Ventil 3 / 2023 • Letnik 29 182 ČRPANJE NAFTE 1 Uvod Sistemi za črpanje oziroma umetno dvigovanje te- kočine (angl. Artificial lift systems) so najpogoste- je uporabljene proizvodne tehnologije v naftni in plinski industriji. Vrtine, ki same ne morejo dovajati tekočine na površje pod lastnim tlakom, za proizvo- dnjo potrebujejo tehnologijo dvigovanja. Nekatere vrtine potrebujejo pomoč pri dvigovanju že od sa- mega začetka, skoraj vse pa proti koncu življenjske dobe [1], saj volumski pretok oziroma količina na- črpane nafte iz posamezne vrtine s starostjo vrtine pada po eksponentni krivulji, kot je to poenosta- vljeno prikazano na sliki 1. V vrtini z naravnim pretokom je v podzemnem za- logovniku shranjene dovolj energije (tlak) za narav- ni dvig surove nafte na površje. Ko se tlak zmanjša in/ali ko je želeni nivo proizvodnje večji od dejan- ske zmogljivosti vrtine, je za doseganje razlike tre- ba uporabiti črpalne sisteme za umetno dvigovanje nafte [2]. Globalnih statističnih podatkov o ume- tnem črpanju ni; se pa ocenjuje, da 90 % do 95 % proizvodnih vrtin na svetu trenutno uporablja ume- tno črpanje [1]. Za črpanje se najpogosteje upora- bljajo batne črpalke z drogom (angl. Sucker Rod Pumps), električne potopne črpalke (angl. Electric Submersible Pumps oz. ESP) in plinske črpalke. Te tehnologije so bile razvite v preteklem stoletju in imajo precej pomanjkljivosti [3], zato je na tem po- dročju veliko inženirskih priložnosti za izboljšave. V večini primerov se ob začetku uporabe umetnega črpanja uporabljajo ESP-črpalke (glej sliko 1 in sli- ko 2b), ki lahko zagotavljajo visoke pretoke ob za- Doc. dr. Simon Oman, univ. dipl. inž., prof. dr. Marko Nagode, univ. dipl. inž., prof. dr. Jernej Klemenc, univ. dipl. inž., dr. Aleš Gosar, univ. dipl. inž., vsi Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo r azvoj črpalne enote za črpanje sUrove nafte iz velikih globin Simon Oman, Marko Nagode, Jernej Klemenc, Aleš Gosar Izvleček: Z možnostjo vrtanja v vse večje globine so se pojavile nove priložnosti za pridobivanje nafte. Ocenjeno je, da trenutno več kot 90 % vseh naftnih vrtin za pridobivanje surove nafte potrebuje črpalni sistem oz. umetno dvigovanje. Trenutno se za črpanje uporabljajo relativno stare tehnologije, ki imajo precej pomanj- kljivosti in naftnim podjetjem zmanjšujejo zaslužke. Zaradi tega velika naftna podjetja vlagajo v razvoj novih tehnologij, ki bi pomanjkljivosti odpravile. Ena od največjih pomanjkljivosti je nezmožnost ene same obstoječe tehnologije za pokrivanje pretokov skozi celotno uporabno dobo vrtine, zaradi česar je potreb- no sprotno prilagajanje vrste tehnologije razmeram v vrtini, kar pa je zamudno in zelo drago. V prispevku je prikazan razvoj nove tehnologije črpalke, ki bazira na sicer obstoječih principih črpanja, vendar z inova- tivnimi konstrukcijskimi rešitvami omogoča, da se z združevanjem večjega števila črpalnih enot lahko za- gotovijo ustrezni volumski pretoki in je ni treba kombinirati z drugimi vrstami črpalk. Zaradi zelo zahtevnih in specifičnih razmer v vrtini je bilo potrebno najti tudi številne tehnične rešitve za reševanje delnih funkcij. Serija prototipov je že bila testirana v vrtinah na globini tri tisoč metrov. Prvi rezultati so zelo vzpodbudni, pokazale pa so se tudi potrebe po izboljšavah in dopolnitvah. Ključne besede: črpalke, surova nafta, abrazivni delci, umetno dviganje, črpalni sistemi Slika 1 : Karakteristike proizvodnje surove nafte tipič- ne vrtine v odvisnosti od njene starosti Ventil 3 / 2023 • Letnik 29 dovoljivem izkoristku [4]. Ker gre za centrifugalne črpalke, sta razpoložljivi pretok in posledično izko- ristek močno odvisna od tlačne razlike, ki je potreb- na za transport surove nafte iz podzemnega zalo- govnika do površja. Ker tlak (in tudi proizvodnja) v podzemnem zalogovniku z uporabo pada, je treba ESP-črpalko večkrat zamenjati z novo, ki je prila- gojena takratnim tlačnim razlikam in zahtevanim volumskim pretokom. Zaradi postopka vgradnje čr- palke, ki je s površino povezana preko produkcijske cevi, ki jo sestavljajo 14 m dolgi cevni elementi, se črpanje prekine za vsaj en teden. Tem prekinitvam črpanja bi se naftna podjetja rada izognila. Pri do- volj nizkem tlaku ESP-črpalke niso več primerne in se navadno nadomestijo z batno črpalko z drogom (slika 2a). Gre za najstarejšo tehnologijo črpanja, ki pa je stroškovno ugodnejša in dovolj zanesljiva. Čr- palko sestavljajo bat, protipovratna ventila in drog, ki je povezan z mehanskim pogonom na površini. Omejitve batnih črpalk z drogom so razmeroma nizek volumski pretok in številne težave [5], ki so najbolj pogosto povezane z obrabo droga oziroma jeklenega oboda vrtine (drgnjenje droga ob jekleni obod vrtine). Prekomerna obraba v številnih prime- rih poruši drog, kar zahteva izvlek črpalke, menjavo droga in orodjarsko korekcijo na jeklenem obodu vrtine. Kljub vsemu pa je življenjska