Резиновая диафрагма гидрозащиты для погружных электронасосов (ПЭН).

 

                                                                                                                                                                                                        к.т.н. А.А. Соколовский,                                                                                                                                                                                                           к.т.н. Б.И. Ревякин

                                                                                                                                        «Лаборатория разработки и исследования резин и  РТИ» ООО «МАЯК-РТИ

Гл. инженер ООО «НПК «Нефтемаш» Е.Е. Григорян

 

«Разделяя две агрессивные жидкости – диэлектрическое масло внутри двигателя и пластовую жидкость – диафрагма - наиболее уязвимый элемент конструкции погружного  электронасоса и требует пристального внимания на всех этапах от изготовления до монтажа в скважину» [Ш.Р.Агеев, Е.Е. Григорян, Г.П. Макиенко «Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение», «Энциклопедический справочник», Пермь – 2007].

 

В течение многолетнего сотрудничества с заводами-производителями нефтедобывающего оборудования и сервисными компаниями нами собраны и проанализированы:

- информация об условиях эксплуатации диафрагм в процессе нефтедобычи;

- изменения внешнего вида, характер разрушения, изменения свойств диафрагм, изготовленных различными фирмами из различных резин после различных сроков и условий эксплуатации;

- результаты собственных экспериментов по деформационному поведению резиновых диафрагм различных конструкций при перепадах давления;

- результаты собственных экспериментов по старению резин в условиях, имитирующих в какой-то степени условия эксплуатации диафрагм в контакте с маслами под давлением, на воздухе и в инертной среде (в вакууме).

Полученные результаты позволяют сформулировать:

- условия эксплуатации диафрагм;

- деформационное поведение диафрагм при эксплуатации;

- требования к свойствам резин, используемых для изготовления диафрагм;

- подходы к методам испытаний резин для диафрагм.

 

I.             Условия эксплуатации диафрагм:

 

На диафрагмы действуют с одной стороны диэлектрические масла – МДПН, МДПН-С, МАС ПЭД-2, Mobil, Shell, REDA - и с наружной поверхности пластовая жидкость.

   Химический состав масел не сообщается, поэтому определить какие из компонентов масел определяют набухание, а какие оказывают химическое воздействие на структуру резин на основе каучуков различной химической природы  невозможно. Поэтому определение стойкости резин к маслам возможно только экспериментальным путем.     

    Пластовая жидкость содержит 98-50 % воды и 2-50 % углеводородов нефти, состав которых существенно зависит от месторождений. Пластовая жидкость насыщена газом:

1 т пластовой жидкости может содержать до 500 м3 газа – в основном двуокиси углерода (CO2) и 10 – 1200 г сероводорода (H2S). При повышенных температурах сероводород активно ускоряет «старение» углеводородных резин (на основе нитрильных каучуков).

    Диафрагмы находятся под гидростатическим воздействием масла и пластовой жидкости 250– 350 кгс/см2  при разности внутреннего и внешнего давлений +/- 1 – 6 кгс/см2 при нормальной работе ПЭН.

    Наиболее жесткие условия эксплуатации диафрагм возникают при увеличивающемся газосодержании в пластовой жидкости. Возникающие при этом срывы потока пластовой жидкости вплоть до прекращения ее подачи из-за образования газовой пробки приводят к нестабильности работы электродвигателя. В результате диафрагма испытывает неизвестные по величине и частоте перепады давления при неизвестном росте температуры. При образовании газовой пробки происходит срыв подачи насоса, остановка двигателя и как следствие изменение давления в скважине с 1 до 250 кгс/см2.

   Принято, что в зависимости от глубины скважин температура пластовой жидкости равна 95, 125 и 150 0C. Разогрев масла и пластовой жидкости при работе электродвигателя в ПЭН требуют применения резин с теплостойкостью более  высокой, чем температура пластовой жидкости. Анализ свойств применяемых в диафрагмах резин и технических требований нефтяников к диафрагмам позволили определить температурные диапазоны  эксплуатации диафрагм в зависимости от температуры пластовой жидкости:

 

  Температура пластовой жидкости, °С

Температура эксплуатации диафрагм, °С

95+/-10

105 – 140

125  +/- 10

135 – 180

150 +/- 10

160 – 240

 

II.          Деформационное поведение диафрагм.

 

Анализ формы диафрагм после эксплуатации, а также эксперименты на специально созданной  установке позволяют описать деформационное поведение диафрагм при перепадах давления:

- При избыточном давлении масла внутри диафрагмы (1 – 6 атм.) цилиндрическая  часть диафрагмы растягивается  в радиальном направлении до 10%; вблизи горловины диафрагма растягивается в основном в осевом направлении на 50 – 70%.

