5.2. Установки погружных центробежных насосов с электроприводом Принципиальные особенности установок

Нефтедобывающая промышленность постоянно нуждается в насосах для отбо­ра из скважин большого количества жидкости. Естественно, что наиболее прис­пособлены для этих целей динамические лопастные насосы. Из лопастных на­сосов наибольшее распространение получили насосы с рабочими колесами цент­робежного типа, поскольку они создают достаточно больший напор при за­дан­ных подачах жидкости и габаритах насоса, имея при этом приемлемые КПД и надежность.

Скважинный центробежный насос приводится в действие погружным элект­родвигателем. Электроэнергия подводится к двигателю по специальному ка­белю, располагаемому в скважине рядом с НКТ. Установка привода не­пос­редст­венно около насоса позволила просто решить задачу передачи энергии от при­вода к скважинному насосу и использовать насосы большой мощности. Ши­ро­кое применение скважинных электроприводных центробежных насосов (ЭЦН) обусловлено многими факторами. При больших отборах жидкости из сква­жин установки ЭЦН наиболее экономичны и наименее трудоемки при обс­лу­живании по сравнению с компрессорной добычей и подъемом жидкости на­со­сами других типов. При больших подачах энергетические затраты на уста­нов­ку относительно невелики. В этой области работы КПД ее достаточно высок (до 0,35). Обслуживание установок ЭЦН просто, так как на поверхности раз­ме­щают­ся только станция управления и трансформатор, не требующие пос­тоян­ного ухода. Работа установок ЭЦН достаточно легко поддается автоматизации и телеуправлению.

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.

Описание и параметры установок

Состав узлов установки ЭЦН и их расположение приведены на рис. 5.2.

Скважинный насос является многоступенчатым и имеет от 80 до 500 и бо­лее ступеней.

Рис. 5.2. Установка электроприводного центробежного насоса:

1 — электродвигатель; 2 — гидрозащита; 3 — насос; 4 — кабельная линия; 5 — комплектное транс­форматорное устройство; 6 — клапан спускной; 7 — пояс; 8 — труба насосно-комп­рес­сор­ная; 9 — оборудование устья скважины; 10 — выносной пункт подключения кабеля; 11 — клапан обратный; 12 — газосепаратор; L и D₁ — длина и диаметральный габарит на­сос­ного агрегата; D₂ — диаметр резьбы НКТ

Жидкость поступает в насос через сетку, расположенную в его нижней час­ти. Сетка обеспечивает фильтрацию пластовой жидкости. Насос подает жид­кость из скважины в НКТ. Погружной электродвигатель — маслозаполненный, гер­метизированный. Для предотвращения попадания в него пластовой жид­кос­ти имеется узел гидрозащиты. Вал двигателя соединен с валом гидрозащиты и че­рез него с валом насоса. При применении асинхронных электродвигателей ва­лы имеют частоту вращения 2800— 2950 мин^-1.

Установки, предназначенные для откачки жидкости с повышенным со­дер­жа­нием газа, комплектуются модулями насосными-газосепараторами.

Электроэнергия с поверхности к двигателю подается по кабелю. Рядом с НКТ идет круглый, а около насосного агрегата — плоский кабель. Исполь­зо­ва­ние плоского кабеля позволяет несколько увеличить диаметр насоса и дви­га­те­ля, что благоприятно сказывается на их энергетические показатели.

Чтобы повысить эффективность использования внутреннего диаметра обсад­ной колонны, необходимо до минимума сократить зазор между ней и агре­гатом. Минимально допустимый зазор, гарантирующий безаварийный спуск и подъем оборудования, был найден и обоснован при помощи большого чис­ла экспериментов и результатов практики.

Практика показывает, что минимальный зазор может быть принят 6 мм. По внут­реннему размеру обсадных колонн и принятому зазору выбирают габариты пог­ружного агрегата.

Возможны три варианта расположения насоса, двигателя и токо­под­во­дя­ще­­го плоского кабеля, определяющих габарит погружного агрегата (рис. 5.3). В пер­вом случае (рис. 5.3, а) габарит погружного агрегата А_mах равен диаметру дви­гателя D_д, а диаметр насоса D_н и высота плоского кабеля h_к вписываются в га­барит двигателя. В этом случае можно получить большую мощность и иметь вы­сокий КПД электродвигателя. Однако максимальная подача будет умень­ше­на, так как подача центробежного насоса зависит от диаметра рабочего колеса в ку­бе, т.е. Q = f (D_н³).

