2.4.3 Експлуатація безштанговими зануреними насосами
Недостатньо висока подача штангових насосів, необхідність установки громіздкого обладнання, небезпека обриву штанг при великих глибинах свердловин та інші причини обмежують широке застосування штангових насосів. У зв’язку з цим, за останні роки при експлуатації нафтових свердловин почали застосовувати безштангові насоси, з яких найпоширеніші занурені відцентрові електронасоси і гвинтові насоси. Установка зануреного відцентрового електронасоса показана на рис. 2.36.
Флюїд з пласта крізь перфораційні канали 1 поступає в приймальний модуль насоса 3, газовий сепаратор 4, який відділяє газ 11 із видобувної рідини в кільцевий простір між експлуатаційною колоною 14 і НКТ 10. Далі, відсепарована рідина зануреним електровідцентровим насосом 12 підіймається НКТ 10 до устя свердловини 8 і відводиться у викидну лінію.
Занурений насосний агрегат, що спускається в свердловину на НКТ, складається з відцентрового багатоступінчастого насоса 12 (рис. 2.36), зануреного двополюсного трифазного асинхронного електродвигуна 2 і протектора 13. Корпуси цих вузлів сполучаються фланцевими з’єднаннями. Вали двигуна, протектора і насоса мають на кінцях шліци і з’єднуються шліцьовими муфтами. Насос має боковий прийом рідини з кільцевого простору крізь фільтр-сітку приймального модуля 3.
Рисунок 2.36 – Установка зануреного відцентрового електронасоса:
1 – інтервал перфорації; 2 – занурений двополюсний трифазний асинхронний електродвигун; 3 – приймальний модуль насоса;
4 – газовий сепаратор; 5 – силовий кабель; 6 – клемна коробка;
7 – автоматична станція керування 8 – устьова арматура;
9 – електричний трансформатор (автотрансформатор);
10 – НКТ; 11 – газ; 12 – занурений електровідцентровий насос;
13 – протектор двигуна; 14 – експлуатаційна колона;
15 – давачі температури і тиску
До наземного обладнання свердловин відносяться: устьова арматура 8, барабан із стійками для кабелю, автоматична станція керування 7 і автотрансформатор 9. Автотрансформатор призначений для підвищення напруги з 380 В до 2000 В і компенсації падіння напруги в кабелі 5, який підводить струм до зануреного електродвигуна 2. Для захисту від пилу і снігу автотрансформатор встановлюють в будці. Станція керування дозволяє вручну або автоматично вмикати і вимикати агрегат та контролювати його роботу (вимикати агрегат при припиненні подачі рідини, при перевантаженнях і коротких замиканнях).
Устьова арматура 8 призначена для відведення продукції свердловини у викидну лінію, герметизації затрубного простору (з врахуванням введення в нього кабелю) і перепуску газу з цього простору при надмірному збільшенні його тиску.
Рисунок 2.37 – Відцентровий багатоступінчастий насос
Принцип дії установки такий. Електричний струм з промислової мережі, автотрансформатор 9, клемну коробку і станцію керування 7 надходить силовим кабелем 5 до електродвигуна 2, який і приводить у дію багатоступін-частий насос. Під час роботи насоса рідина проходить крізь фільтр, встановлений на його прийомі, і нагнітається через НКТ на поверхню. Щоб рідина під час зупинки насоса не зливалася з колони труб у свердловину, в трубах над насосом розміщений зворотний клапан, а вище від нього – спусковий клапан, яким рідина зливається з колони труб перед підйомом із свердловини.
Занурений відцентровий насос за принципом дії не відрізняється від звичайних секційних відцентрових насосів, призначених для перекачування рідини. Його видовжений корпус містить набір ступенів – ротори, закріплені шпонковим з’єднанням на валу насоса, а направляючі апарати (статори) нерухомо закріплені в корпусі.
На рис. 2.38, а показано схему одного ступеня насоса. Робоче колесо 1 опирається на елементи статора 3 насоса за допомогою текстолітових кілець 4, таким чином осьові навантаження з вала передаються на корпус насоса. Робочі колеса і направляючі апарати, виготовляють з чавуну, сталі, пластмас (рис. 2.38, б).
Під час роботи насоса рідина, яка надходить крізь вхідні отвори до центральної відкритої частини робочого колеса, попадає на його лопаті і захоплюється ними в порожнину, в якій набуває обертового руху. Рідині надається потенційна і частково кінетична енергія. Рідина викидається до периферії робочого колеса, і далі поступає у направляючий апарат. Для перетворення кінетичної енергії в потенційну енергію служать спеціальні направляючі апарати, які складаються з системи фігурних лопатей, які охоплюють робоче колесо. Рідина, протікаючи між цими лопатями, плавно змінює напрям руху, поступово втрачає швидкість і відводиться в наступну ступень.
