Добыча нефти и газа
Изучаем тонкости нефтегазового дела ВМЕСТЕ!
Конструкция и технические характеристики модулей УЭЦН
Конструкция и технические характеристики модулей УЭЦН
Рисунок 1 Установка центробежного насоса
Установка погружного центробежного электронасоса состоит из:
Компенсатор входит в состав гидроэащиты, предназначенной для защиты погружных маслозаполненных электродвигателей от проникновения пластовой жидкости в их внутреннюю полость, компенсации утечки масла и тепловых изменений его объема при работе электродвигателя и его остановках. Компенсатор имеет устройство для автоматического сообщения с полостью электродвигателя.
Компенсатор устанавливается в нижней части погружного электродвигателя.
2 Погружной электродвигатель ПЭД
Погружной асинхронный электродвигатель служит для привода электроцентробежного насоса и состоит из ротора, статора, головки, основания и узла токоввода.
Внутренняя полость двигателя заполнена маслом. Фильтр для очистки масла расположен в нижней части двигателя.
Погружной электродвигатель комплектуется гидрозащитой (протектор, компенсатор) для предотвращения проникновения пластовой жидкости в двигатель и утечки масла из двигателя.
Для эффективного охлаждения двигателя необходимо постоянное наличие потока жидкости в кольцевом пространстве между его корпусом и внутренними стенками эксплуатационной колонны.
Погружные электродвигатели выпускаются различной мощности и поперечного габарита, что позволяет выбрать оптимальный двигатель для привода конкретного насоса.
3 протектор
Протектор входит в состав гидрозащиты, предназначенной для защиты погружных мэслозаполненных электродвигателей от проникновения пластовой жидкости в их внутреннюю полость, компенсации утечки масла и тепловых изменений его объема при работе электродвигателя и его остановках.
Протектор имеет две упругие диафрагмы (верхнюю и нижнюю), за счет деформации которых компенсируются изменения объема масла в электродвигателе.
Протектор устанавливается в верхней части погружного электродвигатепя между двигателем и газосепаратором (ипи приемным модулем насоса в случае отсутствия газосепаратора).
Центробежный газосепаратор
При работе газосепараюра происходит разделение потока на жидкую и газовую фазу в сепарационных барабанах под действием центробежной силы. При этом отсепарированный газ направляется в затрубное пространство, а дегазированная жидкость подается на прием насоса.
Использование эффективного газосепарзтора позволяет устойчиво эксплуатировать установки ПЭЦН в скважинах, где обьемное содержание свободного газа на входе в насос существенно превышает 30%.
В скважинах, где входное объемное газосодержание менее 30% (например, в высокообводненных скважинах) вредного влияния газа на работу насоса не отмечается и в использовании газосепаратора нет необходимости.
Газосепаратор устанавливается между протектором гидрозащиты и нижней секцией ЭЦН.
Многосекционный многоступенчатый электроцентробежный насос
Каждая секция включает в себя большое (до 100 и более) число ступеней. Рабочая ступень насоса состоит из рабочего колеса и направляющего аппарата (см. рисунок) и рассчитана на определенную подачу.
Требуемый напор насоса получают комбинированием необходимого числа ступеней. При работе насоса давление в нем плавно возрастает по его длине.
В случае отсутствия в компоновке погружного оборудования газосепаратора насос комплектуют входным модулем. При использовании газосепаратора во входном модуле нет необходимости.
В зависимости от поперечного габарита насосы изготавливаются трех групп: 5. 5А и 6 (123.7; 130 и 148.3мм соответственно). Наиболее распространены насосы групп 5 и 5А.
При откачке жидкости с большим (>30%) содержание» свободного газа эффективность работы насоса резко понижается, что может привести к срыву (прекращению подачи установки.
Обратный клапан
Обратный клапан предназначен для предотвращения обратного (турбинного] вращения рабочих колес насоса под воздействием столба жидкости в напорном трубопроводе при остановках насоса и облегчения ею последующею запуска, используется для олрессовки колонны НКТ после спуска установки в скважину.
Обратный клапан состоит из корпуса 1 обрезиненного седла 2. на которое опирается тарелка 3. Тарелка имеет возможность осевого перемещения в направляющей втулке 4.
Под воздействием потока перекачиваемой жидкости тарелка поднимается, тем самым открывая клапан. При остановке насоса тарелка опускается на седло под воздействием столба жидкости в напорном трубопроводе и клапан закрывается. Обратный клапан устанавливается между верхней секцией насоса и сливным клапаном. На период транспортировки обратный клапан закрывают крышками 5 и 6
Сливной клапан
Сливном клапан состоит из корпуса 1 с ввернутым в него штуцером 2, который уплотнен резиновым кольцом 3.
Перед подъемом насоса из скважины конец штуцера, находящийся во внутренней полости клапана, сбивается (обламывается) сбрасыванием в скважину специального инструмента и жидкость из колонны НКТ вытекает через отверстие в штуцере в за трубное пространство.
Сливной клапан устанавливается между обратным клапаном и колонной труб НКТ.
