طراحی، ساخت و آزمایش اولین پروتکتور ESP تولید داخل

طراحی، ساخت و آزمایش
اولین پروتکتور ESP تولید داخل

 

واحد تحقیق و توسعه
شرکت پادیاب تجهیز

 

• مقدمه
  مخازن نفتی در ابتدای عمر خود به طور طبیعی و عادی بر اساس فشار ته چاه و فشار سرچاه ۱، سیال نفت را به سطح می رسانند. با گذشت زمان تولید، فشار مخازن کاهش یافته و فشار ته چاه توانایی غلبه کردن بر مجموع افت فشارهای درون چاه و سرچاهی را نداشته و نمی تواند سیال را به سطح برساند و یا قابلیت دستیابی به نرخ تولید مناسب در سر چاه را ندارد. فرازآوری مصنوعی در چاه‌های نفتی روشی است که با کمک به غلبه بر افت فشارهای مسیر تولید سیال، باعث افزایش و نگهداشت نرخ تولید می گردد.
  پمپ غوطه‌ور الکتریکی (ESP) یکی از متداول ترین روش های فرازآوری مصنوعی است. پمپ های ESP از نوع گریز از مرکز با جابجایی دینامیکی چند مرحله ای هستند که توسط شفتی به یک موتور درون چاهی متصل شده اند. انرژی الکتریکی این موتور توسط کابلی که از سطح به چاه فرستاده می شود، تأمین می گردد [۱]. براساس آمار منتشر شده در سالیان اخیر  [۲]، بیشترین سرمایه گذاری در زمینه فرازآوری مصنوعی مربوط به پمپ درون چاهی ESP بوده و این روش یکی از پرکاربردترین روش فرازآوری مصنوعی در صنعت نفت می‌باشد.
  تاریخچه ESP در ایران
  اولین تجربه استفاده از مجموعه پمپ درون‌چاهی ESP در ایران در میادین شرکت ملی نفت فلات قاره ایران بوده و به سالهای گذشته برمی‌گردد. تاکنون تعداد زیادی چاه در میادین شرکت ملی نفت فلات
  قاره با مجموعه پمپ ESP تکمیل شده است که سهم قابل توجهی از تولید کل این شرکت را پوشش می دهد. همچنین در میادین خشکی، در شرکت ملی مناطق‌نفتخیزجنوب، بعد از چند تجربه ناموفق در نصب مجموعه پمپ ESP توسط شرکت‌های خارجی، اولین نصب و راه‌اندازی موفقیت آمیز مجموعه پمپ ESP توسط شرکت پادیاب تجهیز در میدان نفتی مسجدسلیمان انجام پذیرفت. پس از این تجربه موفق، چاه های بیشتری جهت تکمیل به کمک مجموعه پمپ ESP در برنامه قرار گرفت و تاکنون تعداد قابل توجهی مجموعه پمپ درون چاهی ESP در چاه‌های نفتی توسط شرکت پادیاب تجهیز با موفقیت نصب و راه‌اندازی گردیده است.
  اجزای مجموعه ESP
  پمپ‌های درون چاهی ESP مدت زمان نسبتا طولانی است که در صنعت نفت در دنیا مورد استفاده قرار می گیرند و در تولید سیال از چاه‌های کم بهره نقش موثری دارند. پمپ‌های غوطه‌ور الکتریکی از اجزای مختلف تشکیل شده اند و هر یک از این مؤلفه ها در نقش خود بسیار حیاتی هستند. شکل ۱ اجزای اصلی پمپ ESP را نشان می دهد. این اجزا بطور کلی شامل واحد کنترل سطحی، کابل الکتریکی، پمپ گریز از مرکز چند مرحله ای، جداکننده گاز، پروتکتور و موتور می شوند.

Wellhead Pressure 1

۲ Electrical Submersible Pump

۳ Bearing

شکل ۱٫ شماتیک کلی مجموعه ESP

جهت جلوگیری از نشت جریان بین هر یک از فازهای کابل و سوختن موتور، موتور ESP توسط یک روغن با خاصیت دی الکتریکی پر می شود. این موتورها همچنین قابلیت کارکرد در دماهای بالا را دارا هستند و اگر به طور کامل درزگیری شود، محفظه آنها در اثر افزایش فشار داخلی ناشی از انبساط روغن، دچار ترکیدگی خواهد شد. حال اگر این موتورها به صورت آزادانه در ارتباط با محیط اطرافشان قرار بگیرند، سیال چاه وارد موتور شده و باعث نشتی جریان بین فازها خواهد گردید و موتور پس از گذشت مدت زمان کوتاهی از کار خواهد ایستاد. به این منظور، تجهیزی برای جلوگیری از آسیب جدی موتور به مجموعه ESP اضافه شده است که پروتکتور نام دارد.