а б
Рисунок 2.38 – Ступінь насоса:
а – схема ступені насоса:
1 – робоче колесо; 2 – вал; 3 – направляючий апарат (статор);
4 – текстолітові кільця;
б – загальний вигляд статора і робочого колеса
Робочі колеса занурених насосів мають невеликий діаметр і внаслідок цього напір рідини, що створюється на одному ступені, не перевищує 3,5…5,5 м. Тому для забезпечення напору у 800...1000 м у корпусі однієї секції насоса вмонтовують до 150...200 ступенів, а в тих випадках, коли необхідно мати більший напір, застосовують двосекційні або трисекційні насоси.
Занурені відцентрові електронасоси (ЗЕВН) застосовують для роботи в свердловинах, закріплених обсадними трубами діаметрами 140, 146,168 і 178 мм. Для таких свердловин використовують насоси із зовнішнім діаметром 92...123 мм. Для експлуатації свердловин, в продукції яких міститься велика кількість піску (до 1,0 % від кількості видобувної рідини), відцентрові електронасоси виготовляють в зносостійкому виконанні.
До основних параметрів зануреного відцентрового електронасоса відносяться його подача Q, і напір Н. Величина напору характеризує висоту, на яку рідина може бути піднята за допомогою насоса. Напір і подача – взаємозалежні величини: чим вищий розвивається насосом напір, тим нижча його подача (рис. 2.39).
Рисунок 2.39 – Робоча характеристика ступені ЕВН
Наприклад, ступінь насоса, робоча характеристика якого показана на цьому рисунку, спроможний підняти воду на висоту 5 м, але при цьому він працюватиме вхолосту (Q=0). Якщо напір наближається до нуля, то ступінь спроможна перекачувати рідини до 120 м3/добу. Із збільшенням напору подача насоса знижується, а при зниженні напору подача збільшується. ККД η в обох випадках дещо знижується.
Промисловість випускає електронасоси, розраховані на напір від 450 до 1500 м і подачі від 40 до 700 м3/добу.
Занурений електродвигун. Приводом ЕВН служать асинхронні трифазні занурені електродвигуни з короткозамкнутим ротором (рис. 2.40). При частоті струму 50 Гц синхронна частота обертання вала становить 3000 хв-1.
Рисунок 2.40 – Двополюсний трифазний асинхронний електродвигун
Ротор електродвигуна складається з декількох секцій стандартної довжини. Між секціями встановлюються бронзові підшипники. Обмотка статора загальна для всіх його пластин. Кожух заповнюється легкою трансформаторною оливою, яка характеризується високими діелектричними властивостями. Олива служить для змащування і охолоджування ротора та статора електродвигуна. Оскільки діаметр корпуса електродвигуна обмежений внутрішнім діаметром експлуатаційної колони, для забезпечення необхідної потужності його довжина досягає 4,2...8,2 м. Потужність занурених електродвигунів залежно від типу насоса може бути від 14 до 125 кВт, а їх діаметр – від 103 до 123 мм.
Гідрозахист – один з найважливіших вузлів зануреного агрегата. Він захищає електродвигун від потрапляння в його порожнину пластової рідини, яку перекачує відцентровий насос.
Підбір свердловини для застосування зануреного електронасоса проводиться на підставі даних її дослідження, в результаті якого визначаються її дебіт і динамічний рівень при цьому дебіті, який відповідає напору, що має розвивати насос. Електронасос спускають у свердловину після очищення вибою від бруду і осадів. Потім НКТ заповнюють до устя рідиною і після цього вмикають двигун. Обслуговування свердловини полягає в перевірці подачі насоса і контролі роботи електрообладнання.
Занурені гвинтові насоси на практиці почали впроваджуватися відносно недавно.
Установка гвинтового насоса складається з тих же вузлів, що і установка зануреного відцентрового насоса, тобто із зануреного агрегата (двигуна, гідрозахисту, насоса), кабелю, обладнання устя, автотрансформатора і станції керування. Замість відцентрового насоса в підземному агрегаті використовується гвинтовий насос. Крім того, в установках занурених електрогвинтових насосів (УЕГН) застосовують чотириполюсні занурені електродвигуни з частотою обертання вала (синхронною) 1500 хв-1, тоді як в установках ЕВН – двополюсні електродвигуни з частотою обертання вала 3000 хв-1. Конструктивно двигуни ідентичні.
На рис. 2.41 показано занурений електрогвинтовий редукторний насос фірми “Centrilift”, який містить електродвигун 1, редуктор 2, опорно-гідрозахисний вузол 3, приймальну камеру 4 та гвинтові робочі органи 5. Робочими органами є однозахідний сталевий гвинт і гумометалева обойма, внутрішня порожнина якої має двозахідну гвинтову поверхню, з кроком, вдвічі більшим від кроку гвинта.
Рисунок 2.41 – Занурений електрогвинтовий