Борьба с вредным влиянием газа на работу УЭЦН на Усть-Балыкском месторождении

А. Пояснительная записка
1. Геологический раздел
1.1 Общие сведения о Усть-Балыкском месторождении
Усть-Балыкское нефтяное месторождение расположено в Западной Сибири, на территории Ханты-Мансийского автономного округа — Югры, в России. Оно находится в пределах Сургутского района, к юго-западу от города Сургут. [6]
Координаты месторождения:
Широта: около 61°00' северной широты.
Долгота: около 73°00' восточной долготы. [6]
Административная принадлежность:
Ханты-Мансийский автономный округ — Югра.
Входит в состав Тюменской области России.
Месторождение относится к зоне ответственности крупных российских нефтяных компаний, таких как «Сургутнефтегаз». [5]
Усть-Балыкское месторождение — одно из крупнейших месторождений нефти в Западной Сибири и имеет стратегическое значение для нефтяной промышленности России. Разработка началась в 1960-х годах, и на данный момент месторождение продолжает активно эксплуатироваться с использованием современных технологий добычи. [2, 9]
Усть-Балыкское месторождение было открыто в 1960 году. Геологоразведочные работы, направленные на выявление нефтяных запасов в Западной Сибири, проводились специалистами в условиях сурового климата и сложного рельефа. Скважина, давшая промышленный приток нефти, стала отправной точкой для начала освоения этого региона. [1]
1.2 Краткая геологическая характеристика месторождения
Усть-Балыкское месторождение располагается в пределах Западно-Сибирского нефтегазоносного бассейна, который характеризуется мощной стратиграфической последовательностью, включающей осадочные породы мезозойского и кайнозойского возраста. Основные продуктивные пласты приурочены к отложениям:
Юрского периода:
- Глубоководные и прибрежно-морские песчаники, а также глины.
- Продуктивные пласты залегают на глубинах от 1 800 до 2 500 м.
Карбона:
- Песчаные и глинистые отложения с высоким содержанием органического вещества.
- Значительный источник углеводородов.
- Неоген-четвертичного возраста:
- Покровы глин и песчаников.
1.3 Продуктивные пласты
Усть-Балыкское месторождение характеризуется наличием нескольких продуктивных горизонтов, которые представляют собой коллектора с высоким содержанием нефти и газа. Основные горизонты сосредоточены в песчаниках и алевролитах юрского возраста. [6]
Количество продуктивных горизонтов:
- В пределах месторождения выделено 3–5 основных продуктивных горизонтов, разделённых глинистыми покрышками.
- Продуктивные пласты относятся преимущественно к юрским отложениям, залегающим на различных глубинах. [6]
Мощности продуктивных пластов:
- Юрские песчаники:
Мощность варьируется от 10 до 30 метров.
Отложения характеризуются высокой пористостью и проницаемостью. [9]
- Алевролиты и песчано-глинистые породы:
Мощность пластов может достигать 15–20 метров, но продуктивность ниже, чем у песчаников.
- Общая мощность продуктивных горизонтов:
В среднем составляет 50–80 метров для всей зоны разработки. [6]
Особенности продуктивных горизонтов:
Глубина залегания:
Основные горизонты находятся на глубинах 1 800–2 500 метров.
2. Литологический состав:
- Преобладают песчаники, обладающие хорошими коллекторскими свойствами.
- Встречаются алевролиты и глинистые прослои, которые играют роль изоляторов.
3. Распределение углеводородов:
- Залежи связаны с антиклинальными структурами и стратиграфическими ловушками.
- Высокая насыщенность нефтью и относительно низкий газовый фактор в верхних горизонтах.
4. Физико-химические параметры:
- Пористость коллекторов достигает 20–25%, проницаемость — до 200–500 мД.
