3.9.4. Эксплуатация скважин бесштанговыми погружными насосами

Недостаточно высокая подача штанговых насосов, необхо­димость установки громоздкого оборудования, опасность об­рыва штанг при больших глубинах скважин и другие причи­ны ограничивают область применения штанговых насосов. В связи с этим за последние годы при эксплуатации нефтяных скважин стали применять бесштанговые насосы, из которых широко распространены погружные центробежные электро­насосы и винтовые насосы.

Установка погружного центробежного электронасоса (рис. 3.10) состоит из насосного агрегата, бронированного кабеля б, устьевой арматуры 7, кабельного барабана станции управ­ления 10 и автотрансформатора 9. Погружной насосный аг­регат, в собранном виде спускаемый в скважину на подъем­ных трубах 5, состоит из центробежного многоступенчатого насоса 4, погружного электродвигателя 1 и протектора 2. Все эти узлы соединены между собой фланцами. Валы двигателя, протектора и насоса имеют на концах шлицы и соединяются шлицевыми муфтами.

Так как электродвигатель расположен непосредственно под насосом, последний имеет боковой прием жидкости, которая поступает в него из кольцевого пространства между эксплуата­ционной колонной и электродвигателем через фильтр-сетку 3.

К наземному оборудованию скважин относятся устьевая арматура 7, барабан со стойками для кабеля, автоматичес­кая станция управления 10 и автотрансформатор 9. Авто­трансформатор предназначен для компенсации падения на­пряжения в кабеле 6, подводящем ток к погружному элект­родвигателю 1. Для защиты от окружающей среды авто­трансформатор устанавливают в будке. Станция управления позволяет вручную или автоматически включать или выклю­чать агрегат и контролировать его работу (отключать агре­гат при прекращении подачи жидкости, при перегрузках и коротких замыканиях). Устьевая арматура 7 предназначена для отвода продукции скважины в выкидную линию, герме­тизации затрубного пространства с учетом ввода в него кабеля и перепуска газа из этого пространства при чрез­мерном увеличении его давления.

Рис. 3.10. Установка погружного центро­бежного электронасоса

Принцип действия установки следующий. Электрический ток из промысловой сети через автотрансформатор 9 и стан­цию управления 10 поступает по кабелю 6 к электродвигате­лю 1, в результате чего электродвигатель вращает вал насоса и приводит таким образом его в действие. Во время работы агрегата жидкость проходит через фильтр, установленный на приеме насоса, и нагнетается по насосным трубам на повер­хность. Чтобы жидкость при остановке агрегата не сливалась из колонны труб в скважину, в трубах над насосом смонти­рован обратный клапан. Кроме того, над насосом устанавли­вают спускной клапан, через который жидкость сливается из колонны труб перед подъемом агрегата из скважины [9].

Погружной электронасос по принципу действия не отли­чается от обычных центробежных насосов, применяемых для перекачки жидкости. Он представляет собой набор лопаток (ступеней), составляющих ротор насоса и направляющих ап­паратов, являющихся статором. Лопатки и элементы, состав­ляющие статор, изготовляют из чугуна.

Во время работы насоса жидкость, поступающая через всасывающие отверстия к центральной открытой части рабо­чего колеса, попадает на его лопатки и увлекается ими в полость насоса, где приобретает вращательное движение. Под влиянием центробежной силы и от воздействия лопаток час­тицы жидкости с большой скоростью отбрасываются к пери­ферии вращающегося колеса и затем наружу. Выбрасывае­мая из колеса жидкость обладает большой скоростью и, сле­довательно, значительной кинетической энергией — энерги­ей движения. Для преобразования этой энергии в энергию давления служат специальные направляющие устройства — лопаточные диффузоры, устанавливаемые за рабочим коле­сом. Жидкость, протекая между этими лопатками, плавно изменяет направление движения, постепенно теряет скорость и отводится в следующую ступень.

