос — компрессоре Ыф складываются из потерь мощности на трение в проточной части насос - компрессора N„p = N¿ + Nlli+N(li и потерь в подшипниках, уплотнениях и синхронизирующих шестернях NM

N^Nhp + N», (11)

Потребляемая мощность насос - компрессора находится из выражения

М = ЫТ + ЫФ. (12)

После вычисления теоретической и потребляемой мощности находятся механический и общий к.п.д. насос - компрессора

Лм=и-Пп)ы ,N . Л=Ло-Лм,

1N г *г IN пр

где г)„ = (0,025 * 0,035) - коэффициент, учитывающий потери мощности на трение в подшипниках, уплотнениях, синхронизирующих шестернях N4 . Здесь же приведены выражения для вычисления составляющих потерь мощности на трение в проточной части насос - компрессора Ng, Nd|, Nd¡.

Рассмотрена методика определения параметров насос- компрессорной установки, учитывающая свойства перекачиваемой газонефтяной смеси и характеристики трубопровода применительно к конкретным нефтепромысловым объектам.

Четвертая глава посвящена решению задачи изотермического течения вязкой несжимаемой жидкости через систему зазоров в проточной части насос - компрессора и вычислению его энергетических характеристик. Для решения системы уравнений, состоящей из уравнений балансарасхода(1,2) и уравнений Рейнольдса (6, 8), являющейся существенно нелинейной системой дифференциальных и алгебраических уравнений, использован метод конечных элементов. Для построения аппроксимационных соотношений для уравнений Рейнольдса (6, 8) получены соответствующие им интегральные тождества, при решении которых использовался двухслойный итерационный метод. Решение задачи реализовано в виде программы расчета «МикрЬаве», позволяющей получать распределение полей давления и векторов скоростей в зазорах проточной части насос - компрессора, вычислять утечки перекачиваемой (уплотняющей) жидкости, энергетические характеристики насос - компрессора.

Сравнение результатов решения для случая перекачивания однофазной жидкости с расчетными данными, полученными по методике, разработанной Балденко Д.Ф., Бидманом М.Г., Калишевским В.Л. и др. на основе результатов испытаний целого ряда двухвинтовых насосов, показало удовлетворительное совпадение объемного, механического и общего к.п.д. Отличие общего к.п.д. не превышает 6% (рис. 4). Распределение по-

лей давления в щелях между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов на уплотняющей и силовой сторонах профиля винтов показывает, что основное падение давления происходит на небольших участках: -на уплотняющей сторо-не-в зонетех границ щели, где зазоры минимаьны (рис. 5а);

- на силовой стороне -

О 0,6 1,2 1,8 2,4 3,0 Др.МПа вдоль линии СБ (рис. 56).

Судя по распределению

Рис. 4 Сравнение результатов решения. векторов скоростей (рис.

Б» = 84 мм; Я. = 40 мм; Н = 20 мм; 6а), основной поток уте-

ц = 0,03 Па • с; п = 3000 об/мин. Теория. чек через щели между

винтовыми поверхностями на уплотняющей стороне профиля происходит через зоны, примыкающие к точкам А, В и имеющие наибольшее проходное сечение.

При перекачивании маловязких жидкостей (например, воды) заметной становится часть утечек, перетекающих через зоны, расположенные около точек С, Б, а режим течения в зонах, примыкающих к точкам А, В, С, Б, становится турбулентности (Кч > 1, Кг > 1), хотя в остальной части щели продолжает оставаться ламинарным (рис. 66). На силовой стороне профиля утечки через щели

а)

Р = 1.87 МПа А

6)

Р= 1.607 МПа

Рис. 5 Поля давлений на уплотнительной (а) и силовой (б) сторонах щели между винтовыми поверхностями. 11н=84 мм; Яв=40 мм; Н=20мм; 1Л1=б(5;8н=8в = 8т; Др=1,8МПа между винтовыми поверхностями зависят в основном от сопротивления щели в сечении СБ.

Тот факт, что основная часть утечек в щели между винтовыми поверхностями на уплотняющей стороне профиля проходит через зоны, примыкающие к точкам А, В, позволяет выбрать упрощенную модель этой щели, преобразованную в дальнейшем в эквивалентную по площади проходного сечения плоскую щель, а величину утечек через эту щель, учитывая возможные режимы течения, вычислять по формуле истечения.

Рис. 6 Распределение векторов скоростей (а) н коэффициенты турбулентности (б) в щели между винтовыми поверхностями на уплотняющей стороне профиля винтов

Для расчета утечек (}Ш2 через щель между винтовыми поверхностями на силовой стороне профиля использовалось выражение, предложенное Женова ком Н.Г. Суммарные утечки через щели между винтовыми поверхностями на уплотняющей и силовой сторонах профиля вычислялись по выражению

<3ш = + <Эш2- Упрощенный, вариант расчета утечек Рщ и характеристик насос - компрессора реализован в виде программы «БРЦМР».

Сравнение результатов расчета утечек через щели между винтовыми поверхностями, полученных с использованием той и другой программ, показало их удовлетворительное совпадение в широком диапазоне перепада давления и вязкости перекачиваемой среды.

Исследования, проведенные с использованием программы «ЭРЦМР», более удобной для инженерных расчетов, показывают, что основные утечки перекачиваемой среды (уплотняющей жидкости) происходят через щели между винтовыми поверхностями. Например, при перекачивании минерального масла Тп-22с с вязкостью 0,01 + 0,03 Па-с доля утечек через упомянутые щели составляет более 90% от суммарных утечек. Утечки через зазор 5„ становятся заметными только при перекачивании маловязких жидкостей или при увеличенных зазорах. Например, при перекачивании воды они могут составлять более 40 % от суммарных утечек. Утечки через зазор 5„ незначительны и не оказывают существенного влияния на энергетические характеристики насос - компрессора.

