3.9.4. Эксплуатация скважин бесштанговыми погружными насосами

Недостаточно высокая подача штанговых насосов, необхо­димость установки громоздкого оборудования, опасность об­рыва штанг при больших глубинах скважин и другие причи­ны ограничивают область применения штанговых насосов. В связи с этим за последние годы при эксплуатации нефтяных скважин стали применять бесштанговые насосы, из которых широко распространены погружные центробежные электро­насосы и винтовые насосы.

Установка погружного центробежного электронасоса (рис. 3.10) состоит из насосного агрегата, бронированного кабеля б, устьевой арматуры 7, кабельного барабана станции управ­ления 10 и автотрансформатора 9. Погружной насосный аг­регат, в собранном виде спускаемый в скважину на подъем­ных трубах 5, состоит из центробежного многоступенчатого насоса 4, погружного электродвигателя 1 и протектора 2. Все эти узлы соединены между собой фланцами. Валы двигателя, протектора и насоса имеют на концах шлицы и соединяются шлицевыми муфтами.

Так как электродвигатель расположен непосредственно под насосом, последний имеет боковой прием жидкости, которая поступает в него из кольцевого пространства между эксплуата­ционной колонной и электродвигателем через фильтр-сетку 3.

К наземному оборудованию скважин относятся устьевая арматура 7, барабан со стойками для кабеля, автоматичес­кая станция управления 10 и автотрансформатор 9. Авто­трансформатор предназначен для компенсации падения на­пряжения в кабеле 6, подводящем ток к погружному элект­родвигателю 1. Для защиты от окружающей среды авто­трансформатор устанавливают в будке. Станция управления позволяет вручную или автоматически включать или выклю­чать агрегат и контролировать его работу (отключать агре­гат при прекращении подачи жидкости, при перегрузках и коротких замыканиях). Устьевая арматура 7 предназначена для отвода продукции скважины в выкидную линию, герме­тизации затрубного пространства с учетом ввода в него кабеля и перепуска газа из этого пространства при чрез­мерном увеличении его давления.

Принцип действия установки следующий. Электрический ток из промысловой сети через автотрансформатор 9 и стан­цию управления 10 поступает по кабелю 6 к электродвигате­лю 1, в результате чего электродвигатель вращает вал насоса и приводит таким образом его в действие. Во время работы агрегата жидкость проходит через фильтр, установленный на приеме насоса, и нагнетается по насосным трубам на повер­хность. Чтобы жидкость при остановке агрегата не сливалась из колонны труб в скважину, в трубах над насосом смонти­рован обратный клапан. Кроме того, над насосом устанавли­вают спускной клапан, через который жидкость сливается из колонны труб перед подъемом агрегата из скважины [9].

Погружной электронасос по принципу действия не отли­чается от обычных центробежных насосов, применяемых для перекачки жидкости. Он представляет собой набор лопаток (ступеней), составляющих ротор насоса и направляющих ап­паратов, являющихся статором. Лопатки и элементы, состав­ляющие статор, изготовляют из чугуна.

Во время работы насоса жидкость, поступающая через всасывающие отверстия к центральной открытой части рабо­чего колеса, попадает на его лопатки и увлекается ими в полость насоса, где приобретает вращательное движение. Под влиянием центробежной силы и от воздействия лопаток час­тицы жидкости с большой скоростью отбрасываются к пери­ферии вращающегося колеса и затем наружу. Выбрасывае­мая из колеса жидкость обладает большой скоростью и, сле­довательно, значительной кинетической энергией — энерги­ей движения. Для преобразования этой энергии в энергию давления служат специальные направляющие устройства — лопаточные диффузоры, устанавливаемые за рабочим коле­сом. Жидкость, протекая между этими лопатками, плавно изменяет направление движения, постепенно теряет скорость и отводится в следующую ступень.

Рабочие колеса погружных насосов имеют небольшой диа­метр, и вследствие этого напор жидкости, создаваемый одной ступенью, не превышает 3,5 —5,5 м. Поэтому для обеспечения напора в 800— 1000 м в корпусе насоса монтируют по 150 — 200 ступеней, а в тех случаях, когда необходим больший на­пор, применяют двухсекционные или трехсекционные насосы.

Погружные центробежные электронасосы (ЭЦН) применя­ют для работы в скважинах, закрепленных обсадными труба­ми диаметрами 140, 146 и 168 мм с внутренними диаметрами соответственно 121,7, 124 и 144,3 мм. Для эксплуатации сква­жин, в продукции которых содержится большое количество песка (до 1,0 % от количества извлекаемой жидкости), центро­бежные насосы изготовляют в износостойком исполнении.

К основным параметрам погружного насоса относятся его подача О и развиваемый напор Н. Величина напора характе­ризует высоту, на которую жидкость может быть поднята с помощью данного насоса. Напор и подача, — взаимозависи­мые величины: чем выше развиваемый данным насосом на­пор, тем ниже его подача. Это хорошо видно из рис. 3.11.

Например, насос, рабочая характеристика которого показана на этом рисунке, способен поднять воду на высоту 1150 м, но при этом он будет работать вхолостую (Q = 0). Если напор приближается к нулю, то насос способен перекачивать до 500 м³/сут жидкости. С увеличением напора подача насоса снижается, а при снижении увеличивается; КПД η насоса в обоих случаях несколько снижается.

Для каждого насоса имеется рабочая область, при которой достигается максимальный КПД установки. В рассматривае­мом примере максимальный КПД составляет 55 %. При этом Q = 250 м³/сут, Н = 800 м.

Промышленностью выпускаются насосы, рассчитанные на напор от 450 до 1500 м и подачу от 40 до 700 м³/сут.