Рабочие колеса погружных насосов имеют небольшой диа­метр, и вследствие этого напор жидкости, создаваемый одной ступенью, не превышает 3,5 —5,5 м. Поэтому для обеспечения напора в 800— 1000 м в корпусе насоса монтируют по 150 — 200 ступеней, а в тех случаях, когда необходим больший на­пор, применяют двухсекционные или трехсекционные насосы.

Погружные центробежные электронасосы (ЭЦН) применя­ют для работы в скважинах, закрепленных обсадными труба­ми диаметрами 140, 146 и 168 мм с внутренними диаметрами соответственно 121,7, 124 и 144,3 мм. Для эксплуатации сква­жин, в продукции которых содержится большое количество песка (до 1,0 % от количества извлекаемой жидкости), центро­бежные насосы изготовляют в износостойком исполнении.

К основным параметрам погружного насоса относятся его подача О и развиваемый напор Н. Величина напора характе­ризует высоту, на которую жидкость может быть поднята с помощью данного насоса. Напор и подача, — взаимозависи­мые величины: чем выше развиваемый данным насосом на­пор, тем ниже его подача. Это хорошо видно из рис. 3.11.

Рис. 3.11. Рабочая харак­теристика ЭЦН

Например, насос, рабочая характеристика которого показана на этом рисунке, способен поднять воду на высоту 1150 м, но при этом он будет работать вхолостую (Q = 0). Если напор приближается к нулю, то насос способен перекачивать до 500 м³/сут жидкости. С увеличением напора подача насоса снижается, а при снижении увеличивается; КПД η насоса в обоих случаях несколько снижается.

Для каждого насоса имеется рабочая область, при которой достигается максимальный КПД установки. В рассматривае­мом примере максимальный КПД составляет 55 %. При этом Q = 250 м³/сут, Н = 800 м.

Промышленностью выпускаются насосы, рассчитанные на напор от 450 до 1500 м и подачу от 40 до 700 м³/сут.

Приводом ЭЦН служат погружные электродвигатели трех­фазные, асинхронные с короткозамкнутым ротором. При ча­стоте тока 50 Гц синхронная частота вращения их вала со­ставляет 3000 об/мин.

Так как диаметр корпуса двигателя ограничен внутрен­ним диаметром эксплуатационной колонны (121,7—144,3 мм), с целью обеспечения необходимой мощности длина их со­ставляет 4,2 — 8,2 м. Мощности выпускаемых погружных дви­гателей в зависимости от типа насоса могут быть от 14 до 125 кВт, их диаметр — от 103 до 123 мм.

Гидрозащита — один из важнейших узлов погружного аг­регата. Она предохраняет электродвигатель от попадания в его полость пластовой жидкости. Это достигается тем, что в полости электродвигателя, заполненного жидким мас­лом, создается давление, превышающее давле­ние окружающей среды. Гидрозащита компен­сирует также утечки масла из двигателя и обес­печивает подачу масла к подшипникам насоса.

Рис. 3.12. Вин­товой насос

Подбор скважины для применения погруж­ного насоса производится на основании дан­ных ее исследования, в результате которого определяется ее дебит и динамический уровень при этом дебите, что соответствует напору, который должен развивать насос.

Электронасос спускают в скважину после очистки ее забоя от грязи и осадков. Затем подъемные трубы заполняют до устья жидко­стью и после этого включают двигатель. Об­служивание скважины, эксплуатируемой цент­робежными насосами, состоит в проверке по­дачи насоса и контроле за работой электро­оборудования. В последнее время на практике стали ис­пользоваться погружные винтовые насосы. Ус­тановка винтового насоса состоит из тех же узлов, что и установка погружного центробеж­ного насоса, т. е. из погружного агрегата (дви­гатель, гидрозащита, насос), кабеля, оборудова­ния устья, автотрансформатора и станции уп­равления. Вместо центробежного насоса в под­земном агрегате используется винтовой насос. Кроме того, в установках погружных винтовых электронасосов (УЭВН) применяют четырехполюсные погружные электродвигатели с часто­той вращения вала (синхронной) 1500 об/мин. Конструктивно двигатели идентичны двигате­лям центробежных насосов.