На период транспортировки сливной клапан закрывают крышками 4 и 5.
Кабельная пиния предназначена для подачи электрического напряжения переменного тока с поверхности к погружному двигателю установки.
Соединение основного кабеля с удлинигелем производится неразъемной соединительной муфтой (сросткой). С помощью сростки также могут быть соединены участки основного кабеля для получения необходимой длины.
Муфта кабельного ввода обеспечивает герметичное присоединение кабеля к ПЭД.
В зависимости от температуры и агрессивности откачиваемой среды выпускаются кабели с различной степенью изоляции. Современные кабели способны работать при температуре до 200 °С и напряжении до 4000 В.
Станция управления обеспечивает питание, управление работой погружной установки и защиту ее от аномальных режимов работы.
Современные станции управления могут быть оборудованы тиристорными преобразователями для бесступенчатого регулирования частоты вращения вала насоса, что позволяет плавно регулировать подачу и напор установки, обеспечивать мягкий (без рывков) пуск двигателя после отключения.
Станция управления обеспечивает контроль, индикацию и запись основных рабочих параметров установки, отключение электродвигателя при перегрузке/недогрузке, понижении сопротивления изоляции и др.
Трансформатор
Трансформатор предназначен для питания погружных электродвигателей от сети переменного тока напряжением 380 или 6000 В.
Трансформаторы выпускаются маслонаполненные и сухие (без охлаждающего масла) номинальной мощностью от 40 до 400 кВА.
Шифры установок следующие: первая буква «У» обозначает
установку, если после нее стоит цифра, то она обозначает порядковый номер модернизации, «Э» — с приводом от электродвигателя, «Ц» — центробежный насос, «Н» — нефтяной. Следующая цифра и буква«А» обозначают условную габаритную группу, последующие цифры, записанные через тире, — номинальную подачу (м3/сут), номинальный напор (м) при номинальной подаче.
Условные габаритные группы
установок следующие:
· группа 5 — для эксплуатации
скважин с внутренним диаметром эксплуатационной колонны
не менее 127,7 мм;
· группа 5А — не менее 130 мм;
· группа 6 — не менее 144,3 мм;
· группа 6А — не менее 148,3 мм.
В обозначениях установок, поставляемых с насосами повышенной износостойкости, добавляется буква И, а с насосами повышенной коррозионной стойкости — буква К.
ПРИНЦИП РАБОТЫ, КОНСТРУКЦИЯ, ВИДЫ ЭЦН
Установка УЭЦН состоит из погружного насосного агрегата (электродвигателя с гидрозащитой и насоса), кабельной линии (круглого плоского кабеля с муфтой кабельного ввода), колонны НКТ, оборудования устья скважины и наземного электрооборудования: трансформатора и станции управления (комплектного устройства). Трансформаторная подстанция преобразует напряжение промысловой сети до оптимальной величины на зажимах электродвигателя с учетом потерь напряжения в кабеле. Станция управления обеспечивает управление работой насосных агрегатов и его защиту при оптимальных режимах.
Конструкция и технические характеристики модулей УЭЦН
Многосекционный многоступенчатый электроцентробежный насос
Каждая секция включает в себя большое (до 100 и более) число ступеней. Рабочая ступень насоса состоит из рабочего колеса и направляющего аппарата (см. рисунок) и рассчитана на определенную подачу.
Требуемый напор насоса получают комбинированием необходимого числа ступеней. При работе насоса давление в нем плавно возрастает по его длине.
В случае отсутствия в компоновке погружного оборудования газосепаратора насос комплектуют входным модулем. При использовании газосепаратора во входном модуле нет необходимости.
Центробежный газосепаратор.
При работе газосепараюра происходит разделение потока на жидкую и газовую фазу в сепарационных барабанах под действием центробежной силы. При этом отсепарированный газ направляется в затрубное пространство, а дегазированная жидкость подается на прием насоса.
Использование эффективного газосепарзтора позволяет устойчиво эксплуатировать установки ПЭЦН в скважинах, где обьемное содержание свободного газа на входе в насос существенно превышает 30%.
В скважинах, где входное объемное газосодержание менее 30% (например, в высокообводненных скважинах) вредного влияния газа на работу насоса не отмечается и в использовании газосепаратора нет необходимости. Газосепаратор устанавливается между протектором гидрозащиты и нижней секцией ЭЦН.
Протектор
Протектор входит в состав гидрозащиты, предназначенной для защиты погружных маслозаполненных электродвигателей от проникновения пластовой жидкости в их внутреннюю полость, компенсации утечки масла и тепловых изменений его объема при работе электродвигателя и его остановках.
Протектор имеет две упругие диафрагмы (верхнюю и нижнюю), за счет деформации которых компенсируются изменения объема масла в электродвигателе.
Протектор устанавливается в верхней части погружного электродвигатепя между двигателем и газосепаратором (ипи приемным модулем насоса в случае отсутствия газосепаратора).
Погружной асинхронный электродвигатель служит для привода электроцентробежного насоса и состоит из ротора, статора, головки, основания и узла токоввода.
