4.1. Установки погружных центробежных насосов с электроприводом

Нефтедобывающая промышленность постоянно нуждается в насосах для отбора из скважин большого количества жидкости. 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 позволят в ближайшие годы увеличить межремонтные сроки в 1,5-2 раза.

Состав узлов установки ЭЦН и их расположение приведены на рисунке 4.2.

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

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 газосепараторами или диспергаторами.

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 энергетических показателях.

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 я результатов практики.

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

Возможны три варианта расположения насоса, двигателя и токо- подводящего плоского кабеля, определяющих габарит погружного агрегата (рис. 4.3). В первом случае (рис. 4.3, а) габарит погружного агрегатах равен Amax диаметру двигателя Dд, а диаметр насоса Dн и высота плоского кабеля h_K вписываются в габарит двигателя. В этом случае можно получить большую мощность и иметь высокий к. п. д. электродвигателя. Однако максимальная подача будет уменьшена, так как подача центробежного насоса зависит от диаметра рабочего колеса в кубе, т.е. Q = f (Dн³).

При третьем варианте (рис. 4.3, в) Dн = Dд , а габарит погружного агрегата определяется суммой размеров двигателя (или иасоса), 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. 4.3, б) [6].

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

В некоторых случаях плоский кабель применяется на всей глубине спуска, в том числе и вдоль колонны 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 жилы плоского кабеля, что в сочетании с высокой температурой откачиваемой жидкости приводит зачастую к перегреву изоляции средней жилы 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 и спускным 6 клапанами (см. рис, 4.2). 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 разных диаметров. Для обсадных колонн размера 146 и 168 мм имеются погружные агрегаты двух габаритов. Один предназначен для скважин с наименьшим внутренним диаметром (по ГОС-Ту) 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. 4.1). В таблице в скобках показана перспектива увеличения параметров установок.

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» - 130мм, «6»-144мм и «6А» - 148 мм; второе число шифра обозначает номинальную подачу насоса (в м3/сут) и третье - примерный напор в м. Значения подачи и напора насоса даны для работы на воде.

Таблица 4.1- Некоторые параметры погружных агрегатов ЭЦН

Диаметр обсадной колонны,		Данные агрегата
Номинальный	Наименьший	Габариты,	Наибольшая	Номинальная
	внутренний	мм	подача, м3/сут	мощность двигателя, кВт
127/140	112	96	200(250)	63(90)
146	121,7	103	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)
219	195	170	4000 (6000)	500(1000)

В последние годы номенклатура выпускаемых установок центробежных насосов значительно расширилась, что нашло отражение и в шифрах выпускаемого оборудования. Так, установки ЭЦН, выпускаемые фирмой AJIHAC (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»), цифру «2» перед надписью «УЭЦН» (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. 4.4 указана структура условного обозначения электроприводных центробежных насосов для добычи нефти российского производства.

Погружные центробежные насосы для добычи нефти, газосепа- Раторы и погружные двигатели для УЭЦН производятся в России в Соответствии с техническими условиями, разработанными фирмами- изготовителями [1].

Длина сборки насоса, газосепаратора и двигателя с гидрозащитой может достигать 40 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 . 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 (ЧПТ).

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 и более 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.