doba batnih črpalk z drogom bistveno daljša kot pričakovana doba ESP-črpalk (približno razmerje: 1 leto ESP, 10 let batna z drogom). Ker batne črpalke z drogom omogočajo precej nižje volumske pretoke kot ESP- -črpalke, se po zamenjavi v proizvodnji surove naf- te pojavi manko, kot je prikazano na sliki 1. Navadno se zato čas do popolne izpraznitve naravnega zalo- govnika s surovo nafto podaljša. Zaradi zgoraj naštetih težav z obstoječimi tehnolo- gijami umetnega dvigovanja nafte iz globokih vr- tin so se v naftnih podjetjih pojavile želje in s tem potencial za razvoj novih tehnologij črpanja surove nafte, ki bi lahko pokrivale proizvodnjo celotno ži- vljenjsko dobo naravnega zalogovnika. V tem pri- spevku je prikazan koncept nove tehnologije, ki z inovativno rešitvijo združevanja večjega števila čr- palk v celoto omogoča pokritje celotnega produk- cijskega območja za večino vrtin. 2 Idejna zasnova črpalne naprave Pri iskanju nove črpalne tehnologije, ki bi omogoča- la velik razpon pretokov/proizvodnje in premago- vanje velikih tlačnih razlik, je potrebno upoštevati še dodatne geometrijske omejitve, ki močno skrčijo nabor uporabnih rešitev. Globoke naftne vrtine so namreč po premeru relativno majhne in je zato raz- položljivega prostora za črpalko ob relativno velikih maksimalnih pretokih zelo malo. Vsi robni pogoji, ki bi jih nova tehnologija morala zadostiti, so podani v tabeli 1. S krepko so zapisani parametri, ki jih mora nova tehnologija nujno dosegati. Glede na zahteve je bil za črpalni sistem izbran že dobro preverjen aksialni batni črpalni sistem, ki do- bro funkcionira tudi v batnih črpalkah z drogom, s to razliko, da bi bil pri razviti rešitvi pogon bata nameščen poleg črpalke v vrtini in ne na površju, kot je to pri batnih črpalkah z drogom. Zaradi zah- tevnih robnih pogojev, kot so visoka temperatura, trdi abrazivni delci in večje količine utekočinjene- ga zemeljskega plina, je bila v prvem konceptu do- dana tudi enota za ločevanje surove nafte, trdih delcev in plina. Z uporabo enote za ločevanje se ob večji količini plina močno zmanjša potreba po zaustavitvi črpanja in hkrati pomembno podaljša življenjska doba črpalke [6]. Celotna shema razvi- tega koncepta črpalnega sistema je prikazana na sliki 3. Zaradi številnih omejitev in zahtevnih obratovalnih pogojev je bila neposredna prilagoditev obstoječih konceptov aksialnih batnih črpalk praktično nemo- goča. Težave, s katerimi smo se srečali pri snovanju in bodo v nadaljevanju nekoliko bolj podrobno opi- sane, so bile naslednje: i Dimenzijske omejitve. Podrobnejše računske analize so pokazale, da je zaradi zelo navzgor omejenega premera črpalke (114,3 mm) zahte- vani volumski pretok s samo eno črpalno enoto praktično nemogoče doseči. Za doseganje žele- nih pretokov bi bilo tako potrebnih več vzpore- dno vezanih črpalnih enot. Zato smo od vsega začetka iskali rešitev, ki bi zagotovila vzporedno povezavo aktivno kontroliranih črpalnih enot z vidika pretoka in zaporedni postavitvi, ki jo do- voljuje geometrija vrtine. Tako z izbiro delujo- čega (aktivnega) ali nedelujočega (neaktivne- ga) stanja posamezne črpalne enote diskretno reguliramo volumski pretok in omogočimo na- mestitev redundantnih črpalnih enot, s čimer se ČRPANJE NAFTE 183 Slika 2 : Shematski prikaz črpalnih sistemov z a) batno črpalko z drogom in b) ESP-črpalko Ventil 3 / 2023 • Letnik 29 184 ČRPANJE NAFTE pomembno poveča zanesljivost črpalnega sis- tema. Ker so črpalne enote funkcijsko neodvi- sne, razvita rešitev omogoča dodajanje, odstra- njevanje ali zamenjavo črpalnih enot, s čimer je mogoče celoten sistem prilagoditi potrebam posamične naftne vrtine. ii Zahtevni tribološki pogoji. Črpalni medij ni čist in tako neprimeren za mazanje gibljivih delov v črpalki, kot je to navadno rešeno v hidravlič- nih aksialnih batnih črpalkah. To je zahtevalo ra- zvoj drugačnega principa pogona batov. Zaradi abrazivnih delcev v surovi nafti je črpalka izpo- stavljena povečani obrabi. Posledično so bile glede na znane rešitve potrebne prilagoditve tesnjenja in vodenja batov. iii Zahtevni obratovalni pogoji. Poleg tlaka in niz- ke viskoznosti surove nafte je material konstan- tno izpostavljen visoki temperaturi (~ 115 °C), ki se lahko lokalno zaradi kontaktov in trenja še poveča. V surovi nafti je precej oksidativnih ke- mičnih spojin, zaradi tehnoloških postopkov pa se pri proizvodnji lahko uporabljajo tudi agre- sivne jedke spojine. Izbor primernih materialov je bil zato podrejen standardom naftne in plin- ske industrije in posledično precej omejen. V nadaljevanju so prikazani ključni koraki koncipira- nja ob upoštevanju danih omejitev in obratovalnih pogojev, utemeljitev izbranega koncepta ter primer eksperimentalnega vrednotenja delne rešitve – vo- denje črpalnih batov. Tabela 1 : Zahteve in robni pogoji za optimalno tehnologijo umetnega dviganja nafte Lastnosti surove nafte Maksimalna