Экспериментальное исследование песчаной эрозии в многоступенчатом электроцентробежном погружном насосе (ESP): снижение производительности, износ и вибрация

Электроцентробежные погружные насосы (ESP), являющиеся одним из наиболее широко используемых методов искусственного подъёма, постепенно совершенствовались с 1910-х годов. Вместе с тем их производительность и срок службы подвержены влиянию множества проблем, таких как запирание газом, жидкости с высокой вязкостью, коррозия и эрозия. В условиях развития бурения горизонтальных скважин и многоступенчатого гидравлического разрыва пласта добыча песка из нецементованных песчаников и обратный поток проппанта часто вызывают серьёзные повреждения ESP, приводя к сокращению эксплуатационного ресурса. Измерение износа в насосе ESP и мониторинг снижения производительности затруднены как в полевых условиях, так и в экспериментальных исследованиях. Такие данные ценны для понимания механизмов износа внутри ESP и для проектирования и моделирования насосов. Одновременно данные по вибрации и работе оборудования могут существенно помочь в диагностике отказов ESP, что потенциально уменьшает время и стоимость обслуживания скважин и продлевает срок службы ESP. Процессы износа внутри ESP можно классифицировать по различным режимам и механизмам. Эрозионный износ наблюдается в основных потоковых каналах рабочего колеса (ротора) и диффузора (статора): частицы ударяют по поверхности обтекателя, и истертый материал выносится потоком жидкости. Различные полуэмпирические уравнения эрозии могут быть сопряжены с вычислительной гидродинамикой (CFD) для прогнозирования эрозии в ESP. В периферийной зоне потока — уравновешивающей камере и уплотнительных кольцах — частицы оказываются между статором и вращающимся ротором; поэтому абразивный износ считается доминирующим процессом. В отличие от эрозии, абразия более сложна, и уравнения абразии сильно зависят от геометрии, физических механизмов и нагрузки между частицей и поверхностью-мишенью. В этом исследовании был разработан и собран испытательный контур с песчаной средой для изучения износа в ESP. В ходе 64-часового песчаного прогона регистрировались снижение производительности, схемы эрозии, скорость абразии и вибрация по ступеням ESP.