4.4 Принципиальная схема уэцн и ее элементы

Установка ЭЦН является сложной технической системой и, несмотря на широко известный принцип действия центробежного насоса, представляет собой совокупность оригинальных по конструкции элементов. Принципиальная схема УЭЦН приведена на рисунке 4.1. Установка состоит из двух частей: наземной и погружной. Наземная часть включает автотрансформатор 1, станцию управления 2, иногда кабельный барабан 3 и оборудование устья скважины 4. Погружная часть включает колонну НКТ 5, на которой погружной агрегат спускается в скважину, бронированный трехжильный электрический кабель 6, по которому подается питающее напряжение погружному электродвигателю и который крепится к колонне НКТ специальными зажимами 7. Погружной агрегат состоит из многоступенчатого центробежного насоса 8, оборудованного приемной сеткой 9 и обратным клапаном 10. Часто в комплект погружной установки входит сливной клапан 11, через который сливается жидкость из НКТ при подъеме установки. В нижней части насос сочленен с узлом гидрозащиты (протектором) 12, который, в свою очередь, сочленен с погружным электродвигателем 13. В нижней части электродвигатель 13 имеет компенсатор 14.

1 - автотрансформатор; 2 - станция управления; 3 - кабельный барабан;

4 - оборудование устья скважины; 5 - колонна НКТ; 6 - бронированный электрический кабель; 7 - зажимы для кабеля;8 - погружной многоступенчатый центробежный насос; 9 - приемная сетка насоса; 10 - обратный клапан;

11 - сливной клапан; 12 - узел гидрозащиты (протектор);

13 - погружной электродвигатель; 14 - компенсатор

Рисунок 4.1 – Принципиальная схема УЭЦН

Погружной центробежный насос

Конструктивно представляет собой совокупность ступеней небольшого диаметра, состоящих, в свою очередь, из рабочих колес и направляющих аппаратов, размещаемых в корпусе насоса (трубе). Рабочие колеса, изготавливаемые из чугуна, бронзы или пластических материалов, крепятся на валу насоса со скользящей посадкой с помощью специальной шпонки. Верхняя часть сборки рабочих колес (вала насоса) имеет опорную пяту (подшипник скольжения), закрепляемую в корпусе насоса. Каждое рабочее колесо опирается на торцевую поверхность направляющего аппарата. Нижний конец насоса имеет подшипниковый узел, состоящий из радиально-упорных подшипников. Узел подшипников изолирован от откачиваемой жидкости и в некоторых конструкциях вал насоса уплотняется специальным сальником. Погружной центробежный насос выполняется в виде отдельных секций с большим числом ступеней в каждой секции (до 120), что позволяет собирать насос с необходимым напором. Принципиальная схема погружного центробежного насоса представлена на рисунке 4.2.

1 – секция верхняя с ловильной головкой; 2 – секция нижняя; 3 – муфта шлицевая; 4 – пята опорная; 5 – корпус подшипника; 6 – направляющий аппарат; 7 – рабочее колесо; 8 – корпус; 9 – вал; 10 – шпонка; 11 – подшипник скольжения; 12 – втулка защитная; 13 – основание; 14 – сетка фильтра; 15 – муфта приводная

Риснок 4.2 – Принципиальная схема погружного центробежного насоса

Отечественная промышленность выпускает насосы обычного и износостойкого исполнения. Насосы износостойкого исполнения предназначены для откачки из скважин жидкостей с определенным количеством механических примесей (указывается в паспорте насоса). По поперечным габаритам (диаметру корпуса) выпускаются насосы нескольких групп, соответствующих номинальному диаметру обсадных колонн (в дюймах) добывающих скважин: 5, 5А, 6.

По рабочим параметрам (подаче Q и напору Н) выпускается широкая гамма погружных насосов, что позволяет использовать эти насосы для эксплуатации скважин различных категорий. Каждый погружной центробежный насос имеет свой шифр, в котором отражены диаметр эксплуатационной колонны, подача и напор при работе в оптимальном режиме. Например, насос ЭЦН6-500-750 —электрический центробежный насос для обсадных колонн диаметром 6", с оптимальной подачей 500 м3/сут при напоре 750 м.

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 и отвода тепла к стенкам корпуса двигателя, омываемого потоком скважиннои 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. Секции статора разделены немагнитными пакетами, в которых расположены опорные радиальные подшипники. Нижний конец вала также закреплен в подшипнике. Принципиальная схема ПЭД представлена на рисунке 4.3.

1 – муфта; 2 – радиально-опорный узел; 3 – головка верхняя со штепсельной колодкой; 4 – вал; 5 – циркуляционная турбинка; 6 – статор; 7 – ротор;

8 – подшипник скольжения; 9 – фильтр масляный;

10 – основание с обратным клапаном

Рисунок 4.3 – Принципиальная схема ПЭД

Длина и диаметр двигателя определяютего 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).

Узел гидрозащиты (протектор)

Размещается между насосом и двигателем и предназначен для защиты электродвигателя от попадания в него откачиваемой продукции и смазки радиально-упорного подшипника насоса (при необходимости). 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 скважиннои 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, 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.

Как уже отмечено, на выкиде погружного насоса устанавливаются обратный и сливной клапаны.

