Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Струйный насос относится к классу гидродинамических аппаратов, принцип действия которых основан на передаче кинетической энергии от высоконапорного рабочего потока перекачиваемой жидкости. Физической основой работы служит уравнение Бернулли, согласно которому увеличение скорости потока приводит к снижению статического давления в зоне смешения. Энергия рабочей жидкости, нагнетаемой с поверхности или от погружного насоса, преобразуется в кинетическую энергию высокоскоростной струи при прохождении через сопло.
В камере смешения происходит интенсивное турбулентное перемешивание активного потока с пассивным (пластовой жидкостью), в результате чего образуется однородная смесь. Переход кинетической энергии в потенциальную осуществляется в диффузоре, где происходит восстановление давления за счёт снижения скорости потока. Коэффициент восстановления давления в диффузоре составляет 0,70-0,85 в зависимости от геометрических параметров и режима течения.
Сопло представляет собой профилированный канал с постепенным сужением, обеспечивающий преобразование потенциальной энергии давления в кинетическую энергию струи. Угол сходимости конфузора составляет 13-20 градусов, что обеспечивает плавное ускорение потока без отрыва струи от стенок. Диаметр выходного сечения сопла определяет расход рабочей жидкости и варьируется в диапазоне от 6 до 18 миллиметров для типовых промысловых установок.
Камера смешения является цилиндрическим каналом, в котором осуществляется взаимодействие активного и пассивного потоков. Оптимальная длина камеры составляет 6-10 диаметров для обеспечения полного выравнивания скоростей по сечению потока. Диаметр камеры подбирается из условия получения требуемого коэффициента инжекции, при этом соотношение диаметров камеры и сопла обычно находится в пределах 2,5-4,0.
Диффузор служит для преобразования кинетической энергии смеси в потенциальную энергию давления. Угол раскрытия диффузора 5-8 градусов выбирается из условия предотвращения отрыва потока от стенок и обеспечения максимального восстановления давления. Качество изготовления диффузора существенно влияет на КПД установки, поэтому требования к шероховатости его поверхности составляют Ra менее 0,63 мкм.
Элементы проточной части струйного насоса изготавливаются из коррозионностойких сталей марки 12Х18Н10Т или высоколегированных сплавов для работы в агрессивных средах. При наличии в пластовой жидкости сероводорода применяются специальные материалы, устойчивые к сульфидному растрескиванию согласно требованиям ГОСТ 31446-2017.
Коэффициент инжекции представляет собой безразмерный параметр, определяемый как отношение массового расхода инжектируемой жидкости к массовому расходу рабочего потока. Данный параметр является основной характеристикой струйного насоса и непосредственно связан с его КПД через коэффициент напора. Типичные значения коэффициента инжекции для промысловых установок находятся в диапазоне 0,05-0,30, при этом наиболее распространённое значение составляет около 0,1.
Основой расчёта является система уравнений сохранения массы, импульса и энергии для контрольных сечений струйного насоса. Начальным этапом является определение скорости истечения рабочей жидкости из сопла по формуле v₁ = φ√(2gH₁), где φ - коэффициент скорости сопла, принимаемый равным 0,95-0,98, H₁ - напор рабочей жидкости, выраженный в метрах столба перекачиваемой среды.
Коэффициент напора β определяется из соотношения создаваемого насосом напора H₀ к располагаемому напору рабочей жидкости H₁. КПД струйного насоса вычисляется как произведение коэффициента инжекции α на коэффициент напора β. Максимальное значение КПД достигается при определённом соотношении геометрических параметров проточной части, обычно находящемся в диапазоне 0,30-0,35 для оптимально спроектированных насосов.
При проектировании струйного насоса необходимо учитывать компромисс между коэффициентом инжекции и создаваемым напором. Увеличение коэффициента инжекции достигается за счёт снижения коэффициента напора, что следует из фундаментального соотношения между этими параметрами. Оптимальный режим работы выбирается исходя из конкретных условий эксплуатации скважины и требуемых технологических параметров подъёма жидкости.