- При равномерном по длине диафрагмы избыточном давлении 1-6 атм. пластовой жидкости диафрагма складывается, как правило, в трех плоскостях до плоского состояния.

При избыточном давлении пластовой жидкости Ризб = 1 атм. диаметр складки диафрагмы составляет D = 16-22 мм; при Ризб =  6 атм. диаметр складки D=6-10 мм; при  Ризб = 15-30 атм. и более D= 4 - 6 мм. (т.е. диаметр складки D равен практически удвоенной толщине стенки диафрагмы). При этом степень растяжения наружного слоя резины увеличивается с 30-50% до 120-150%. С ростом сжатия диафрагмы внутренний слой резины на складке испытывает увеличивающиеся напряжения как сжатия, так и растяжения, оценить величины которых не удается.

В областях переходов из одной плоскости складывания в другую резина испытывает 2-х – 3-х - осные деформации. Вероятность разрушения резины в этом случае значительно возрастает.

 

III.       Требования к свойствам резин, используемых для производства диафрагм.

 

   Обычно требования нефтяников к резинам диафрагм формулируются следующим образом:

- морозостойкость до -40 – 45 0C;

- температура эксплуатации в разных вариантах от +1200 до +220 0C;

- набухание в масле (без указания марки или с перечислением 3-х – 5-ти марок масел) – не более 10%;

- давление 250 – 350 кгс/см2  .;

- содержание газа общего и сероводорода (H2S);

- содержание твердых частиц;

- иногда вводится пункт – стойкость к «кессонному эффекту».

1. Требование морозостойкости резин для диафрагм обуславливается тем, что монтаж ПЭН происходит в зимних условиях на воздухе.

 

2. Резины должны обладать стойкостью к набуханию в маслах, воде и нефтяных углеводородах при температурах эксплуатации и давлении. Суммарное набухание резин в этих средах не должны превышать 10% весовых (или 10% объемных). При больших степенях набухания могут недопустимо увеличиваться размеры диафрагм и уменьшаться прочностные и эластические свойства резин.

 

   3. Стойкость к «кессонному эффекту» в резинах может быть обеспечена  двумя способами: либо использовать резины с очень малой эластичностью, высокой прочностью и твердостью, либо – резины с очень высокой эластичностью – разрывное удлинение резин должно быть выше 300% - при этом прочность резины играет второстепенную роль.

 

 По нашему мнению основными показателями резин, обеспечивающими работоспособность диафрагм, в ПЭН являются:

- высокая эластичность, т.е. большое разрывное удлинение, при низких модулях растяжения;

- низкая скорость падения высокой эластичности и роста модуля растяжения в процессе эксплуатации;

- высокая температуростойкость, которая характеризует степень уменьшения прочности и разрывного удлинения с ростом температуры.

   Для стандартных резин на основе нитрильных каучуков при Т>100-150°С коэффициент температуростойкости колеблется в пределах 1,5 – 3 раза. Для резин на основе фторкаучуков при Т0 >= 150 0C этот коэффициент достигает 5-7 раз.

 

IV.              Подходы к методам испытаний резин для диафрагм.

 

1.Практически все лаборатории на предприятиях, имеющих отношение к производству и эксплуатации нефтедобывающего оборудования, проводят испытания стойкости резин в маслах – определения набухания и изменения свойств резин – путем длительного – 1-5 суток – нагревания до заданных температур образцов резин в маслах при атмосферном давлении и при прямом контакте масел с кислородом воздуха. Использование такой методики зачастую приводит к тому, что на основании её результатов выбираются резины непригодные для применения их в диафрагмах. Причины для этого следующие:

- набухание резин в маслах при атмосферном и высоком давлении происходит в разной степени;

- при нагревании резин в маслах на  воздухе происходит окисление, а следовательно и изменение химического состава как масел, так и резины;

- как набухание, так и химическое «старение» окисляющихся резин с окисляющимися маслами происходит неизвестным образом и, следовательно, дает недостоверные по отношению к условиям эксплуатации результаты.