Проведенные расчетные исследования показывают, что потери мощности на трение в зазорах 8„ и в щелях между винтовыми поверхностями незначительны, а «дисковые» потери от величины зазоров в проточной части насос-компрессора не зависят, поэтому влияние зазоров на общий уровень потерь мощности на трение в проточной части следует оценивать через потери Ы5 в зазоре 8„, доля которых при вязкости перекачиваемой (уплотняющей) жидкости р > 0,01 Па-с и относительном зазоре \|/ = 5„ / II,, = 0,0012 составляет более 70 % всех потерь.

Увеличение шага винтовой нарезки приводит к увеличению приращения зазора между винтовыми поверхностями, которое, как уже было показано, оказывает основное влияние на формирование геометрии и проходное сечение упомянутой щели и, как следствие, к повышению утечек. Заметное повышение утечек компенсируется ростом теоретической производительности, что позволяет увеличением шага винтовой нарезки добиться повышения действительной производительности (рис. 7а), хотя и со снижением эффективности работы насос - компрессора в области повышенных перепадов давления.

а) 6)

От.Од.Оут, Т1о N... N..... N. Т1„

л/мин

4000 3000 2000 1000

Рис. 7 Зависимость утечек, производительности (а), потерь мощности на трение.

потребляемой мощности (б) насос - компрессора от шага винтовой нарезки. Заметное уменьшение шага винтовой нарезки приводит к повышению

суммарных потерь мощности на трение в проточной части насос - компрессора. Это повышение достигается за счет роста «дисковых» потерь на боковых поверхностях полостей винтов из-за увеличения числа поверхностей трения. Теоретически при Н=0 (гладкий цилиндр без винтовой нарезки) упомянутые «дисковые» потери отсутствуют, а потери в зазорах б^, и, соответственно, суммарные потери при уменьшении шага винтовой нарезки от 20мм до 0 увеличиваются в два раза (рис. 76).

Влияние глубины винтовой нарезки, характеризуемое отношением наружного и внутреннего диаметров винтов Он / (!„, на производительность насос компрессора аналогично влиянию шага винтовой нарезки. Увеличением параметра Он/(1в с 1,4 до 2,1 можно повысить действительную производительность насос — компрессора в зависимости от перепада давления в 1,3 + 1,4 раза. Но тот факт, что увеличение глубины винтовой нарезки практически не сказывается на уровне потерь мощности на трение, способствует повышению механического к.п.д. и позволяет сохранять при этом на достаточно высоком уровне и общий к.п.д. насос - компрессора. При различных вариантах исполнения насос - компрессоров, отличающихся сочетанием шага и глубины винтовой нарезки и имеющих одинаковую теоретическую производительность при одной и той же частоте вращения винтов, наиболее экономичным является насос - компрессор с меньшей глубиной винтовой нарезки. Показано, что переход на исполнение с увеличенными диаметрами роторов позволяет получить одно и то же значение действительной производительности при меньшей частоте вращения роторов, обеспечивая при этом более высокие значения общего к.п.д. в широком диапазоне изменения перепада давления. Но при этом ухудшаются массо - габаритные показатели насос - компрессора.

Анализируется влияние на характеристики насос - компрессора вязкости перекачиваемой среды и частоты вращения роторов.

Проведенные исследования показали, что для каждого значения перепада давления существуют свои оптимальные значения рассмотренных геометрических и режимных параметров, при которых обеспечивается наиболее эффективная работа насос - компрессора (рис. 8).

а) б) в)

Рис. 8 Зависимость общего к.п.д. насос - компрессора от геометрических и режимных параметров.

Проведена оценка влияния перекачиваемого совместно с нефтью газа на

размеры дисперсной фазы водонефтяной эмульсии. Показано,'что увеличение доли газа в перекачиваемой газоводонефтяной смеси за счет повышения газового фактора или снижения давления в трубопроводе приводит к уменьшению размеров дисперсной фазы (Рис. 9) до величин, при которых может быть осложнен процесс обезвоживания и обессоливания нефти.

"пи* МКМ

400 300 200 100

а)

/

},=15 00м-" сутки /

л

/ 2000

3000

о 0,4 0.8 1,2 1.6 Р, МПа

1,6 Р, МПа

Рис. 9. Зависимость максимального диаметра капель воды с1тш от давления в трубопроводе Р при различных значениях расхода жидкой фазы нефти: девон (а), карбон (б).

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям и промысловым испытаниям опытно-промышленного образца насос-компрессорой установки для перекачивания нефтеводогазовой смеси. Даются описания конструкции насос-компрессорной установки, стенда испытания, методики и программы проведения экспериментальных исследований, приведен перечень контролируемых и измеряемых параметров, проведена оценка погрешности измерений.

Техническое решение, обеспечивающее автоматическую подачу уплотни-тельной жидкости непосредственно в зазоры проточной части насос - компрессора (рис. 10) при перекачивании газовой фазы, защищено патентом РФ.

Рис. 10 Общий вид и схема циркуляции уплотняющей жидкости в насос-компрессоре. 1.2- ведущий и ведомый роторы, 3, 4 - опорный и упорный подшипники. 5 - корпус насос - компрессора, 6 - концевые уплотнения.

Проведенные стендовые испытания показали, что разработанная насос-компрессорная установка способна перекачивать как жидкость, так и газ (воздух) в широком диапазоне изменения частоты вращения роторов и перепада давления на насос - компрессоре. Процесс перекачивания как жидкости, так и газа (воздуха) происходит практически при постоянной температуре перекачиваемой среды. Факт постоянства температуры согласуется с опытными данными ОАО «Лив гидромаш» и подтверждает справедливость расчета потерь мощности на трение в изотермической постановке процесса перекачивания.

