Глава I. Установки скважинных насосов с электроприводом

1.1. Скважинные центробежные насосы

Скважинные центробежные насосы являются мно­гоступенчатыми машина­ми. Это обусловлено в первую очередь малыми значениями напора, создавае­мым одной ступенью (ра­бочим колесом и направляющим аппаратом). В свою оче­редь небольшие значения напора одной ступени (от 3 до 6 — 7 м водя­ного стол­ба) определяются малыми величинами внешнего диа­метра рабочего колеса, огра­ниченного внутренним диаметром обсадной колонны и размерами при­меняемого скважинного обо­рудования — кабеля, погружного двигателя и т.д.

Конструкция скважинного центробежного насоса может быть обычной и изно­состойкой, а также повышенной коррозионной стойкости. Диаметры и сос­тав узлов насоса в основном одина­ковы для всех исполнений насоса.

Скважинный центробежный насос обычного исполнения пред­назначен для отбора из скважины жидкости с содержанием воды до 99 %. Механических при­месей откачиваемой жидкости долж­но быть не более 0,01 массовых % (или 0,1 г/л), при этом твер­дость механических примесей не должна превышать 5 бал­лов по Моосу; сероводорода — не более 0,001 %. По требованиям тех­ни­чес­ких условий заводов-изготовителей, содержание свобод­ного газа на приеме на­со­са не должно превышать 25 %.

Центробежный насос коррозионностоикого исполнения пред­назначен для работы при содержании в откачиваемой пластовой жидкости сероводорода до 0,125 % (до 1,25 г/л).

Износостойкое исполнение позволяет откачивать жидкость с содержанием ме­ханических примесей до 0,5 г/л.

Рабочим органом скважинного центробежного насоса служит ступень на­сос­ная (СН) с цилиндрическими (ЦЛ) или наклонно-цилиндрическими ло­пат­ками (НЦЛ), состоящая из рабочего ко­леса и направляющего аппарата (рис 1.1).

Рис. 1.1. Ступень ЭЦН

1 — направляющий аппарат; 2, 4 — кольцевые безлопаточные камеры; 3 — рабочее колесо; 5 — нижняя опорная шайба; 6 — защитная втулка; 7 — верхняя опорная шайба; 8 — вал.

Ступени с ЦЛ применяются на номинальные подачи до 125 м³/сут (вклю­чи­тельно) в насосах с наружным диаметром 86 и 92 мм, до 160 м³/сут в насосах с диаметром 103 мм и до 250 м³/сут в насосах с диаметром 114 мм.

Ступени с НЦЛ применяются в насосах с большей подачей. В области свое­го применения ступени с НЦЛ имеют более вы­сокий КПД и более, чем в 1,5 раза увеличенную подачу, чем ступени с ЦЛ в тех же диаметральных габа­ри­тах. Наружный ди­аметр ступеней 70, 80, 90 и 100 мм.

Ступени размещаются в расточке цилиндрического корпуса каждой сек­ции. В одной секции насоса может размещаться от 39 до 200 ступеней в за­ви­си­мос­ти от их монтажной высоты. Максимальное количество ступеней в насосах дос­тигает 550 штук.

Для возможности сборки ЭЦН с таким количеством ступеней и разгрузки вала от осевой силы применяется плавающее рабочее колесо. Рабочее колесо в насосе не фиксируется на валу в осевом направлении и удерживается от про­во­ро­та призмати­ческой шпонкой. Колесо может свободно перемещаться в осе­вом направлении в промежутке, ограниченном опорными по­верхностями направ­ляю­щих аппаратов.

Колесо опирается на индивидуальную для каждой СН осевую опору, сос­тоя­щую из опорного бурта направляющего аппарата предыдущей ступени и антиф­рикционной износостойкой шайбы, запрессованной в расточку рабочего ко­леса; при этом утечка через переднее уплотнение колеса практически равна ну­лю. Но механический КПД ступени с плавающим рабочим колесом сни­жает­ся из-за потерь трения в нижней опоре колеса. Величина этих потерь в первом приб­лижении пропорциональна осевой силе, действующей на рабочее колесо ступени.

Относительная характеристика ступени насоса представлена на рис 1.2. Под относительной величиной понимается отноше­ние фактической величины к соответствующей величине на оп­тимальном режиме, при котором КПД дости­гает максимального значения [3].

На режимах, примерно на 10% превышающих подачу нуле­вой осевой си­лы, рабочее колесо СН может «всплыть», т.е. пере­меститься вверх вплоть до упо­ра, выполненного в виде верхней осевой опоры, состоящей из опорного бур­та на направляющем аппарате и шайбы, запрессованной в расточку рабочего ко­леса. Всплытие рабочего колеса сопровождается скачкообразным сни­жением на­пора, КПД и резким повышение потребляемой мощ­ности при увеличении по­да­чи. При уменьшении подачи от ре­жима открытой задвижки рабочее колесо мо­жет опускаться в нижнее положение при значениях относительной подачи q = 0,9 – 1,0.

Рис. 1.2. Относительная характеристика ступени:

1 — относительный КПД (h); 2 — относительный напор (Н); 3 — относительная осевая сила (Р_ос); 4 — относительная мощность (N); q — относительная подача; Q — фактическая пода­ча; Q_о — оптимальная подача, соответствующая максимальному КПД.

