Предисловие
История развития научно-технического прогресса непрерывно связана с развитием нефтедобычи и переработки нефти и газа. Эволюция развития нефтедобычи прошла длительный исторический путь. Сегодня человек обладает современными технологиями добычи, направленными на извлечение из недр, как правило, не более 30–35% нефти, но остальная часть нефти остается в порах пласта. Наступит время, потомки найдут методы и технологии добычи оставшейся в недрах нефти. Но без знаний о строении Земли и Вселенной, без эволюции развития технологии добычи, без специалистов, мыслящих нестандартно, решить вопрос энергетического обеспечения человечества сложно.
Как известно, технико-экономические показатели нефтедобычи предприятия зависят от трех основных факторов: от условий эксплуатации месторождений, от конструктивной надежности оборудования и уровня подготовленности ремонтного и эксплуатационного персонала. Сегодня более 60% рабочих и специалистов, работающих на промыслах, не имеют специального профильного образования. Молодой специалист, на производстве сталкивается с проблемами практической организации механизированной добычи нефти, а также с необходимостью управления различными техническими устройствами и установками. В частности, приступая к обслуживанию установок погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН) для добычи нефти, он должен ясно представлять возможности каждого узла комплекса (ЭЦН ПЭД, ВЭД, СУ ЧРП, кабельной линии). В связи с этим от профессионалов требуются специальные знания в области электротехники и электроники, программирования, техники и технологии добычи нефти.
Однако в нефтяных вузах не ведется профильная подготовка специалистов для обеспечения добычи нефти с использованием УЭЦН, а также на должном уровне не дают знания по эксплуатации современного оборудования (станции управления, высокотемпературных силовых кабелей и асинхронных и вентильных погружных электродвигателей, задействованных в УЭЦН). Вот почему необходимо включить в программу обучения в вузах нефтяного профиля специальный курс по эксплуатации и ремонту погружных УЭЦН.
Разработка бесштанговых насосов в нашей стране началась ещё до революции, когда А. С. Арутюнов вместе с В. К. Домовым разработали скважинный агрегат, в котором центробежный насос приводился в действие погружным электродвигателем.
Погружной двигатель изобрел и спроектировал в 1916 г. российский инженер Армаис Арутюнов. К сожалению, ему так же, как и Владимиру Зворыкину, Игорю Сикорскому и многим другим, пришлось эмигрировать в США. В Америке в 1928 г. изобретатель А. Арутюнов запатентовал погружную установку электроцентробежных насосов (УЭЦН), назвав своё "детище" "РЭДА". В 1930 г. Арутюнов создал компанию REDA (Russian Electrical Dynamo of Arutunoff – Русский Электродвигатель Арутюнова). Там же, в Америке, установку стали выпускать в промышленном масштабе.
А. С. Арутюнов
К 1938 г. с использованием УЭЦН в США добывали 2% всей нефти.
В начале 1930-х гг. в Гормашпроекте (г. Москва) группой специалистов (А. П. Островский, Н. Г. Григорян, И. В. Александров, А. А. Богданов, А. Л. Ильский) была начата работа по созданию электробуров и погружных электронасосов с погружным электроприводом. Однако Великая Отечественная война 1941–1945 гг. помешала довести этот проект до промышленного внедрения.
В 1949 г. группа инженеров во главе с А. А. Богдановым посетила фирму REDA. Специалисты решали – в каком направлении развивать в стране добычу нефти, и выбрали путь, предложенный А. Арутюновым.
В СССР электроцентробежные установки фирмы REDA впервые появились в 1943 г. Тогда по ленд-лизу были переданы 53 комплекта.
Первые промышленные конструкции и серийное производство УЭЦН были освоены после создания в 1950 г. в системе нефтяной промышленности Особого конструкторского бюро по бесштанговым насосам – ОКБ БН. Возглавил её А. А. Богданов, оставаясь руководителем ОКБ БН до 1977 г. Уже в 1951 г. отечественные образцы этих установок начали добывать нефть. Сегодня смело можно утверждать, что все выпускаемые в России узлы УЭЦН разрабатываются и эксплуатируются на основе разработанных принципов, стандартов и систем ОКБ БН.
А. А. Богданов
С непосредственным участием и под контролем ОКБ БН и его руководителя А. А. Богданова в СССР был развернут широкомасштабный выпуск УЭЦН. В 1982 г. в городе Альметьевске построили завод по выпуску УЭЦН "АЛНАС", что позволило нашей стране стать мировым лидером добычи нефти в мире.