Сравнение расчетных и опытных данных по действительной производительности и потребляемой мощности насос - компрессора при перекачивании и газа (воздуха) и жидкости показало их удовлетворительное совпадение (рис. 11).

а) б)

О 0,4 0.8 1,2 1,6 2,0 /ф,МПа 0 0,4 0,8 1,2 1,6 лр.МПа

Рис. 11 Зависимость действительной производительности от перепада давления при перекачивании жидкости (а) и газа (воздуха) (б). _- теория, о, х, Д - эксперимент

Промысловые испытания, проведенные на ДНС-1 НГДУ «Лениногорск нефть» ОАО «Татнефть» подтвердили общую закономерность зависимости действительной производительности и потребляемой мощности насос-компрессорной установки от частоты вращения роторов, перепада давления, свойств перекачиваемой среды.

В шестой главе рассматривается инженерная методика поверочного расчета энергетических характеристик насос-компрессора, приведен пример расчета. Описывается опыт промышленного освоения насос компрессорной установки для перекачивания нефтеводогазовой смеси, даны рекомендации по проектированию применительно к условиям работы в системе нефтегазосбора.

В приложении приведены акты внедрения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Выполненный сравнительный анализ технологических схем промысловых систем и технических средств сбора и транспорта продукции нефтяных скважин показал, что в полной мере современным требованиям к системам нефтега-зосбора отвечает однотрубная система с использованием многофазных насос-компрессорных установок.

2. Предложена методика определения параметров многофазной насос- компрессорной установки применительно к конкретным нефтепромысловым объектам, учитывающая свойства перекачиваемой газоводонефтяной смеси и характеристики трубопровода.

3. Проведена оценка влияния соотношения газовой и жидкой фаз на дисперсность эмульсии при движении газоводонефтяных смесей по трубопроводам системы нефтегазосбора. Расчетами установлено, что увеличение газового фактора и снижение давления в трубопроводе приводит к уменьшению размеров дисперсной фазы до величин, при которых может быть осложнен процесс обезвоживания и обессоливания нефти.

4. Разработана математическая модель изотермического течения вязкой несжимаемой жидкости через систему зазоров в проточной части насос - компрессора с учетом реальной геометрии щелей между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов и режима течения в них.

5. Разработан комплекс программ расчета координат теоретического профиля винта открытого типа, профиля винта в осевом сечении, координат профиля дисковой фрезы, утечек перекачиваемой среды через систему зазоров в проточной части насос-компрессоров, энергетических характеристик насос-компрессоров, обеспечивающий возможность проектирования насос-компрессоров с оптимальными значениями геометрических параметров для заданного режима работы в системе нефтегазосбора.

6. Теоретические исследования показали:

- основные утечки перекачиваемой среды происходят через щели между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов и при вязкости

р > 0,01 Па с могут составлять более 90% от суммарных утечек в проточной части насос-компрессора;

- при перекачивании маловязких жидкостей (например, воды) в этих щелях одновременно могут одновременно существовать два режима течения - ламинарный и турбулентный;

- основное влияние на величину утечек через щели между винтовыми поверхностями оказывает приращение зазора на уплотняющей стороне профиля винта;

- более 70 % потерь мощности на трение в проточной части насос - компрессора приходится на потери в кольцевом зазоре между расточкой корпуса и наружными поверхностями винтов;

- повышения действительной производительности насос-компрессора можно обеспечить за счет увеличения глубины винтовой нарезки до значения 0„/с1а<2,0

без заметного снижения общего к.п.д. насос - компрессора даже при высоких значениях перепада давления;

- для каждого значения перепада давления на насос - компрессоре существуют свои оптимальные значения геометрических и режимных параметров, при которых обеспечивается наиболее эффективная работа насос - компрессора.

7. Проведенные стендовые и промысловые испытания опытно- промышленного образца насос-компрессорной установки показали, что:

- разработанная насос-компрессорная установка способна эффективно работать в однотрубной системе нефтегазосбора и перекачивать не только жидкость, но и смесь «жидкость - газ», а также чистый газ, создавая при этом требуемый напор.

- процесс перекачивания любой из перечисленных сред идет практически при постоянной температуре, что позволяет вести расчет энергетических характеристик насос- компрессора при температуре среды во всасывающем патрубке;

- опытные данные удовлетворительно согласуются с расчетными. Отличие не превышает 13%.

8. Разработаны рекомендации по проектированию насос-компрессоров применительно к условиям работы в системе нефтегазосбора. Конструкция насос -компрессора защищена патентом РФ на изобретение и двумя свидетельствами РФ на полезную модель;

9. Результаты работы внедрены в техническую документацию установок для перекачивания нефтеводогазовых смесей УНВГ-60/22, УМФ-60/25БК, третьей ступени установки для подачи воздуха в пласт УНКВ-50/6, погружного насоса НДПН-20/6.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Многофазный винтовой насос: Патент РФ 216 4312 от 07.07.99./ А.Ф. Са-дыков и др. - 7с.

2. Многофазный винтовой насос: A.c. на полезную модель 17067 от 08.11.00./ Ибрагимов Н.Г., Садыков А.Ф и др. - 2с.

3. Многофазный винтовой насос: A.c. на полезную модель 25550 от 23.05.2002/ Ибрагимов Н.Г., Фадеев В.Г., Дмитриев A.B., Ибатуллин K.P., Абайдуллин А.И., Назмутдинов P.M., Садыков А.Ф., Хамидуллин И.В. - 2с.