Рис. 5.3. Схема компоновки скважинного насосного агрегата

При третьем варианте (рис. 5.3, в) D_н = D_д, а габарит погружного агрегата опре­деляется суммой размеров двигателя (или насоса), плоского кабеля и за­щит­ных устройств (защитных кожухов или ребер). Подача центробежного на­со­са при таком варианте расположения узлов агрегата будет максимальной, но мощ­ность электродвигателя при этом уменьшится. В отечественной и мировой прак­тике в основном применяют промежуточный вариант (рис. 5.3, б).

Окончательный выбор диаметров насоса и двигателя определяется наи­бо­лее выгодным соотношением КПД насоса и двигателя при минимальных по­те­рях энергии в кабеле и трубах [10].

В некоторых случаях плоский кабель применяется на всей глубине спуска, в том числе и у НКТ. При этом требуется строго следить за правильным разме­ще­нием кабеля, с тем, чтобы он не становился ребром к трубам, что может при­вес­ти к его повреждению при спуске. Необходимо отметить и проблему теп­лоот­вода от средней жильи плоского кабеля, что в сочетании с высокой темпе­ра­турой откачиваемой жидкости приводит зачастую к перегреву изоляции сред­ней жильи и отказу установки по кабелю.

Трансформатор применяют для повышения напряжения тока, получаемого от промысловой сети (обычно 380 В). У двигателя напряжение обычно больше (400—2000 В и выше). Кроме того, трансформатор необходим для компенсации сни­жения напряжения в длинном кабеле.

Станция управления позволяет включать и отключать установку вручную или автоматически по заданной программе и отключать ее при аварийном ре­жи­ме работы. Кроме того, станция имеет приборы, показывающие силу тока и нап­ряжение, а в некоторых модификациях — и другие параметры (например — соп­ротивление изоляции кабеля). Современные станции управления позволяют за­давать и поддерживать необходимые режимы работы системы «пласт — сква­жи­на — насосная установка» и проводить диагностику работоспособности УЭЦН.

Колонна НКТ оборудуется обратным 7 и спускным 9 клапанами (см. рис. 5.2). Обратный клапан размещается в специальной муфте с конической внут­рен­ней резьбой НКТ на концах. Обратный клапан имеет в муфте седло, шар и огра­ничитель подъема шара. В некоторых конструкциях обратных клапанов при­меняются другие виды запирающего элемента (конус, тарель). Обратный кла­пан позволяет при остановках насоса сохранить в колонне НКТ жидкость. Та­ким образом, при остановке жидкость не сливается из труб в скважину и не тра­тится время на заполнение труб при каждой остановке насоса. Кроме того, облегчается запуск установки. Запуск происходит при заполненной жидкостью ко­лонне подъемных труб, т.е. при большом напоре. Этот напор можно еще бо­лее увеличить, закрыв на устье выкидную задвижку. При больших напорах цент­робежный насос (по сравнению с малыми напорами и большей подачей), как известно, требует меньшей приводной мощности. Поэтому облегчается за­пуск установки, особенно при больших глубинах подвески.

Спускной клапан позволяет освободить колонну труб от жидкости перед подъе­мом агрегата из скважины, если в колонне установлен обратный клапан. Спуск­ной клапан расположен в специальной муфте, которая встраивается в ко­лон­ну труб. В муфту ввернут ниппель с внутренним отверстием, сооб­щаю­щим­ся с полостью скважины и закрытым в колонне труб. Ниппель выступает внут­ри труб так, что при сбросе в трубы ломика последний ломает ниппель и откры­ваю­щееся отверстие ниппеля соединяет трубы с полостью скважины. Жидкость пе­реливается по этому отверстию из труб в скважину. 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 ниппель, происходит самопроизвольный перепуск жид­кос­ти в скважину, что приводит к необходимости подъема агрегата. Поэтому при­меняются спускные клапаны и других типов, приводимые в действие за счет по­вышения давления в трубах, без спуска ломика.

Установки ЭЦН в России разработаны для скважин с обсадными ко­лон­на­ми 127, 140, 146 и 168 мм. Для обсадных колонн размера 146 и 168 мм имеются пог­ружные агрегаты двух габаритов. Один предназначен для скважин с наи­мень­шим внутренним диаметром (по ГОСТу) обсадной колонны. В этом случае и агрегат ЭЦН имеет меньший диаметр, а, следовательно, и меньшие пре­дель­ные величины рабочей характеристики (напор, подача, КПД). Агрегат других га­баритов предназначен для наиболее распространенных скважин с большим внут­ренним диаметром. Здесь агрегаты и их параметры могут быть большими (табл. 5.1). В таблице в скобках показана перспектива увеличения параметров уста­новок [21].