Огромный вклад внес А. А. Богданов в обучение и подготовку кадров для нефтяной и газовой промышленности. Книга для инженера-нефтяника "Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (расчёт и конструкция)", написанная в 1968 г. А. А. Богдановым, неоднократно переиздавалась и остаётся самой востребованной книгой для нефтяников и в настоящее время. Примечательно то, что в книге полувековой давности освещены все проблемные вопросы, возникающие при эксплуатации УЭЦН и в настоящее время. В основе всех современных методов расчёта и подбора установки лежат технические разработки, методы расчета конструкции, подбора установки и руководящие документы по эксплуатации УЭЦН, разработанные в ОКБ БН. Компании, работающие с погружными установками электроцентробежных насосов, с глубоким уважением чтят память об этом выдающемся человеке.
10 апреля 2012 г. исполнилось бы 100 лет Александру Антоновичу Богданову, выдающемуся инженеру, талантливому конструктору, великолепному организатору производства насосных установок и широкомасштабного внедрения добычи нефти с электроцентробежными насосными установками (УЭЦН) в СССР.
В одном ряду с А. А. Богдановым – организатором производства, великолепным инженером и руководителем научно-исследовательских работ в области исследования и разработки погружных силовых кабелей – стоит наш соотечественник, патриот и Человек с большой буквы Я. 3. Месенжник. Яков Захарович – человек, прошедший тяжелый и героический жизненный путь. Ему пришлось испытать все тяготы Великой Отечественной войны, включая и пребывание в фашистском плену. В мирное время он, как и Богданов, стоял у истоков развития кабельной промышленности, высокотемпературных погружных кабелей, изоляционных материалов в бывшем СССР и в России.
Большую работу по созданию и развитию отечественных погружных центробежных электронасосов выполнили коллективы заводов "Борец" (г. Москва), Харьковский электромеханический завод (ХЭМЗ), Альметьевский завод АЛНАС (Татарстан), "Новомет" (г. Пермь), НИИ Башкортостана и Западной Сибири и др.
Нефтедобывающая промышленность с открытием новых месторождений нуждалась в насосах для отбора из скважин большего объема жидкости за единицу времени. Естественно, для этого наиболее подходящими являются быстроходные лопастные насосы с рабочими колёсами центробежного типа, обеспечивающие высокую подачу. Они могут обеспечить и большой напор, и подачу жидкости, сохранив при этом высокий КПД и небольшие габариты.
Что из себя представляет УЭЦН? УЭЦН – это установка электроцентробежного насоса, состоящая из наземного и подземного оборудования. К наземному оборудованию относится "интеллектуальная" станция управления с частотным приводом и повышающий трансформатор. В состав подземного оборудования, спускаемого в скважину на глубину до 4000 м на насосно-компрессорных трубах (НКТ), входят:
а) погружной электродвигатель (ПЭД) мощностью до 650 кВт, диаметр 96130 мм, длина 5-38 м.
б) телеметрическая система (ТМС) для измерения давления, температуры и вибрации, пристыкованная к основанию двигателя;
в) гидрозащита (ГЗ);
г) электроцентробежный насос (ЭЦН), специально сконструированный для работы в условиях агрессивного воздействия механических примесей, газа и соли. Длина насоса колеблется от 5 до 30 м в зависимости от требуемого напора, а диаметр от 50 до 117 мм.
д) погружной кабель на 3–4 кВ с температурной стойкостью не менее 120°C.
Подобные установки целесообразно использовать в диапазоне подач от 15 до 6000 м3/сут.
С открытием сибирских нефтяных месторождений, отличающихся высокопродуктивными пластами, стало ясно, что в первую очередь именно здесь экономически целесообразно использовать данную технологию.
С использованием УЭЦН в России, например в 2014 г., добыто 412 млн т нефти, что составляет 80% из общей добычи (514 млн т нефти).
Роль погружного силового кабеля для УЭЦН в системе "кабель + ПЭД" является одной из самых важных в сложнейших условиях работы в скважине. Современные погружные кабели передают огромную высоковольтную энергию в ПЭД, спущенный на глубину до 4000 м, в осложненных условиях эксплуатации.
Все системы и узлы установки УЭЦН (станция управления, частотный преобразователь, трансформатор ТМПН, силовой погружной кабель, термометрическая система (ТМС), гидрозащита и газосепаратор и т. д.) предназначены для подъема жидкости из скважины на поверхность Земли. В этой системе основными узлами – сердцевиной системы – являются центробежные рабочие ступени. Все остальные системы в установке служат для максимально возможной реализации потенциала рабочей ступени – рабочего колеса УЭЦН.