Вязкость перекачиваемой жидкости оказывает существенное влияние на характеристики струйного насоса через изменение профиля скоростей в зоне смешения. При увеличении вязкости возрастает толщина пограничного слоя на стенках камеры смешения, что приводит к снижению интенсивности турбулентного обмена импульсом между потоками. Практически установлено, что при вязкости выше 50 миллипаскаль-секунд коэффициент инжекции снижается на 15-25 процентов по сравнению с работой на маловязких жидкостях.
Для компенсации негативного влияния вязкости применяются специальные конструктивные решения, включающие увеличение длины камеры смешения и применение многосопловых схем. Подогрев рабочей жидкости до температуры 60-80 градусов Цельсия позволяет снизить вязкость смеси и частично восстановить производительность установки. Однако данный метод требует дополнительных энергозатрат и применяется только при экономической целесообразности.
Тандемная установка представляет собой комбинацию погружного электроцентробежного насоса с струйным аппаратом, установленным ниже приёма ЭЦН. Принципиальным отличием от традиционной схемы является использование части продукции скважины в качестве рабочей жидкости для струйного насоса. Подача ЭЦН разделяется на два потока: основной поток направляется в подъёмную колонну, а рабочий поток подаётся через сопло струйного насоса для инжекции дополнительного объёма жидкости из затрубного пространства.
Компоновка тандемной установки выполняется по схеме с последовательным расположением ЭЦН и струйного насоса на одной колонне НКТ. Рабочая жидкость отбирается из межтрубного пространства между внешней и внутренней колоннами труб либо через специальный канал в корпусе струйного насоса. Регулирование режима работы осуществляется изменением частоты вращения электродвигателя ЭЦН с помощью частотного преобразователя, что позволяет оптимизировать соотношение расходов в зависимости от текущего дебита скважины.
Автоматическая адаптация к изменяющимся условиям эксплуатации является ключевым преимуществом тандемных систем. При снижении динамического уровня в скважине увеличивается напор на выходе ЭЦН, что автоматически повышает эффективность работы струйного насоса. Обратная связь между компонентами системы обеспечивает стабилизацию режима работы без необходимости вмешательства оператора.
Увеличение дебита скважины при использовании тандемных установок составляет 10-30 процентов в зависимости от коэффициента продуктивности пласта и газового фактора. Дополнительная депрессия на пласт создаётся за счёт снижения давления в зоне всасывания струйного насоса, что интенсифицирует приток флюида из продуктивного горизонта. Особенно эффективно применение тандемных схем в скважинах с низким пластовым давлением, где традиционные способы эксплуатации не обеспечивают требуемой производительности.
Утилизация попутного газа из затрубного пространства решает проблему газовой блокировки погружного оборудования и снижает риск фонтанирования через затрубье. Газ инжектируется струйным насосом вместе с жидкостью и интенсивно диспергируется в камере смешения, образуя газожидкостную эмульсию с высокой стабильностью. Такая организация процесса позволяет эксплуатировать скважины с газовым фактором до 500 кубических метров на тонну без установки дополнительных газосепараторов.
Упрощение конструкции подземного оборудования достигается за счёт отказа от пакера и двойной колонны труб, необходимых в традиционных установках струйных насосов. Монтаж тандемной системы выполняется на стандартной колонне НКТ согласно ГОСТ 31446-2017, что снижает затраты на подготовку скважины к эксплуатации. Масса погружной части не превышает массы комплекта ЭЦН с газосепаратором, что позволяет использовать стандартное подъёмное оборудование.
Тандемные установки ЭЦН-СН рекомендуются для скважин с дебитом 30-150 м³/сут, газовым фактором 150-500 м³/т и содержанием механических примесей до 1,5 г/л. Оптимальная глубина установки определяется из условия обеспечения минимально допустимого давления на приёме ЭЦН с учётом работы струйного насоса.