В состав погружного винтового насоса (рис. 3.12) входят следующие основные узлы и дета­ли: пусковая муфта 1, с помощью которой вал насоса через вал протектора соединяется с ва­лом погружного электродвигателя; эксцентри­ковые муфты 2 и 5; правые и левые обоймы 3 и 6 с винтами 4 и 7; предохранительный клапан 8 и труба 9. Его рабочими органами являются однозаходные стальные винты и резинометаллические обоймы, внутренняя полость которых представляет собой двухзаходную винтовую поверхность с шагом, в 2 раза большим шага винта.

Прием жидкости из скважины ведется через две фильт­рованные сетки. Нагнетаемая жидкость поступает в полость между винтами и за обоймой 6 проходит к предохранитель­ному клапану 8 и далее в подъемные трубы. Винт, вращаясь в обойме, совершает сложное планетарное движение. За один оборот винта замкнутые полости, имеющие винтооб­разную форму, перемещаются с заключенной в них жидко­стью на один шаг обоймы в осевом направлении в сторону нагнетания. При вращении винта непрерывно открываются и закрываются полости, образуемые винтом и обоймой. При этом сумма заполненных жидкостью выходных площадей поперечного сечения винта с обоймой остается постоянной и поток жидкости всегда непрерывен и пропорционален частоте вращения винта. Жидкость перекачивается практи­чески без пульсаций, не создавая стойкой эмульсии из не­фти с водой.

Винтовой насос — насос объемного действия. Его теоре­тическая подача прямо пропорциональна частоте вращения винта. Так как винт, вращаясь, в осевом направлении не перемещается, то, естественно, жидкость, заполняющая впа­дины винтовой полости обоймы, будет поступать из одной впадины в другую в соответствии с шагом винта. Таким образом, за один оборот винт 2 раза перекроет камеры в обойме, т. е. вытеснит из нее две определенные порции жидкости. Осевое перемещение жидкости за один оборот винта равно Г, следовательно, подача насоса за один оборот q = 4eDT, (3.4)

где 4eDT — площадь поперечного сечения потока жидкости. Для насосов, работающих по сдвоенной схеме (см. рис. 3.11), подача насоса за один оборот составит

q₂ = 2∙4eDT. (3.5)

Подача насоса за 1 сут

Q = 1440∙4еDTnη_о6. (3.6)

В этих формулах е — эксцентриситет винта; D — диаметр сечения винта; Г — шаг обоймы; л — частота вращения вала насоса; η _о6 — объемный КПД насоса.

Если размеры насоса принимать в метрах (м), то подача его будет в кубических метрах в сутки (м³/сут). Объемный коэф­фициент полезного действия насоса принимается равным 0,7 — 0,9. Эта величина зависит от характера посадки винта в обой­ме (с натягом или с зазором), от характеристики резины и развиваемого насосом напора. На российских промыслах по­гружные винтовые электронасосы применяют для скважин со 146-мм или 168-мм обсадными колоннами и минимальными внутренними диаметрами соответственно 121,7 и 130 мм.

Погружной электронасос сочетает в себе положительные качества центробежного и поршневого, обеспечивая плав­ную, непрерывную подачу жидкости без пульсации, с посто­янным высоким КПД при широком диапазоне изменения давления. Характерная особенность винтовых насосов — зна­чительное улучшение параметров с увеличением вязкости пе­рекачиваемой жидкости. Поэтому наиболее эффективны эти насосы при добыче вязкой и высоковязкой жидкости. Одним из достоинств погружного электронасоса является то, что он обеспечивает стабильные параметры при добыче нефти с высоким газовым фактором, и даже попадание свободного газа на прием насоса не приводит к срыву добычи нефти.