Внутренняя полость двигателя заполнена маслом. Фильтр для очистки масла расположен в нижней части двигателя.
Компенсатор
Компенсатор входит в состав гидроэащиты, предназначенной для защиты погружных маслозаполненных электродвигателей от проникновения пластовой жидкости в их внутреннюю полость, компенсации утечки масла и тепловых изменений его объема при работе электродвигателя и его остановках. Компенсатор имеет устройство для автоматического сообщения с полостью электродвигателя.
Компенсатор устанавливается в нижней части погружного электродвигателя.
Работа насоса основана на взаимодействии лопаток вращающегося рабочего колеса и перекачиваемой жидкости. Вращаясь, рабочее колесо сообщает круговое движение жидкости, находящейся между лопатками. Вследствие возникающей центробежной силы жидкость от центра колеса перемещается к внешнему выходу, а освободившееся пространство вновь заполняется жидкостью, поступающей под действием создаваемого разрежения. Из рабочего колеса жидкость забрасывается в направляющий аппарат, который по своим каналам направляет жидкость к центральной части следующего колеса. Вследствие такого принудительного отклонения потока жидкости, на внутренних стенках направляющего аппарата создается давление. Таким образом, скоростная энергия преобразуется в энергию давления.
Насосные секции могут быть различной длины, что обеспечивает оптимальный подбор насоса к любой скважине. По всей длине каждой секции установлены промежуточные радиальные подшипники. Надежная и продолжительная работа насосов в различных условиях эксплуатации обеспечивается оптимальным расстоянием между радиальными опорами. Насос может быть укомплектован горизонтальным входным модулем, фильтром любой конструкции.
Выше насоса установлен обратный шаровой клапан, облегчающий пуск установки после ее простоя, а над обратным клапаном – спускной клапан для слива жидкости из НКТ при их подъеме. Гидрозащита включает в себя компенсатор и протектор. Погружной насос, электродвигатель и гидрозащита соединяются между собой фланцами и шпильками. Валы насоса, двигателя и гидрозащиты имеют на концах шлицы и соединяются между собой шлицевыми муфтами.
Насос погружают под уровень жидкости в зависимости от количества свободного газа на глубину до 250-300 м, а иногда и до 600 м. Установки ЭЦН выпускают для эксплуатации высокодебитных, обводненных, глубоких и наклонных скважин с дебитом 25-1300 м3/сут и высотой подъема жидкости 500-2000 м. В зависимости от поперечного размера погружного агрегата УЭЦН подразделяют на три условные группы 5, 5А и 6 с диаметрами соответственно 92, 103 и 114 мм. Они предназначены для эксплуатации скважин с внутренними диаметрами эксплутационных колонн соответственно не менее 121,7; 130; 144,3 мм, а установки УЭЦН 6-500-1100 и УЭН 6-700-800 – для скважин диаметром эксплутационной колонны 148,3 мм. В качестве примера приведем три шифра установок: У3ЭЦН 5-130-1200, У2ЭЦНИ 6-350-110 и УЭЦН 5-180-1200, где кроме УЭЦН приняты следующие обозначения: 3 – модификация; 5 – группа насоса; 130 – подача,
м3/сут; 1200 – развиваемый напор, м; И – износостойкое исполнение; К – коррозионностойкое исполнение (остальные обозначения аналогичны).
Факторы, влияющие на снижение наработки подземного оборудования:
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
2.Лысенко В.Д. ”Разработка нефтяных месторождений. Теория и практика” М.Недра, 1996.-93с
СИСТЕМА ГИДРАЗАЩИТЫ УЭЦН
Под гидрозащитой понимают комплекс устройств, предназначенных противодействовать проникновению пластовой жидкости в полость двигателя и компенсировать температурное расширение масла в ПЭД.
Ранее для этих целей УЭЦН снабжались протекторами, устанавливаемыми между ЭЦН и ПЭД. Сейчас промышленность выпускает новый тип гидрозащиты, состоящий из двух узлов – компенсатора (монтируется ниже ПЭД) и протектора (монтируется между ЭЦН и ПЭД) – тип Г.
1-промежуточный подшипник; 2-корпус статора; 3-обмотка статора; 4-выводные концы обмотки статора; 5-штепсельная муфта; 6-плоский кабель; 7-опорная пята; 8-вал; 9-отстойник; 10-ротор двигателя; 11-статор; 12-вал; 13-отверстие внутри вала для циркуляции масла; 14- масляный фильтр; 15-обратный клапан для заполнения двигателя маслом.
Рисунок 93-Погружной электродвигатель
Компенсатор служит для передачи давления окружающей среды маслу в ПЭД и компенсации расхода масла. Представляет собой эластичный резиновый мешок, сообщающийся с ПЭД (см. рисунок 94 ).
Протектор выполняет функцию защитной камеры (2 узла торцового уплотнения), разгрузочной камеры (узел гидропяты) и резервуара с маслом (см. рисунок ).
