Оборудование для эксплуатации скважин электроцентробежными насосами

Введение
Примерно 15-20 процентов из почти одного миллиона скважин во всем мире эксплуатируют с помощью той или иной формы искусственного подъема жидкости с использованием электрических погружных насосов. В настоящее время электроцентробежные насосы (ЭЦН) все чаще внедряют для эксплуатации скважин, потому что ЭЦН обеспечивают наибольшую отдачу на наиболее глубоких скважинах.
Применяемые в различных эксплуатационных условиях, ЭЦН очень универсальны. Они могут работать с широким диапазоном расхода от 70 до 64 000 баррелей в сутки и более. Как правило, ЭЦН имеют более низкий КПД при значительном содержании газа, превышающем около 10 процентов объема на входе насоса. Учитывая их высокую скорость вращения до 4000 оборотов в минуту и узкие зазоры, они лишь в умеренной степени устойчивы к твердым веществам, таким как песок. Когда присутствуют очень большие количества свободного газа, могут потребоваться скважинные газосепараторы и / или газовые компрессоры вместо стандартного насоса.
ЭЦН могут использоваться в обсадной колонне с внешним диаметром всего 11,5 см и могут быть спроектированы для обеспечения подъема на поверхность жидкости с такими агрессивными веществами, как сероводород, углекислый газ. Было доказано, что увеличение обводненности не оказывает существенного вредного влияния на производительность ЭЦН. ЭЦН можно устанавливать вертикальных, наклонных и горизонтальных скважинах, но насос должны быть расположены в прямом участке обсадной колонны для достижения оптимальных эксплуатационных характеристик.
На основе цены за добычу барреля нефти, ЭЦН считаются экономичными и эффективными. Поскольку на поверхности только устье скважины, а также частотный преобразователь, ЭЦН занимает малую площадь и низкопрофильную опцию практически для всех применений, включая морские установки.
В Российской Федерации электроцентробежные насосы также получили широкое применение. Средний дебит скважины, оборудованной ЭЦН, составляет 120 – 140 т/сутки, а дебит скважины, оборудованной штанговой насосной установкой, составляет всего 15 т/сутки, что почти в 10 раз меньше. ЭЦН обладает рядом преимуществ: простота обслуживания и эксплуатации, большой межремонтный период (МРП) – в среднем он составляет 1 год, однако не редки случаи, когда установленные ЭЦН работают более 2-3 лет без остановки на ремонт.
1 Общая характеристика установки ЭЦН
Установка погружного центробежного насоса включает в себя погружное и наземное оборудование.
В погружное оборудование входит: электронасосный агрегат, который спускают в скважину под уровень жидкости на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ). Электронасосный агрегат состоит из: электродвигателя с гидрозащитой, газосепаратора, центробежного насоса, а также обратного и сливного клапанов.
К наземному оборудованию относится: электрооборудование установки и устьевое оборудование скважины (колонная головка и устьевая арматура, обвязанная с выкидной линией). Электрооборудование, в зависимости от схемы токоподвода, включает в себя либо комплектную трансформаторную подстанцию для погружных насосов (КТППН), либо трансформаторную подстанцию (ТП), станцию управления и трансформатор [1].
Установка ЭЦН легко адаптировать к различным системам управления и автоматизации, что обеспечивает широкий выбор средств управления контроля и связи. Кроме того, скважинные компоненты могут варьироваться в зависимости от конкретного применения или условий эксплуатации.
1.1 Погружной центробежный насос
Многоступенчатый центробежный насос состоит из ступеней с вращающимися рабочими колесами и стационарными диффузорами, отлитыми из высоконикелевого чугуна, обладающего как абразивными, так и коррозионностойкими свойствами. Ступени насоса включают в себя множество дополнительные особенности

. Это позволяют насосу обрабатывать жесткие абразивные материалы, соли, содержащие жидкости, которые образуют отложения солей и парафина или асфальтенов, которые постепенно покрывают ступени насоса и нарушают нормальный поток. Материалы, используемые при изготовлении компонентов насосов, варьируются в зависимости от агрессивной и абразивной скважинной среды [4].