temperatura °C 115,5 Gostota kg/m 3 809 Viskoznost pri 26,6 °C cP 1,7 Viskoznost pri 115,5 °C cP 0,2 Točka uplinjanja (angl. Bubble point) bar 206 Razmerje plina in nafte: GOR Scf/stb 150–2000 Koncentracija trdih delcev g/m 3 2,03 Povprečna velikost trdih delcev µm 91,7 Dimenzije: Notranji premer vrtine mm 154,8 vrtine/produkcijske cevi/črpalke °/m 5° na 3 m Povprečna ukrivljenost vrtine °/m 2° na 27,5 m Notranji premer produkcijske cevi mm 62 Maksimalna globina vrtine m 3200 Maksimalni zunanji premer črpalke mm 114,3 Tlak Minimalni sesalni tlak bar 20 Imenska tlačna razlika črpalke bar 190 Pretok Minimalni pretok L/min 2,76 Še sprejemljiv maksimalni pretok L/min 176 Maksimalni pretok L/min 276 Slika 3 : Shematski prikaz sestave modularnega črpalnega sistema Ventil 3 / 2023 • Letnik 29 3 Koncipiranje, analiza in eksperimentalno vrednotenje delnih rešitev črpalne enote V prvem koraku konstrukcijskega razvoja je po- trebno določiti koncept, ki lahko zagotavlja izpol- nitev večine, če ne celo vseh, podanih zahtev. Ne- kaj različnih razvitih konceptov črpalnega sistema in črpalnih enot, ki bi potencialno ustrezali danim zahtevam in obratovalnim pogojem, je prikazanih v naslednjem poglavju. V nadaljevanju pa so pri- kazane še različne zasnove izbranega koncepta ter analizirani in eksperimentalno ovrednoteni delovni principi, ki omogočajo delovanje v oteženih okolj- skih pogojih. 3.1 Koncepti črpalnih enot Glede na izkušnje s hidravličnimi črpalkami in čr- palnimi sistemi smo se pri koncipiranju in razvoju črpalne enote omejili na principe aksialnih batnih črpalk. Med drugim tudi zaradi preverjeno dobrega in zanesljivega delovanja, robustne in relativno eno- stavne zgradbe in primernih črpalnih zmogljivosti. Ker je bilo znotraj dovoljenega premera ohišja zelo malo prostora za vgradnjo precej velikih mehanskih ali električnih aktivatorjev, s katerimi se pri varia- bilnih črpalkah nastavlja naklon nagibne plošče za regulacijo pretoka, smo se odločili za koncept s fi- ksno ploščo oz. črpalno enoto s konstantno iztisni- no. Nekaj od teh konceptov je prikazanih na sliki 4. ČRPANJE NAFTE 185 Tabela 2 : Vrednotenje konceptov nove črpalke za črpanje nafte Koncept Prednosti koncepta Slabe lastnosti koncepta Splošna ocena (a) Omogoča redundanco Ima konstantno iztisnino 4/4 Omogoča sklapljanje enot za doseganje poljubnega pretoka Potrebuje pogon za vklapljanje in izklapljanje posamezne črpalne enote Ima polno gred in mirujoče ohišje (b) Enostavna oblika Ne omogoča redundance 2/4 Centralni vod za pretok nafte Velika količina kontaktnih/tesnilnih površin Mirujoče ohišje Ima omejen maksimalni pretok (le ena enota) Ima konstantno iztisnino Ima votlo gred (c) Enostavna oblika Ne omogoča redundance 2/4 Centralni vod za pretok nafte Velika količina kontaktnih/tesnilnih površin Ima omejen maksimalni pretok (le ena enota) Ima konstantno iztisnino Velike vztrajnostne mase (d) Omogoča redundanco Ima konstantno iztisnino 3/4 Omogoča sklapljanje enot za doseganje poljubnega pretoka Velika količina kontaktnih/tesnilnih površin Mirujoče ohišje Otežena redundanca Slika 4 : Koncepti aksialne batne črpalke s fiksno ploščo z (a) vrtečo se gredjo in stacionarnim ohišjem, (b) z vrtečo se votlo gredjo in stacionarnim ohišjem, (c) s stacionarno votlo gredjo in vrtljivim ohišjem, (d) z vrtečo se votlo gredjo in stacionarnim ohišjem Ventil 3 / 2023 • Letnik 29 Vsi prikazani koncepti lahko zagotovijo želeno tlač- no razliko in jih je mogoče namestiti v ohišje, ven- dar pa noben ne izpolnjuje zahteve po volumskem pretoku. Izmed zamišljenih konceptov smo zato iz- birali samo take, ki omogočajo sestavljanje črpalnih enot v črpalni sistem ter s tem doseganje potrebne- ga volumskega pretoka in redundanco. Skupni pre- tok je tako odvisen od vsaj dveh ali več uporablje- nih in delujočih črpalnih enot, dodatna regulacija pa je mogoča z uporabo frekvenčnega reguliranja pogonskega elektromotorja. Kvalitativna ocena z utemeljitvijo v smislu izvedljivosti, redundance in izpolnjevanja zahtev je za vsak koncept na sliki 4 predstavljena v tabeli 2. Ker lahko koncept (a) (slika 4a), v nadaljevanju tega članka poimenovan kot koncept z enotnim tlačnim in sesalnim vodom, izpolni več zahtev v primerjavi z ostalimi tremi koncepti, je bil izbran za nadaljnje raziskave in razvoj. Podrobnosti so predstavljene v naslednjih poglavjih. 