Обратный клапан

Размещается в головке насоса и предназначен для предотвращения слива жидкости через насос из колонны НКТ при остановках погружного 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. Если в этот период возобновляется подача электроэнергии, ПЭД начинает вращаться в прямом направлении, преодолевая огромную силу. Пусковой ток ПЭД в этот момент может превысить допустимые пределы, и, если не сработает защита, электродвигатель выходит из строя. Чтобы предотвратить это явление и сократить простои скважины, погружной насос оборудуют обратным клапаном.

С другой стороны, наличие обратного клапана при подъеме погружного агрегата не позволяет жидкости стекать из колонны НКТ. Подъем установки проводят, когда колонна НКТ заполнена скважинной продукцией, которая выливается на устье, создавая сверхтяжелые условия работы бригаде подземного ремонта и нарушая все условия обеспечения безопасности жизнедеятельности, противопожарной и экологической защиты, что недопустимо. Поэтому погружной насос оборудуют так называемым сливным клапаном.

Сливной клапан

Размещается в специальной муфте, соединяющей между собой насосно-компрессорные трубы, и представляет собой, как правило, бронзовую трубку, один конец которой запаян, а другой, открытый конец, на резьбе вворачивается в муфту изнутри. Сливной клапан располагается горизонтально по отношению к вертикальной колонне НКТ. При необходимости подъема установки из скважины в колонну НКТ сбрасывается небольшой груз, который обламывает бронзовую трубку сливного клапана, и жидкость из НКТ при подъеме сливается в затрубное пространство.

Электрический кабель

П редназначен для подачи питающего напряжения на клеммы погружного электродвигателя. Кабель трехжильный, с резиновой или полиэтиленовой изоляцией 2 жил 1 и сверху покрыт металлической броней 3, 4. Поверхностное бронирование кабеля осуществляется стальной оцинкованной профилированной лентой, что предотвращает токоведущие жилы от механических повреждений при спуске и подъеме установки. Выпускаются кабели круглые и плоские (рисунок 4.4). Плоский кабель имеет меньшие радиальные габариты. Кабели зашифрованы следующим образом: КРБК, КРБП, КПБК, КПБП – кабель с резиновой изоляцией, бронированный, круглый; кабель с резиновой изоляцией, бронированный, плоский; кабель с полиэтиленовой изоляцией, бронированный, круглый; кабель с полиэтиленовой изоляцией, бронированный, плоский.

1 – жилы кабеля; 2 – изоляция; 3, 4 - броня

Рисунок 4.4 – Круглый (а) и плоский (б) кабель для подвода электроэнергии к двигателю

Жилы медные, с различным сечением; например, КПБП 3x16: кабель с полиэтиленовой изоляцией, бронированный, плоский, трехжильный с площадью поперечного сечения каждой жилы 16 мм².

Кабель крепится к колонне НКТ в двух местах: над муфтой и под муфтой. В настоящее время преимущественно применяются кабели с полиэтиленовой изоляцией.

Автотрансформатор

Предназначен для повышения напряжения, подаваемого на клеммы погружного электродвигателя. Сетевое напряжение составляет 380 В, а рабочее напряжение электродвигателей в зависимости от мощности изменяется от примерно 400 В до 2000 В. С помощью автотрансформатора напряжение промысловой сети 380 В повышается до рабочего напряжения каждого конкретного погружного электродвигателя с учетом потерь напряжения в подводящем кабеле. Типоразмер автотрансформатора соответствует мощности используемого погружного электродвигателя.

Станция управления

Предназначена для управления работой и защиты УЭЦН 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.

Следует отметить, что созданы установки погружных центробежных электронасосов, спускаемых в скважину на кабель-канате (без использования колонны НКТ). Обладая определенными преимуществами по сравнению с классической установкой, установка на кабель-канате имеет и серьезные недостатки: необходимость использования сложного шлипсового пакера, на который действует нагрузка от веса самой установки и от поднимаемой продукции, т.к. подъем продукции происходит по обсадной колонне; более тяжелые условия работы погружного агрегата, находящегося под давлением системы нагнетания; сложность борьбы с твердыми отложениями (парафин, соли) в обсадной колонне; более тяжелые условия работы кабель-каната, находящегося под давлением на выкиде насоса. В настоящее время эти установки для добычи нефти не применяются.

Оборудование устья скважины

Предназначено для отвода в манифольд продукции скважины, герметизации пространства между обсадной колонной и насосно-компрессорными трубами с учетом ввода в это пространство кабеля и перепуска газа из этого пространства при увеличении его давления. Кроме того, конструкция устьевого оборудования предусматривает использование приборов при исследованиях скважины (измерении давления на выкиде у насосно-компрессорных труб и в затрубном пространстве, измерении уровня жидкости в скважине и т. д.).

Для работ с ЭЦН используется оборудование устья типа ОУЭН (рисунок 4.5). Основой его является уплотнение, герметизирующее место вывода труб и кабеля. Все основные узлы оборудования устья унифицированы с узлами фонтанной арматуры и устья СШНУ. В комплект оборудования устья входит колено с обратным клапаном для соединения затрубного пространства с выкидом из НКТ. Оборудование устья типа ОУЭН рассчитано на рабочее давление 14 – 21 МПа (устьевой сальник), условный проход запорных органов 65 мм.

1 – крестовик; 2 – разрезной фланец; 3 – тройник; 4 – кабель; 5 – разъемный конус

Рисунок 4.5 – Оборудование устья ОУЭН 140-65