Exploatarea Zăcămintelor de Hidrocarburi Fluide Prin Sonde

INTRODUCERE

Unul dintre cele mai importante domenii de activitate ale industriei extractive este exploatarea zăcămintelor de hidrocarburi fluide prin sonde, în contextul în care aceste bogații naturale sunt utilizate ca sursa de energie , combustibil, materii prime în petrochimie sau în industria farmaceutică.

Proiectarea sistemului de extracție pentru o sonda de țiței are un impact semnificativ asupra evoluției dinamicii de exploatare. Aprecierea corectă a factorilor de natura tehnico-economică de la nivelul procesului de extracție joacă un rol important în creșterea eficienței activității de exploatare.

Cunoașterea domeniul de aplicabilitate al fiecărul sistem de extracție și a modalității de stabilire a regimului optim de funcționare a echipamentelor devine un aspect deosebit de important în practica exploatării.

Datorită avantajelor pe care le prezinta sistemul de extracție în pompajul elicoidal și anume: un sitem flexibil, fiabil, cu o mentenanță simplă și necostisitoare, având un consum redus de energie electrică, consider că alegerea acestui sistem reprezintă un caștig în perioada dificilă pe care o traversează indusitria petrolieră în prezent.

Lucrarea de față își propune să studieze optimizarea regiumului de funcționare al unor sonde în pompaj elicoidal.

În primul capitol este prezentată geologia structurii din cadrul căreia au fost analizate sondele; se discută despre stratigrafia și litologia, tectonica și despre strarea inițială din punct de vedere fizic a stratului.

Capitolul al doilea aduce în discuție avantajele, perfomanțele, dar și limitările pompajului elicoidal. Se vor prezenta principiul și factorii care influnețează funcționarea pompelor elicoidale.

În continuare este propusă descrierea echipamentului din care este compus pompajul. Totodată se va ilustra dezvoltaterea pompajului elicoidal, mai precis pompajul cu cavități progresive și motor electric submersibil.

În capitolul patru vor fi prezentate cele mai uzuale defecțiuni ale pompelor elicodale, urmând ca ultimul capitol să expună un studiu al influențelor creșterii procentului de impurități și a variației debitului asupra tensiunilor echivalente a prăjinilor.

CAPITOLUL 2

POMPAJUL ELICOIDAL

2.1. Generalitati

În 1935, Rene Moineau a prezentat în teza sa de doctorat, „Un nou sistem de pompare” susținută la Universitatea din Paris, principiul de funcționare al pompelor elicoidale. Pe scurt, prin introducea unui rotor cu o arie exterioară cu o suprafață eliciodală simplă în interiorul unui stator cu aria interioră cu o suprafață dublă se formeaza cavitatăți. În momentul când rotorul se rotește, cavitățile se deplasează de la un capăt la celălat (aspirație – refulare) realizeazăndu-se o curgere continuuă.

Din anul 1936, firma EMIP (RODEMIP) confecționează în Franța pompele elicoidale sub denumirea de pompe tip Moineau, în timp ce firma ROBBINS MEYERS, le realiza în SUA sub denumirea pompe MOYNO.

Domeniile de activitate ale pompelor elicoidale au fost si sunt diferite, utilizate mai ales la vehicularea fluidelor cu vâscozitate ridicată.

După 1936 a fost confecționată varianta constructivă de pompă elicoidală submersibilă ce era folosită la extracția țițeiului din sonde. În acest timp se caută alte metode de a acționa rotorului pompei.

În anul 1966 s-a încercat cu un motor de pompă electrocentrifugală submersibilă la turație mare de a acționa rotorului, dar s-a considerat nereușită întrucât a condus la avarierea statorului.

În anul 1973 testările realizate pe o pompe elicoidale introdusă la adâncime mare pentru extragerea unor țițeiuri cu vâscozitate mică au avut același rezultat negativ, ceea ce a determinat ca în anul 1977 posibilitatea experimentării acestor pompe la extracția țițeiurilor vâscoase.

În anul 1979, firma HIGHLAND/COROD din Canada utilizează pentru prima dată actionarea rotorului prin rotirea prăjinilor. Acest sistem de acționare va fi folosit pana in prezent.[2]

2.2. Avantajele și dezavantajele utilizării pompelor elicoidale. Domenii de aplicabilitate

Performanțele pompelor elicoidale

Limitarea perfomațelor pompei – factori

2.3. Principiul de funcționare al pompelor elicoidale

Principiul de funționare al pompelor elicodale este relativ simplu datorită configurației geometrice ale elementelor pompei, care formează o serie de cavitatăți identice, etanșe și separate atunci când rotorul este introdus în stator. Acțiunea de pompare se realizează în momentul rotirii rotorului în interiorul statorului, ce determină cavitățiile să se deplaseze de la partea inferioară spre partea superioară a pompei (de la aspirație la refulare) transportând fluidul produs de strat prin pompă și de aici mai departe în sus prin țevi.

Aceste pompe se încadreaza la cele de tipul pompelor cu excentricitate deoarece mișcarea rotorului în interiorul statorului este o combinație de două mișcări: o rotație în jurul axei proprii și o rotație în jurul axei statorului.

Pentru realizarea acțiunii de pompare este nevoie pompa să fie cu un singur etaj sau treaptă, adică lungimea minima a pompei să fie egală cu lungimea unui pas, orice pas suplimentar reprezentând un nou etaj.