По вышеизложенным причинам рекомендуется проводить испытания резин в маслах (в соответствии с ГОСТ 9.030-74 «Резины. Методы испытаний на стойкость в ненапряженном состоянии к воздействию жидких агрессивных сред») в стальных герметически закрытых контейнерах, заполненных маслом на 90-95% объема. При высоких температурах за счет испарения масел в контейнерах развивается давление до 50-80 кгс/см2, что до некоторой степени приближает условия испытаний к эксплуатационным.

 

2.            Нами проводилось изучение старения ряда резин на основе нитрильных каучуков как на воздухе, так и в маслах в соответствии ГОСТ 9.030-74. Определяли изменения физико-механических свойств «состаренных» образцов резин при +200C и их поведение при изгибе на 180° при +20°С и при +1800 - 2200C.

               Получено, что при уменьшении разрывного удлинения до 45-60% все резины при перегибе на 1800 при температуре +200°С либо разрушаются, либо на поверхности образуются трещины. При температурах +1800-220 0C разрушаются или растрескиваются при перегибе на 1800 резины, имеющие разрывное удлинение </=120%.

 

               Как показано в разделе II, растяжение резин в диафрагмах при колебаниях давления может достигать 50-100%. Следовательно, приведенное выше значение разрывного удлинения резин (100-120%) при температуре +20 0C  является критическим.

При меньших значениях разрывного удлинения резин вероятность выхода из строя – разрушения - диафрагм резко возрастает.

Отсюда следует, что резины для производства диафрагм должны иметь большие значения разрывных удлинений от 300% минимально до 500%-700%. При этом даже при одинаковых скоростях «старения» резин при постоянном времени работы, если разрывное удлинение резин упадет в 2 раза, то для резин типа  «С»-26Ч это значение уменьшится  с 200% до 100%, т.е. до критического значения, а для резины «С»-М-3 -  с 500% до 250%, т.е. до значения, в 2,5 раза превышающего критическое.

Однако из теории и практики известно, что «старение» резин помимо температуры и среды активирует работа деформации, т.е. произведение величины деформации на усилие, при котором эта деформация достигается. Для низкомодульных – «мягких» - резин с большими разрывными удлинениями активирующее влияние работы деформации невелико, поэтому скорость «старения» резины «С»-М-3 значительно – в2-3 раза – ниже, чем у резин типа «С»-26Ч. В результате температура эксплуатации резин типа «С»-26Ч и резины   «С»-М-3 равны соответственно +1600 - +170 0C  и +2000 – +220 0C. (табл.1)

 

Таблица 1. Результаты испытаний резины «С»-М-3 и «С»-26Ч в масле МАС-ПЭД-2

 

                           Марка   резины

 

    Свойства

«С»-М-3

исходн.

«С»-М-3 

185 º С х 125 часов в масле

«С»-26Ч исходн.

«С»-26Ч

185 º С  х 125 часов в масле

Прочность при разрыве Р, кгс/см2, Н/м

113 - 116

90 – 95

121 – 125

170 – 197

Удлинение при разрыве L, %, Н/м

650 - 670

410 – 435

260 – 290

20 – 60

Сопротивление  раздиру R, кгс/см ,н/м             

36 - 37

20,5 – 22,7

33 - 35

47 – 49

Набухание в маслах Q,

% вес

---

-0,15 - +0,35

---

-7,15 –  -7,40

Изменение толщины h, %

---

-1,25 - + 2,55

---

-4,15 - -4,90

Изменение длины l, %

---

+0,25 - +0,30

---

-3,55 - -4,30

 

* Полные данные по стойкости резины «С»-М-3 и «С»-26Ч  к старению в масле МАС_ПЭД-2 при температурах до 225 ºС приведены в отчете нашей лаборатории, подготовленном по результатам испытаний, проведенных по просьбе ООО «Сервисная Компания «Борец».

 

3.      На основании нашего опыта экспериментальных работ мы полагаем, что определение температуростойкости резин для диафрагм при перегибе при высоких температурах является перспективным методом. Развитие этого метода и его стандартизация могут дать сравнительную информацию о работоспособности различных резин в диафрагмах, а также определить причины выхода диафрагм из строя – то ли это предельный показатель «старения» резин, то ли это отклонение условий эксплуатации от нормальных (заданных нефтяниками).

Лаборатория разработки резин ООО «МАЯК-РТИ» проводит работы в этом направлении.

