Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Ф едеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление подготовки 18.03.01 «Химическая технология»

Образовательная программа «Технология подготовки и переработки нефти и газа»

ОТЧЕТ ПО ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЕ №7

Название работы

Подбор УЭЦН по параметрам скважины

По дисциплине

Оборудование нефтегазовой отрасли

Студент

Группа	ФИО	Подпись	Дата
2ДМ52	Чижова Анастасия Васильевна

Руководитель

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата
Доцент ОНД ИШПР	Холодная Г.Е.	к.т.н.

Томск – 2026 г.

Теоретическая часть

Электроприводной центробежный насос (ЭЦН) предназначен для добычи из скважины жидкости с содержанием свободного газа (в виде пузырьков) в количестве не более 25% по объёму. Вид насосного модуля ЭЦН представлен рис. 11. Основными элементами конструкции являются вал насоса, на который насажены центробежные колёса, которые устанавливаются поочерёдно с направляющими аппаратами, закрепляемыми неподвижно в корпусе насосного модуля. Центробежное колесо и направляющий аппарат в сборе называются ступенью насоса.

Конструкция рабочего колеса центробежного насоса представлена на рис.12. Рабочее колесо состоит из двух дисков переднего 1 и заднего 2, в пространстве между которыми находятся плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса, лопасти 3. Число лопастей в зависимости от марки насоса может составлять от 3 до 8 штук. Диск со стороны всасывания имеет входное отверстие 4 для подвода жидкости к лопастям.

Принцип действия заключается в следующем: изогнутые лопатки рабочего колеса в процессе вращения оказывают давление на жидкость. Жидкость, под действием возникающей центробежной силы, отбрасывается в направлении от центра рабочего колеса к периферии и, попадая в направляющий аппарат, подводится к следующему колесу и так далее, в результате чего в центре колеса создается пониженное давление, а в периферийной его части - повышенное давление.

Рисунок 1 – Конструктивные особенности насосного модуля ЭЦН

Рисунок 2 – Рабочее колесо центробежного насоса: 1 – передний (ведомый) диск; 2 – задний (ведущий) диск; 3 – лопасти; 4 – входное отверстие.

Основными показателями работы центробежного насоса являются подача (Qн), м3\сут, напор (Н), м и КПД (%). Зависимость напора насоса от его подачи называется напорной характеристикой насоса, зависимость потребляемой энергии (мощности) и КПД от подачи называется энергетической характеристикой насоса.

Вид напорной характеристики ЭЦН представлен на рис.3. По мере снижения напора насоса (высоты, на которую насос должен поднять жидкость), подача насоса (количество жидкости, которую он может перекачивать) увеличивается.

Наряду с напорной характеристикой необходимо знать потребляемую мощность насоса и его КПД на разных режимах работы. Нанесенные на один график напорная характеристика, значение мощности и КПД называется комплексной характеристикой насоса.

Рисунок 3 – Вид напорной характеристики

На рис.4 представлена характеристика ЭЦН. Насос может эксплуатироваться не во всём диапазоне характеристики, а только в определённом – в «Рабочей части». Границы рабочей части устанавливаются исходя из величин, действующих на колеса насоса, усилий. Режим с максимальным КПД называется оптимальным режимом. Характеристика насоса — это кривые зависимости напора, КПД, мощности от подачи. Подбирая насос к скважине, следует выбирать его так, чтобы его режим работы был в пределах рабочей части характеристики!

Рисунок 4 – Комплексная характеристика ЭЦН (Н – напор, Q – расход, N – мощность, - КПД)

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 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.

Каждая установка имеет свой шифр, например УЭЦН5А-500-800, в котором приняты следующие обозначения: цифра (или цифры 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 - цифра обозначает номинальную подачу насоса (в м3/сут) и третье - примерный напор в м. Значения подачи и напора насоса даны для работы на воде. На рис.5 представлена схема маркировки ЭЦН.

Рисунок 5 – Структура условного обозначения насосов российского производства

Условные габариты насосов представлены в таблице 1.

Таблица 1

При выборе габарита насосной установки следует учитывать внутренний диаметр эксплуатационной колонны, чтобы насос мог поместиться в скважину, при этом диаметральный зазор между корпусом насоса и эксплуатационной колонной должен быть не менее 10 мм.

Выбирается максимально возможный габаритный размер для заданного диаметра эксплуатационной колонны. На работу насоса оказывает негативное влияние свободный газ (в виде пузырьков), находящийся в жидкости.

Чтобы передать жидкости мощность, давление на рабочую или переднюю сторону лопатки центробежного колеса должно быть больше, чем давление на заднюю сторону лопатки.

Любая сила, приложенная лопаткой к жидкости, вызывает равную и противоположно направленную реакцию со стороны жидкости. Последняя может быть только силой, определяемой разницей давлений с двух сторон лопатки колеса. Из-за пониженного давления (по сравнению с передней стороной лопасти) с задней стороны лопасти возникает область, где начинает скапливаться газовая фаза жидкости (рис. 6).

Например, исследования, проведенные на центробежном насосе, имевшем прозрачную переднюю часть корпуса и прозрачный передний диск колеса при перекачивании водо-воздушной смеси, установили картину распределения потока смеси в межлопаточных каналах. При содержании свободного газа 2% за лопастью по сечению межлопастного канала на выходе образуется газожидкостной слой с существенно большим содержанием газа, чем в остальном потоке.

Такое неоднородное расположение смеси связано с тем, что из-за наличия градиента давления в газожидкостном потоке по длине и ширине канала происходит сепарация газа к нерабочей стороне лопастей.

Наличие градиента давления в газожидкостном потоке по ширине и длине межлопаточного канала приводит к разделению смеси и скоплению газа у нерабочей стороны лопаток и у входа в колесо насоса. За лопастью образуется устойчивая область, состоящая в основном из газа, а на выходе из колеса из-за более медленного движения пузырьков газа по сравнению с окружающей их жидкостью создается повышенная концентрация газа.

С увеличением содержания газа на всасывании эффект сепарации газа поперек канала, увеличивается и основной поток подходит к выходу из колеса с меньшим содержанием нерастворенного газа. За лопастью образуется отчетливая газожидкостная область, которая с увеличением содержания газа, насыщаясь газом, начинает изменяться и сдвигаться от выхода к входу.

Перед срывом подачи газовая фаза настолько сдвигается к входу, что запирает поперечное сечение канала, в результате чего полностью нарушается работа центробежного колеса.

Поэтому следует ограничивать количество газа, попадающего вместе с жидкостью в насос. На рис. 7 представлена, характеристика ЭЦН при перекачивании газожидкостной смеси. Видно, что при попадании газа значительно снижается напор насоса и КПД, что следует учитывать при подборе насосной установки к скважине.

Рисунок 6 – Скопление газа за лопастями колеса на выходе потока из колеса (колесо вращается по часовой стрелке)

Рисунок 7 – Напорная характеристика ЭЦН при перекачке газожидкостных смесей (в процентах указано объемное содержание газа в жидкости)

По мере подъёма добываемой газожидкостной смеси от пласта (зоны перфорации) до насоса, давление будет снижаться. Если давление на приеме насоса будет меньше давления насыщения жидкости газом, то из жидкости начнёт выделяться газ. Свободный газ, попадая вместе с жидкостью в насос, приводит к снижению его параметров работы, в результате чего может произойти срыв подачи насоса. Для того, чтобы срыва подачи не происходило, следует ограничивать максимальное количество газа, которое попадает в насос. Для этого ЭЦН спускают под уровень жидкости в скважину на определённую глубину, а также дополнительно комплектуют газосепараторами.