Принцип действия гидрозащиты «Г» состоит в следующем. После включения ПЭД в работу происходит нагрев масла в полости ПЭД, его расширение и переток в полость компенсатора и протектора. Диафрагма последнего расходится, выдавливая находящиеся за ней в полости «А» жидкое масло к торцовым уплотнениям. Наличие 2-х торцовых уплотнений повышает надежность изоляции ПЭД от попадания пластовой жидкости. Подшипники шариковые в насосе упразднены и заменены осевой опорой – пятой, перенесенной в протектор.
Роль свинцового- графитового сальника (он убран из насоса ) выполняет верхнее торцовое уплотнение, а в насосе оставлен небольшой сальник, предотвращающий утечки жидкости из насоса и попадание механических примесей на торцевое уплотнение.
Осевая опора воспринимает осевые усилия вала насоса после сработки элементов пяты насоса.
Разница давлений под верхним уплотнением и над ним составляет 0,02-0,05 МПа (0,2-0,5 кГс/м 3 ), образуемая разностью плотностей жидкости в затрубном пространстве (нефть+вода) и трансформаторного масла в система ПЭД. Объем масла в системе составляет 4,5 л.
После сработки масла в камере «А» через клапан 7 начнет поступать пластовая жидкость и происходит её гравитационное разделение: нефть вверху, вода внизу. Вследствие этого, некоторое время нефть блокирует торцовое уплотнение и даже при утечке в полость ПЭД не вызывает его остановку. ПЭД может работать на нефти, хотя диэлектрические свойства её ниже, чем трансформаторного масла и составляет 10-15 кВ. И только после полного замещения нефти пластовой водой возможно попадание её в полость ПЭД через торцовое уплотнение 4. Гидрозащитой «Г» в настоящее время оснащаются все УЭЦН.
1-головка компенсатора; 2-перепускной клапан; 3-диафрагма; 4-защитный кожух
Опыт эксплуатации гидрозащиты показал недостаточную стойкость резины против воздействия пластовой жидкости и потерю эластичности.
Гидрозащита имеет шифр, например: 1Г 51.
Здесь: 1 – номер модификации; Г – гидрозащита; 5 – диаметр обсадной колонны, дюйм; 1 – номер разработки
1-вал; 2-верхнее торцовое уплотнение; 4-нижнее торцовое уплотнение; 5- диафрагма; 6-корпус; 7-обратный клапан.
Рисунок 95-Гидрозащита конструкции «Г»
КАБЕЛЬ
Установки погружных центробежных насосов комплектуются бронированными трехжильными кабелями круглого и прямоугольного сечения. В настоящее время выпускаются кабели, имеющие прямоугольное сечение по всей длине. Это улучшает условия эксплуатации УЭЦН в скважине.
Кабель КПБК состоит из медных одно- или многопроволочных жил, изолированных в два слоя полиэтиленом высокой плотности и скрученных между собой, подушки и брони.
1-медная жила; 2-резиновая изоляция; 3-наиритовая защитная оболочка; 4-двухслойная оплетка из лакоткани; 5-хлопчатобумажная пряжа, пропитанная противогнилостным составом; 6-профилированная стальная гибкая оцинкованная лента
Рисунок 96-Конструкция кабеля КРБК
Кабель КПБП состоит из медных одно- или многопроволочных жил, изолированных полиэтиленом высокой плотности и уложенных в одной плоскости, общей шланговой оболочки из полиэтилена высокой плотности, подушки и брони.
2. газовый фактор – 180 м 3 /т;
3. температура воздуха – 60 +45 
пластовой жидкости +90 .
Дата добавления: 2015-04-15 ; просмотров: 7454 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Уэцн принцип работы
Легко ли добыть нефть. Что такое УЭЦН и как он работает
Схема УЭЦН
В составе каждой УЭЦН есть следующие узлы:
ЭЦН (электроцентробежный насос) – главный узел. Насос делает основную работу – подъем жидкости. Насос состоит из секций, а секции из ступеней. Чем больше ступеней – тем больше напор, который развивает насос. Чем больше сама ступень – тем больше дебит (количество жидкости прокачиваемой за единицу времени). Чем больше дебит и напор – тем больше он потребляет энергии. Все взаимосвязано. Насосы кроме дебита и напора отличаются еще габаритом и исполнением – стандартные, износостойкие, коррозионостойкие, износо-коррозионостойкие.
ПЭД (погружной электродвигатель) Электродвигатель второй главный узел – крутит насос. Это обычный (в электрическом плане) асинхронный электродвигатель – только он тонкий и длинный. У двигателя два главных параметра – мощность и габарит. И опять же есть разные исполнения стандартный, теплостойкий, коррозионостойкий, особо теплостойкий. Двигатель заполнен специальным маслом, которое, кроме того, что смазывает, еще и охлаждает двигатель, и компенсирует давление, оказываемое на двигатель снаружи.
Протектор (гидрозащита) – стоит между насосом и двигателем. Он делит полость двигателя, заполненную маслом, от полости насоса, заполненной пластовой жидкостью, передавая при этом вращение. Кроме этого, он уравнивает давление внутри двигателя и снаружи.