4. Садыков А.Ф., Назмутдинов P.M., Хамидуллин И.В., Максимов В.А. Некоторые результаты испытания опытно - промышленного образца установки для транспортирования нефтеводогазовой смеси УНВГ - 60/22 // Тезисы докладов XII МНТК по компрессорной технике. Казань, 2001.-е. 22.

5. Садыков А.Ф., Максимов В.А. Метод расчета энергетических характеристик и проектирование двухвинтовых насос - компрессоров для перекачивания нефтеводогазовых сред: Препринт П-3.02 / Казан, гос. технол. ун-т. Казань, 2002.- 156с.

Соискатель

А.Ф. Садыков

»13638

Отпечатано в секторе оперативной полиграфии института «ТатНИПИнефть» АО «Татнефть» Подписано в печать 20.08.2003 Заказ №20/100 Тираж 100 экз.

тел. 7-86-56, 7-85-54.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Садыков, Альфред Файзрахманович

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ НЕФТЕГАЗО-СБОРА, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ОБУСТРОЙСТВЕ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

1.1. Системы нефтегазосбора и технические средства для транспорта продукции нефтяных скважин.

1.2. Конструктивное исполнение и область применения винтовых насосов и насос - компрессоров.

1.3. Геометрия рабочих органов двухвинтовых насос -компрессоров.

1.4. Известные методы расчета энергетических характеристик двухвинтовых насосов и насос — компрессоров.

1.5. Выводы. Постановка задачи.

2. ГЕОМЕТРИЯ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ДВУХВИНТОВОГО НАСОС-КОМПРЕССОРА.

2.1. Профилирование уплотняющей и силовой сторон теоретического профиля винта.

2.2. Расчет координат теоретического профиля винта, профиля винта в осевом сечении, профиля дисковой фрезы.

2.3. Расчет геометрии щелей между винтовыми поверхностями взаимодействующих винтов.

2.4. Выводы.

3. ИСХОДНЫЕ УРАВНЕНИЯ РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХВИНТОВЫХ НАСОС - КОМПРЕССОРОВ

3.1. Определение теоретической производительности.

3.2. Вычисление утечек и действительной производительности.

3.3. Вычисление потерь мощности на трение и потребляемой мощности.

3.4. Определение параметров насею-коктрессорнойустановки применительно к конкретным нефтепромысловым объектам.

Р 3.5. Выводы.

4. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХВИНТОВОГО НАСОС - КОМПРЕССОРА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РЕШЕНИЯ.

4.1. Решение задачи расчета энергетических характеристик.

4.2. Анализ результатов решения задачи.

4.3. Оценка влияния попутного нефтяного газа на размеры дисперсной фазы водонефтяной эмульсии.

4.4. Выводы.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОМЫСЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО ОБРАЗЦА НАСОС - КОМПРЕССОРНОЙ УСТАНОВКИ.

5.1. Разработка и изготовление опытно-промышленного образца насос - компрессорной установки.■

5.2. Описание экспериментального стенда.

5.3. Измерение основных параметров насос — компрессора.

5.4. Программа и методика проведения экспериментальных исследований.

5.5. Оценка погрешностей измерений.

5.6. Результаты экспериментальных исследований и сравнение с теорией. 184 ж 5.7. Результаты промысловых испытаний насос - компрессорной установки.

5.8. Выводы.

6. ОПЫТ ПРОМЫШЛЕННОГО ОСВОЕНИЯ НАСОС - КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК В СИСТЕМЕ НЕФТЕГАЗОСБОРА.

6.1. Методика поверочного расчета энергетических характеристик насос — компрессора.

6.2. Рекомендации по проектированию двухвинтовых насос компрессоров.

6.3. Опыт промышленного освоения насос — компрессорных установок для транспорта нефтеводогазовых смесей.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Повышение эффективности системы сбора и транспорта продукции нефтяных скважин на основе разработки и применения многофазных насос-компрессоров"

Одним из важных направлений повышения эффективности производства и обеспечения экологической безопасности в нефтяной промышленности является решение проблемы снижения удельных энерго - и ресурсозатрат при добыче нефти и сокращения потерь углеводородов.

Возможность успешного решения этой проблемы во многом определяется выбранной схемой обустройства нефтяных месторождений.

Традиционная схема обустройства месторождения нефти предусматривает предварительное разделение продукции скважин на нефть и попутный газ с последующим их транспортированием по отдельным трубопроводам с помощью насосов и компрессоров на центральный пункт сбора и подготовки нефти и газа.

Обустройство месторождений по такой нефтегазосборной схеме, характеризующейся наличием многочисленных промежуточных технологических объектов, требует значительных капитальных вложений, большая часть которых приходится на сооружение системы сбора и транспорта продукции скважин.

В то же время известно, что при обустройстве новых месторождений, а также при эксплуатации истощенных месторождений или месторождений с низким начальным пластовым давлением экономически целесообразным является использование схемы совместного сбора и транспорта продукции скважины по одной системе трубопроводов с использованием насос - компрессоров.

Наибольших успехов в области создания таких насос - компрессоров, способных перекачивать нефтеводогазовые смеси с различным соотношением жидкой и газовой фаз, добились фирмы «Вогпешапп», «Leistritz» (ФРГ).

Некоторый отечественный опыт в создании подобной техники накоплен в ОАО «Ливгидромаш» и на совместном предприятии СП «Борнеманн-газмаш».

Имеющийся опыт эксплуатации установок на базе насос — компрессоров, способных перекачивать нефтеводогазовые смеси, показывает, что совместный сбор и транспортирование нефти и газа по одной системе трубопроводов позволяет сократить капитальные вложения при обустройстве новых месторождений, повысить нефтеотдачу пластов за счет снижения давления на устье скважины, обеспечить полную утилизацию попутного газа с момента начала эксплуатации месторождения, улучшить экологию.