O rotație completă a rotorului este creată de două cavități cu fluid. Dacă o cavitate se deschide, în același timp cavitatea opusă se închide. Aria secțiunii transversale a acestor două cavități alăturate este dată de relația:

(1)

în care: d – reprezintă diametrul rotorului;

e – excentricitatea sau distanța dintre axa rotorului și axa statorului, respectiv distanța dintre axa rotorului și centrul secțiunii circulare prin pompă. Din relația (2.1) se observă că aria secțiunii transversale este constantă, rezultând că la o viteză de rotație constantă debitul pompei este constant.

Debitul pompei nu este pulsator, acțiunea de pompare este frecvent comparată cu cea a unui piston care se mișcă într-un cilindru cu lungimea infinită. Aceasta este o caracteristică importantă a pompei. [2]

În figura de mai sus este prezentată de poziția rotorului într-o secțiune a pompei în funcție aria de curgere. Curgerea este constantă și rezultă o curgere nepulsatorie ceea ce determină ca și debitul să fie constant.

Cilindreea pompei, V, este egală cu:

(2.2)

unde p reprezintă pasul statorului.

La presiune zero (înălțime de pompare zero) debitul Q este direct proporțional cu cilindreea și cu viteza de rotație n, a rotorului:

(2.3)

Trebuie să existe o presiune diferențială între cavitățile succesive pentru a putea Pentru a crea presiune de ridicare; acest lucru se intâmplă numai dacă există o etanșare cu strângere între rotor și stator. Prin executarea diametrului rotorului puțin mai mare decât diametrul minim al statorului se obține aceasta.

De la o cavitate la alta presiunea diferențială se însumează, ceea ce determina ca înălțimea de pompare sa fie proporțională cu numărul de etaje, respectiv cu numărul de cavități. De aceea, se recomandă ca presiunea diferențială să nu fie mai mare de 7 bar/etaj, pentru a se putea evita o uzură excesivă a elastomerului. Presiunile mari si adâncimile mari de pompare și debite mici se realizează cu o pompă cu mai multe etaje, în timp ce presiunile mici, respectiv adâncimi mici de pompare și debite mari se realizează cu o pompă de același diametru și de aceiași lungime cu cea inițială, dar cu un număr mai mic de etaje (lungimea pasului mai mare). Presiunile mari se pot genera la viteze mici deoarece pompa elicoidală este o pompă volumică și presiunea este independentă de viteză.

Odată cu creșterea presiunii apar pierdei volumice proporționale cu presiunea, iar debitul se reduce în funcție de adâncimea de fixare a pompei conform diagramelor de funcționare ale firmele constructoare.

Aceste pierderi volumice depind de gradul de comprimare al statorului datorită introducerii rotorului și lucrului acestuia, de numărul de etaje, de temperatura la nivelul pompei, de presiunea creată de pompă (presiunea diferențială dintre cavități) și viscozitatea fluidelor vehiculate.

Deși pierderile volumice conduc la scăderea randamentului total, acestea au un rol util și anume lichidul scurs asigură ungerea pompei.[2]

2.4. Factorii care influențează proiectarea si funcționarea pompelor elicoidale

Viteza de rotație

Instalației de pompare cu pompe elicoidale funcționează optimă atunci cand debitul optim programat sau presiunea de liftare a pompei nu se depășit. Viteza de rotație a garniturii de prăjini este direct proporțională cu debitul pompei elicoidale, ceea ce înseamnă că pentru a schimba mării sau micșora se modifică viteza de rotație. Totodata această viteza de rotație influențează și durata de funcționare a pompei.

Pentru o îmbunătățire a duratei de funcționare se recomandă alegerea unei pompe care trebuie aleasă să funcționeze cu viteze mari în schimbul alteia care sa funcționeze cu viteze mici pentru a extrage același debit. Se recomandă ca viteza de rotație a pompei să fie cuprinsă între 100 – 300 rot / min pentru a produce debitul estimat extras.

Presiunea diferențială pe etaj

Motivele pentru care se recomanda ca presiunea diferențială pe etaj să nu depășească 7 bar sunt:

avarierea prematură a pompei care este dată de crește fenomenului de oboseală al elastomerului statorului;

reducerea debitului și a randamentului volumetric prin cresterea pierderile de lichid în dintre rotor și stator.

Dacă pierderile de lichid în pompă trebuie să fie sunt mai mici de 5% atunci se asigură o ungere corespunzătoare a rotorului în interiorul statorului.

Randamentul volumetric este maxim, dacă pierderile de lichid sunt 0 sau aproape de 0, adică pompa să aibă o funcționare uscată, dar astfel se realizează o creștere a puterii consumate și o scădere a duratei de funcționare a pompei.[2]

Particulele solide

Pompele cu piston nu pot vehicula fluide cu impurități solide la fel de eficient ca pompele elicodale.

Toleranța foartă bună a pompei elicodale la particule abrazive și nisip este dată de mișcarea de rotație a rotorului neted și dur în interiorul statorului elastic și moale.

Problema lagată de uzura excesivă sau gripare este eliminată deoarece orice particulă de nisip care prinsă între rotor și stator este presată în interiorul elastomerului elastic fără a deteriora pompa.

Însă, atunci când pompa funcționează necorespunzător, durata de funcționare a acesteia, prin uzura rotorului și a statorului, este redusă de particulele solide prezente în fluidele extrase.