Кабель. Бывает разных сечений (диаметров жил), отличается броней (обычная оцинкованная или из нержавейки) и температурной стойкостью. Есть кабель на 90, 120, 150, 200 и даже 230 градусов.
Дополнительные устройства
Газосепаратор (или газосепаратор-диспергатор, или просто диспергатор, или сдвоенный газосепаратор, или даже сдвоенный газосепаратор-диспергатор). Он отделяет жидкость от свободного газа на входе в насос. Часто, очень часто количества свободного газа на входе в насос вполне достаточно, что бы насос не работал – тогда ставят какое либо газостабилизирующее устройство. Если нет необходимости ставить газосепаратор – ставят входной модуль.
ТМС – это своего рода тюнинг. Кто как расшифровывает – термоманометрическая система, телеметрия.
Защитные устройства
Это обратный клапан (самый распространенный – КОШ – клапан обратный шариковый) – чтобы жидкость не сливалась из труб, когда насос остановлен. Для слива жидкости перед подъемом ставят сливной клапан (сливная муфта). Обратный и сливной клапан исполнены в виде переводников и устанавливаются в колонне НКТ над УЭЦН.
ЭЦН висит на насосно-компрессорных трубах. И смонтирован в следующей последовательности:Вдоль НКТ (2-3 километра) – кабель, сверху – КС, потом КОШ, потом ЭЦН, потом газосепаратор (или входной модуль), затем протектор, дальше ПЭД, а еще ниже ТМС. Кабель проходит вдоль ЭЦНа, сепаратора и протектора до самой головы двигателяВсе части УЭЦН секционные, секции длиной не более 9-10 метров и собирается установка непосредственно на скважине.
Основные узлы установки и их назначение УЭЦН
Конструкция скважинного центробежного насоса может быть обычной и износостойкой, а также повышенной коррозионной стойкости. Диаметры и состав узлов насоса в основном одинаковы для всех исполнений насоса.
Скважинный центробежный насос обычного исполнения предназначен для отбора из скважины жидкости с содержанием воды до 99%. Механических примесей в откачиваемой жидкости должно быть не более 0,01 массовых % (или 0,1 г/л), при этом твердость механических примесей не должна превышать 5 баллов по Моосу; сероводорода — не более 0,001%. По требованиям технических условий заводов-изготовителей, содержание свободного газа на приеме насоса не должно превышать 25%.
Центробежный насос коррозионностойкого исполнения предназначен для работы при содержании в откачиваемой пластовой жидкости сероводорода до 0,125% (до 1,25 г/л). Износостойкое исполнение позволяет откачивать жидкость с содержанием механических примесей до 0,5 г/л.
Ступени размещаются в расточке цилиндрического корпуса каждой секции. В одной секции насоса может размещаться от 39 до 200 ступеней в зависимости от их монтажной высоты. Максимальное количество ступеней в насосах достигает 550 штук.
Рис. 6.2. Схема скважинного центробежного насоса:
Модульные ЭЦН
Для создания высоконапорных скважинных центробежных насосов в насосе приходится устанавливать множество ступеней (до 550). При этом они не могут разместиться в одном корпусе, поскольку длина такого насоса (15-20 м) затрудняет транспортировку, монтаж на скважине и изготовление корпуса.
Высоконапорные насосы составляются из нескольких секций. Длина корпуса в каждой секции не более 6 м. Корпусные детали отдельных секций соединяются фланцами с болтами или шпильками, а валы шлицевыми муфтами. Каждая секция насоса имеет верхнюю осевую опору вала, вал, радиальные опоры вала, ступени. Приемную сетку имеет только нижняя секция. Ловильную головку — только верхняя секция насоса. Секции высоконапорных насосов могут иметь длину меньшую, чем 6 м (обычно длина корпуса насоса составляет 3,4 и 5 м), в зависимости от числа ступеней, которые надо в них разместить.
Насос состоит из входного модуля (рис. 6.4), модуля секции (модулей-секций) (рис. 6.3), модуля головки (рис. 6.3), обратного и спускного клапанов.
Допускается уменьшить число модулей-секций в насосе, соответственно укомплектовав погружной агрегат двигателем необходимой мощности.
Соединения модулей между собой и входного модуля с двигателем фланцевые. Соединения (кроме соединения входного модуля с двигателем и входного модуля с газосепаратором) уплотняют резиновыми кольцами. Соединение валов модулей-секций между собой, модуля-секции с валом входного модуля, вала входного модуля с валом гидрозащиты двигателя осуществляют с помощью шлицевых муфт.
Валы модулей-секций всех групп насосов, имеющих одинаковые длины корпусов 3,4 и 5 м, унифицированы. Для защиты кабеля от повреждений при спускоподъемных операциях на основаниях модуля-секции и модуля-головки расположены съемные стальные ребра. Конструкция насоса позволяет без дополнительной разборки использовать модуль насосный газосепаратор, который устанавливается между модулем входным и модулем-секцией.
Технические характеристики некоторых типоразмеров ЭЦН для добычи нефти, изготавливаемых российскими фирмами по техническим условиям представлены в таблице 6.1 и рис. 6.6.