3.2 Koncept z enotnim tlačnim in sesalnim vodom V tem poglavju so prikazani ključni koraki študije iz- vedljivosti koncepta z enotnim tlačnim in sesalnim vodom glede na želeni oziroma maksimalni volum- ski pretok. Študija je upoštevala naslednje predpo- stavke:  enotni sesalni vod mora zagotavljati pretok 176 l/min (tabela 1),  po priporočilih za hidravlične sisteme hitrost medija v sesalnem vodu ne sme presegati 1,23 m/s (ob predpostavki atmosferskega tlaka na vstopu) in 7,62 m/s v tlačnem vodu [7],  zagotovljen mora biti prostor za skoznje pove- zovalne prednapete vijake,  ohišje posamezne črpalne enote zaradi koncep- ta izmenljivosti ne sme biti preobremenjeno (tr- dnost),  notranji premer ohišja črpalne enote mora za- gotavljati dovolj prostora za ploščo z ležaji, blok cilindrov z bati, ventile, tesnila. Pri določanju zmogljivosti posamezne črpalne eno- te je bilo najprej potrebno izračunati največji še dovoljeni presek tlačnega in sesalnega voda, ki ju dovoljuje razpoložljiva geometrija, preden je ma- terial napetostno in deformacijsko preobremenjen. Zaradi kompleksnosti geometrije so bile te analize narejene s pomočjo računalniških modelov in s si- mulacijami s končnimi elementi (Simulia Abaqus). Prav tako je bilo treba določiti tudi najmanjši dovo- ljeni presek sesalnega voda, ki je vezan na dejansko hitrost črpanega medija (nafte). Pri visokih hitrostih (majhni preseki) se namreč hitro pojavijo težave s kavitacijo, z nezveznim nihanjem tlaka s turbu- lentnimi izgubami, padci in tlačni skoki. Najmanjši dovoljeni presek sesalnega voda smo izračunali po enačbi (1). (1) 𝐴𝐴 𝑆𝑆 ,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑄𝑄 𝑣𝑣 𝑆𝑆 = 176∙10 6 𝑚𝑚𝑚𝑚 3 60𝑠𝑠 ∙ 1 1,23∙10 3 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑠𝑠 = 2385 𝑚𝑚𝑚𝑚 2 (1) 𝐴𝐴 𝑇𝑇 ,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑄𝑄 𝑣𝑣 𝑇𝑇 = 176∙10 6 𝑚𝑚𝑚𝑚 3 60𝑠𝑠 ∙ 1 7,62∙10 3 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑠𝑠 = 385 𝑚𝑚𝑚𝑚 2 (2) Najmanjši dovoljeni presek tlačnega voda smo izra- čunali po enačbi (2). (2) 𝐴𝐴 𝑆𝑆 ,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑄𝑄 𝑣𝑣 𝑆𝑆 = 176∙10 6 𝑚𝑚𝑚𝑚 3 60𝑠𝑠 ∙ 1 1,23∙10 3 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑠𝑠 = 2385 𝑚𝑚𝑚𝑚 2 (1) 𝐴𝐴 𝑇𝑇 ,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑄𝑄 𝑣𝑣 𝑇𝑇 = 176∙10 6 𝑚𝑚𝑚𝑚 3 60𝑠𝑠 ∙ 1 7,62∙10 3 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑠𝑠 = 385 𝑚𝑚𝑚𝑚 2 (2) Ob znanih omejitvah, tako geometrijskih kot fizi- kalnih, smo izvedli geometrijsko optimizacijo pre- seka. Pomembno je poudariti, da smo pri geome- trijski optimizaciji stremeli predvsem k povečanju prečnega preseka sesalnega voda. S tem smo želeli zmanjšati tlačne izgube na sesalni strani, ki lahko vzdolž črpalnega sistema povzročijo precej težav, kot je naravno uplinjanje utekočinjenega zemeljske- ga plina, ki lahko pomembno zmanjša volumetrični izkoristek črpalke ali pa jo celo onemogoči (večje količine plina ob protipovratnih ventilih se zaradi kompresijskega razmerja plin-nafta ne da izločiti in zato črpalka namesto črpanja surove nafte samo tlači plinski mehur). Končna geometrija presekov in postavitev sesalnih in tlačnih vodov vseh črpalnih enot sta prikazani na sliki 5b. Na sliki 5a pa je predstavljen prvotni kon- cept, ki pa ne zadosti trdnostnih kriterijev. Naj še omenimo, da v kolikor predvideni minimalni speci- ficirani tlak na sesalni strani ni enak 0 bar (v našem primeru je predvidenih 20 bar), je dejanska potreb- na površina sesalnega voda glede na prvotni izra- čun iz enačbe (1) lahko sorazmerno manjša. 3.3 Analiza in eksperimentalno vrednotenje obstoječih rešitev Na trgu obstaja več različnih konstrukcijskih izvedb aksialnih batnih črpalk, vsaka s svojo prednostjo in slabostjo. Ker se je izkazalo, da nobena od obstoječih konstrukcijskih izvedb ne bo mogla zagotoviti vseh 186 ČRPANJE NAFTE Slika 5 : Prečni presek ohišja črpalne enote z enotnimi sesalnimi in tlačnimi vodi a) pred geometrijsko opti- mizacijo in b) po njej Ventil 3 / 2023 • Letnik 29 zahtevanih parametrov črpanja in hkrati izpolniti vseh geometrijskih in obratovalnih pogojev, smo za izbrani koncept predvideli kombinacijo delnih rešitev (tesnje- nje, ventili, vpetja batov na nagibno ploščo, materiali, …) po zgledu preverjenih in delujočih rešitev. Ob tem je bila izvedena analiza trga in veljavnih patentov. Zaradi velikega števila mehanskih komponent in dr- snih stikov med njimi je največji izziv, kako doseči zadostno zanesljivost črpalne enote. Zaradi zelo niz- ke viskoznosti surove nafte pa se lahko pomembno zmanjša tudi učinkovitost črpanja. Ker je bilo razvitih več tehničnih rešitev, ki naslavljajo različne funkcijske posebnosti, se bomo v tem članku omejili samo na predstavitev rešitve vodenja batov. Gre za zanimiv in zahteven tribološki in mehanski detajl, od katerega je odvisno delovanje celotnega črpalnega sistema. Primer je še toliko bolj specifičen, saj je za razliko od klasične hidravlične aksialne črpalke kontakt močno obremenjen z nečistočami, trdimi abrazivnimi del- ci in kemičnimi specifikami surove nafte. Namen te predstavitve je pokazati, kako nizka viskoznost suro- ve nafte (črpanega medija) in abrazivni delci vpliva- jo na obrabo in zmanjšujejo predvideno dobo traja- nja aksialne batne črpalke. V ta namen smo izdelali preizkuševališče in izvedli preizkuse na standardni hidravlični aksialni batni črpalki za črpanje olja in nato še na standardni aksialni batni črpalki, ki pa se uporablja za črpanje vode. Ti dve črpalki sta bili iz- brani zaradi njunih specifičnih rešitev vodenja in te- snjenja batov, uporabljenih kombinacij materialov, zmožnosti zagotavljanja primerno visokega tlaka in volumskega pretoka ter predvsem povsem različnih konceptov črpanja. Detajli o materialu in poteku pre- izkusov so podani v nadaljevanju. 