Pentru micșorarea efectelor de abraziune este necesar ca pompa să lucreze la cat mai mici posibile viteze. Totodată, presiunea trebuie să fie suficient de mare, astfel încat pompa să producă cu o eficiență volumetrică mare și să antreneze o cantitate cat mai mică de solide.

Prin comprimare adecvată între stator și rotor sau prin scăderea presiunii pe fiecare etaj (creșterea numărului de etaje) poate fi redusă antrenarea particulelor solide în fluidele extrase.

Durata de funcționare a unei pompe elicoidale crește de 4 ori dacă viteza de rotație scade de 2 ori.

Vâscozitatea

În situația pompei elicoidale, cavitatea inferioară se deschide și fluidul intră în aceasta atunci când rotorul începe mișcarea de rotație. La o rotație completă cavitatea se închide și fluidul este transferat cavității superioare. Cantitatea de fluid care intră în cavitate este dependentă de vâscozitatea acestuia, de forma și dimensiunea cavității și de diferența de presiune. În cazul țițeiurilor vâscoase există o pierdere însemnată de fluid la intrarea în prima cavitate, fiind necesar un timp mare pentru umplerea întregii cavități. Dacă viteza de rotație a rotorului este mare, cavitatea este parțial umplută cu fluid, rezultand un randament volumetric scăzut. Din această cauză există o viteză de rotație critică asociată vâscozității fluidului vehiculat, la care este obținut un randament volumetric maxim.[2]

În cazul extracției unui fluid vâscos este de preferat să se aleagă o pompă care este capabilă să pompeze fluide vâscoase la viteze mai mari decat viteza critică asociată vâscozității fluidului.

Gazele

Randamentul volumetric poate scadea datorită prezențelor gazelor în fluidul aspirat, care ar determina pătrunderea unei cantități mai mici de fluid în interiorul unei cavități.

Pompa poate pompa gaze fară a cauza deteriorări majore, dacă cantitatea de fluid este suficientă pentru a asigura ungerea corespunzătoare a rotorului în interiorul statorului. Lipsa însă a unei cantități adecvate de lichid poate conduce la funcționarea uscată a pompei care are ca efect arderea elastomerului statorului. Pentru a preveni acest fenomen pompa trebuie să fie amplasată sub zona de separare a gazelor.

De asemenea, trebuie evitată funcționarea pompei cu viteze mari de rotație. O viteză mare de rotație nu dă posibilitatea aspirării fluidului de către pompă, ceea ce conduce la funcționarea uscată a acesteia, respectiv la distrugerea elastomerului.

Spre deosebire de pompele cu piston, pompele elicoidale nu se blochează cu gaze datorită lipsei supapelor.

Sistemul de extracție cu pompe elicoidale a devenit în scurt timp o alternativă viabilă față de sistemele tradiționale de extracție a țițeiului ca urmare a avntajelor sale.[2]

CAPITOLUL 3

ECHIPAMENTUL SONDELOR IN POMPAJ ELICOIDAL

O instalație de pompare cuprinde echipamentul de fund și echipamentul de suprafață.

Echipamentul de fund se compune din pompa elicoidală submersibilă, țevile de extracție și prăjinile de pompare.

Echipamentul de suprafață cuprinde sistemul de acționare al prăjinilor de pompare, respectiv al rotorului pompei, cuplajul dintre sistemul de acționare și capul de antrenare, capul de antrenare și sistemul de susținere al întregului echipament de fund.[2]

Figura 5 Schema instalației de pompare cu pompe elicoidale

3.1. Echipamentul de fund al sondelor exploatate prin pompaj elicoidal

Pompa elicoidală

Pompa elicoidală este cunoscută în literatura de specialitate sub diferite denumiri ca: Moineau, Moyno, cu șurub, cu cavități progresive sau econolift.

Elementele principale ale pompei sunt rotorul și statorul.

Rotorul este confecționat din materiale rezistente la coroziune, cum ar fi oțelul înalt aliat cromat, sau oțelul inoxidabil pentru a avea o bună comportare în cazul vehiculării unor fluide abrazive. Pe întreaga lungime a rotorului sunt practicate canale elicoidale (“filet” exterior cu unul sau mai multe începuturi). Când este practicat un singur canal elicoidal, rotorul este o elice simplă (suprafața exterioară a rotorului este o suprafață elicoidală simplă) cu secțiunea transversală circulară și are un singur început. Atunci când sunt practicate două canale elicoidale rotorul este o elice dublă (aria exterioară a rotorului este o suprafață elicoidală dublă) cu secțiunea transversală formată din doi lobi și are două începuturi.

Lungimea rotorului este mai mare decât cea a statorului și poate ajunge până la 6 m. Rotorul se introduce și se fixează în stator cu ajutorul prăjinilor de pompare.

Statorul este confecționat din cauciuc nitrilic sau dintr-un elastomer rezistent la abraziune și coroziune, turnat în interiorul unei țevi de oțel cu perete gros. Țeava de oțel poate fi tratată prin nitrurare atunci când condițiile din sondă impun acest lucru. Elastomerul cu care este căptușit statorul este format de regulă dintr-o singură bucată. În interior, pe întreaga lungime a statorului sunt practicate canale elicoidale (“filet” interior cu două sau mai multe începuturi). Deci, condiția obligatorie este ca statorul să aibă un canal în plus față de rotor. La partea inferioară statorul este prevăzut cu un opritor care are rolul de a poziționa rotorul în stator și de a nu permite căderea rotorului sub pompa în cazul unei defecțiuni. De asemenea, cu ajutorul lui se stabilește fereastra pompei. Statorul se introduce în sondă cu țevile de extracție. [2]

Marea majoritate a firmelor construiesc pompe elicoidale la care rotorul este prevăzut cu un singur canal elicoidal, deci cu un singur început, iar statorul este prevăzut cu două canale elicoidale, deci cu două începuturi. La aceste pompe lungimea pasului statorului este dublă față de lungimea pasului rotorului.