Напорная характеристика ЭЦН, как видно на приведенных выше рисунках, может быть как с западающей левой ветвью характеристики (малодебитные насосы), монотонно падающей (в основном для среднедебитных установок), так и с переменным знаком производной. Такой характеристикой в основном обладают высоко дебитные насосы.
Мощностные характеристики практически всех ЭЦН имеют минимум при нулевой подаче (так называемый «режим закрытой задвижки»), что обуславливает применение обратного клапана в колонне НКТ над насосом.
Погружные электродвигатели
Погружной электрический двигатель (ПЭД) — двигатель специальной конструкции и представляет собой асинхронный двухполюсный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором. Двигатель заполнен маловязким маслом, которое выполняет функцию смазки подшипников ротора, отвода тепла к стенкам корпуса двигателя, омываемого потоком скважинной продукции.
Верхний конец вала электродвигателя подвешен на пяте скольжения. Ротор двигателя секционный; секции собраны на валу двигателя, изготовлены из пластин трансформаторного железа и имеют пазы, в которые вставлены алюминиевые стержни, закороченные с обеих сторон секции токопроводящими кольцами. Между секциями вал опирается на подшипники. По всей длине вал электродвигателя имеет отверстие для циркуляции масла внутри двигателя, осуществляемой также через паз статора. В нижней части двигателя имеется масляный фильтр.
Длина и диаметр двигателя определяют его мощность. Скорость вращения вала ПЭД зависит от частоты тока; при частоте переменного тока 50 Гц синхронная скорость составляет 3000 об/мин. Погружные электродвигатели маркируются с указанием мощности (в кВт) и наружного диаметра корпуса (мм), например, ПЭД 65-117 — погружной электродвигатель мощностью 65 кВт и наружным диаметром 117 мм. Необходимая мощность электродвигателя зависит от подачи и напора погружного центробежного насоса и может достигать сотен кВт.
Современные погружные электродвигатели комплектуются системами датчиков давления, температуры и других параметров, фиксируемых на глубине спуска агрегата, с передачей сигналов по электрическому кабелю на поверхность (станцию управления).
Секционные двигатели состоят из верхней и нижней секций, которые соединяются при монтаже двигателя на скважине. Каждая секция состоит из статора и ротора, устройство которых аналогично односекционному электродвигателю. Электрическое соединение секций между собой последовательное, внутреннее и осуществляется с помощью 3-х наконечников. Герметизация соединения обеспечивается уплотнением при стыковке секций.
Для увеличения подачи и напора рабочей ступени центробежного насоса применяют регуляторы частоты вращения. Регуляторы частоты вращения позволяют перекачивать среду в более широком диапазоне объемов, чем это возможно при постоянной скорости, а также осуществлять плавный контролируемый пуск погружного асинхронного двигателя с ограничением пусковых токов на заданном уровне. Это повышает надежность УЭЦН за счет снижения электрических нагрузок на кабель и обмотку двигателя при запуске установок, а также улучшает условия работы пласта при пуске скважины. Оборудование позволяет также в комплекте с установленной в УЭЦН системой телеметрии поддерживать заданный динамический уровень в скважине.
Одним из методов регулирования частоты вращения ротора УЭЦН является регулирование частоты питающего погружной двигатель электротока.
Оборудованием для обеспечения этого метода регулирования оснащены станции управления российского производства СУРС-1 и ИРБИ 840.
Гидрозащита
Для увеличения работоспособности погружного электродвигателя большое значение имеет надежная работа его гидрозащиты, предохраняющей электродвигатель от попадания в его внутреннюю полость пластовой жидкости и компенсирующей изменение объема масла в двигателе при его нагреве и охлаждении, а также при утечке масла через негерметичные элементы конструкции. Пластовая жидкость, попадая в электродвигатель, снижает изоляционные свойства масла, проникает через изоляцию обмоточных проводов и приводит к короткому замыканию обмотки. Кроме того, ухудшается смазка подшипников вала двигателя.
В настоящее время на промыслах Российской Федерации широко распространена гидрозащита типа Г.
Гидрозащита типа Г состоит из двух основных сборочных единиц: протектора и компенсатора.
Основной объем узла гидрозащиты, формируемый эластичным мешком, заполнен жидким маслом. Через обратный клапан наружная поверхность мешка воспринимает давление продукции скважины на глубине спуска погружного агрегата. Таким образом, внутри эластичного мешка, заполненного жидким маслом, давление равно давлению погружения. Для создания избыточного давления внутри этого мешка на валу протектора имеется турбинка. Жидкое масло через систему каналов под избыточным давлением поступает во внутреннюю полость электродвигателя, что предотвращает попадание скважинной продукции внутрь электродвигателя.
Компенсатор предназначен для компенсации объема масла внутри двигателя при изменении температурного режима электродвигателя (нагревание и охлаждение) и представляет собой эластичный мешок, заполненный жидким маслом и расположенный в корпусе. Корпус компенсатора имеет отверстия, сообщающие наружную поверхность мешка со скважиной. Внутренняя полость мешка связана с электродвигателем, а внешняя— со скважиной.