В СССР возник парадокс: ОКБ БН непрерывно, строго по плану, разрабатывало новые системы нефтедобычи, но в производство они не внедрялись. Директора заводов отчитывались за план массового производства старых типов УЭЦН. Стимулы осваивать новую номенклатуру отсутствовали. Это привело к заметному отставанию технического уровня отечественных погружных установок от американских. В результате стала сворачиваться модернизация испытательной стендовой базы ОКБ БН, ситуация с новыми разработками все более ухудшалась…
В настоящее время в нефтегазовой отрасли произошли большие изменения. Стала возможной организация акционерных предприятий, на которых внедрение новых изобретений и разработок происходило опережающими темпами. Вот так у изготовителей центробежных насосов (но не у нефтяников!) появились конкуренты. Одними из таких новых, созданных с нуля предприятий, стали компании "Новомет" и "Борец". Это позволило достаточно быстро внедрить в производство новую для отрасли насосостроения технологию порошковой металлургии и создать новый тип лопастных ступеней – центробежно-вихревых. Новые компании стали масштабно внедрять новые технологии и технологическое оборудование, позволяющие выпускать насосы мирового уровня. По сути, это был первый прорыв со времен Арутюнова! Таким образом, удалось увеличить КПД насосов, поднять их надежность, особенно при эксплуатации оборудования в скважинах с повышенным содержанием газа. В 2000 г. успех разработчиков и производителей был отмечен премией Правительства России. Существенное улучшение качества насосов, по-видимому, сделало возможным решить основную на то время задачу – не дать иностранным компаниям захватить отечественный рынок, а ведь такое произошло во многих других отраслях экономики. Объем же импорта УЭЦН в России никогда не превышал 10–15%.
К середине нулевых годов отечественные изготовители погружных установок догнали ведущие мировые компании и по показателям надежности установок.
Создано оборудование на базе электродвигателей с постоянными магнитами, называемых вентильными. По сравнению с традиционными асинхронными, они имеют КПД на 6–8 пунктов больше при меньшей длине. Кроме того, их диаметр можно сделать на 20–30% меньше, чем минимально допустимые размеры стандартных – асинхронных. Установки с вентильными двигателями и специальными насосами с повышенными КПД в сумме потребляют на 25–30% электроэнергии меньше по сравнению с отечественным серийным оборудованием и на 5–7% – по сравнению с лучшими мировыми аналогами.
Целый класс уникального оборудования создан на базе двигателей малого диаметра. Это установки для колонн 114 и 102 габарита – в том числе и для работы в боковых стволах, байпасные системы для колонн 146 габарита, системы "ЭЦН-ЭЦН" малого диаметра для одновременно-раздельной эксплуатации. Такое оборудование уже функционирует не только в России и странах СНГ, но и в дальнем зарубежье.
В последние 3–4 года отечественные изготовители УЭЦНов поставили заказчикам уже несколько тысяч установок с вентильными двигателями, часть из них (около сотни комплектов) – в страны дальнего зарубежья.
Благодаря инновациям в области вентильных двигателей история вновь предоставила нашей стране возможность занять лидирующее положение в области механизированной добычи нефти. Развитие событий свидетельствует, что мы не упускаем такого шанса. Страна в настоящее время имеет машиностроительный сегмент, по-видимому, лучший, чем в других странах.
Россия всегда была богата на научные идеи, и сейчас их достаточно. Сегодня отечественные инженеры и работники успешно решают задачу разработки установки, работающей на частоте до 100 Гц и до 6000 об/мин, чтобы повысить ее эффективность. Проблема – в реализации и внедрении этих новшеств в экономику страны.
Задача данной книги: кратко и сжато изложить проблемы организации добычи углеводородов, рассмотреть вопросы, которые уже решаются или которые предстоит еще решать.
Выражаем благодарность первопроходцам-организаторам сервиса в России в области механизированной добычи нефти с использованием УЭЦН Р. Ф. Абдуллину, Б. В. Аристову, Г. М. Люлинецкому, Н. Н. Пекарникову, А. В. Филиппову, а так же за предоставленные материалы по эксплуатации и ремонту УЭЦН инженерам сервисных компаний России, истинным профессионалам эксплуатации и ремонта электропогружных насосов, а именно А. Ю. Балакшину, Н. Р. Байгужину, И. Ю. Вагину, Р. С. Гукасову, Р. В. Сагдулину, В. В. Сапрыкину, А. В. Стогниенко, А. Ю. Терехову, С. Б. Якимову и другим инженерам механизированного способа добычи нефти.