- Насыщенность нефтью: 60–70%. [6, 9]
Продуктивные пласты Усть-Балыкского месторождения представляют собой значимый объект для разработки благодаря их мощности, высоким фильтрационно-емкостным свойствам и благоприятным условиям залегания. [6, 9]
Продуктивные горизонты месторождения характеризуются благоприятными условиями залегания и физическими параметрами, что делает их эффективными для промышленной эксплуатации. [6]
1.4 Свойства пластовых жидкостей и газов
2. Технико-технологический раздел
2.1 Установки электроцентробежных насосов (УЭЦН)
Электроцентробежные насосы (УЭЦН) являются одной из наиболее эффективных и распространённых технологий для добычи нефти из скважин с большим дебитом и сложными условиями эксплуатации. [13]
Конструкция УЭЦН
УЭЦН представляет собой сложный насосный агрегат, который размещается в скважине и состоит из следующих основных элементов:
Насосная секция
- Основной рабочий элемент УЭЦН, который обеспечивает подъём пластовой жидкости на поверхность.
- Состоит из нескольких ступеней, каждая из которых включает рабочее колесо и направляющий аппарат. Увеличение числа ступеней позволяет увеличить напор.
- Материалы насосной секции выбираются с учётом условий эксплуатации (устойчивость к абразивному износу и коррозии). [13]
Электродвигатель
- Располагается ниже насосной секции и служит для привода рабочего колеса.
- Наполняется диэлектрической жидкостью для охлаждения и изоляции.
- Используется герметичная конструкция, устойчивая к воздействию высоких температур и давления. [13]
3. Протектор (блок защиты)
- Устанавливается между насосом и электродвигателем.
-Защищает электродвигатель от проникновения пластовой жидкости и механических примесей. [13]
4. Кабельная линия
- Подаёт электрическую энергию к двигателю.
- Кабель имеет специальную изоляцию, защищающую его от воздействия высоких температур, давления и коррозионно-активных компонентов (например, сероводорода). [13]
2.2 Факторы, влияющие на работу УЭЦН
Газовый фактор — это объем свободного газа, который выделяется из пластовой жидкости в процессе подъема её к поверхности. Высокое содержание свободного газа в скважине является одной из основных проблем для стабильной работы установок электроцентробежных насосов (УЭЦН). [13]
Проблемы, вызванные высоким газовым фактором
Газовая блокировка насоса (газование):
- Свободный газ на входе в насос снижает производительность установки.
- Газовые пузырьки уменьшают плотность и напор жидкости, что может привести к остановке насоса из-за потери контакта жидкости с рабочими колесами. [9]
2. Повышенный износ оборудования:
Потоки газа создают неравномерные нагрузки на рабочие элементы насоса, вызывая вибрацию и преждевременный износ деталей. [13]
3. Падение КПД насоса:
Газ ухудшает гидродинамические условия в насосе, снижая коэффициент полезного действия. [13]
4. Нестабильность работы:
Колебания давления и перепады в подаче пластовой жидкости из-за газовых пузырей могут вызывать нестабильную работу и необходимость частых остановок установки. [9, 13]
2.3 Методы борьбы с газом в скважинах, эксплуатируемых УЭЦН
Принудительная дегазация — это технологический процесс, направленный на удаление свободного газа из пластовой жидкости до её поступления в насос. Этот метод широко используется для предотвращения газовой блокировки (газования) УЭЦН, что особенно актуально для месторождений с высоким газовым фактором, таких как Усть-Балыкское. [13]
Принципы работы системы принудительной дегазации
Снижение концентрации свободного газа:
Газ, растворённый в пластовой жидкости, выделяется в свободную фазу из-за снижения давления в колонне при подъёме жидкости. Принудительная дегазация позволяет удалить эту свободную фазу перед подачей жидкости в насос. [6]
Использование специализированного оборудования:
Установка дегазационного оборудования, такого как газосепараторы или дегазаторы, непосредственно в скважине. [13]
Основные методы принудительной дегазации
Газосепараторы:
Устанавливаются на входе УЭЦН и отделяют свободный газ от пластовой жидкости.
Существуют несколько типов газосепараторов:
Осевые: используют изменения направления потока жидкости для отделения газа.