Однако в известной литературе отсутствуют какие-либо конкретные данные о применяемом в насосах фирмы «Вогпешапп» типе циклоидального профиля, методике расчета основных характеристик насоса, нет и практических рекомендаций по выбору геометрических параметров винтовой нарезки (глубина, шаг, величина зазоров) в зависимости от производительности насоса, перепада давления и свойств перекачиваемой среды.

Известные методы расчета, опубликованные в трудах отечественных специалистов, касаются, в основном, насосов для перекачки однофазных жидкостей (мазута, минеральных масел, воды и т.п.)

Поэтому данная работа посвящена исследованию влияния свойств перекачиваемых сред и геометрии проточной части на характеристики двухвинтовых насос - компрессоров, разработке методики их расчета и созданию на этой основе высокоэффективной и надежной двухвинтовой насос — компрессорной установки для сбора и транспорта продукции нефтяных скважин при однотрубной системе нефтегазосбора.

Работа состоит из шести глав, заключения, библиографии и приложения.

В первой главе рассмотрены технологические схемы промысловых систем нефтегазосбора, технические средства для транспорта продукции скважин, конструктивное исполнение, геометрия рабочих органов и современные методы расчета основных характеристик двухвинтовых насосов и насос - компрессоров.

Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены способ профилирования, методика рас чета координат теоретического несимметричного циклоидального профиля, профиля винта в осевом сечении, профиля дисковой фрезы, определена геометрия щели между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов.

В третьей главе приведены исходные уравнения для расчета теоретической и действительной производительности, потребляемой мощности насос - компрессора, рассмотрена методика определения параметров насос - компрессорной установки применительно к конкретным нефтепромысловым объектам.

В четвертой главе приводится решение задачи и анализируются результаты расчетных исследований основных характеристик двухвинтового насос - компрессора, определены основные факторы, оказывающие наибольшее влияние на эффективность работы насос — компрессорной установки, проведена оценка влияния попутного нефтяного газа на размеры дисперсной фазы водонефтяной эмульсии.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям опытно-промышленного образца двухвинтовой насос - компрессорной установки.

Приведены описание экспериментального стенда, программа и методика исследований, оценка погрешностей измерений.

Приведены результаты экспериментальных исследований и промысловых испытаний насос - компрессора, дано сравнение опытных данных с результатами расчетных исследований.

В шестой главе приведена методика поверочного расчета и даны рекомендации по проектированию двухвинтовых насос - компрессоров для перекачивания нефтеводогазовых смесей.

Работа выполнена в ОАО «Татарский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт нефтяного машиностроения» (г. Казань) и Казанском государственном технологическом университете.

Диссертация содержит 138 страниц текста, 91 рисунок, 51 таблицу и 98 наименований библиографии.

Заключение Диссертация по теме "Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений", Садыков, Альфред Файзрахманович

7. Результаты работы внедрены в техническую документацию установок для перекачивания нефтеводогазовых смесей УНВГ-60/22, УМФ-60/25БК, третьей ступени установки для подачи воздуха в пласт УНКВ-50/6, погружного насоса НДПН-20/6.

222

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработана математическая модель изотермического течения вязкой несжимаемой жидкости через систему зазоров в проточной части насос -компрессора с учетом реальной геометрии щелей между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов и режима течения в них.

2. Разработан комплекс программ расчета координат теоретического циклоидального профиля винта открытого типа, профиля винта в осевом сечении, координат профиля дисковой фрезы, утечек перекачиваемой среды через систему зазоров в проточной части насос — компрессора, энергетических характеристик насос - компрессора, обеспечивающий возможность проектирования насос - компрессоров с оптимальными значениями геометрических параметров для заданного режима работы в системе нефтегазосбора.

Предложена методика определения параметров насос — компрессорной установки применительно к конкретным нефтепромысловым объектам, учитывающая свойства перекачиваемой среды, параметры трубопровода.

3. Проведенные теоретические исследования показали, что:

- основные утечки перекачиваемой среды происходят через щели между винтовыми поверхностями двух взаимодействующих винтов и при вязкости р. > 0,01 Па-с могут составлять более 90 % от суммарных утечек в проточной части насос — компрессора;

- утечки через кольцевой зазор между расточкой корпуса и наружными поверхностями винтов становятся заметными лишь при перекачивании маловязких жидкостей (например, воды) или увеличенном кольцевом зазоре (28„ /D„ > 0,002) и могут достигать 20-5-40 % от суммарных утечек;

- основное влияние на величину утечек через щели между винтовыми поверхностями оказывает приращение зазора на уплотняющей стороне профиля винта;

- улучшения энергетических характеристик насос - компрессора можно добиться применением профилей закрытого типа, у которых величина приращения зазора меньше, чем у профилей открытого типа;

- значительная часть (более 70%) потерь мощности на трение в проточной части насос-компрессора приходится на потери в кольцевом зазоре между расточкой корпуса и наружными поверхностями винтов. И только при более высоких скоростях скольжения и увеличении числа замкнутых полостей, что характерно для насос-компрессоров, работающих при повышенном перепаде давления, «дисковые» потери могут достигать до 40% от суммарных потерь;

- увеличение шага и глубины винтовой нарезки позволяет увеличить действительную производительность насос - компрессора, хотя и со снижением общего к.п.д. при повышенных перепадах давления из-за увеличения утечек;

- переход на исполнение насос — компрессора с увеличенными диаметрами винтов в сочетании с уменьшенной глубиной винтовой нарезки при равных значениях относительного шага винтовой нарезки позволяет получить требуемую действительную производительность при меньшей частоте вращения роторов, обеспечивая при этом более высокие значения общего к.п.д. в широком диапазоне изменения перепада давления;

- для различных перекачиваемых сред, отличающихся вязкостью, существуют свои оптимальные значения перепада давления, при которых насос — компрессор имеет наибольший общий к.п.д. В области малых значений перепада давления, когда утечки еще незначительны, наибольшее значение общего к.п.д. реализуется при малой частоте вращения роторов, при которой благодаря меньшим потерям мощности на трение обеспечивается более высокое значение механического к.п.д. При высоких значениях перепада давления более эффективными являются насос — компрессоры с повышенными частотами вращения роторов, когда возрастающие утечки с запасом компенсируются за счет увеличения теоретической производительности, а снижение механического к.п.д. не так заметно;

- увеличение газового фактора и снижения давления в трубопроводе приводит к уменьшению размеров дисперсной фазы, что может отрицательно сказаться на эффективности процесса обезвоживания.