Datorită configurației geometrice a elementelor pompei, principiul de funcționare al pompei este relativ simplu. Astfel, când rotorul este introdus în interiorul statorului, în pompă se formează o serie de cavități identice, separate și etanșe. Atunci când rotorul se rotește în interiorul statorului, aceste cavități se deplasează de la partea inferioară spre partea superioară a pompei (de la aspirație la refulare), transportând fluidul produs de strat prin pompă și de aici mai departe în sus prin țevi, realizând astfel acțiunea de pompare.

Principalele firme producătoare de pompe elicoidale pe plan mondial sunt:

Statele Unite ale Americii: ROBBINS MYERS, GEOLOGRAPH PIONEER și EASTMAN TELECO

Canada: GRIFFIN și HIGHLAND/COROD,

Germania: BORNEMANN si NETZSCH,

Franța: RODEMIP (EMIP)

Brazilia: GEREMIA.[2]

Figura 7 Pompa elicoidala

Prăjinile de pompare

Prăjinile de pompare au rolul de a transmite mișcarea de rotație de la capul de antrenare la rotorul pompei. De asemenea, cu ajutorul lor se introduce și se fixează rotorul în stator.

Garnitura de prăjini de pompare poate fi alcătuită din prăjini cu același diametru (garnitură unică) sau din tronsoane de prăjini cu diametru diferit (garnitură combinată).

În cazul pompajului cu pompe elicoidale, prăjinile de pompare nu sunt supuse la solicitări variabile ca în cazul pompajului clasic. Astfel, dacă la pompajul clasic sarcinile din garnitura de prăjini de pompare variază între un maxim și un minim în timpul unui ciclu de pompare, la pompajul cu pompe elicoidale sarcina totală odată preluată rămâne relativ constantă în timpul funcționării pompei.

Sarcinile care acționează asupra prăjinilor de pompare în cazul pompajului cu pompe elicoidale sunt date de: greutatea proprie a garniturii de prăjini scufundată în lichid, greutatea coloanei de lichid care acționează pe secțiunea transversală a rotorului pompei, momentul de torsiune necesar a fi transmis la pompă și momentul de încovoiere (după pierderea stabilității). Rezultă că, în cazul pompajului cu pompe elicoidale, prăjinile de pompare sunt supuse la întindere, torsiune și încovoiere, deci la o solicitare compusă. Întinderea rigidizează garnitura de prăjini mărind turația la care apare pierderea stabilității, în timp ce torsiunea are un efect contrar.

Țevile de extracție

Țevile de extracție au rolul de a susține statorul pompei elicoidale și de a asigura ascensiunea fluidelor produse de strat și pompate de pompă la suprafață. Alegerea diametrului țevilor de extracție se face n funcție de dimensiunea pompei (filetul mufă al statorului) care urmează să fie introdusă în sondă.

Spre deosebire de sondele în erupție naturală și erupție artificială, la sondele în pompaj cu pompe elicoidale țevile de extracție sunt supuse la solicitări mult mai mari, deoarece pe lângă greutatea lor proprie și a echipamentului de fund mai intervine greutatea lichidului din interiorul țevilor, iar în cazuri accidentale de rupere a prăjinilor de pompare și greutatea acestora. Pe de altă parte, în timpul funcționării pompei datorită mișcării de rotație a rotorului în stator, țevilor de extracție le este transmis prin intermediul statorului, un moment de torsiune care conduce la apariția unor eforturi suplimentare în acestea.

Datorita mediului coroziv si abraziv in care se lucreaza se folosesc tevi de extractie cu capete ingrosate la care rezistența în zona filetată se apropie de rezistența corpului.

Pentru a limita valoarea momentului de torsiune, sub statorul pompei se montează o ancoră antirotativă sau un packer.

Ancora de torsiune se utilizeaza pentru preluarea momentului reactiv dat de frecarea pompei elicodale cu cavitati progresive si previne desurubarea tubingului. Se monteaza sub pompa elicodala. Este construita pe princiupiul unei mandrine cu trei came care imping bacurile montate intr-o carcasa. Bacurile sunt impinse si tinute in contact permanent cu burlanul de tubare al sondei de arcuri elicoidale. Titeiul pompat trece prin arborele tubular central pe care sunt montate camele. Sensul de armare este dreapta (orar) privind dispre pompa, bacurile ancorei se infig in burlanul de tubare al sondei la aparatia momentului reactiv. Dezarmarea se face rotind tubingului in sens stanga (antiorar) de la suprafață.[2]

3.2. Echipamentul de suprafață al sondelor exploatate prin pompaj elicoidal

Echipamentul de suprafață cuprinde sistemul de acționare al prăjinilor de pompare, respectiv al rotorului pompei, cuplajul dintre sistemul de acționare și capul de antrenare, capul de antrenare și sistemul de susținere al întregului echipament de fund (capul de pompare).