Центробежные: создают вращающийся поток, заставляя газ и жидкость разделяться за счёт различий в плотности.
Дегазаторы на поверхности:
После подъёма жидкости на поверхность газ выделяется и улавливается в специальных установках.
Этот метод применяется совместно с технологией поддержания пластового давления (СППД).
Инъекция пеногасителей:
Введение химических реагентов, которые снижают пенообразование и способствуют выделению газа из жидкости.
Этот метод особенно эффективен в скважинах с высоким газовым фактором. [9, 13]
2.4 Газосепараторы: конструкции и принцип действия
Газосепараторы используются для удаления свободного газа из пластовой жидкости перед её поступлением в УЭЦН. Это оборудование предотвращает газовую блокировку, повышает эффективность работы насоса и снижает риск его повреждения. [13]
Типы газосепараторов и их конструкции
1. Осевые газосепараторы
Конструкция:
Представляют собой цилиндрическую камеру, внутри которой жидкость и газ движутся в одном направлении вдоль оси.
Внутри устройства находятся направляющие элементы, которые замедляют скорость потока и способствуют разделению газа и жидкости. [13]
Принцип действия:
Поток пластовой жидкости с газом поступает в камеру.
Замедление потока приводит к высвобождению газа, который поднимается вверх и выходит через специальный канал. Жидкость направляется в насос. [13]
Преимущества:
Простота конструкции и низкая стоимость.
Надёжная работа в условиях умеренного газового фактора. [6]
Ограничения:
Эффективность снижается при высоких скоростях потока или большом содержании газа. [9]
2. Центробежные газосепараторы
Конструкция:
Оснащены вращающимся ротором или специальными лопастями, которые создают вихревое движение жидкости.
Корпус устройства обеспечивает разделение газовой и жидкой фаз за счёт центробежных сил. [13]
Принцип действия:
Пластовая жидкость с газом подаётся на вращающийся элемент.
За счёт центробежной силы газ, обладающий меньшей плотностью, отводится к центральной оси и выводится наружу, а жидкость отводится к периферии и поступает в насос. [9]
Преимущества:
Высокая эффективность при значительном содержании газа.
Способны работать с большими потоками жидкости. [13]
Ограничения:
Более сложная конструкция и высокая стоимость.
- Требуют большего объёма пространства для установки. [6]
3. Роторные газосепараторы
Конструкция:
Представляют собой устройство с вращающимся ротором, на лопастях которого происходит разделение газа и жидкости.
Обычно используются в сочетании с УЭЦН для повышения эффективности работы в условиях высокого газового фактора. [13]
2.5 Расчет выносливости и прочности вала УЭЦН
Прочность и выносливость вала электроцентробежного насоса (УЭЦН) определяют его способность выдерживать механические нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации. В работе вала учитываются постоянные и переменные напряжения, вызванные силами вращения, гидродинамическими потоками, а также нагрузками от веса оборудования и действия жидкости. [13]
Учет механических нагрузок
Основные виды нагрузок на вал УЭЦН
1. Крутящий момент:
- Вал передаёт крутящий момент от электродвигателя к рабочим колёсам насоса.
- Крутящий момент Mk рассчитывается по формуле:
Mk=ω/P
где:
P — мощность двигателя, Вт;
ω — угловая скорость вращения вала, рад/с. [13]
2. Гидродинамическая нагрузка:
- Возникает из-за действия потока жидкости на рабочие элементы насоса.
- Распределённая сила давления жидкости учитывается при расчёте изгибающего момента. [9]
3. Центробежные силы:
- При высоких скоростях вращения вал подвергается действию центробежных сил.