При охлаждении масла объем его уменьшается, и скважинная жидкость через отверстия в корпусе компенсатора входит в зазор между наружной поверхностью мешка и внутренней стенкой корпуса компенсатора, создавая тем самым условия полного заполнения внутренней полости погружного электродвигателя маслом. При нагревании масла в электродвигателе объем его увеличивается, и масло перетекает во внутреннюю полость мешка компенсатора; при этом скважинная жидкость из зазора между наружной поверхностью мешка и внутренней поверхностью корпуса выдавливается через отверстия в скважину.
Все корпуса элементов погружного агрегата соединяются между собой фланцами со шпильками. Валы погружного насоса, узла гидрозащиты и погружного электродвигателя соединяются между собой шлицевыми муфтами. Таким образом, погружной агрегат УЭЦН представляет собой комплекс сложных электрических, механических и гидравлических устройств высокой надежности, что требует от персонала высокой квалификации.
Обратный и спускной клапаны
Обратный клапан служит для предотвращения обратного вращения (турбинный режим) ротора насоса под воздействием столба жидкости в колонне НКТ при остановках и облегчения повторного запуска насосного агрегата. Остановки погружного агрегата происходят по многим причинам: отключение электроэнергии при аварии на силовой линии; отключение из-за срабатывания защиты ПЭД; отключение при периодической эксплуатации и т.п. При остановке (обесточивании) погружного агрегата столб жидкости из НКТ начинает стекать через насос в скважину, раскручивая вал насоса (а значит, и вал погружного электродвигателя) в обратном направлении.
При этом клапаны должны располагаться ниже сростки основного кабеля с удлинителем, так как в противном случае поперечный габарит насосного агрегата будет превышать допустимый.
В результате жидкость перетекает в эксплуатационную колонну. Применение такого спускного клапана не рекомендуется, если в установке используют скребок для очистки труб от парафина. При обрыве проволоки, на которой спускается скребок, он падает и ломает штуцер, происходит самопроизвольный перепуск жидкости в скважину, что приводит к необходимости подъема агрегата. Поэтому применяют спускные клапаны и других типов, приводимые в действие за счет повышения давления в трубах, без спуска металлического стержня.
Трансформаторы
Трансформаторы предназначены для питания установок погружных центробежных насосов от сети переменного тока напряжением 380 или 6000 В частотой 50 Гц. Трансформатор повышает напряжение, чтобы двигатель на вводе в обмотку имел заданное номинальное напряжение. Рабочее напряжение двигателей составляет 470-2300 В. Кроме того, учитывается снижение напряжения в длинном кабеле (от 25 до 125 В/км).
Трансформатор состоит из магнитопровода, обмоток высокого напряжения (ВН) и низкого напряжения (НН), бака, крышки с вводами и расширителя с воздухоосушителем, переключателя. Трасформаторы выполняются с естественным масляным охлаждением. Они предназначены для установки на открытом воздухе. На высокой стороне обмоток трансформатора имеется 5-10 ответвлений, обеспечивающих подачу оптимального напряжения на электродвигатель. Масло, заполняющее трансформатор, имеет пробивное напряжение 40 кВ.
Станция управления
Станция управления предназначена для управления работой и защиты У ЭЦН и может работать в ручном и автоматическом режимах. Станция оснащена необходимыми контрольно-измерительными системами, автоматами, всевозможными реле (максимальные, минимальные, промежуточные реле времени и т.п.). При возникновении нештатных ситуаций срабатывают соответствующие системы защиты, и установка отключается.
Станция управления выполнена в металлическом ящике, может устанавливаться на открытом воздухе, но часто размещается в специальной будке.
Кабельные линии
Кабельные линии предназначены для подачи электроэнергии с поверхности земли (от комплектных устройств и станций управления) к погружному электродвигателю.
К ним предъявляются достаточно жесткие требования — малые электрические потери, малые диаметральные габариты, хорошие диэлектрические свойства изоляции, термостойкость к низким и высоким температурам, хорошая сопротивляемость воздействию пластовой жидкости и газа и т.д.
Кабельная линия состоит из основного питающего кабеля (круглого или плоского) и соединенного с ним плоского кабеля-удлинителя с муфтой кабельного ввода.
Соединение основного кабеля с кабелем-удлинителем обеспечивается неразъемной соединительной муфтой (сросткой). С помощью сростки могут быть соединены также участки основного кабеля для получения требуемой длины.
Кабельная линия на основной длине чаще всего имеет сечение круглое или близкое к треугольному.
Для сокращения диаметра погружного агрегата (кабель+центробежный насос) нижняя часть кабеля имеет плоское сечение.
Кабель выпускается с полимерной изоляцией, которая накладывается на жилы кабеля в два слоя. Три изолированные жилы кабеля соединяются вместе, накрываются предохраняющей подложкой под броню и металлической броней. Металлическая лента брони предохраняет изоляцию жил от механических повреждений при хранении и работе, в первую очередь — при спуске и подъеме оборудования.