4. Разработана инженерная методика поверочного расчета энергетических характеристик насос - компрессора.

5. Проведенные экспериментальные исследования и промысловые испытания опытно - промышленного образца насос — компрессорной установки показали, что:

- разработанная насос - компрессорная установка способна эффективно работать в однотрубной системе нефтегазосбора и перекачивать не только жидкость, но и смесь «жидкость - газ», а также чистый газ, создавая при этом требуемый напор. При перекачивании газа уплотнение зазоров в проточной части насос-компрессора обеспечивается автоматической подачей жидкости под действием перепада давления из накопительной емкости, находящейся на нагнетательной линии, непосредственно в зазоры;

- процесс перекачивания любой из перечисленных сред идет практически при постоянной температуре, что позволяет вести расчет энергетических характеристик насос — компрессора при температуре среды во всасывающем патрубке;

- опытные данные удовлетворительно согласуются с расчетными;

- промысловые испытания качественно подтвердили общую закономерность зависимости действительной производительности и потребляемой мощности насос - компрессора от частоты вращения роторов, перепада давления и свойств перекачиваемой среды;

6. Разработаны рекомендации по проектированию насос — компрессоров применительно к условиям работы в системе нефтегазосбора. Конструкция насос - компрессора защищена патентом РФ на изобретение и двумя свидетельствами РФ на полезную модель;

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Садыков, Альфред Файзрахманович, Казань

1. Винтовые насосы./ Балденко Д.Ф., Бидман М.Г., Калишевский B.J1., Кан-товский В.К., Рязанцев В.М. М.: Машиностроение, 1982.- 224с.

2. Рязанцев В.М., Вдовенков В.А., Писарев В.А. Определение сил, действующих на винты двухвинтового насоса.// Химическое и нефтяное машиностроение.-1978.- №3.- С. 15-17.

3. Калишевский В.Л., Рязанцев В.М. Исследование энергетических характеристик двухвинтового насоса с негерметичным зацеплением // Химическое и нефтяное машиностроение.-1977.- №2.- С. 14-16.

4. Рязанцев В.М. Циклоидальные образующие зубчатые колеса рабочих органов объемных роторных машин и их коэффициенты перекрытия // Вестник машиностроения.-1991.- №9.- С. 13-16.

5. Рязанцев В.М. Винты для двухвинтовых насосов с большой подачей //

6. Химическое и нефтяное машиностроение.-1989.- №5.- С. 11+12.

7. Женовак Н.Г. Судовые винтовые негерметичные насосы. — Л.: Судостроение, 1972.- 144с.

8. Жмудь А.Е. Винтовые насосы с циклоидальным зацеплением.- М.: Машгиз, 1963.- 156с.

9. ГОСТ 20572-88. Насосы и агрегаты двухвинтовые. Типы и основные параметры.

10. Рязанцев В.М. Двухвинтовые насосы с циклоидально-эвольвенгаым зацеплением // Химическое и нефтегазовое машиностроение.-1998.- №7.-С. 35-37.

11. Лихман В.В. Винтовые и шестеренные насосы ОАО «Ливгидромаш» // Химическое и нефтегазовое машиностроение.-1998.- №2.- С. 26-28.

12. Рязанцев В.М. Характеристики винтовых насосов с винтами различного профиля //Химическое и нефтегазовое машиностроение.-!998.-№2.-С.22-25.

13. Пергушев Л.П. Исследование вязкости сырых нефтей // Нефтяное хозяйство.-1999.-№3.- С. 50-51.

14. Карамышев В.Г., Корнилов Г.Г. О связи параметров газожидкостных потоков // Нефтяное хозяйство.-1999.- №4.- С. 37-39.

15. Чиняев И.А. Роторные насосы (справочное пособие).-М.: Машиностроение, 1969.-216с.

16. Сакун И.А. Винтовые компрессоры.-JI.: Машиностроение, 1970.- 400с.

17. Движение газоводонефтяных смесей в промысловых трубопроводах / Андрианов Р.С., Бочаров А.Н., Пелевин JI.A., Челпанов П.И.- М.: ВНИИОЭНГ, 1976.- 77с.

18. Кабардин Г.А., Заитов М.М. Однотрубный сбор продукции скважин.-М.: Гостоптехиздат, 1963.-84с.

19. Винтовой негерметичный насос: А.с. 842222 от 09.09.75./ В.М. Рязан-цев.-2с.

20. Винтовой негерметичный насос: А.с. 894214 от 05.01.76./ В Л. Калишев-ский и В.М. Рязанцев.- 2с.

21. Циклоидальное зубчатое зацепление: А.с. 1772470 от 01.10.90. /В.М. Ря-занцев.- 4с.

22. Лашнев С.И. Профилирование инструментов для обработки винтовых поверхностей.- М.: Машиностроение, 1965.- 152с.

23. Амосов П.Е. и др. Винтовые компрессорные машины. Справочник. Л., Машиностроение, 1977, 256с.

24. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. М.: Машиностроение,1971.- 672с.

25. Мамаев В.А., Одишария Г.Э., Клапчук О.В. и др. Движение газожидкостных смесей в трубах.- М.: Недра, 1978.- 272с.

26. Типей Н., Константинеску В.Н., Ника Ал., Ольга Бицэ. Подшипники скольжения. Расчет, проектирование, смазка. Издательство Академии наук Румынской народной республики. Бухарест. 1964.- 457с.

27. Тронов В.П., Сахабутдинов Р.З., Закиев Ф.А., Махмудов Р.Х. Эффективные технологии подготовки газа на промыслах ОАО «Татнефть» // Нефтяное хозяйство. — 1998.- №7.- С. 56-59.

28. Гуревич И.Л. Технология переработки нефти и газа. Часть 1.- М.: Химия,1972.-360с.

29. Рязанцев В.М., Лихман В.В., Яхонтов В.А. Двухвиновой насос для перекачивания многофазной жидкости нефть-вода-газ // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2000.- №7.- С. 29-31.

30. Многофазные насосы Борнеманн просто гениальны. Рекламный проспект.

31. High Pressure Type. Pipeline Transfer & Booster Pumps. Bornemann. Рекламный проспект.

32. Способ эксплуатации многофазного винтового насоса и насос: Патент РФ №2101571 от 19.05.93./ Рольфинг Герхард.-7с.

33. Васильцов Э.А. Бесконтактные уплотнения.-Я: Машиностроение, 1974.- 160с.

34. Многофазный винтовой насос: Патент РФ 2164312 от 07.07.99./ А.Ф. Са-дыков и др.- 7с

35. Пыж О.А., Харитонов Е.С., Егорова П.Б. Судовые винтовые насосы. JL: Судостроение, 1969.- 196с.

36. Фассахов Р.Х. Миллион тонн спасенной нефти // Нефтяное хозяйство. -1996.-№ 12.-С.61+63.

37. Силаш А.П. Добыча и транспорт нефти и газа. Часть II-M.: Недра, 1980.-264с.

38. Насосная установка для перекачки газоводонефтяной смеси: Патент РФ 2105202 от 31.01.98./ Б.А. Баринов.- 4с.

39. Ситенков В.Т., Перевозченко В.И., Осипов Е.Г., Титова Г.П. Эффективность применения многофазной технологии при сборе, подготовке и транспорте нефти // Нефтегазовые технологии. — 2000.- №6.- С. 5+9.

40. Валюхов С.Г., Веселов В.Н., Ходус В.В. Новый подход к технологии транспортирования нефтегазовых смесей с высоким содержанием газа наоснове многоступенчатого сжатия винтовыми насосами // Нефтегазовые технологии. 2001.- №2.- С. 22+25.

41. Кейлин Г.Н., Заровная Л.П., Рольфинг Г. Использование многофазных насосов в системах нефтесборных трубопроводов // Нефтегазовые технологии. 2001.- №2.- С. 25+29.

42. Рольфинг Г., Ибатуллин К.Р., Дорохин А.А, Кейлин Г.Н., Заровная Л.П. Многофазные насосные установки на базе «двухвинтовых насосов фирмы «Bornemann Pumps» // Нефтегазовые технологии.—2001.-№2.- С. 8+13.

43. Использование многофазных установок. Рекламный проспект СП «Бор-неманнгазмаш».

44. Насосы Зульцер. Производственная программа. Рекламный проспект.

45. Высокопроизводительный многофазный насос. Рекламный проспект фирмы Зульцер.

46. Мы гарантируем непрерывность вашего нефтяного потока. Рекламный проспект фирмы «NETZSCH».

47. NEMO MULTI PHASE PUMPS for offshore and Onshore Iustallations. Рекламный проспект фирмы «NETZSCH».

48. Гужов А.И. Совместный сбор и транспорт нефти и газа.-М.: Недра, 1973 280с.

49. Хисамеев И.Г., Максимов В.А. Двухроторные винтовые и прямозубые компрессоры. Теория, расчет и проектирование.-Казань:ФЭН,2000.- 638с.

50. ГОСТ 10056-70Насосы трехвинтовые. Типы. Основные параметры и размеры.

51. Осипов А.Ф. Объемные гидравлические машины. М.: Машиностроение, 1966.- 160с.

52. Алешин В.И. Исследование винтового мае л ©заполненного вакуум — компрессора: Автореф. дис. канд. техн. наук.- М.: 1977.-16с.

53. Тугунов П.И., Новоселов В.Ф., Абузова Ф.Ф. и др. Транспорт и хранение нефти и газа.-М., Недра, 1975.- 248с.

54. Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. JL: Машиностроение, 1969.- 744с.

55. Многофазный винтовой насос: А.с. на полезную модель 17067 от 04.11.00 / Ибрагимов Н.Г., Садыков А.Ф. и др.- 2с.

56. Шнепп В.Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин. М.: Машиностроение, 1995.- 240с.

57. Майер Э. Торцовые уплотнения. Пер. с нем. М.: Машиностроение, 1978.-288с.

58. Максимов В.А., Баткис Г.С. Трибология подшипников и уплотнений жидкостного трения высокоскоростных турбомашин.-Казань:ФЭН, 1998.- 429с.

59. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / Под общ. ред. А.И. Голубева, J1.A. Кондакова.- М.: Машиностроение, 1994.- 448с.

60. Расчет и проектирование зубчатых редукторов / Кудрявцев В.Н. и др. -СПб.: Политехника, 1993.- 448с.

61. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. Кн. 2.- М.: Машиностроение, 1974.- 574с.

62. Опоры осей и валов машин и приборов / Спицин Н.А. и др. JI.: Машиностроение, 1970.- 520с.