Sisteme de acționare

Sistemul de acționare asigură mișcarea de rotație a prăjinilor de pompare respectiv a rotorului pompei elicoidale. În majoritatea cazurilor, în cadrul sistemului de acționare se utilizează motoare electrice, dar pot fi utilizate și motoare termice sau hidraulice.

Transmiterea mișcării de rotație se poate face cu viteză fixă sau cu viteză variabilă astfel că sistemele de acționare sunt cu viteză fixă sau variabilă.

Sistemele de acționare cu viteză fixă sunt rigide dar permit, totuși, schimbarea vitezei de rotație în trepte de la 1 la 6 în funcție de diametrul roților de antrenare.

În cadrul sistemelor de acționare cu viteză fixă se disting următoarele variante constructive:

a) cu motor electric, roți pentru curele și curele de transmisie. Schimbarea vitezei de rotație se realizează prin schimbarea diametrului roții de antrenare sau prin înlocuirea motorului electric cu un alt motor cu turație diferită față de a celui existent.

b) cu motor electric, reductor de turație, roți pentru curele și curele de transmisie. În acest caz, schimbarea vitezei de rotație se realizează prin schimbarea diametrului roții de antrenare, prin înlocuirea motorului electric cu un alt motor cu turație diferită față de a celui existent sau prin schimbarea raportului de reducere al reductorului;

c) cu motor electric și reductor de turație. Schimbarea vitezei de rotație se realizează prin înlocuirea motorului electric sau prin schimbarea raportului de reducere a reductorului.

Transmisia prin curele asigură pornirea elastică a motorului electric, protejându-l la suprasarcină.

Motoarele electrice au turații de 750, 1000 și 1500 rot/min.

Sistemul de acționare cu viteză fixă și transmisie prin curele întrucât asigură o viteză constantă de rotație este indicat să se utilizeze la sondele care au un regim stabil al parametrilor de funcționare și la sondele cu un aflux mare de apă.

Sistemul de acționare cu viteză variabilă permite realizarea unui domeniu larg de viteze de rotație, fie prin modificarea frecvenței în cazul utilizării motoarelor electrice, fie printr-un dispozitiv de control al turației în cazul utilizării motoarelor hidraulice. În primul caz sistemul de acționare poate fi cu variator mecanic de turație (fig 9 b) și cu variator electronic de turație sau convertizor de frecvență (fig 9 a).

Sistemul cu variator mecanic de turație este cel mai răspândit și se caracterizează prin variații de turație de la 1 la 6, de la 1 la 4 sau de la 1 la 3, realizând între 50 și 300 rot/min. Acest domeniu larg de valori dă posibilitatea adaptării la condițiile variabile ale sondei.

Sistemul cu variator electronic oferă posibilitatea realizării unui domeniu de viteze de la câteva rot/min până la numărul maxim de rot/min. De altfel se recomandă pornirea instalației de pompare la o viteză de rotație mică și apoi creșterea treptată a acesteia până la o viteză de rotație necesară, în special în cazul extracției unor fluide cu vâscozitate mare sau abrazive.

În cazul sistemului de acționare cu motoare hidraulice mișcarea este transmisă la reductorul de turație de către un motor hidraulic. Acesta este dispus într-o schemă de acționare care conține o pompă hidraulică, un rezervor, un filtru, un dispozitiv de control al turației, ventile, manometre etc. Sistemul este prevăzut cu o valvă acționată termostatic care permite pornirea pe vreme rece fără să fie nevoie de încălzirea întregului sistem. Sistemul de acționare hidraulic este preferat a se folosi în cazul extracției unor fluide cu vâscozitate mare, a unor fluide cu un conținut mare de nisip și în special în cazul extracției țițeiurilor grele.

Utilizarea sistemului de acționare hidraulic prezintă următoarele avantaje: randamente mai mari, viteze variabile, protecție la rupere a prăjinilor de pompare și la momentul de întoarcere.[2]

Capul de antrenare

Echipamentul de suprafață mai cuprinde: capul de antrenare, cuplajul dintre sistemul de acționare și capul de antrenare (fig. 10) și capul de pompare.

Capul de antrenare are rolul de :

transmitere a mișcării de rotație de la sistemul de antrenare la prăjinile de pompare, respectiv la rotorul pompei, prin intermediul prăjinii lustruite;

preluare a forței axiale de la prăjinile de pompare (forță dată de greutatea prăjinilor, greutatea lichidului și greutatea rotorului).

Prăjina lustruită face legătura între arborele de ieșire al reductorului și garnitura de prăjini de pompare, trecând prin cutia de etanșare. De asemenea, permite manevrarea pe verticală a echipamentului de fund.

Dimensiunile de gabarit ale echipamentului de suprafață în cazul folosirii sistemului de pompare cu pompe elicoidale sunt mult mai mici față de dimensiunile de gabarit ale echipamentului de suprafață în cazul pompajului clasic. De asemenea, unitatea de suprafață nu necesită o echilibrare ca în cazul unităților cu balansier, unde de altfel o echilibrare perfectă nu se poate realiza. Costurile de exploatare vor fi mai mici în cazul folosirii sistemului de pompare cu pompe elicoidale,deoarece funcționarea la viteze mari permite utilizarea unor angrenaje mai mici pentru aceiași sarcină utilă, ceea ce conduce la forțe de inerție mai mici și deci la pierderi de energie reduse.