3.3.1 Eksperiment 1: vpliv olja z nizko viskoznostjo Prva eksperimentalna postavitev je bila zasnovana za oceno delovanja standardne aksialne batne čr- palke (Vickers PVQ10) pri črpanju olja z nizko vi- skoznostjo. Črpalka je imela konstantno iztisnino 10 cm 3 , vrtljivi blok cilindrov, nagibno ploščo in de- vet batov, kot je shematično prikazano na sliki 6a. Črpalka je bila na eni strani mehansko povezana z elektromotorjem, na drugi strani pa je bila s hidra- vličnimi cevmi povezana z rezervoarjem za olje, kot je prikazano na sliki 6b. Fizikalne lastnosti uporabljenega olja so predsta- vljene v tabeli 3. Pri tem preizkusu smo olje filtrirali, trdih abrazivnih delcev nismo uporabili. 3.3.2 Eksperiment 2: vpliv trdih in abrazivnih delcev Pri drugem eksperimentu je bil cilj preveriti vpliv trdih delcev na delovanje standardne hidravlične batne črpalke. Eksperimentalna postavitev je bila enaka kot pri prejšnjem eksperimentu, le da je bilo uporabljeno hidravlično olje ustrezne viskoznosti. Lastnosti uporabljenega hidravličnega olja so po- dane v tabeli 4. Za izvedbo preizkusov smo upo- rabili vnaprej pripravljeno mešanico prahu [11] z znano porazdelitvijo velikosti trdih delcev. Prašna mešanica z znano vsebino se tudi sicer uporablja za testiranje naftnih črpalnih sistemov in filtrirnih enot, saj ima prah skoraj enako porazdelitev velikosti del- cev in kemično sestavo kot tisti, najden v naftnih vrtinah. Porazdelitev velikostnih razredov trdih del- cev je prikazana na sliki 7. Ker je trdih delcev v naftni vrtini v resnici relativno malo, je bil ekvivalenten vzorec prahu za eksperi- ment skoraj neznaten. Zaradi tega v razpoložljivem času za testiranje ni bilo mogoče zagotoviti ustre- zne ponovljivosti kot tudi ne intenzitete obrabe. Zato smo se odločili, da pospešimo eksperiment in ga izvedemo s povečano koncentracijo trdih del- ČRPANJE NAFTE 187 Slika 6 : Eksperimentalni sistem: a) računalniški model aksialne batne črpalke s ključnimi sestavnimi deli in b) shema ter slika eksperimentalnega sistema Tabela 3 : Lastnosti uporabljenega črpalnega medija pri eksperimentu 1. Material Naziv Opis in lastnosti Črpalni medij OLMOL EDM 270 Dielektrično olje za elektroerozijo Viskoznost: 2,2 cP pri 20 °C 0,4 cP pri 90 °C Širina senzorja 11,4 mm Gostota: 809 kg/m 3 Trdi delci Brez delcev / Ventil 3 / 2023 • Letnik 29 cev. Teh je bilo glede na nazivno vrednost 2,03 g/ m 3 za faktor petdeset (50-krat) več. 3.3.3 Eksperiment 3: vpliv nizke viskoznosti in trdih abrazivnih delcev Pri tretjem preizkusu je bila klasična hidravlična aksialna črpalka zamenjana s še vedno standardno aksialno črpalko, ki pa se uporablja za črpanje vode (Speck Triplex P30/36-150) in je prikazana na sliki 8b. Črpalka je po specifikacijah proizvajalca zmo- žna zagotavljati dovolj veliko tlačno razliko kot tudi črpati tekočino z nizko viskoznostjo in visoko tem- peraturo, npr. skoraj vrelo vodo z veliko nečistoč. Za razliko od prej omenjene hidravlične aksialne batne črpalke ima aksialna batna črpalka vodene in dva- krat tesnjene bate, kar dovoljuje ločen pogonski in tlačni del, kot nazorno prikazano na sliki 8a. 4 Rezultati 4.1 Eksperiment 1 Pri prvem eksperimentu je črpalka odpovedala v manj kot 2 minutah po zagonu. Ugotovljeno je bilo, da so okvaro povzročile lokalno preobremenjene kontaktne površine med cilindrom in bati, zaradi česar je eden od batov zaribal. Podrobnosti opazo- vanih lokalno poškodovanih površin na enem batu in znotraj ene od lukenj bata v cilindru so prikazane na sliki 9a oziroma sliki 9b. Po poskusu enega bata zaradi lokalne zavaritve z ohišjem ni bilo mogoče odstraniti, kar je prikazano na sliki 9c. Rezultat testa je pokazal, da klasične hidravlične črpalke niso sposobne črpanja medijev z nizko vi- skoznostjo, saj zaradi slabega mazanja prihaja do težav. Rešitev za odpravo teh težav je v menjavi 188 ČRPANJE NAFTE Tabela 7 : Lastnosti uporabljenega črpalnega medija pri Eksperimentu 2. Material Naziv Opis in lastnosti Črpalni medij HIDROLUBRIC VG 46 Hidravlično olje Viskoznost: 40 cP pri 40 °C 5,8 cP pri 100 °C Gostota: 871 kg/m 3 Trdi delci Fini testni prah (Powder Technology Inc.) 0,1 g/L Slika 8 : Eksperimentalni sistem z aksialno batno črpalko Speck Triplex za črpanje vode Slika 7 : Eksperimenti s trdimi abrazivnimi delci: a) mešanica testnega prahu s porazdelitvijo nominalne velikosti zrn in b) slika vrtini sorazmerno velikega vzorca prahu za ugotavljanje obrabe 1 Ventil 3 / 2023 • Letnik 29 materialnega para, kjer prihaja do težav. V nasle- dnjem koraku je bila opravljena raziskava vpliva različnih kombinacij materiala na obnašanje med preizkusom. Najprej so bili batki prevlečeni s trdo DLC-oblogo, v naslednjem koraku pa luknje cilindra povečane in vanje vstavljene keramične puše iz cir- konijeve keramike (ZrO 2 ), ki zagotavlja zelo nizke koeficiente trenja in relativno veliko udarno odpor- nost. Že eksperiment s prevlečenimi bati je pokazal, da so se kontaktne razmere občutno popravile in je zato črpalka delovala stabilno, kar potrjujeta dia- grama temperature in notranjega puščanja ter vo- lumetričnega izkoristka na sliki 10. Pojasnilo k sliki 10: eksperiment je bil po 180 min začasno prekinjen, zaradi česar sta na grafu notranje puščanje in tem- peratura pred ponovnim zagonom upadla. 