- Эти силы зависят от массы и радиуса вращающихся частей. [13]
4. Собственный вес оборудования:
Вал должен выдерживать вес рабочих колёс, ротора электродвигателя и других прикреплённых элементов. [9]
Вибрационные нагрузки:
Возникают из-за неравномерной работы системы (например, при наличии свободного газа). [13]
Расчёт на прочность
Прочность вала проверяется по критерию максимального напряжения. Основное условие прочности:
σ_max ≤[σ]
где:
σmax — максимальное напряжение, МПа;
[σ] — допустимое напряжение материала вала, МПа. [13]
Максимальное напряжение рассчитывается как сумма крутящего, изгибающего и осевого напряжений:
σ_max =√(σ_t^2 +σ_b^2 +σ_a^2 )
где:
σ_t=(16M_k)/(πd^3 ) — напряжение от крутящего момента;
σ_b=(32M_i)/(πd^3 ) — напряжение от изгибающего момента;
σ_a=F_a/(πd^3 ) — напряжение от осевой нагрузки. [13]
Критерий выносливости
Условия выносливости проверяются по амплитудным напряжениям:
3. Меры по обеспечению безопасности труда
1. Потенциальные риски
1.1 Взрывоопасность газа
- Наличие метана и других углеводородных газов в пластовой жидкости создаёт взрывоопасную среду.
- Источники воспламенения: искры от электрооборудования, статическое электричество, утечка газа. [9, 13]
1.2 Высокие давления
- Давление в скважине может достигать десятков мегапаскалей.
- Нарушение герметичности или повреждение оборудования приводит к выбросам нефти, газа и жидкости, что опасно для жизни. [9]
1.3 Высокая температура
- Пластовая жидкость может иметь температуру до 150 °C, создавая риск ожогов.
- Перегрев оборудования увеличивает вероятность его выхода из строя. [13]
2. Использование средств индивидуальной защиты (СИЗ)
2.1 Основные виды СИЗ
1. Одежда и обувь:
- Термостойкая и огнеупорная спецодежда.
- Антистатическая одежда для предотвращения накопления статического электричества.
- Химически стойкая обувь с защитой от скольжения. [9, 13]
2. Средства защиты органов дыхания:
- Противогазы или респираторы для работы в среде с метаном, сероводородом или углекислым газом. [13]
- Средства защиты лица и глаз:
- Защитные очки и лицевые щитки для предотвращения травм от брызг жидкости или химических веществ. [9]
3. Средства защиты рук:
Перчатки, стойкие к химическим веществам, высокой температуре и механическим повреждениям. [13]
Средства защиты от шума:
Противошумные наушники для работы рядом с насосами и компрессорами. [13]
2.2 Организация выдачи и контроля СИЗ
- Регулярная проверка качества и исправности СИЗ.
- Обеспечение работников необходимыми средствами защиты согласно нормативам и стандартам.
- Замена изношенных или повреждённых СИЗ в установленный срок. [9, 13]
4. Меры по охране окружающей среды и недр
Эксплуатация нефтяных месторождений, таких как Усть-Балыкское, оказывает значительное воздействие на окружающую среду и недра. Для минимизации вреда необходимо реализовать комплекс мер, направленных на сохранение экосистемы и рациональное использование природных ресурсов. [9]
Системы улавливания газа для снижения выбросов
Проблема:
Выбросы углеводородных газов, таких как метан и углекислый газ, способствуют загрязнению атмосферы и усилению парникового эффекта.
Меры:
Установка газосепараторов:
Газосепараторы отделяют газ от пластовой жидкости и направляют его на переработку или сжигание. [13]
Использование систем утилизации попутного газа (ПНГ):
Газ направляется на производство электроэнергии, тепла или перерабатывается в нефтехимической промышленности. [6, 9]
Мониторинг выбросов:
- Установка датчиков для измерения уровня выбросов углеводородов.
- Создание автоматизированной системы контроля за состоянием атмосферы. [13]
4. Применение факельных установок:
Факельные системы используются для безопасного сжигания избыточного газа, который невозможно переработать. [9]
Эффект:
- Снижение уровня выбросов метана в атмосферу.
- Повышение экологической безопасности за счёт переработки и использования газа. [6] 
Заключение
Разработка и эксплуатация Усть-Балыкского месторождения представляет собой сложный и многогранный процесс, включающий в себя геологическое исследование, проектирование эффективных технологий добычи и обеспечение экологической и промышленной безопасности.