 

 

شکل ۲ شماتیک کلی پروتکتور را به نمایش می‌گذارد.

شکل ۲٫ شماتیک کلی پروتکتور

پروتکتور یکی از حیاتی ترین قسمتهای پمپ ESP است و وظایف متفاوتی دارد. در زیر بطور خلاصه به بخشی از وظایف پروتکتور خواهیم پرداخت:
۱- یکسان‌سازی فشار بین سیال چاه و روغن دی الکتریک موتور را ممکن می‌سازد.
۲- نیروی محوری ایجاد شده در تجهیزات بالایی را در بیرینگ ۳ نصب شده در خود جذب می‌کند.
۳- ارتباط مستقیم روغن داخل موتور با سیال چاه را از بین می‌برد.
۴- وظیفه ذخیره‌سازی روغن دی الکتریک مرغوب برای موتور و بیرینگ را بر عهده دارد. با توجه به ارتباط مستقیم پروتکتور با موتور، این امکان فراهم می‌شود که روغن داخل موتور منسبط و منقبض شود. باعث انتقال گشتاور ایجاد شده در موتور به تجهیزات بالایی می‌گردد.
برای انجام وظایف ذکر شده، پروتکتورها از اجزای مخصوصی ساخته می‌شوند. اجزای اصلی شامل شفت، Labyrinth ،Bag ، نشت بند مکانیکی و بیرینگ می باشد.

پروتکتورها از بالا به جداکننده یا ورودی سیال و از پایین به موتور الکتریکی توسط کوپلینگ متصل هستند. این کوپلینگ ها گشتاور ایجاد شده در موتور را به شفت پروتکتور منتقل می‌کند و به تبع آن تمام تجهیزات بالایی متصل شده به پروتکتور نیز مطابق با سرعت چرخش موتور خواهند چرخید. همانطور که اشاره شد، برای جذب نیروهای محوری ایجاد شده در تجهیزات بالایی، انتهای پروتکتور یک بیرینگ تعبیه شده است. این بیرینگ توسط روغن دی الکتریک موجود در پروتکتور روغ نکاری شده و از سایش مکانیکی آن جلوگیری می‌کند. نوع و ظرفیت بیرینگ براساس تجهیزات نصب شده انتخاب می‌گردد و در صورت انتخاب اشتباه، بیرینگ به سرعت از بین رفته و مجموعه ESP متحمل آسیب مکانیکی شدیدی خواهد شد.

شکل ۳ ساختار بیرینگ پروتکتور را نشان می دهد.

                    شکل ۳٫ ساختار بیرینگ
محفظه‌های (۴) جداکننده از اجزای اصلی پروتکتورها به حساب می‌آیند که نسبت به نوع طراحی و شرایط چاه، تعداد آنها، نحوه اتصال و نوع قطعات استفاده شده قابل تغییر است. این محفظه‌ها معمولا یا از نوع Labyrinth و یا از Bag تشکیل می‌شوند. نحوه عملکرد این دو نوع محفظه متفاوت بوده و در صورت عدم انتخاب درست، اختلاط سریعتری مابین سیال چاه و روغن موتور به وجود آمده و یا موتور میزان روغن مناسب را در چرخه‌های گرم و سرد شدن دریافت نخواهد کرد. Bag ها از جنس الاستومر با کیفیت بسیار بالا می‌باشند تا شرایط سخت محیطی چاه را تحمل کنند.

جنس این الاستومرها بسته به شرکت سازنده، مهندسین طراح و دانش و تجربیات فنی آنها، می تواند بسیار متفاوت باشد. هنگامی که موتور روشن می‌شود، روغن منبسط شده و بخشی از آن به بیرون ریخته خواهد شد. از طرف دیگر، وقتی موتور خاموش است، روغن انقباض پیدا می‌کند و موتور توسط روغن داخل پروتکتور پر خواهد شد با این تفاوت که پس از خنک شدن، کمی از سیال درون چاهی وارد پروتکتور می‌شود. این چرخه تا زمانی که کل محفظه پر از سیال چاه شود ادامه می‌یابد و پس از خرابی محفظه بالایی، سیال چاه به محفظه‌ی پایینی راه پیدا خواهد کرد. پس از پر شدن تمام محفظه‌های تعبیه شده، سیال چاه به موتور رسیده و موتور خواهد سوخت.
نشت بند شفت (۵) برای مهر و موم ساختن فضای بین شفت و یک قطعه ثابت مورد استفاده قرار می‌گیرند. رایج ترین نوع آن نشت بند مکانیکی (۶) می‌باشد. تعداد و محل قرارگیری این قطعه بنا به تکنولوژی و تجربه‌ی سازنده و شرایط محیطی چاه متفاوت است. در صورت خرابی این نشت بندها سیال به راحتی از طریق شفت به موتور خواهد رسید.

