Выявить преимущества и недостатки УЭЦН можно только в сравнении с другими типами насосных установок для добычи нефти. В 36 регионах РФ ведется плановая добыча углеводородного сырья, запасы которого оцениваются в 60 с небольшим миллиардов тонн.
В настоящее время наиболее продуктивные месторождения уже выработаны. Осваиваются трудноизвлекаемые запасы из низкопроницаемых коллекторов на труднодоступных территориях либо находящихся на поздних стадиях разработки. Поэтому от правильного выбора насосного оборудования зависит себестоимость нефти, объемы добычи.
Основными плюсами УЭЦН являются:
Минусом является непригодность центробежных насосов для добычи нефти с высоким содержанием песка.
В учебной и технической литературе РФ принята классификация насосного оборудования для добычи нефти по следующим характерным признакам:
Наибольшее распространение на начало 21 века получили насосные глубинные установки следующих конструкций:
Штанговыми насосами оснащены 70% скважин, на долю фонтанного способа приходится 10% от всего фонда, остальное разрабатывается центробежными насосами. При этом по объему добычи фонтанные скважины стоят вне конкуренции. На их долю приходится почти весь природный газ и половина дебита нефти. Из оставшейся части 75% флюида добывается УЭЦН, 20% СШНУ, и только 5% приходится на все остальные установки, вместе взятые.
До недавнего времени установка штанговых насосов в скважины с малым дебитом не оспаривалась. Сегодня, все чаще такие месторождения осваиваются УЭЦН с вентильными погружными электродвигателями в циклическом режиме – 5 минут работы – 10 минут простоя.
Струйные, диафрагменные, винтовые, гидропоршневые насосы применяются выборочно, только после обоснования их экономической эффективности в сравнении с традиционными моделями ЭЦН и ШГН.
Изначально оптимальными эксплуатационными условиями для установки электроцентробежного лопастного насоса являются:
Для других, отличных от указанных, эксплуатационных условий использовались установки штангового типа и насосы оригинальной конструкции. Однако с возникновением модульной конструкции УЭЦН стало возможным изменять характеристики оборудования в нужную сторону с минимальным увеличением его стоимости.
По показателю ежесуточного объема добычи пластовой жидкости и пересчете его на чистую нефть с учетом обводненности с установками ЭЦН могут конкурировать только фонтанные и газлифтные скважины.
При малом дебите установки комплектуются двигателями особой конструкции, станции управления программируются на циклические режимы включения насосов по проектному графику. То есть, лопастные скважинные установки УЭЛН фактически становятся универсальным решением для нормальных и осложненных условий добычи.
По регионам Евразия и Африка Россия традиционно лидирует по количеству месторождений с высоковязкой нефтью. Этот показатель составляет 47,5% от общего мирового объема.
Вне конкуренции по добыче высоковязкой нефти в промышленных объемах только гидропогружные динамические насосы. Внутри них пластовая жидкость смешивается с рабочим веществом, что позволяет автоматически снизить вязкость получившейся дисперсии.
Однако и для УЭЦН существует комплексное решение. Направляющие аппараты и лопасти колес изготавливаются из композитных, полимерных материалов. Снижается шероховатость стенок, повышается КПД установок на 5% мксимум.
В настоящее время разработано множество технических решений, позволяющих максимально адаптировать УЭЦН к осложненным условиям существующего фонда скважин. Например, при высоком газовом факторе в установку добавляется сепаратор и диспергатор или комбинированный агрегат – газосепаратор-диспергатор в одном корпусе.
Сепаратор по центробежной методике удаляет из полезного ископаемого газ в межтрубное пространство. Диспергатор разбивает крупные пузырьки газа во флюиде, выдавая на выходе эмульсию.
Шнековые рабочие колеса позволяют повысить степень газирования нефти с 25% до 75%. Контейнеры с ингибиторами снижают количество отложившихся солей вдвое.
По данной характеристике ЭЦН входит в тройку лидеров из всей линейки погружных динамических насосов.
Количество содержащейся в нефти воды никак не влияет на производительность и напор центробежного насоса, по крайней мере, напрямую. Подобные установки часто применяются для подъема артезианской питьевой воды и закачки в скважину соляного раствора в рамках поддержания пластового давления.
Уязвимым звеном в установке ЭЦН по температурным нагрузкам является погружной ПЭД двигатель. Особенно часто отказы вызваны порывом диафрагмы в узле гидравлической защиты. При срыве подачи происходит резкое повышение температуры, эластичный материал не выдерживает подобных нагрузок.