Aspectele prezentate mai sus precum și avantajele utilizării pompelor elicoidale fac ca acest sistem de extracție să cunoască o dezvoltare din ce în ce mai mare.[2]

3.3. Pompaj cu cavitati progresive si motor electric submersibil (ESPCP)

Varianta constructivă de pompă elicoidală submersibilă folosită la extracția țițeiului din sonde a fost confecționată după 1936, iar în timp au fost testate diferite metode de acționare a rotorului pompei. O încercare de acționare a rotorului cu ajutorul unui motor de pompă electrocentrifugală submersibilă cu turație mare a avut loc în anul 1966 și s-a considerat nereușită deoarece a condus la avarierea statorului. Cu același rezultat negativ s-a soldat și testarea în anul 1973 a unei pompe elicoidale introdusă la adâncime mare, în vederea extragerii unor țițeiuri cu vâscozitate mică, ceea ce a sugerat, în anul 1977, posibilitatea experimentării acestor pompe la extracția țițeiurilor vâscoase.

În prezent, tehnologia de pompaj, pompe cu cavități progresive și motor electric submersibil (ESPCP) a fost dezvoltată pentru aplicații la sonde cu:

deviație mare și/sau orizontale, maxim 3000 m;

vâscozitate mare a fluidelor produse;

debite de fluide mici/medii, cuprinse intre 3 – 150 m3/zi;

conținut mediu de solide în fluidele produse;

rație medie/mare de gaze-țitei;

temperatura de zăcământ până la 1500°C ;

Această tehnologie combină beneficiile pompajului cu pompe electro-submersibile și pompe cu cavități progresive acționate de prăjini de pompare;

Eliminarea reductorului dintre motorul submersibil și pompa cu cavități progresive a îmbunatățit fiabilitatea acestei tehnologii.

Avantajele aplicarii acestei tehnologii:

îmbunătățirea duratei medii între intervenții/avarii datorită eliminării frecărilor dintre prajinile de pompare si tubing;

eficiența buna a sistemului, până la 95%;

Scăderea consumului de energie cu până la 30%;

Monitorizarea permanentă a parametrilor din sonda (presiune, temperatură) și a celor de funcționare (rotație, V, A, Kw, Hz);

Control automat al rotației pompei în funcție de presiunea de intrare în pompă.

Figura 11 Componența echipamentului

In luna februarie 2015, sistem a fost testat pe doua sonde avand urmatoarele rezultate:

Ca si concluzii:

Tehnologia ESPCP reprezinta alternativa pentru exploatarea zacamintelor cu fluide vascoase care sunt produse prin sonde deviate/orizontale si debite de fluide intr-un domeniu destul de larg;

Echipamentul electric submersibil si cel de suprafata poate fi folosit in sonde similare, pentru diferite tipo-dimensiuni de pompe cu cavitati progresive (PCP);

In primele 6 luni de testare nu s-au inregistrat interventii la sonde datorita echipamentului instalat;

Reducerea medie a consumului energetic cu ~ 26% fata de situatia initiala;

Extinderea acestei tehnologii la inca ~ 50 sonde candidat in urmatorii 2-3 ani.

CAPITOLUL 4

DEFECTIUNI ALE POMPELOR ELICODALE

Defectiuni ce pot aparea la o pompa cu cavitati progressive se impart in doua catergorii:

Defectiuni ale rotorului

Defectiuni ale statorului

Cele mai frecvente defectiuni ce pot aparea la rotor sunt:

Uzura abraziva: se produce odata cu uzara cromului de pe rotor, datorita nivelului mare de impuritati. Aceasta uzura poate sa apara la suprafata sau in interiorul metalului din care este confectionat rotorul, si are ca si cauza schimbarea profilului initial al rotorului, ceea ce determina o scadere a performantelor pompelor.

Atacul cu acid apare atunci cand pH-ul fluidului scade sub valoare de 6, rezultand inlaturarea cromului de pe rotor, creeandu-se astfel o suprafata aspra ce poate afecta elasomerul.. De obicei apare atunci cand se realizeaza operatia de acidizarea si nu e scoasa pompa.

Torsiunea sau oboseala matarialului apare datorita solicitarilor ciclice la care este supus in timp. Rorotul pompei pcp este rigid si orice incarcare laterala sau blocarea acestuia poate duce la defectarea pompei. Un alt motiv care poate duce la oboseala materialului este introducerea incorecta a rotorului in stator.

Coroziunea este procesul chimic de deterioarea a materialului datorita atacului coroziv. Desi are o suprafata dura si un coeficient de frecare redus, cromul de pe rotor este poros si permite corodarea metalului rotorului. Odata ce o cantitate de metal a fost erodat sub crom va avea ca efect desprindea acesteia, deformand rotorul.

Distanta necorespunzatoare a rotorului. Aceasta defectiune este cauzata datorita plasarii necorespunzatoare a rotorului. Orice solicitare suplimentara a prajinilor duce la intinderea acestora, si in momentul in care nu se tine cont si de acesta conditie poate deforma rotorul, desuruba sau chiar rupe.

In cazul statorului defectiunile care pot aparea sunt:

Functionarea fara lichid. O pompa care functioneaza fara lichid va conduce la deterioarea si chiar craparea elastomerului.

Histerezis: este rezultatulul supra-presiunii elastomerului, datorita caldurii generate in timpul functionarii neoptime, si are ca efect deformarea elastomerului in sectiunea groasa a acestuia.