4.2 Eksperiment 2 Pri drugem eksperimentu je črpalka delovala štiri ure, preden je volumetrični izkoristek padel pod 70 %. Zaradi abrazivnih lastnosti uporabljenega te- ČRPANJE NAFTE 189 Slika 9 : Aksialna batna črpal- ka po eksperimentu s trdimi delci: a) lokalna površinska poškodba na enem od batov in b) v luknjah cilindra ter c) lokalno zvarjena (zaribana) bat in ohišje Slika 10 : Rezultati meritev čr- palke z batki, prevlečenimi z DLC-prevleko: a) temperatura in notranje puščanje v odvi- snosti od časa in b) volume- trični izkoristek v odvisnosti od časa Slika 11 : Rezultati meritev s hidravličnim oljem: a) notra- nje puščanje in temperatura in b) volumetrični izkoristek v odvisnosti od časa Ventil 3 / 2023 • Letnik 29 190 ČRPANJE NAFTE stnega prahu se je notranje puščanje nenehno po- večevalo. To je ob koncu eksperimenta doseglo že 5 l/min, zaradi česar je bil eksperiment ustavljen. Izmerjeno notranje puščanje in temperatura ter pri- padajoči volumetrični izkoristek črpalke so pred- stavljeni na sliki 11a oziroma sliki 11b. Detajlna analiza črpalke po eksperimentu je pokaza- la, da se obraba (vizualna kontrola) pojavlja na vseh mestih z drsnim kontaktom. Opažena obraba med bati, prevlečenimi z DLC-prevleko in cilindrom, je bila relativno majhna v primerjavi z obrabo, ki je nastala na ventilski plošči, ki je v tem primeru največ dopri- nesla k notranjemu puščanju. Te ugotovitve so pripe- ljale do sklepa, da koncept črpalke z ventilsko ploščo ni primeren za predvideno dolgotrajno delovanje pri zahtevnih pogojih obratovanja z veliko količino abra- zivnih delcev. Hkrati pa smo ugotovili, da trde prevle- ke na batih lahko bistveno pripomorejo k izboljšanju obrabne odpornosti drsnih kontaktov. Prav tako bi bilo za dolgotrajno delovanje potrebno kontakt bat- -cilinder še dodatno izboljšati in po zgledu raziskave Wang et al. [9] v cilinder namestiti keramične puše. 4.3 Eksperiment 3 Rezultati tretjega eksperimenta so pokazali (slika 12), da kombinacija keramike in jekla v kontaktnem paru bat-cilinder zelo dobro deluje (zanemarlji- va obraba in notranje puščanje), pospešeni testi s povečano količino prahu pa kažejo, da sedežni tip protipovratnega ventila v primerjavi z drsno ploščo kaže večjo odpornost na mehansko obrabo in po- sledično omogoča doseganje daljše dobe trajanja kljub prisotnosti abrazivnih delcev. Dodatno spo- znanje med testiranjem vodne črpalke je tudi to, da rešitev s povsem ločenim pogonskim in hidravličnim delom omogoča črpanje olja/vode z nizko viskozno- stjo pri visokih tlakih in odlično prenaša nečistoče in abrazivne delce. Velja pa omeniti, da tovrstna re- šitev zahteva večjo skrb za zagotavljanje ustreznih mazalnih pogojev pogonskega dela, saj voda ali olje z nizko viskoznostjo ne nudita primerljivih mazalnih pogojev hidravličnemu olju z dodatki. Vsa navedena spoznanja so ob še številnih vmesnih analizah in eksperimentalnem vrednotenju pripelja- la do končne tehnične rešitve konstrukcije črpalke za črpanje surove nafte z nizko viskoznostjo pri vi- sokem tlaku in visoki temperaturi, ki je predstavlje- na v naslednjem poglavju. 5 Predstavitev končne konstrukcijske črpalke Po številnih korakih optimizacije, eksperimentalnih verifikacij in vpeljavi posameznih inovativnih rešitev za reševanje delnih funkcij je bila določena končna konstrukcija črpalne enote. Računalniški model raz- vite črpalne enote je v prerezu prikazan na sliki 13. Črpalna enota je v grobem sestavljena iz sredinske- ga dela s pogonskim in tlačnim delom ter dveh pri- ključnih konektorjev. Priključni konektor na izhodni strani omogoča spojitev črpalne enote s produkcij- sko cevjo (cev, po kateri teče surova nafta iz narav- nega zalogovnika do površine), priključni konektor na vhodni strani pa priključitev črpalne enote na separator trdih delcev in plina. Vzdolž votle sredine separatorja se vrti gred, ki povezuje črpalno enoto in pod separatorjem nameščen pogonski elektromotor. To omogoča, da se med oba konektorja lahko na- mesti poljubno (glede na zmožnosti elektromotorja) število črpalnih enot in s tem regulira trenutni in po- sledično tudi največji razpoložljivi volumski pretok. Tlačni del predstavlja devet batov