Приводом ЭЦН служат погружные электродвигатели трех­фазные, асинхронные с короткозамкнутым ротором. При ча­стоте тока 50 Гц синхронная частота вращения их вала со­ставляет 3000 об/мин.

Так как диаметр корпуса двигателя ограничен внутрен­ним диаметром эксплуатационной колонны (121,7—144,3 мм), с целью обеспечения необходимой мощности длина их со­ставляет 4,2 — 8,2 м. Мощности выпускаемых погружных дви­гателей в зависимости от типа насоса могут быть от 14 до 125 кВт, их диаметр — от 103 до 123 мм.

Гидрозащита — один из важнейших узлов погружного аг­регата. Она предохраняет электродвигатель от попадания в его полость пластовой жидкости. Это достигается тем, что в полости электродвигателя, заполненного жидким мас­лом, создается давление, превышающее давле­ние окружающей среды. Гидрозащита компен­сирует также утечки масла из двигателя и обес­печивает подачу масла к подшипникам насоса.

Электронасос спускают в скважину после очистки ее забоя от грязи и осадков. Затем подъемные трубы заполняют до устья жидко­стью и после этого включают двигатель. Об­служивание скважины, эксплуатируемой цент­робежными насосами, состоит в проверке по­дачи насоса и контроле за работой электро­оборудования. В последнее время на практике стали ис­пользоваться погружные винтовые насосы. Ус­тановка винтового насоса состоит из тех же узлов, что и установка погружного центробеж­ного насоса, т. е. из погружного агрегата (дви­гатель, гидрозащита, насос), кабеля, оборудова­ния устья, автотрансформатора и станции уп­равления. Вместо центробежного насоса в под­земном агрегате используется винтовой насос. Кроме того, в установках погружных винтовых электронасосов (УЭВН) применяют четырехполюсные погружные электродвигатели с часто­той вращения вала (синхронной) 1500 об/мин. Конструктивно двигатели идентичны двигате­лям центробежных насосов.

В состав погружного винтового насоса (рис. 3.12) входят следующие основные узлы и дета­ли: пусковая муфта 1, с помощью которой вал насоса через вал протектора соединяется с ва­лом погружного электродвигателя; эксцентри­ковые муфты 2 и 5; правые и левые обоймы 3 и 6 с винтами 4 и 7; предохранительный клапан 8 и труба 9. Его рабочими органами являются однозаходные стальные винты и резинометаллические обоймы, внутренняя полость которых представляет собой двухзаходную винтовую поверхность с шагом, в 2 раза большим шага винта.

Прием жидкости из скважины ведется через две фильт­рованные сетки. Нагнетаемая жидкость поступает в полость между винтами и за обоймой 6 проходит к предохранитель­ному клапану 8 и далее в подъемные трубы. Винт, вращаясь в обойме, совершает сложное планетарное движение. За один оборот винта замкнутые полости, имеющие винтооб­разную форму, перемещаются с заключенной в них жидко­стью на один шаг обоймы в осевом направлении в сторону нагнетания. При вращении винта непрерывно открываются и закрываются полости, образуемые винтом и обоймой. При этом сумма заполненных жидкостью выходных площадей поперечного сечения винта с обоймой остается постоянной и поток жидкости всегда непрерывен и пропорционален частоте вращения винта. Жидкость перекачивается практи­чески без пульсаций, не создавая стойкой эмульсии из не­фти с водой.

Винтовой насос — насос объемного действия. Его теоре­тическая подача прямо пропорциональна частоте вращения винта. Так как винт, вращаясь, в осевом направлении не перемещается, то, естественно, жидкость, заполняющая впа­дины винтовой полости обоймы, будет поступать из одной впадины в другую в соответствии с шагом винта. Таким образом, за один оборот винт 2 раза перекроет камеры в обойме, т. е. вытеснит из нее две определенные порции жидкости. Осевое перемещение жидкости за один оборот винта равно Г, следовательно, подача насоса за один оборот q = 4eDT, (3.4)

где 4eDT — площадь поперечного сечения потока жидкости. Для насосов, работающих по сдвоенной схеме (см. рис. 3.11), подача насоса за один оборот составит

q₂ = 2∙4eDT. (3.5)

Подача насоса за 1 сут

Q = 1440∙4еDTnη_о6. (3.6)

В этих формулах е — эксцентриситет винта; D — диаметр сечения винта; Г — шаг обоймы; л — частота вращения вала насоса; η _о6 — объемный КПД насоса.

Если размеры насоса принимать в метрах (м), то подача его будет в кубических метрах в сутки (м³/сут). Объемный коэф­фициент полезного действия насоса принимается равным 0,7 — 0,9. Эта величина зависит от характера посадки винта в обой­ме (с натягом или с зазором), от характеристики резины и развиваемого насосом напора. На российских промыслах по­гружные винтовые электронасосы применяют для скважин со 146-мм или 168-мм обсадными колоннами и минимальными внутренними диаметрами соответственно 121,7 и 130 мм.

Погружной электронасос сочетает в себе положительные качества центробежного и поршневого, обеспечивая плав­ную, непрерывную подачу жидкости без пульсации, с посто­янным высоким КПД при широком диапазоне изменения давления. Характерная особенность винтовых насосов — зна­чительное улучшение параметров с увеличением вязкости пе­рекачиваемой жидкости. Поэтому наиболее эффективны эти насосы при добыче вязкой и высоковязкой жидкости. Одним из достоинств погружного электронасоса является то, что он обеспечивает стабильные параметры при добыче нефти с высоким газовым фактором, и даже попадание свободного газа на прием насоса не приводит к срыву добычи нефти.