۴ Chamber

۵ Shaft Seal

۶ Mechanical Seal

ساخت و آزمایش اولین پروتکتور تولید داخل
با توجه به شرایط مخازن نفتی کشور، نیاز روزافزون صنعت نفت و اهمیت استفاده از پمپ های درون چاهی، شرکت پادیاب تجهیز با بیش از ۱۵ سال تجربه در زمینه ESP ، اقدام به سرمایه گذاری، ساخت و تعمیر پمپ های درون چاهی ESP کرده است. شرکت پادیاب تجهیز به عنوان اولین شرکت ایرانی در این حوزه شروع به فعالیت کرده است و این دستاورد به لطف تلاش و دانش مهندسان و نیروهای مجرب، این شرکت را قادر به انجام فرآیندهای طراحی، ساخت، کنترل کیفیت ۷، تضمین کیفیت ۸، نصب، راه اندازی و پشتیبانی در میادین نفتی خشکی و دریایی نموده است. تاکنون چند مجموعه از پمپ های ESP تولید شده توسط شرکت پادیاب تجهیز در چاه های ایران نصب شده و تمام آن ها در حال تولید بوده و برخی از آن ها بیش از یک سال است که درون چاه در حال کار می باشند. این پمپ ها به طور پیوسته توسط مهندسان این شرکت با دقت پشتیبانی فنی می شوند تا در طول عمر خود بالاترین سطح کارایی را ارائه دهند.

۷ Quality Control
Quality Assurance 8

ساخت پروتکتور
شرکت پادیاب تجهیز در راستای بومی سازی تجهیزات ESP و براساس پروژه ساخت داخل این مجموعه، تولید پروتکتور به عنوان یکی از تجهیزات اصلی مجموعه ESP را نیز در برنامه بومیسازی خود قرار داده است. در این راستا، ابتدا اقدامات مورد نیاز جهت بومی سازی دانش فنی و ساخت تجهیزات این پروتکتور با تهیه مواد طراحی و رویه ساخت پروتکتور توسط مهندسین این شرکت انجام گردید. با تهیه روش های ساخت پروتکتور، افراد متخصص شرکت باید آموز شهای دقیق و تخصصی در مورد ساخت و اسمبل کردن تک تک اجزای پروتکتور می دیدند تا این تجهیز بدون هیچ نقص و کاستی ساخته شود و مدت طولانی درون چاه کار کند. پس از آموزش نفرات کارخانه، قطعات پروتکتور تولید شده و بر اساس نقشه های مکانیکی موجود و انجام آزمایش های استاندارد تعیین شده، کنترل کیفیت بر روی تمامی اجزای تولیدی صورت گرفت. در نهایت، پس از گذر از مراحل دقیق و حساس، شرکت پادیاب تجهیز به عنوان اولین شرکت در ایران موفق به ساخت داخل پروتکتور مجموعه ESP گردیده است.
آزمایش پروتکتور
به منظور اطمینان از ساخت صحیح و عملکرد پروتکتورها و نیز بهترین بازدهی این تجهیز در طول عمر خود، پروتکتور باید تحت آزمایش‌هایی قرار گیرد. این آزمایش‌ها را می‌توان به دو دسته آزمایش‌های حین ساخت و آزمایش‌های عملکردی تقسیم نمود که تحت استانداردهای API RP 11 S7 ،  API RP 11 S8 ، و ملاحظات خود سازنده انجام می‌شوند. تنها در صورت پشت سر گذاشتن تمام این آزمون‌ها، پروتکتورها مجاز به نصب در درون چاه می‌باشند. آزمایش‌های حین ساخت شامل: جابجایی شفت (۹)، بررسی محل قرارگیری شفت (۱۰)، چرخش شفت (۱۱)، آزمایش فشاری برای نشت‌بندها و Bag ها،
شیرهای کمکی (۱۲) و غیره می‌شوند. برای آزمایش فشاری، نشت‌بندها و Bag ها تحت فشار خاصی قرار می‌گیرند که در طول مدت زمان آزمایش، نباید هیچ افت فشاری دیده شود و یا نشتی داشته باشند. همچنین، آزمایش فشاری شیرهای کمکی به اینصورت انجام می‌پذیرد که این قطعه براساس طراحی خاصی که انجام گرفته باید در بازه فشاری بخصوصی باز و بسته گردد. درصورت موفقیت این آزمون، می توان از سلامت قطعه اطمینان حاصل کرد. این آزمایش ها به طور دقیق در تمام مراحل ساخت باید انجام شوند. آزمایش های عملکردی پروتکتور بنا به استاندارهای ذکر شده شامل توان مصرفی، میزان افزایش دما و ارتعاش، تحت تست بدون بار و تست با اعمال بار می‌گردد [ ۴, ۵] . تمام موارد ذکر شده در طول آزمایش، مورد رصد دقیق قرار گرفته و پروتکتور آزمایش شده باید در بازه‌های تعریف شده توسط شرکت سازنده تمام تست ها را بگذراند. جهت انجام آزمایش‌های ذکر شده، میز آزمایش پروتکتور (PRTB  (۱۳ بر اساس استاندارد های API و مستندات موجود توسط شرکت پادیاب تجهیز طراحی شده تا داده‌ها را با رزولوشن بالا و در لحظه اندازه‌گیری کند. روی این میز آزمایش، توان مصرفی، ارتعاش و میزان افزایش دما در نقاط مختلف مطابق با استاندارد موجود اندازه‌گیری و به کمک نرم‌افزار تخصصی
طراحی شده بر روی دستگاه درایو فرکانس متغیر (VFD (14  نمایش داده می شود. دستگاه VFD این قابلیت را به اپراتور می دهد تا پروتکتور را در هر فرکانس درخواستی تحت آزمایش قرار دهد.
لازم به ذکر است کلیه کد نویسی Programmable Controller) PLC Logic۰) مورد نیاز نرم افزار میز آزمایش عملکردی پروتکتور جهت جمع آوری داده‌های پروتکتور و نمودار آنالیز داده ها بر اساس پارامترهای استانداردی و توسط مهندسین شرکت پادیاب تجهیز صورت گرفته است. شکل ۶