s pripadajočim parom povratnih ventilov, ki omogočajo ustvarjanje tlačne razlike, potrebne za črpanje surove nafte. Ta se, tako na sesalni ali tlačni strani, pretaka po vzdol- žnih kanalih, ki so nameščeni po zunanjem obodu ohišja. Patentirani koncept [10] z združenimi sesal- nimi kanali in združenimi tlačnimi kanali omogoča poleg možnosti zaporednega sestavljanja črpalnih enot tudi ustrezno hlajenje pogonskega dela črpal- ne enote, v katerem je nagibna plošča skupaj s ce- lotnim uležajenjem. Ležaji so mehansko in termično Slika 12 : Rezultati meri- tve volumskega pretoka in temperature hidravličnega olja v odvisnosti od časa za eksperiment z vodno črpalko: a) brez trdih delcev in b) s trdimi delci Ventil 3 / 2023 • Letnik 29 ČRPANJE NAFTE 191 močno obremenjeni, zato je pogonski del v celoti napolnjen z mazalnim oljem, zaradi česar mora biti zagotovljeno dobro tesnjenje na mestih, kjer bati vstopajo v pogonski del. Podobno velja tudi za me- sto, kjer v pogonski del vstopa gred. Oba načina tesnjenja sta rešena z namensko razvitimi tesnili: z radialnimi dinamičnimi tesnili na mestih z bati in radialno-aksialnim dinamičnim tesnilom na mestu z gredjo. Zaradi segrevanja in s tem ekspanzije ma- zalnega olja je v pogonskem delu črpalne enote na- meščen tudi tako imenovani tlačni kompenzator, ki poleg kompenzacije ekspanzije olja zagotavlja, da je tlak v pogonskem in črpalnem delu (na sesalni strani) črpalne enote vseskozi izenačen. Slednje močno olajša pogoje tesnjenja. Delovni oziroma tlačni gib bata je zagotovljen s potiskanjem (oscilacijo) nagibne plošče, na katero so bati le naslonjeni, povratni oziroma sesalni gib pa z vijačno vzmetjo, ki tudi skrbi, da je vrh bata v neprestanem kontaktu z nagibno ploščo. Potisk nagibne plošče se ob ustrezni geometriji ustvarja z vrtenjem gredi, ki ga zagotavlja elektromotor. Ta- kšna zasnova zato zgolj ob menjavi gredi s ploščo z drugim nagibnim kotom zaradi spremembe dol- žine hoda batov omogoča prilagoditev nazivne iz- tisnile. Pri danih geometrijskih omejitvah je največji naklonski kot omejen na 16° (iztisnina 28,6 cm3). Če dejanska potreba po pretoku presega zmogljivosti ene črpalne enote, lahko to zagotovi sistem s kom- binacijo zaporedno sestavljenih črpalnih enot. Ker je Slika 13 : Računalniški model razvite črpalne enote v prerezu z označenimi ključnimi sestavnimi elementi Tabela 5 : Primer sestava črpalnih enot s prikazom skupnega pretoka (D-delujoča enota, R-redundantna oz. nedelujoča enota) Primer 1 Primer 2 Primer 3 Črpalna enota št. Kot naklonske plošče [°] Iztisnina črpalne enote [cm 3 /obrat Stanje črpalne enote Stanje črpalne enote Stanje črpalne enote 1 16 28,6 D R D 2 16 28,6 D R R 3 16 28,6 R R R 4 10 17,9 D R R 5 10 17,9 R R R 6 6 10,7 D R D 7 6 10,7 R R R 8 4 7,1 D D R 9 4 7,1 R R R Skupni pretok pri 1500 vrt/min [l/min] 140 10,6 58,9 Skupni pretok pri 1500 vrt/min [sodov na dan*] 1261 95 530 * 1 sod = 158,987 l Ventil 3 / 2023 • Letnik 29 192 ČRPANJE NAFTE vsaka črpalna enota povezana na skupni sesalni in skupni tlačni vod, z vgrajenim potnim ventilom pa enoto lahko vklopimo ali izklopimo, je omogočena diskretna regulacija pretoka tudi brez regulacije hi- trosti vrtenja gredi in hkrati tudi uporaba redundan- tnih črpalnih enot. Dodatno prilagodljivost sistema lahko dosežemo s kombinacijo črpalnih enot z raz- ličnimi koti naklonskih plošč. V tabeli 5 so za primer predstavljene tri kombinacije s preračunanimi teore- tičnimi črpalnimi zmogljivostmi sestava devetih čr- palnih enot z različnimi koti naklonske plošče. 6 Zaključek V članku je povzet razvoj nove črpalke za črpanje surove nafte z nizko viskoznostjo pri velikih tlačnih razlikah in visokih temperaturah. Glavna inovaci- ja predstavljene črpalke temelji na razviti geome- trijsko-tehnični rešitvi, ki z združevanjem večjega števila zaporedno vezanih črpalnih enot omogoča diskretno povečanje razpoložljivega volumskega pretoka (sicer princip vzporedne vezave). Rešitev je bila med potekanjem razvojnega postopka zašči- tena z dvema ameriškima patentoma [10,11]. V članku so na kratko predstavljeni eksperimentalni rezultati, s katerim smo na osnovi zahtevanih obra- tovalnih pogojev pri snovanju koncepta preverili mo- žnost uporabe konstrukcijskih rešitev standardnih hidravličnih črpalk za primer vodenja batov. Podani so razmisleki in ugotovitve glede zdržljivosti in ob- rabe črpalk ob povečani koncentraciji nečistoč in trdih abrazivnih delcev. Rezultati kažejo, da klasični principi, ki se uporabljajo za črpanje izredno čistega hidravličnega olja, v primeru črpanja nafte niso pri- merni. Kot alternativo smo eksperimentalno preve- rili visokotlačno črpalko za črpanje vode. Nato so v splošnem prikazani še ključni razmisleki in izvedeni ukrepi, ki so pripeljali do končne delujoče in spreje- mljive rešitve vodenja batov. Končna rešitev je tako nadgrajena kombinacija rešitev, poznanih iz visoko- tlačnih