В прошлом бронированный кабель выпускался с резиновой изоляцией и защитным резиновым шлангом. Однако в скважине резина насыщалась газом и при подъеме кабеля на поверхность газ разрывал резину и броню кабеля. Применение пластмассовой изоляции кабеля позволило существенно снизить этот недостаток.
У погружного двигателя кабельная линия заканчивается штепсельной муфтой, которая обеспечивает герметичное соединение с обмоткой статора двигателя.
Верхний конец кабельной линии проходит через специальное устройство в оборудовании устья скважины, которым обеспечивается герметичность затрубного пространства, и соединяется через клеммную коробку с электрической линией станции управления или комплектного устройства. Клеммная коробка предназначена для предупреждения попадания нефтяного газа из полости кабельной линии в трансформаторные подстанции, комплектные устройства и шкафы станций управления.
Кабельная линия в состоянии транспортирования и хранения располагается на специальном барабане, используемом также при спусках и подъемах установок на скважинах, профилактических и ремонтных работах с кабельной линией.
Выбор конструкций кабельных линий зависит от условий эксплуатации установок ЭЦН, в первую очередь, от температуры скважинной продукции. Часто кроме пластовой температуры используется расчетная величина снижения этой температуры за счет температурного градиента, а также повышение температуры окружающей среды и самого скважинного агрегата за счет нагрева погружного электродвигателя и центробежного насоса. Повышение температуры может быть довольно значительным и составлять 20-30 °С. Другим критерием выбора конструкции кабеля является температура окружающего воздуха, которая влияет на работоспособность и долговечность изоляционных материалов кабельных линий.
Для сохранения целостности кабеля и его изоляции при спускоподъемных операциях необходимо кабель фиксировать на колонне. НКТ. При этом необходимо применять фиксирующие приспособления вблизи участка изменения диаметра колонны, т.е. около муфты или высадки под резьбу. При фиксации кабеля необходимо следить за тем, чтобы кабель плотно прилегал к трубам, а в случае применения плоского кабеля надо следить за тем, чтобы кабель не был перекручен.
Простейшими приспособлениями для крепления кабелей к насосно-компрессорным трубам (НКТ) и узлам погружного насосного агрегата УЭЦН являются металлические пояса с пряжками или клямсы.
Крепление кабеля-удлинителя к узлам погружного агрегата (погружного насоса, протектора и двигателя) осуществляется в местах, указанных в руководствах по эксплуатации данного вида оборудования; крепление кабеля-удлинителя и основного кабеля к НКТ осуществляется по обе стороны каждой муфты НКТ на расстоянии 200-250 мм от верхнего и нижнего торцов муфты
Область применения УЭЦН
Установки ЭЦН выпускают для эксплуатации высокодебитных, обводненных, глубоких и наклонных скважин с дебитом 20-1000 м3/сут и высотой подъема жидкости 500-2000 м.
В области больших подач (свыше 80 м3/сут) УЭЦН имеют самый высокий КПД среди всех механизированных способов добычи нефти. В интервале подач от 50 до 300 м3/сут КПД УЭЦН превышает 40 %, но в области небольших подач КПД УЭЦН резко падает. Также установки ЭЦН меньше подвержены влиянию кривизны ствола скважины.
При использовании ЭЦН возможно применение эффективных средств уменьшения отложений парафина в подъемных трубах. Применяются защитные покрытия НКТ, системы автоматической подачи специальных химических реагентов в скважину и автоматизированные установки со скребками, спускаемыми на проволоке. Монтаж наземного оборудования УЭЦН прост, так как станция управления и трансформатор не нуждаются в устройстве фундаментов. Эти два узла установки ЭЦН размещают обычно в легких будках или в шкафах. Межремонтный срок работы установок ЭЦН составляет по Западной Сибири в среднем около года.
Применение новых конструктивных разработок, а также усовершенствование способов диагностики, обслуживания и ремонта позволит в ближайшие годы увеличить межремонтные сроки в 1,5—2 раза.
Бесштанговые насосы содержат скважинный насос и скважинный привод насоса, непосредственно соединенные между собой. Энергия к приводу насоса подводится по кабелю (при электроприводе) или по трубопроводу (при гидро- или пневмоприводе). Благодаря отсутствию длинной механической связи между приводом и насосом, бесштанговые насосы имеют значительно большую мощность, чем штанговые. Это дает возможность поддерживать большие отборы жидкости некоторыми видами бесштанговых насосов. В Российской Федерации установками ЭЦН оснащено более 35 % всех нефтяных скважин и добывается более 65 % всей нефти.
Промышленные образцы центробежных насосов с электроприводом были разработаны в Советском Союзе Особым конструкторским бюро по бесштанговым насосам (ОКБ БН). В настоящее время многие российские фирмы продолжают работы по созданию бесштанговых насосов новых типов и типоразмеров и следят за рациональным применением разработанных конструкций.
В последние годы нефтяная промышленность получает большое количество новых видов УЭЦН, для изготовления которых чаще применяются высококачественные материалы и высокие технологии, которые ранее использовались лишь в аэрокосмических отраслях.