63. Васильев А.С. Основы метрологии и технические измерения. М.: Машиностроение, 1980.- 192с.

64. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. -М.: Наука, 1970.- 104с.

65. Теория и техника теплофизического эксперимента / Гортышов Ю.А., Дресвянников Ф.Н, Идиатуллин Н.С. и др.- М.: Энергоагомиздаг, 1993.- 448с.

66. Камерон А. Теория смазки в инженерном деле. -М:Машгиз, 1962.- 296с.

67. Рязанцев В.М. Радиальные силы и жесткость винтов мультифазных двухвинтовых насосов // Химическое и нефтегазовое машиностроение.-2001.-№12.- С.24-г27.

68. Тупицын А.А., Михайлюк Э.А., Комаров Б.Д. Исследование коэффициента трения торцовых уплотнений // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2001.- №12.- С.28-г29.

69. Рязанцев В.М. Расчет объемного и механическо-гидравлического к.п.д. мультифазных насосов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2001.-№10.- С.244-25.

70. Corless R.I. Multiphase pumps replace conventional heavy oil facilities // OIL & GAS IOURNAL.- 2001.- vol. 99.39.- Sept. 24.- pp. 80-84.

71. Самарский А.А Теория разностных схем. — M.: Наука, 1971.- 552с.

72. Карчевский М.М., Ляшко А.Д. Разностные схемы для нелинейных задач математической физики. Казань: из-во КГУ, 1976.- 159с.

73. Писсанецки С. Технология разреженных матриц. М.: Мир, 1988.- 410с.

74. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Наука, 1975.- 632с.

75. Кошмаров Ю.А. Гидродинамика и теплообмен турбулентного потока несжимаемой жидкости в зазоре между вращающимися коаксиальными цилиндрами // Инженерно-физический журнал. -1962.-tomV-№5.-С. 5-й4.

76. Справочное рукодство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. Добыча нефти. Под общей ред. Ш.К. Гимату-динова. М., Недра, 1983.- 455с.

77. Поддубный А.И. Расчет характеристик гидростатических подшипников с учетом интенсивности сдвиговых и напорных течений. // Исследование и проектирование гидростатических опор и уплотнений быстроходных машин. Харьков, 1977.-Вып.4.-С. 10ч-21.

78. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974.- 712с.

79. Буренин В.В., Гаевик Д.Т. Винтовые насосы. Обзорная информация. Серия ХМ-4, «Насосостроение», М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1976.- 58с.

80. Буренин В.В. Конструкции винтовых насосов. Обзорная информация. Серия ХМ-4, «Насосостроение», М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1990.- 30с.

81. Рязанцев В.М. Мультифазный насос А92ВВ 16/25 // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2002.- №4.- С. 27+28.

82. Многофазный винтовой насос: А.с. на полезную модель 25550 от 23.05.2002/ Ибрагимов Н.Г.,ФадеевВГ., Дмитриев А.В., Ибатуллин К.Р., Абайдуллин АЛ, Назмутдинов Р.М, Садыков А.Ф., Хамидуллин ИВ.—2с.

83. Садыков А.Ф., Максимов В.А.Метод расчета энергетических характеристик и проектирование двухвинтовых насос — компрессоров для перекачивания нефтеводогазовых сред: Препринт П-3.02 / Казан, гос. технол. ун-т. Казань, 2002. 156с.

84. Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1989.-228с.

85. Хлумский В. Ротационные компрессоры и вакуум — насосы,- М.: Машиностроение, 1971.- 128с.

86. Тронов В.П. Современные требования к системам нефтегазосбора // Научный потенциал нефтяной отрасли Татарстана на пороге XXI века: Сб. научных трудов ТатНИПИнефть, Бугульма, 2000, с. 255-258.

87. Ахияртдинов Э.М. Исследование работы двухвинтовых насосов при транспорте продукции нефтяных скважин по трубопроводам // ГУП «ИПТЭР», Уфа, 2002, 25с.

88. Тронов В.П. Системы нефтегазосбора и гидродинамика основных технологических процессов.- Казань: Фэн, 2002.- 512с.

89. Тронов В.П. Прогрессивные технологические процессы в добыче нефти. Сепарация газа, сокращение потерь.- Казань: Фэн, 1997.- 308с.

90. Усков П.Н. Вопросы перекачки газоводонефтяной смеси и нефтепромыслового газа компрессоронасосными агрегатами:

91. Дис.канд. техн. наук.- Бугульма: 1972.- 132с.

92. Зюляев Б.М., Усков П.Н., Гумеров B.C. Состав механических примесей в нефтях Татарии и их влияние на износ нефтепромыслового оборудования:

93. Сб. Докладов на VI конфернции молодых ученых ТатНИИ.- Казань, 1971.-с.190ч-194.

94. Махмудов Р.Х., Усков П.Н., Бердоносов Г.Ф., Смирнов В.И. Исследование влияния коррозии на подшипники винтового компрессоронасоса 15ВК: Труды ТатНИПИнефть, вып. XXIX, Казань, 1974.- с.35+39.

95. Сахабутдинов Р.З., Гареев P.M. Защита воздушного бассейна на нефтяных месторождениях ОАО «Татнефть» // Нефтяное хозяйство.- 2003.-№2.- с.92-г94.

96. Тронов В.П. Промысловая подготовка нефти.- Казань: ФЭН, 2000.-416с.

97. Методика расчета движения газожидкостных смесей в трубопроводах // ТатНИПИнефть, г.Бугульма, 2001,-16с.

98. Пергушев Л.П., Тронов В.П. Дробление капель в трубопроводе// Инженерно-физический журнал, т.71, №3, 1998.-С.468-472.