В результате массового применения технологии гидроразрыва пластов появились высокодебитные нефтяные скважины. Добыча из них осложнена выносом газа вместе с абразивными частицами породы, а серийные насосы не рассчитаны на перекачку газожидкостных смесей. При высокой концентрации свободного газа в них происходит срыв подачи, поэтому нефтедобывающее оборудование комплектуется газосепараторами. В них происходит отделение газа от жидкости, сопровождающееся нежелательным явлением: абразивные частицы отбрасываются центробежными силами к стенкам корпуса и накапливаются там, что может привести к разрушению устройства и аварии. В ПНИПУ разработали новую, более эффективную конструкцию газосепаратора.
Исследование опубликовано в журнале «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых». Проект выполнен в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Проблема разрушения особенно остро стоит в высокодебитных скважинах, где за сутки, вместе с газожидкостной смесью, через газосепаратор проходит до тонны абразивных частиц. Причем, чем лучше центробежная сепарация газа, тем сильнее эффект концентрации абразива у стенок оборудования. Поэтому было необходимо найти решение — как сохранить высокие сепарационные характеристики оборудования и при этом избежать повреждений корпуса.
Проведенный политехниками анализ позволил установить две особенности течения. Во-первых, втекающая в газосепаратор жидкость приобретает вращательное движение еще до входа внутрь, а создаваемые этим вращением центробежные силы перемещают частицы на периферию потока, то есть к поверхности корпуса. Во-вторых, осевая скорость жидкости на входе в устройство меньше средней, поэтому частицы абразива здесь накапливаются, а их концентрация становится существенно выше средней. Наблюдается парадоксальное явление: износ корпуса происходит еще до входа жидкости внутрь устройства.
Для решения этой проблемы проточный канал на входе в газосепаратор сделали в форме сужающегося конуса. Втекающий поток, взаимодействуя с его стенками, создает силы противоположные центробежным, которые уменьшают нежелательную сепарацию частиц породы. Также изменили форму входных кромок лопастей рабочего колеса, чтобы уменьшить силу их взаимодействия с абразивами. Изменения, внесенные в конструкцию газосепаратора, полностью сохранили сепарационные характеристики потому, что отделение газа от жидкости происходит в другой части — в вихревой камере, которая находится ниже по течению жидкости, после рабочего колеса.
— Оптимизацию газосепаратора осуществляли методами математического моделирования: варьировали геометрические размеры входного блока и вычисляли его гидроабразивный износ. Проверку расчетов выполнили на стендовых испытаниях лучшей конструкции в условиях близких к пластовым. Они показали, что скорость гидроабразивного износа уменьшилась примерно в 3-5 раз по сравнению с серийной конструкцией, — объясняет профессор кафедры горной электромеханики ПНИПУ Сергей Пещеренко.
В Пермском Политехе создали конструкцию газосепаратора, имеющую более высокую гидроабразивную стойкость, чем существующие аналоги. Это позволяет повысить эффективность добычи нефти из высокодебитных скважин, осложненных выносом газа и абразивных частиц. Сейчас заканчивается разработка конструкторской документации для серийного производства новых газосепараторов.