 

 نمودارهای تهیه شده همزمان با آزمایش را روی (Human Machine HMI Interface) سیستم تست نشان می‌دهد. این نمودار شامل چهار پارامتر دما، ارتعاش، بار و جریان است که اپراتور با کمک این نمودار از سلامت و یا خرابی پروتکتور مطلع می‌شود.
جمع بندی
پمپ های ESP امروزه به طور گسترده. در چاه‌های کم فشار ایران و جهان مورد استفاده قرار میگیرند. پروتکتور نقش حیاتی در سلامت و طولانی تر شدن عمر موتور ESP دارد. نوع طراحی و مواد بکار رفته در  ساخت این پروتکتورها بسیار حائز اهمیت است تا این تجهیز بهترین کارایی خود را در طول عمر مجموعه داشته باشد. با بهره گیری از تکنولوژی بومی در تولید پروتکتورها، شرکت پادیاب تجهیز به عنوان نخستین سازنده این نوع محصول در ایران با انجام آزمایش‌های دقیق و مستمر، در پی ارائه بهترین و کارآمدترین نسخه این محصول می‌باشد. این شرکت به همت مهندسین ماهر، جوان و البته با تجربه خود به عنوان اولین شرکت صاحب تکنولوژی ESP در ایران، موفق به تولید و تست موفقیت آمیز پروتکتور سیستم ESP شده است.

 

 

 

 

Shaft End Play 9
Shaft Extension 10
Shaft Rotation 11
Relief Valves 12
Protector Test Bench 13
Variable Frequency Drive 14
نمودارهای تهیه شده همزمان با آزمایش را روی Human Machine( HMI
Interface ( سیستم تست نشان می دهد. این نمودار شامل چهار پارامتر
دما، ارتعاش، بار و جریان است که اپراتور با کمک این نمودار از سلامت و
یا خرابی پروتکتور مطلع می شود.

منابع
۲۰۱۸ ،Electrical Submersible Pumps Manual Design, Operations, and Maintenance،Gabor Takacs ]1[ ،
مترجم: فرهاد آجرکاران و مریم کشفی، اصول طراحی، عملیات و نگهداری پمپ های درو نچاهی ESP ، چاپ اول، ایران، تهران، خیابان مطهری،
قبل از تقاطع شریعتی، پلاک ۳، طبقه دوم، واحد ۶، انتشارات هیواسا، ۱۴۰۰ ، شرکت پادیاب تجهیز.
”.E. Ladopoulos, “An Overview of ESP Artificial Lift for Petroleum Well Development ]2[
E. Brookbank, “Electric Submersible Pumps—The First Sixty Years,” in European ESP Workshop: Lon� ]۳[
.don, UK, 1988
A. P. INSTITUTE, Recommended Practice on Application and Testing of Electric Submersible Pump ]4[
Seal Chamber Sections, FIRST EDITION ed. 1220 L Street, Northwest, Washington, DC20005: American
.Petroleum Institute, JULY, 1993
A. P. INSTITUTE, Recommended Practice on Electric Submersible Pump System Vibrations FIRST ]5[
EDITION ed. 1220 L Street, Northwest, Washington, DC20005: American Petroleum Institute, MAY 1,