Наиболее распространенный в настоящее время способ раз­грузки колеса от осевой силы в ступенях с НЦЛ — создание при помощи выполненного у ко­ле­са второго верхнего уплотнения камеры за ведущем диском колеса, в ко­то­ром давление с помо­щью отверстий в ведущем диске уравнивается с давлением у входа в колесо (рис. 1.3, а). Разгрузка рабочего колеса позволяет существенно сни­зить осевую силу. Такие ступени по сравнению с аналогичными ступенями с неразгруженными рабочими колеса­ми имеют ряд преимуществ: повышенный ре­сурс работы инди­видуальной нижней опоры рабочего колеса, увеличенный КПД ступени.

Рис. 1.3. Конструкции ступеней:

а — с разгруженным рабочим колесом, б — двухопорная.

1 — корпус: 2 — направляющий аппа­рат, 3 — рабочее колесо

Недостатками ступеней с разгруженными рабочими колеса­ми является услож­нение технологии и повышение трудоемкости изготовления, функ­цио­наль­ный отказ способа разгрузки при засорении разгрузочных отверстий и при изно­се верхнего уп­лотнения рабочего колеса.

Усиление пары индивидуальной осевой опоры и межступен­ного уплот­не­ния СН может быть достигнуто применением двухопорной конструкции ступе­ни (рис. 1.3. б). Двухопорная кон­струкция СН имеет по сравнению с одноопор­ной ступенью, по­вышенный ресурс индивидуальной нижней пяты ступени, бо­лее надежную изоляцию вала от абразивной и коррозионно-агрессивной проте­каю­щей жидкости, увеличенный ресурс работы и большую жесткость вала на­со­са из-за увеличенных осевых длин межступенных уплотнений, служащих в ЭЦН помимо уплотне­ния дополнительными радиальными подшипниками.

Двухопорная конструкция ступени по сравнению с одноопорной более тру­доем­ка в изготовлении.

В погружном центробежном насосе для добычи нефти в за­висимости от пе­рекачиваемой продукции, в первую очередь, изнашиваются поверхности тре­ния осевых и радиальных опор, в том числе осевых опор рабочих колес и ра­диаль­ных межступенных уплотнений, а также поверхности каналов, кон­так­ти­рую­­щие с потоком перекачиваемой жидкости. Повышение надеж­ности и дол­го­веч­ности ступеней достигается путем уменьшения осевой силы, действующей на рабочие колеса, усиления пары трения осевой и радиальной опор, исполь­зо­ва­ния соответствую­щих износостойких и коррозионностойких материалов, умень­­шением действия радиальных сил на ротор путем повышения точности изго­товления, балансировки рабочих колес.

Ответственной с точки зрения повышения надежности СН является верх­няя пята рабочего колеса. Рабочее колесо работает на верхней пяте крат­ковре­мен­но на пусковых режимах и на ре­жимах, лежащих правее рекомендованного диапазона подач, т.е. в режимах возможного всплытия рабочего колеса. При на­ру­ше­нии правил эксплуатации — установлении рабочего режима ре­гули­рова­нием подачи от открытой задвижки — всплывшее рабо­чее колесо может не опус­каться в свое нижнее положение и продолжительное время будет работать на своей верхней пяте.

Условия трения в верхней пяте рабочего колеса менее благо­приятные, чем усло­вия трения нижней пяты из-за меньшего перепала давления в пяте, и, сле­до­ва­тельно, худшей смазки по­верхности трения.

Износ поверхности каналов СН, контактирующих с потоком жидкости, воз­никает в случае применения СН для перекачива­ния жидкостей, содержащих механические примеси, твердость которых превышает твердость материалов СН.

В насосах типа ЭЦН, ЭЦНИ и ЭЦНК используются ступени с одними и те­ми же проточными частями. Ступени в насосах разных исполнений отличаются друг от друга материалами ра­бочих органов, пар трения и некоторыми конст­­рук­­тивными эле­ментами [3].

Значительные отличия имеет насосная ступень, разработан­ная и выпус­кае­мая фирмой «Новомет» (рис, 1.4).

Рабочее колесо 3 имеет на своем верхнем (заднем) диске ра­диальные ло­пат­ки 2, которые вместе с нижним диском направ­ляющего аппарата 1 образуют упро­шенную конструкцию вихревого насоса. Такая конструкция обеспечивает це­лый ряд пре­имуществ: во-первых, на 15 — 25% увеличивается напор ступе­ни, что позволяет либо увеличивать напор насоса при сохране­нии длины на­со­са, либо уменьшить длину насоса при постоян­ной величине напора. Во-вторых, на­личие вихревой ступени обеспечивает гомогенизацию газожидкостной смеси (ГЖС), что по­зволяет работать погружному насосу с повышенным содержа­нием свободного газа на приеме (до 35% по объему). В третьих, наличие ра­диаль­ных лопаток на верхнем диске снижает величи­ну осевой нагрузки, дейст­вую­щей на рабочее колесо, что увели­чивает ресурс нижней опорной шайбы 6 ра­бо­чего колеса. На­дежность и КПД насоса производства фирмы «Новомет» по­вы­­шает и то, что рабочее колесо выполняется методом порошко­вой метал­лур­гии [4].

Рис. 1.4. Ступени центробежно-вихревого насоса фирмы «Новомет»

1 — вал; 2 — шпонка, 3 — рабочее колесо; 4 — радиальная лопатка; 5 — направляющий аппа­рат; 6 — нижняя опорная шайба; 7 — верх­няя опорная шайба, 8 — корпус насоса.