1.2 Компоненты ЭЦН

Система ЭЦН состоит из нескольких компонентов, которые вращают последовательно соединенные центробежные насосы для повышения давления скважинной жидкости и подъема ее на устье. Энергия для вращения насоса обеспечивается высоковольтным (от 3 до 5 кВ) источником переменного тока, который приводит в действие специальный двигатель, способный работать при высоких температурах до 150C и высоких давлениях до 34 MПa в скважинах глубиной до 3,7 км с потребляемой мощностью до 750 кВт. В ЭЦН применяется центробежный насос, который соединен с электродвигателем и работает при погружении в скважинную жидкость. Герметично изолированный электродвигатель вращает серию рабочих колес. Каждое рабочее колесо в серии подает жидкость через отвод во входное отверстие рабочего колеса расположенного над ним. На рисунке 1.1 изображено устройство и компоненты ЭЦН [2].

В типовом 10-и сантиметровом ЭЦН, каждое рабочее колесо дает прибавку давления примерно 60 кПа. Например, типичный 10-ти секционный насос создает давление около 600 кПа на выходе. Лифт и производительность насоса зависят от диаметра рабочего колеса и ширины лопатки рабочего колеса.

1 - гидрозащита; 2 - насос; 3 - кабельная линия; 4 - НКТ; 5 - пояс; 6 - оборудование устья скважины; 7 - СУ; 8 - трансформатор

Рисунок 1.1 - Устройство установки ЭЦН

Давление насоса является функцией количества рабочих колес. В качестве примера, 7-ми секционный насос с мощностью 0,37 кВт может откачивать большой объем воды при низком давлении, тогда как 14-ти секционный насос с мощностью 0,37 кВт откачает меньший объем, но при более высоком давлении. Как во всех центробежных насосах, увеличение глубины скважины или давления на выходе приводит к снижению производительности.

В системах ЭЦН электродвигатель располагается внизу компоновки, а насос сверху. Электрический кабель крепится к наружной поверхности НКТ и компоновка в сборе спускается в скважину таким образом, что насос и электродвигатель находятся ниже уровня жидкости. Система механических уплотнений и выравнивающее/предохранительное уплотнение (равнозначные названия) используются для предотвращения поступления жидкости в электродвигатель и устранения опасности короткого замыкания. Насос может быть подсоединен либо к трубе, к гибкому шлангу, либо спущен по направляющим рельсам или проволоке таким образом, что насос садится на фланцевую муфту с лапой и при этом обеспечивается соединение с компрессорными трубами. При вращении электродвигателя вращение передается на рабочее колесо в батарее последовательных центробежных насосов. Чем больше секций имеет насос, тем выше будет подъем жидкости.

Электродвигатель подбирается с учетом потребностей насоса. Насос проектируется для откачки определенного объема жидкости. Вал может быть изготовлен из монель-металла, а секции из коррозионно- и износостойкого материала. Насос имеет роторно-центробежное действие. Защитный узел крепится сверху насоса для изолирования электродвигателя и для обеспечения движения вала в центре для привода насоса.

Кабель проходит из верхней части электродвигателя, сбоку от насоса/уплотнения, и крепится к внешней поверхности каждой НКТ по всей длине лифтовой колонны от электродвигателя до устья скважины, а затем до электрораспределительной коробки. Кабель состоит из трех жил защищенного и изолированного непрерывного провода. Ввиду ограниченного зазора вокруг насоса/уплотнения, в промежутке от электродвигателя до НКТ выше насоса используется плоский кабель. В этом месте он сращивается с менее дорогим круглым кабелем, который проходит до устья. Кабель может иметь металлическую оболочку для защиты от повреждения.

Кабель в сборе состоит из основного кабеля - круглого типа "КПБК" (кабель, полиэтиленовая изоляция, бронированный, круглый) или плоского - "КПБП", присоединенного к нему плоского кабеля с муфтой кабельного ввода (удлинитель с муфтой). Структура "КПБК" и "КПБП" изображена на рисунке 1.2.

Кабель "КФСБ" с фторопластовой изоляцией предназначен для эксплуатации при температуре окружающей среды до +60^оС.

а - круглый б - плоский

1 - жила; 2 - изоляция; 3 - оболочка; 4 - подушка; 5 - броня

Рисунок 1.2 - Виды кабелей

Проектирование систем ЭЦН требует всестороннего и тщательного анализа с целью одновременного решения ряда специфических задач их применения. Для проектирования требуется информация по притоку скважины (кривая потока или кривая продуктивности скважины), данные о скважинных жидкостях (дебит по нефти, водонефтяной фактор, газожидкостное соотношение), данные по трубам (глубины и размеры НКТ и обсадных труб), температуры (на забое и на устье), и давления на устье скважины. Для надлежащего проектирования и подбора оборудования также требуется информация по твердой фазе, твердым отложениям, асфальтенам, коррозионно-активным жидкостям, коррозионно-активным газам и т.д.

Оборудование устья требует установки силового трансформатора и щита управления, а также электрораспределительной коробки с воздушным охлаждением. Если требуется использование привода с регулируемой скоростью, тогда необходим дополнительный повышающий трансформатор в цепи до входа кабеля в устье скважины. Трубная головка имеет конструкцию, позволяющую удерживать колонну НКТ и изолировать электрический кабель. Щит управления обычно оборудуется амперметром, плавкими предохранителями, молниезащитой и системой отключения. Он имеет и другие устройства, такие как выключатель при высоком и низком токе и аварийную сигнализацию. Он позволяет эксплуатировать скважину непрерывно, с перерывами или полностью остановить эксплуатацию.

Он обеспечивает защиту от пиков напряжения или разбалансирований, которые могут произойти в источнике электропитания. Трансформаторы, как правило, располагаются на краю кустового основания.

Входящее электрическое напряжение трансформируется в напряжение, требуемое для работы электродвигателя на предполагаемой нагрузке и для компенсации потерь в кабеле. Повышенное напряжение (пониженный ток) снижает потери на скважинном кабеле, но следует учитывать и другие факторы [2]. ЭЦН резко теряют производительность, когда в насос попадает значительный процент газа.

Пороговый уровень для начала возникновения проблемы с газом, как правило, принимается 10% доли газа по объему на входе насоса. Ввиду того, что насосы имеют высокую скорость вращения (до 4000 об/мин.) и малые зазоры, они не являются стойкими к воздействию твердой фазы, например песка. ЭЦН для нефтяных скважин выпускаются для обсадных колонн диаметров от 0,11 до 0,25 м.

Выпускаются насосы для обсадных колонн большего диаметра, однако они используются преимущественно в водяных скважинах.

Для определенного размера обсадной колонны, как правило, более оптимальным выбором является оборудование с большим диаметром.

Оборудование с большим диаметром является более коротким, как электродвигатель, так и насосы являются более эффективными, а электродвигатели легче охлаждаются. Они создают тихое компактное устьевое оборудование.