 

4.      Резины на основе отечественного фторкаучука СКФ–26 и зарубежных фторкаучуков, например фирмы «DUPONT» и др., имеющие рецептурные  составы близкие к стандартным, обладают превосходной стойкостью к «старению» при температурах до 250 0C в маслах и пластовой жидкости. Их критическим недостатком является низкая температуростойкость. Деформации диафрагм при высоких температурах сопровождаются их разрушением. Исключение составляет резина на основе каучука «Aflas», изготовление диафрагм из которой освоено ООО «РЕАМ – РТИ». Однако очень высокая стоимость каучука «Aflas» и технологические трудности, особенно в производстве диафрагм, ограничивают их использование.

Лаборатория разработки резин ООО «МАЯК – РТИ» ведет поиск рецептурно-технологических приемов разработки резин на основе серийных, относительно дешевых серийных фторкаучуков в направлении модификации их свойств до уровня, необходимого для условий эксплуатации диафрагм – морозостойкости и температуростойкости –наряду с присущей этим каучукам стойкостью к «старению» в электроизоляционных маслах при температурах до 250 ºС и стойкостью к действию окислителей – сероводорода, кислорода воздуха и др.

К настоящему времени разработана резина «С»-ФД на основе фторкаучука СКФ-26, допустимая температура экслуатации диафрагм из которой достигает 230 ºС. У резины «С»-ФД удалось повысить температуростойкость и улучшить морозостойкость до - 35ºС по сравнению с серийными резинами на основе СКФ-26. (табл.2)

Результаты разработок резин для ПЭН Лаборатории РТИ ООО «МАЯК-РТИ» приведены в таблице 2.

            На производстве ООО «МАЯК-РТИ» освоено изготовление диафрагм практически любых типоразмеров из рези «С»-ФД по обычной, применяемой для резин на основе бутадиен-нитрильных каучуков, технологии. Диафрагмы из резины «С»-ФД успешно прошли производственные испытания в составе ПЭН в скважинах Нефтекумского  месторождения.

            Одновременно находится в стадии завершения разработка резины на основе фторкаучука СКФ-26, морозостойкость которой доводится до -40 - -45ºС , а максимальная температура эксплуатации до +250 ºС. Предварительная оценка свойств разрабатываемой резины с условным шифром «С»-ФД-МТ приведена в табл.2.

 

Таблица 2.

 

Марка резины

 

 

    Свойства

«С»-ФД на основе фторкаучука

«С»-ФД-МТ на основе фторкаучука

Прочность при разрыве, кгс/см2, Н/м

100

100

Удлинение при разрыве, %, Н/м

300

300

Сопротивление  раздиру, кгс/см ,н/м             

20

20

Твердость Шор А, усл.ед.

70 - 80

60-70

Набухание в маслах, % вес

1,5 - 3

10 +/- 2

Морозостойкость, °С

-30 - -35

-40 - 45

Допустимая температура эксплуатации, °С

200–220

210–240 (кратковременно 250)

 

Свойства резин после испытаний в маслах  МДПН – С,  REDA-5 и др. в течение 10 суток (по ГОСТ – 9.030-74)

 

 

«С»-ФД

«С»-ФД-МТ

Т0 испытаний, °С

200 +10

220 +5

Прочность при разрыве, кгс/см2

110 - 120

90 – 110

Удлинение при разрыве, %

180 - 200

280 - 320

Твердость Шор А, усл.ед.

75 - 85

67 - 73

 

            Полученные результаты показывают, что на базе детального анализа деформационного поведения диафрагмы при эксплуатации, представлений о связи строения и эксплуатационных свойств резин и РТИ, оцениваемых с применением как стандартных, так и нестандартных методов испытаний, с применением нетрадиционных подходов к рецептуростроению возможно существенное повышение рабочих свойств резин для диафрагм гидрозащит ПЭН на основе как бутадиен-нитрильных, так и фторкаучуков.

Заключение.

 

Многолетний опыт работы в области физико-химии каучуков и резин и создания резин для различных условий эксплуатации показал, что для этого:

- необходима информация об условиях эксплуатации резин; чем более сложны и нестандартны условия эксплуатации, тем более подробна, должна быть информация об этих условиях;

- на основании информации об условиях эксплуатации производится разработка представлений о комплексе свойств резин, удовлетворяющих эксплуатационные требованиям;

- на основе представлений о комплексе рабочих свойств резин, знаний о физико-химических свойствах каучуков и резин, а также нестандартных подходов к рецептуростроению  проводятся рецептурно–технологические работы по созданию резин с требуемым комплексом свойств;

- в дополнении к стандартным методам испытаний резин необходима разработка нестандартных методов испытаний, имитирующих в той или иной степени условия эксплуатации.