Струйные насосы находят применение в скважинах, эксплуатация которых традиционными способами затруднена или экономически нецелесообразна. Специфические условия, определяющие эффективность УСН, включают высокое газосодержание продукции, наличие механических примесей, коррозионно-активные компоненты пластовых флюидов и сложную траекторию ствола скважины. Комплексный анализ геолого-технических условий позволяет обосновать целесообразность применения струйных насосов.
При газовом факторе выше 100 кубических метров на тонну применение УЭЦН становится проблематичным из-за явления газовой блокировки рабочих колёс насоса. Струйные насосы эффективно работают при газосодержании до 70 процентов по объёму на приёме благодаря интенсивному диспергированию газовой фазы в камере смешения. Высокая турбулентность потока препятствует коалесценции газовых пузырьков и обеспечивает устойчивый подъём газожидкостной смеси.
Механизм работы струйного насоса с газосодержащими средами основан на создании высоких скоростей сдвига в зоне смешения потоков, что приводит к измельчению газовых включений до размеров менее 1 миллиметра. Такая мелкодисперсная эмульсия имеет реологические свойства, близкие к свойствам однофазной жидкости, что обеспечивает стабильность характеристик насоса при изменении газового фактора в широком диапазоне.
Отсутствие прецизионных зазоров и движущихся частей в конструкции струйного насоса обеспечивает высокую устойчивость к абразивному износу при содержании механических примесей до 2,0 граммов на литр. Основной износ происходит в сопле и входной части камеры смешения, где скорости потока достигают максимальных значений. Применение износостойких материалов позволяет обеспечить межремонтный период не менее 8 месяцев даже в условиях интенсивного пескопроявления.
Защита от абразивного износа достигается также за счёт правильного выбора скоростных режимов и оптимизации геометрии проточной части. Постепенный характер изменения скорости потока в диффузоре снижает эрозионное воздействие твёрдых частиц на стенки канала. Периодический контроль геометрических размеров критических элементов позволяет своевременно выявлять предельный износ и планировать подземный ремонт скважины.
Компактная конструкция и отсутствие жёстких требований к вертикальности установки делают струйные насосы предпочтительным выбором для горизонтальных скважин. Длина горизонтального участка может достигать нескольких километров, что затрудняет применение штанговых насосов из-за высоких нагрузок на колонну штанг. УСН успешно работают при отклонениях от вертикали до 90 градусов без изменения характеристик.
Гидравлическая схема работы струйного насоса исключает влияние ориентации аппарата в пространстве на его производительность. Это позволяет размещать оборудование в любой точке горизонтального ствола в зависимости от профиля притока флюида по длине продуктивного интервала. Гибкость в выборе места установки обеспечивает оптимизацию режима дренирования пласта и максимизацию коэффициента извлечения нефти.
Технико-экономический анализ применения струйных насосов требует комплексной оценки как достоинств, так и недостатков данного типа оборудования в конкретных промысловых условиях. Правильный выбор способа эксплуатации скважины определяет эффективность всего процесса добычи углеводородного сырья.
Отсутствие движущихся частей в конструкции струйного насоса обеспечивает высокую надёжность работы и длительный межремонтный период. Износ элементов носит постепенный характер, что позволяет прогнозировать срок службы оборудования и планировать подземные ремонты скважин.
Устойчивость к коррозионному воздействию агрессивных компонентов пластовых флюидов достигается применением специальных материалов для изготовления проточной части. Струйные насосы могут эксплуатироваться в средах с концентрацией сероводорода до 1,25 г/л без дополнительной защиты.
Простота конструкции упрощает монтаж и демонтаж оборудования при проведении подземных ремонтов. Масса погружной части установки струйного насоса составляет 8-15 кг, что позволяет выполнять операции спуска и подъёма с использованием лёгких подъёмных агрегатов.
Гибкость рабочих характеристик струйного насоса позволяет адаптировать режим работы к изменяющимся условиям эксплуатации скважины без извлечения оборудования. Регулирование производительности осуществляется изменением давления рабочей жидкости на устье или заменой сопла.
Возможность работы с многофазными потоками, содержащими газ, нефть, воду и механические примеси, расширяет область применения струйных насосов. Установки эффективно функционируют при обводнённости продукции от 0 до 99 процентов без изменения конструкции оборудования.
