Установки электроцентробежных насосов
По конструктивному исполнению УЭЦН подразделяются на три группы:
а) насосы исполнения 1 предназначены для эксплуатации нефтяных и обводненных скважин с содержанием механических примесей до 0,1 г/л;
б) насосы исполнения 2 (износостойкое исполнение) предназначены для эксплуатации сильно обводненных скважин с содержанием механических примесей до 0,5 г/л;
в) насосы исполнения 3 предназначены для откачки жидкости с водородным показателем pH=5-8,5 и содержанием до 1,25 г/л сероводорода.
По величине поперечного габарита УЭЦН подразделяются на группы:
а) группа 5 – насосы с наружным диаметром корпуса 92 мм;
б) группа 5А - насосы с диаметром корпуса 103 мм;
в) группы 6 и 6А - насосы с диаметром корпуса 114 мм.
Установка электроцентробежного насоса включает в себя подземное и наземное оборудование.
К подземному оборудованию относятся:
а) электроцентробежный насос, являющийся основным узлом установки (ЭЦН);
б) погружной электродвигатель (ПЭД), являющийся приводом насоса;
в) система гидрозащиты, осуществляющая защиту ПЭД от попадания в него пластовой жидкости и состоящая из протектора и компенсатора;
г)токоведущий кабель, служащий для подачи электроэнергии к ПЭД;
д) насосно-компрессорные трубы (НКТ), являющиеся каналом, по которому добываемая жидкость поступает от насоса на дневную поверхность.
К наземному оборудованию относятся:
а) устьевая арматура, служащая для направления и регулирования поступающей жидкости из скважины и герметизации устья и кабеля;
б) станция управления погружным двигателем, осуществляющая запуск, контроль и управление работой УЭЦН;
в) трансформатор, предназначенный для регулирования величины напряжения, подаваемого на ПЭД;
г) подвесной ролик, служащий для подвески и направления кабеля в скважину при спуско-подъемных операциях.
В настоящее время выпускается более 78 типоразмеров УЭЦН. Каждый типоразмер имеет определенный шифр. Например, УЭЦНМ (К) 5-125-1200 обозначает: У – установка, Э – привод от электродвигателя, Ц – центробежный, Н – насос, коррозионно устойчивое исполнение, 5 – группа (диаметр обсадной колонны, для которой он предназначен), 125 – подача насоса, (куб.м/сут), 1200 – напор (м).
ЭЦН является основным узлом установки. В отличие от поршневых насосов, сообщающих напор перекачиваемой жидкости посредством возвратно-поступательных движений поршня, в центробежных насосах перекачиваемая жидкость получает напор на лопатках быстровращающегося рабочего колеса. При этом происходит превращение кинетической энергии движущейся жидкости в потенциальную энергию давления.
Поскольку ЭЦН есть центробежный насос, созданный для эксплуатации нефтяных скважин, это повлекло за собой ряд особенностей, присущих только этому классу насосов, а именно:
а) насос должен иметь минимальные габариты, ограничиваемые диаметром скважин;
б) насос должен иметь широкий диапазон производительностей и напоров;
в) насос подвешивается в вертикальном положении и недоступен осмотру и обслуживанию.
Основными конструктивными элементами ЭЦН являются: рабочее колесо, направляющий аппарат, вал, корпус, гидравлическая пята, уплотнения, подшипники. Эти детали – необходимые компоненты любого центробежного насоса, присущи они и ЭЦН.
Основными параметрами насоса являются: подача, напор, высота всасывания, потребляемая мощность и коэффициент полезного действия (КПД). Параметры насоса указывают в его паспорте при его работе на пресной воде.
Под подачей (Q) понимают объем перекачиваемой жидкости, проходящей через напорный патрубок насоса в единицу времени. Подача выражается в кубических метрах в сутки.
Напор (Н) есть разность полной удельной энергии на выходе и входе в насос, выраженная в метрах столба жидкости.
Рабочее колесо является основным рабочим органом насоса. Оно состоит из дисков – переднего (по ходу жидкости) в виде кольца с отверстием большого диаметра в центре и заднего – сплошного диска со ступицей (втулкой в центре), через которую проходит вал.
Диски расположены на некотором расстоянии один от другого, а между ними находятся лопатки, отогнутые назад по направлению вращения колеса. Колеса ЭЦН изготавливают из легированного чугуна или полиамидной смолы.
Направляющий аппарат предназначен для изменения потока жидкости и преобразования скоростной энергии в давление. Он состоит из двух неподвижных дисков с лопатками, напоминающими лопатки рабочего колеса, закрепленные неподвижно в корпусе насоса. Рабочее колесо, собранное совместно с направляющим аппаратом, образует ступень насоса. Каждая ступень развивает напор 4…7 м.
Учитывая, что глубина, с которой приходится поднимать нефть достигает 1,5…2 км и более, можно легко рассчитать потребное количество ступеней, образующих насос, достигающее 400 штук и более.
Таким образом, электроцентробежный насос является многоступенчатым и, кроме того, секционным, так как в один корпус такое количество ступеней установить невозможно.
Вал предназначен для передачи вращения рабочим колесам и представляет собой цилиндрический стержень со шпоночным пазом для крепления рабочих колес. Со стороны протектора конец вала имеет шлицы. Длина и диаметр вала регламентируются габаритами насоса. Вал с укрепленными на нем колесами образуют ротор насоса. Вал ЭЦН работает в весьма жестких условиях, т.к. имеет при незначительном диаметре (17…25 мм) значительную длину (до 5000 мм) и несет на себе большое количество рабочих колес (до 300).
Материалом для валов являются легированные стали.
Опорами вала являются радиальные подшипники скольжения сверху и снизу. Каждый направляющий аппарат осуществляет кратковременную разгрузку осевых усилий в колесе посредством упора перемещающегося колеса в аппарат и скольжения его по текстолитовой шайбе. Нижняя опора вала перенесена в узел протектора.
Такая конструкция позволяет передавать осевые силы равномерно на все направляющие аппараты. На вал практически действует сила от собственного веса и сила осевого давления, достигающая у серийных насосов 400 Н (разность сил со стороны нагнетания и всасывания). Часть осевой силы компенсируется гидравлической пятой, на которой вал «подвешен» вверху. Пята состоит из неподвижных и вращающихся колец.
Ротор, собранный совместно с направляющими аппаратами, образует пакет ступеней, который после сборки вставляется в специальную трубу – корпус. Диаметры корпуса современных насосов составляют 92, 103 и 114 мм, а длина зависит от числа собранных в нем ступеней.
Корпус сверху заканчивается резьбой, с помощью которой он присоединяется к колонне НКТ, и ловильной головкой, обеспечивающей захват насоса при его падении в скважину.
Снизу корпус снабжен фильтром и присоединительными фланцами для соединения с очередной секцией или протектором. Иногда насосы соединяются со своими узлами с помощью быстросборных байонетных соединений.
Уплотнения в ЭЦН представлены сальником, расположенным в нижней части насоса, состоящим из набора колец, выполненных из свинцовой ваты с графитом. В связи с созданием новой гидрозащиты и функция сальника, которая сводится к предотвращению попадания механических примесей из насоса в протектор.
Кроме того, соединяемые на резьбе части корпуса насоса, снабжены уплотнительными кольцами круглого сечения.