Таблица 5.1

Некоторые параметры погружных агрегатов ЭЦН

Диаметр обсадной колонны, мм		Данные агрегата
номинальный	наименьший внутренний	Габариты, мм	Наибольшая подача, м3/сут	Номинальная мощ­ность дви­га­теля, кВт
127/140	112	96	200 (250)	63 (90)
146	121,7	113	200 (350)	90 (125)
146	130	117	500 (700)	125 (180)
168	144,3	123	1250 (1500)	250 (500)
168	148,3	130	1500 (2000)	360 (750)

Каждая установка имеет свой шифр, например, УЭЦН5А-500-800, в ко­то­ром приняты следующие обозначения: цифра (или цифра и буква) после УЭЦН обоз­начает наименьший допустимый внутренний диаметр обсадной колонны, в ко­торую он может быть спущен, Цифра «4» соответствует диаметру 112 мм, циф­ра «5» соответствует 122 мм, «5А» — 130 мм, «6» — 144 мм и «6А» — 148 мм; второе число шифра обозначает номинальную подачу насоса (в м³/сут) и третье примерный напор в метрах. Значения подачи и напора даны для работы на воде.

В последние годы номенклатура выпускаемых установок центробежных на­­сосов значительно расширилась, что нашло отражение и в шифрах вы­пус­кае­мо­го оборудования. Так, установки ЭЦН, выпускаемые фирмой АЛНАС (г. Аль­метьевск, Татарстан), в шифре имеют заглавную букву «А» после надписи «УЭЦН», а установки Лебедянского механического завода (АО «Лемаз», г. Ле­бе­дянь Курской обл.) имеют заглавную букву «Л» перед надписью «УЭЦН». Уста­новки центробежных насосов с двухопорной конструкцией рабочего ко­ле­са, предназначенных для отбора пластовой жидкости с большим количеством ме­ха­нических примесей, имеют в своем шифре «2» после буквы «Л» и перед над­писью УЭЦН (для насосов фирмы «Лемаз»), букву «д» после надписи «УЭЦН» (для насосов «АО «Борец»), букву «А» перед цифрой габарита уста­нов­ки (для насосов АЛНАС). Коррозионностойкое исполнение УЭЦН отра­жает­ся буквой «К» в конце шифра установки, термостойкое — буквой «Т». Конст­рукция рабочего колеса с дополнительными вихревыми лопатками на зад­нем диске (фирма «Новомет», г. Пермь) имеет в шифре насоса буквенное обоз­начение ВННП. На рис. 5.4 указана структура условного обозначения элект­роприводных центробежных насосов для добычи нефти российского произ­водства [22].

Рис. 5.4. Структура условного обозначения электроприводных центробежных насосов для добычи нефти российского производства

Погружные центробежные насосы для добычи нефти, газосепараторы и пог­ружные двигатели для УЭЦН производятся в России в соответствии с тех­ни­ческими условиями, разработанными фирмами-изготовителями [22].

Длина сборки насоса, газосепаратора и двигателя с гидрозащитой может дос­тигать 25 м и более. Все это вызвало необходимость принять частоту вра­ще­ния вала наибольшей при условии работы без каких-либо преобразователей. Час­тота вращения при частоте тока 50 Гц синхронная — 3000 мин^-1, а с учетом сколь­жения — 2800—2950 мин^-1, для увеличения подачи и напора рабочей сту­пе­ни центробежного насоса за счет увеличения частоты вращения ротора на­со­са применяются специальные исполнения погружных двигателей (например, — вен­тильные) или преобразователи частоты питающего электродвигатель элект­ри­ческого тока (ЧИТ).

Особенности конструкции насосов и двигателей, условия их эксплуатации в агрессивной среде, при повышенной температуре, необходимость работать в те­чение нескольких месяцев без осмотра и профилактических ремонтов пос­та­ви­ли перед конструкторами и технологами ряд сложных задач. При этом были соз­даны эффективные, высоконапорные ступени насоса (рабочие колеса и нап­рав­ляющие аппараты) с диаметром колеса 50—80 мм, найдены тех­но­ло­ги­чес­кие приемы изготовления валов длиной до 6—7 м и диаметром 17—26 мм, точ­ных прямолинейных корпусов длиной до 6 м с внутренним диаметром 70—100 мм и т.д. Большой опыт отечественного и мирового насосостроения, высокий уро­вень развития технологических процессов в машиностроении спо­собст­во­ва­ли успешному решению этих задач.

Рассмотрим подробней основные узлы установки центробежного насоса, их расчет, пути совершенствования установок и перспективы расширения облас­тей их применения.