КПД струйных насосов обычно находится в диапазоне 0,30-0,35, что является основным недостатком данного типа оборудования. Значительная часть энергии рабочей жидкости рассеивается в виде тепла при турбулентном перемешивании потоков. Это приводит к повышенному энергопотреблению по сравнению с другими способами эксплуатации скважин.
Необходимость циркуляции больших объёмов рабочей жидкости требует применения мощных насосных агрегатов на поверхности или использования тандемных схем с погружными насосами. При использовании наземного силового привода требуется дополнительный ряд НКТ для подачи рабочего агента, что увеличивает капитальные затраты.
Стоимость оборудования струйных насосов в 1,5-2,2 раза превышает стоимость традиционных установок штанговых или электроцентробежных насосов сопоставимой производительности. Однако для малодебитных скважин с осложнёнными условиями эксплуатации применение УСН может быть экономически оправданным за счёт увеличения межремонтного периода.
Эксплуатационные затраты при использовании струйных насосов определяются главным образом расходом электроэнергии на привод наземных насосов или дополнительной нагрузкой на погружной электродвигатель в тандемных установках. Удельные энергозатраты на подъём продукции составляют 15-25 кВт×ч/м³, что выше аналогичного показателя для УЭЦН.
Струйные насосы рекомендуются к применению в скважинах с дебитом до 150 м³/сут, газовым фактором выше 100 м³/т, содержанием механических примесей более 0,5 г/л или при эксплуатации горизонтальных стволов. В этих условиях УСН имеют преимущества перед другими способами механизированной добычи.
Основное отличие заключается в механизме передачи энергии перекачиваемой среде. Струйный насос не имеет движущихся частей и работает за счёт передачи импульса от высокоскоростной струи рабочей жидкости инжектируемому потоку. Центробежный насос использует вращение рабочего колеса с лопатками для создания центробежной силы. Струйные насосы имеют КПД 0,30-0,35, что ниже чем у центробежных насосов, но превосходят их по надёжности и устойчивости к механическим примесям.
Струйные насосы эффективно работают при газовом факторе до 500 м³/т. Содержание свободного газа на приёме может достигать 70 процентов по объёму без существенного снижения производительности. В тандемных установках ЭЦН-СН газ инжектируется из затрубного пространства и интенсивно перемешивается с жидкой фазой в камере смешения, что обеспечивает стабильную работу системы.
Межремонтный период струйного насоса составляет от 8 до 24 месяцев в зависимости от условий эксплуатации. При работе в скважинах с высоким содержанием механических примесей наиболее подвержены износу сопло и входная часть камеры смешения. Рекомендуется контроль геометрических размеров этих элементов через каждые 6-8 месяцев работы для своевременного выявления критического износа.
КПД в диапазоне 0,30-0,35 обусловлен значительными гидравлическими потерями при турбулентном смешении потоков в камере смешения. Часть кинетической энергии высокоскоростной струи рассеивается в виде тепла из-за вихревых течений и трения. Кроме того, неполное восстановление давления в диффузоре приводит к дополнительным потерям энергии. Данные значения КПД компенсируются простотой конструкции и высокой надёжностью.
Тандемные установки ЭЦН-СН предпочтительны в скважинах с высоким газосодержанием, где обычные ЭЦН испытывают трудности из-за газовой блокировки. Использование продукции скважины в качестве рабочей жидкости исключает необходимость наземного источника рабочего агента и дополнительного ряда НКТ. Тандемная схема обеспечивает увеличение дебита на 10-30 процентов за счёт создания дополнительной депрессии на пласт.
Применение струйных насосов для добычи высоковязкой нефти ограничено. При вязкости более 50 мПа×с коэффициент инжекции снижается на 15-25 процентов из-за увеличения толщины пограничного слоя и замедления турбулентного переноса импульса. Для эффективной работы с вязкими жидкостями рекомендуется предварительный подогрев рабочей жидкости или применение методов тепловой обработки призабойной зоны пласта.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.