aksialnih batnih črpalk za črpanje vode in hi- dravličnih aksialnih batnih črpalk z nagibno ploščo. Prva serija štirih polnofunkcionalnih prototipov čr- palk, ki so bile razen posameznih specifičnih sestav- nih delov (ležaji, tesnila ipd.) izdelani v Sloveniji (slika 14), je že bila testirana v naftni vrtini na globini 3000 m ob realnih pogojih uporabe. V črpalnem sestavu je trenutno po ena črpalna enota. Rezultati so zelo vzpodbudni, saj črpalka razen manjših težav deluje ustrezno in s pričakovanimi zmogljivostmi. Med te- stiranji smo imeli še največ težav z nadziranjem pa- rametrov črpališča (velike razdalje in slabo odziven kontrolni sistem) in nepričakovanimi specifičnimi lastnostmi posamezne vrtine, npr. akumuliranjem tr- dih delcev na izstopu iz črpalke, kjer se hitrost medi- ja zaradi velikega premera produkcijske cevi močno zmanjša. V pripravi so tudi konstrukcijske rešitve, ki bodo odpravile tudi te pomanjkljivosti. Viri [1] J. Parshall, Challenges, Opportunities Abound for Artificial Lift, Journal of Petrole- um Technology, 65(03) 70–75, 2013. https:// doi.org/10.2118/0313-0070-JPT. [2] S. Goswami, T. S. Chouhan, Artificial Lift to Boost Oil Production, International Journal of Engineering Trends and Technology, 26, 1–5, 2015. http://dx.doi.org/10.14445/22315381/ IJETT-V26P201. [3] J. Presley, Artificial Lift: Adapting to Change, Journal of Petroleum Technology, 74(10), 22– 26, 2022. [4] K. E. Patron, X. C. Billdal; H. Lu, D. Kutluev, D. Kimery, K. Gau, L. Diederichs, S. Fears, Arti- ficial Lift Strategy for the Life Cycle of Un- conventional Wells: A Case Study for Hori- zontal Shale Wells, SPE Middle East Artificial Lift Conference and Exhibition, Bahrain, 2018. https:/ /doi.org/10.2118/192458-MS. [5] L. R. Heinze, Z. Ge, M. M. Rahma, Suck- er-Rod-Pumping Failures in the Permian Basin, SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Houston, 1999. https://doi. org/10.2118/0300 0044-JPT. [6] J. Konieczny, W. Łatas, J. Stojek, Classifica- tion of Wear State for a Positive Displace- ment Pump Using Deep Machine Learn- ing, Energies, 16(3) 1408, 2022. https://doi. org/10.3390/en16031408. [7] Spletni vir: L. A. Li, K. Kolmetz, A. Dwijayan- ti, Piping Hydraulics Fluid Flow Line Siz- ing and Material Selection – Rev. 5, Kolmetz Handbook of Process Equipment Design, KLM Technology Group, West Malaysia, 2018. https:/ /www.klmtechgroup.com/PDF/EDG- Slika 14 : Izdelani prototipi črpalk za testiranje v vrtinah Ventil 3 / 2023 • Letnik 29 ČRPANJE NAFTE Development of a pumping unit for the artificial lift of crude oil from great depths Abstract: With the ability to drill to ever greater depths, new opportunities for oil production have emerged. It is estimated that currently more than 90% of all oil wells require artificial lifting. Currently, relatively old tech- nologies are used for production, which have significant drawbacks that reduce oil companies’ revenues. For this reason, major oil companies are investing in the development of new technologies to address the shortcomings. One of the major drawbacks is that a single existing technology is not capable of covering the production flows throughout the life of the well, which requires constant adjustment of the technology type to the downhole conditions, which is time consuming and very expensive. The paper demonstrates the de- velopment of a new pumping technology based on existing pumping principles, but with innovative design solutions that allow combining multiple pumping units in one pumping system. This ensures sufficient maxi- mum flow, which can be regulated to practically zero. Due to the very demanding and specific conditions in the well, it was also necessary to find a number of technical solutions to solve partial functions. A number of prototypes have already been tested in wells at a depth of three thousand meters. The initial results are very encouraging, but the need for improvements and additions has already become clear. Keywords: pumps, crude oil, abrasive particles, artificial lift, pumping systems EQU/ENGINEERING-DESIGN-GUIDELINES fluid-flow-Rev5.2web.pdf (Datum zadnjega obiska 25.5.2023). [8] Spletni vir: Mešanice prahu za naftno in plinsko industrijo. https://www.powdertechnologyinc. com/. (Datum zadnjega obiska 25. 5. 2023.) [9] C. Wang, Y. Ye, X. Guan, J. Hu, Y. Wang, J. Li, An analysis of tribological performance on Cr/GLC film coupling with Si3N4 , SiC, WC, Al2O3 and ZrO2 in seawater, Tribology In- ternational, 96 77–86, 2016. http://dx.doi. org/10.1016/j.triboint.2015.12.010. [10] S. Oman, M. Nagode, J. Klemenc, F. Majdič, M. Hočevar, A Gosar, A Škrlec, L. Olah. Pat- ent US10995745B1, Alexandria: United States Patent and Trademark Office, 2021. [11] S. Oman, M. Nagode, J. Klemenc, F. Majdič, M. Hočevar, A Gosar, A Škrlec, L. Olah. Pat- ent US10883488B1, Alexandria: United States Patent and Trademark Office, 2021. 193