Из-за ограниченного диаметра обсадной колонны скважины подъемная сила или напор, развиваемые отдельной ступенью, относительно низки. Ступени должны быть сложены вместе, чтобы соответствовать требованиям подъема для различных применений. Каждая ступень многоступенчатого центробежного насоса добавляет энергию жидкости в виде увеличенной скорости и давления. Рабочее колесо разгоняет жидкость и увеличивает кинетическую энергию, которая затем преобразуется в потенциальную энергию (давление) в диффузоре, который перенаправляет поток на следующее рабочее колесо. Диффузоры также выполняют роль опорной поверхности, обеспечивая дополнительную устойчивость вала насоса [2].
Рисунок 1 - Модуль-секция насоса:
1 – головка; 2 – вал; 3 – опора; 4 – верхний подшипник; 5- кольцо; 6 - направляющий аппарат; 7 – рабочее колесо; 8 – корпус; 9 - нижний подшипник; 10 – ребро; 11 – основание
1.2 Погружной электродвигатель
Основным видом погружных электродвигателей, служащих для привода центробежных насосов являются асинхронные маслозаполненные двигатели с короткозамкнутыми роторами. При частоте тока 50 Гц синхронная частота вращения их вала равна 3000об/мин. Двигатели, как и насосы, должны иметь малые диаметры, различные для скважин с различными обсадными колоннами. Мощность двигателей достигает 500 кВт. Напряжение тока у двигателей (400— 3000В) и сила рабочего тока (от 10 до 100А) зависит от типоразмера двигателя. Величина скольжения составляет до 6%. Малые диаметры и большие мощности вызывают необходимость увеличивать длину двигателей, которая иногда превышает 8 м [5].
Рисунок 2 - Конструкция односекционного электродвигателя:
1 – статор; 2 – обмотка статора; 3 – ротор; 4 – втулка подшипника; 5 – головка; 6 – пята; 7 – подпятник; 8 – клапан обратный, 9 – колодка, 10 – основание, 11 – фильтр, 12 – клапан перепускной, 13 – клапан обратный; 14 – крышка кабельного ввода; 15 – крышка верхняя; 16 – муфта шлицевая, 17 – крышка нижняя
Электродвигатель (рис. 2) состоит из статора 1, ротора 3, головки 5, основания 10 и узла токоввода 9. Статор 1 представляет собой выполненный из специальной трубы корпус, в который запрессован магнитопровод из листовой электротехнической стали. В пазы статора уложена трехфазная протяжная обмотка из специального обмоточного провода. Фазы обмотки соединены в звезду. Внутри статора размещается ротор 3, представляющий собой набор пакетов, разделенных между собой промежуточными подшипниками и последовательно надетыми на вал. Вал ротора выполнен пустотелым для обеспечения циркуляции масла. Пакеты ротора набраны из листовой электротехнической стали. В пазы пакетов вставлены медные стержни, сваренные по торцам с медными кольцами. В головке электродвигателя размещен узел упорного подшипника 6, который воспринимает осевые нагрузки от веса ротора. В нижней части электродвигателя расположено основание 10, в котором размещен фильтр 11 для очистки масла [2].
1.3 Спускной и обратный клапаны
Спускной клапан служит для слива жидкости из колонны НКТ при подъеме насосного агрегата из скважины. Обратный клапан предназначен для предотвращения обратного вращения (турбинный режим) ротора насоса под воздействием столба жидкости в колонне НКТ при остановках и облегчения, тем самым, повторного запуска насосного агрегата. Обратный клапан ввинчен в модуль – головку насоса, а спускной – в корпус обратного клапана (рис.3).
Рисунок 3 – Сливной и обратный клапаны: 1 – сливной клапан; 2 – обратный клапан
1.4 Узел гидрозащиты
Гидрозащита предназначена для предотвращения проникновения пластовой жидкости во внутреннюю полость электродвигателя, компенсации изменения объема масла во внутренней полости от температуры электродвигателя и передачи крутящего момента от вала электродвигателя к валу насоса