Uzura abraziva: apare atunci cand in fluid exista materiale abrazive, si are ca efect distrugerea elastomerlui. Totodata prezenta nisipului poate duce si la griparea rotolui in stator.

Umflarea elastomerului: apare datortita reactiilor chimice ale tratamentelor incompatibile ce au loc in sonda. Acest efect poate aparea si datorita expansiunii materialului din cauza unei cresteri a temperaturii din timpul functionarii pompei.

Defectiuni ale fixarii elastomerului: apar atunci cand elastomerul nu este fixat corespunzator in stator, fiind un defect de fabricatie. Aceasta poata aparea si in urma incompatibilitatii elastomerului cu conditiile sondei.

Figura 12 Rotor corodat. Cauze : fluid coroziv

Figura 13 Rotor corodat. Cauze: fluid coroziv.

Figura 14 Rotor corodat de apa sărată activă

Figura 15 Elastomer deformat. Cauze: functionarea necorespunzatoare a pompei.

Figura 16 Elastomer tocat din lipsa nivelului

Figura 17 Rotor blocat în stator, Cauze: gripat datorita prezentei nisipului.

Figura 18 Rotor frecat de bolț. Cauze: distanta prea mica intre bolt si capul rotorului / alungirea tevilor

Figura 19 Rotor rupt în uma frecării pe bolț

CAPITOLUL 5

STUDIU PRIVIND OPTIMIZAREA REGIUMULUI DE FUNCȚIONARE AL UNOR SONDE ÎN POMPAJ ELICOIDAL

Proiectarea unei instalații de pompare cu pompe elicoidale cuprinde următoarea metodologie:

Se stabilește adâncimea de fixare a pompei în sondă, Hp, ținând seama de nivelul dinamic de lichid din sondă, corespunzător presiunii de fund care să asigure debitul Q preconizat de a fi extras;

Se calculează nivelul dinamic Hd, din sondă;

Se calculează pierderea de presiune prin frecare în țevile de extracție Hfrtevi, exprimată în metri coloană de lichid;

Se calculează presiunea din capul de pompare Hcp, în metri coloană de lichid;

Se calculează înălțimea dinamică totală de ridicare, H;

Din diagramele de alegere a pompelor în funcție de H determinat anterior și Q estimat a fi extras se alege tipul de pompă;

Cunoscând tipul pompei, cu ajutorul curbelor de performanță ale pompei se determină viteza de rotație și puterea de antrenare în funcție de H și Q;

Din fișa pompei se aleg caracteristicile acesteia:

numărul de etaje;

lungimea rotorului;

lungimea statorului;

filetul rotorului;

filetul statorului

diametrul exterior al pompei

Se efectuează calculul de rezistență al garniturii de prăjini de pompare.

Sonda S1

Datele sondei sunt urmatoarele:

Adancimea de fixare a pompei

Debitul estimat a fi extras

Distanta pana la media perforaturilor

Presiunea in capul de pompare

Adancimea de scufundare a pompei

Vascozitatea amestecului

Diametrul tevilor de extractie

Diametrul interior al tevilor de extractie:

Procentul de impuritati

A. Alegerea tipului de pompa

Distanta pana la nivelul dinamic

;

Distanta de la suprafata pana la nivelul dinamic

Înălțimea coloanei de lichid corespunzătoare presiunii din capul de pompare

Viteza de ascensiune a lichidelor pătrunse în sondă

Calculul numărului Reynolds

Coeficientul de rezistență hidraulică

Calculul frecarilor

Se vor folosi ompe KUDU tip 60TP1300. Caracteristicile pompei sunt urmatoarele:

Numarul de etaje : 28

Diametrul exterior al pompei D=94 mm

Lungime rotor: 3.9 m

Lungimea statorului: 3.480 m

Filetul rotorului: 1 3/16 API

Din diagrama se citesc numărul de rotații pe minut și puterea necesară

Nr. de rotatii: n = 230 rot/min

Puterea: N = 6.711 kW (9 HP)

B. Verificarea la rezistenta

Greutatea coloanei de lichid din tevile de extractive:

Aria sectiunii transversale interioara a tevilor:

Aria sectiunii transversale a prajinilor de pompare

Factorul de flotabilitate:

Densitatea oțelului:

Greutatea prajinilor in aer:

Greutatea pe metru liniar a prajinilor:

Efortul unitar de tracțiune

Momentul de torsiune:

Modulul de rezistenta polar

Tensiunea tangentiala

Efortul unitar echivalent solicitarii compuse conform teoriilor de rezistență:

Conform teoriei I de rezistenta:

Conform teoriei II de rezistenta:

Prajinile de pompare sunt confectionate din otel 41MoCr11 cu:

= 744 ∙ 106 N/m2

Conditia de verificare a rezistentei garniturii de prajini de pompare:

Se observa ca ;

;

Cele doua conditii sunt îndeplinite ceea ce rezulta ca dimensionarea este corecta din punct de vedere al rezistentei materialului.

Aplicand procedeul de calcul s-au considerat diferite scenarii de lucru :

Influenta variatia procentului de impuritati asupra tensiunilor echivalente

Influenta variatiei debitului estimat de pompare asupra efortului unitar tangential

Rezultatele acestora sunt :

Variatia procentului de impuritati asupra tensiunilor echivalente Tabel 2

Atat din tabel, cat si din grafice se observa ca variatia procentului de impuritati influenteaza direct proportional tensiunile echivalente a prajinilor , fara a fi nevoie o schimbare a otelului sau diametrului prajinilor.