Для таких условий работы в конструкцию ЭЦН добавляется узел охлаждения по аналогии с гидропогружным насосом.
Гибкие муфты со встроенными трансмиссиями в сочетании с короткими 4 м секциями двигателя, насоса, НКТ позволяют снизить темп набора кривизны ствола с 15’/10 м до 4°/10 м.
Кабельная линия при этом защищается несколькими центраторами, равномерно распределенными по длине установки. Либо кабельную линию укладывают внутри полых валов и труб НКТ для увеличения диаметра насоса.
Таким образом, модульная установка лопастного погружного насоса является оптимальным вариантом для горизонтальных, искривленных скважин, в том числе, и с несколькими горизонтами залегания полезного ископаемого.
При гидравлическом разрыве пласта, необходимом для увеличения проницаемости горных пород коллектора, резко возрастает количество механических примесей в нефти. Для того, чтобы приблизить показатель работоспособности ЭЦН в средах с концентрацией песка до уровня 10% (штанговый насос) или 50% (винтовой насос), следует расширять каналы направляющих аппаратов.
Дополнительно механические примеси и частицы абразива отсеиваются проволочными и щелевыми фильтрами. Общей проблемой для всех типов насосов является отказ НКТ. Из-за абразивного и коррозионного износа две из каждых вновь выпущенных насосно-компрессорных трубы идут на замену вышедших из строя. И, только, одна используется для освоения новых месторождений.
Для увеличения ресурса насосного глубинного оборудования в среде флюида с агрессивными примесями разработан контейнер с ингибитором коррозии. Он представляет собой кусок НКТ трубы с присоединительной муфтой, заполненный изнутри специальным реагентом.
Монтируется контейнер под УЭЦН установкой, обычно во время КРС/ПРС ремонта. Пластовая жидкость вымывает ингибитор из контейнера, смешивается с ним, образуя на поверхностях деталей оборудования защитную пленку.
Аналогичные устройства могут содержать ингибитор солеотложений, предотвращающий налет минеральных солей в рабочих каналах НКТ, направляющих аппаратов и рабочих колес насоса.
По умолчанию трехфазный погружной электродвигатель расходует меньше электрической энергии в сравнении с наземными установками штанговых насосов. Дополнительно существуют энергоэффективные варианты ПЭД, например с постоянными магнитами из редкоземельных элементов на роторе. В этом случае энергия не расходуется на создание магнитного поля, экономический эффект составляет 15%, но теперь уже в сравнении с обычными двигателями установок УЭЦН.
Для насосных скважин применяется урезанная версия фонтанной арматуры в качестве устьевого оборудования, предназначенного для герметизации ствола скважины и перенаправления потока добываемого полезного ископаемого в выкидную линию, и далее на АГЗУ.
Однако, даже в этом случае, конструкция трубной обвязки и устьевой елки УЭЦН гораздо проще, чем у установок штанговых насосов. Здесь нет сальникового узла, предотвращающего протечки в месте прохождения движущейся колонны штанг. Имеется лишь узел ввода неподвижного силового кабеля, который герметизируется на порядок легче и дешевле.
Модульная конструкция установок лопастных электропогружных насосов резко увеличивает область применения УЭЛН на месторождениях, ранее считавшихся пригодными исключительно для освоения штанговыми насосными установками.
Основные характеристики приведены в итоговой таблице:
Тип установки |
Процент добычи (смесь/нефть) |
Суточный дебит (жидкость/нефть, т) |
Количество скважин (%) |
ШСН |
13,1/16,1 |
11/4 |
59 |
УЭЦН |
63/53 |
118/28 |
27 |
Прочие |
1/0,5 |
2/1,3 |
0,1 |
Газлифтным и фонтанным способом добывается 12% и 20% флюида ежедневно, соответственно. Электроцентробежные насосы в комплекте с дополнительными модулями для решения конкретных задач обходятся дешевле при покупке и дальнейшем обслуживании в сравнении с использованием узкоспециальных погружных насосов.
Таким образом, с учетом увеличения скважин с малым дебитом, сложным геологическими, термическими, химическими и прочими условиями происходит постепенное перераспределение функций, как самих элементов установки УЭЦН, так и внутри них самих.
Оптимальным вариантом становится интеграция кабельной линии в колонну гибких насосно-компрессорных труб, увеличение ассортимента элементов телеметрии, использование контейнеров с ингибиторами солеотложения и коррозии.