Variatiei debitului estimat de pompare asupra efortului unitar tangential Tabel

Se observa ca variatia debitului influenteaza diferit efortul unitar tangential, respectand conditiile teoremelor de rezistenta. Din grafic se constata ca la un debit Q = 40 m3/zi eforturile echivalente unitare sunt minime.

Sonda S2

Datele sondei sunt urmatoarele:

Adancimea de fixare a pompei

Debitul estimat a fi extras

Distanta pana la media perforaturilor

Presiunea in capul de pompare

Adancimea de scufundare a pompei

Vascozitatea amestecului

Diametrul tevilor de extractie

Diametrul interior al tevilor de extractie:

Densitatea amestecului

Procentul de impuritati

A. Alegerea tipului de pompa

Distanta pana la nivelul dinamic

;

Distanta de la suprafata pana la nivelul dinamic

Înălțimea coloanei de lichid corespunzătoare presiunii din capul de pompare

Viteza de ascensiune a lichidelor pătrunse în sondă

Calculul numărului Reynolds

Coeficientul de rezistență hidraulică

Calculul frecarilor

Se vor folosi ompe KUDU tip 30TP1300. Caracteristicile pompei sunt urmatoarele:

Numarul de etaje : 28

Diametrul exterior al pompei D=78 mm

Lungime rotor: 3.9 m

Lungimea statorului: 3.480 m

Filetul rotorului: 1 11/16„ API

Din diagrama se citesc numărul de rotații pe minut și puterea necesară

Nr. de rotatii: n = 250 rot/min

Puterea: N = 2.98 kW (4 HP)

B. Verificarea la rezistenta

Greutatea coloanei de lichid din tevile de extractive:

Aria sectiunii transversale interioara a tevilor:

Aria sectiunii transversale a prajinilor de pompare

Factorul de flotabilitate:

Densitatea oțelului:

Greutatea prajinilor in aer:

Greutatea pe metru liniar a prajinilor:

Efortul unitar de tracțiune

Momentul de torsiune:

Modulul de rezistenta polar

Tensiunea tangentiala

Efortul unitar echivalent solicitarii compuse conform teoriilot de rezistență:

Conform teoriei I de rezistenta:

Conform teoriei II de rezistenta:

Prajinile de pompare sunt confectionate din otel 41MoCr11 cu:

= 744 ∙ 106 N/m2

Conditia de verificare a rezistentei garniturii de prajini de pompare:

Se observa ca ;

;

Cele doua conditii sunt îndeplinite ceea ce rezulta ca dimensionarea este corecta din punct de vedere al rezistentei materialului.

Aplicand procedeul de calcul s-au considerat diferite scenarii de lucru :

Influenta variatia procentului de impuritati asupra tensiunilor echivalente

Influenta variatiei debitului estimat de pompare asupra efortului unitar tangential

Rezultatele acestora sunt :

Variatia procentului de impuritati asupra tensiunilor echivalente Tabel 2

Atat din tabel, cat si din grafice se observa ca variatia procentului de impuritati influenteaza direct proportional tensiunile echivalente a prajinilor, fara a fi nevoie o schimbare a otelului sau diametrului prajinilor.

Variatiei debitului estimat de pompare asupra efortului unitar tangential Tabel

Se observa ca variatia debitului influenteaza diferit efortul unitar tangential, respectand conditiile teoremelor de rezistenta. Se constata ca pentru valorile debitului cuprins intre 5-10 m3/zi, eforturile solicitarilor compuse au o crestere brusca, urmand ca pentru debitele cuprinse intre 10-20 m3/zi sa aiba o crestere mai lenta.

CONCLUZII

In concluzie datorita avantajelor pe care le prezinta sistemul de extractie in pompaj elicoaidal si anume: un sitem flexibil, fiabil, cu o mententana simpla si necostisitoare, avand un consum redus de energie electrica, consider ca alegerea acestui sistem reprezinta un castig in perioada dificila pe care o traverseaza indusitria petroliera in prezent

In lucrarea de fata au fost prezentate cele mai uzule defectiuni ale pompelor elicoidale si s-au analizat doua sonde in pompaj elicoidal din aceasi structura geologica, dar cu parametri de exploatare diferiti:

S-au utilizat metodologii de calcul adecvat si s-a strabilit regimul optim de functioanare pentru cele sonde.

Au fost analizate mai multe scenarii ce au constat in studierea influentei cresterii procentului de impuritati si a variatiei devilui asupra tensiunilor echivalente a prajinilor.

In urma studiului realizat au rezultat urmatoarele concluzii:

Atat din valorile tabelare cat si din grafice in ambele cazuri variatia procentului de impuritati influenteaza direct proportional tensiunile echivalente a prajinilor , fara a fi nevoie o schimbare a otelului sau diametrului prajinilor.

In schimb variatia debitului influenteaza diferit efortul unitar tangential, respectand conditiile teoremelor de rezistenta in cazul sondei S1 fata de Sonda S2. Din grafic se constata ca la un debit Q = 40 m3/zi eforturile echivalente unitare sunt minime la sonda S1, fiind optime.

In cazul celei dea doua sonde se constata ca pentru valorile debitului cuprins intre 5-10 m3/zi, eforturile solicitarilor compuse au o crestere brusca, urmand ca pentru debitele cuprinse intre 10-20 m3/zi sa aiba o crestere mai lenta.

BIBLIOGRAFIE