§ 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. 97) состоит из насосного агрегата, бронированного кабеля 6, 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 / 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, насос 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 пыли и снега автотрансформатор устанавливают в будке. Станция управления позволяет вручную или автоматически включать и отключать 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 ко-

лонны 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.

Погружной центробежный насос 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.

Рис. 97. Установка погружного центробежного электронасоса

На рис. 98 показана схема одной ступени насоса. Лопатки 1 опираются на элементы статора 3 насоса с помощью текстолитовых колец 4. Поэтому осевые нагрузки, которые развиваются на валу двигателя, передаются корпусу насоса. Посредством шпонки лопатки укрепляются на валу 2, а элементы, которые составляют статор, — в корпусе насоса с помощью затяжной гайки. 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, которые состоят из системы фигурных лопаток, охватывающих рабочее колесо. 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 необходимо иметь 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 не менее 121,7; 124 и 144,3 мм. Для таких скважин используют насосы с наружным диаметром 92—123 мм. Для эксплуатации скважин, в продукции которых содержится большое количество песка (до 1,0% от количества извлекаемой жидкости), центробежные электронасосы изготовляют в износостойком исполнении.

Рис. 98. Схема одной ступени насоса

К основным параметрам погружного центробежного электронасоса относятся его подача Q 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 разиваемый данным насосом напор, тем ниже его подача Это хорошо видно из рис. 99. 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; к. п. д. η в обоих случаях несколько снижается.

Для каждого насоса имеется рабочая область, при которой достигается максимальный к. п. д. установки. В рассматриваемом случае максимальный к. п. д. составляет 55%. При этом Q = 250 м³/сут, Я = 800 м.

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

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

Ротор электродвигателя состоит из нескольких секций стандартной длины. Между секциями устанавливаются бронзовые подшипники. Обмотка статора общая для всех его пластин. Кожух заполняется легким трансформаторным маслом, характеризующимся высокими диэлектрическими свойствами. Масло служит, для смазки и охлаждения ротора и статора.

Так как диаметр корпуса двигателя ограничен внутренним диаметром эксплуатационной колонны (121,7—148,3 мм), с целью обеспечения необходимой мощности длина их достигает 4,2—8,2 мм.

Мощности выпускаемых погружных электродвигателей в зависимости от типа насоса могут быть от 14 до 125 кВт, их диаметры 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. Гидро-

Рис. 99. Рабочая характеристика ЭЦН

защита компенсирует также утечки масла из двигателя и обеспечивает подачу масла к подшипникам насоса.

Подбор скважины для применения погружного электронасоса производится на основании данных ее исследования, в результате которого определяются ее дебит и динамический уровень при этом дебите, что соответствует напору, который должен развивать насос.

Электронасос спускают в скважину после очистки забоя ее от грязи и осадков. Затем подъемные трубы заполняют до устья жидкостью и после этого включают двигатель.

Обслуживание скважины, эксплуатируемой центробежными электронасосами, состоит в проверке подачи насоса и контроле за работой электрооборудования.

Погружные винтовые насосы на практике стали внедряться сравнительно недавно.

Установка винтового насоса состоит из тех же узлов, что и установка погружного центробежного насоса, т. е. из погружного агрегата (двигателя, гидрозащиты, насоса), 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 четырехпо-люсные погружные электродвигатели с частотой вращения вала (синхронной) 1500 об/мин, в то время как в установках ЭЦН — двухполюсные электродвигатели с частотой вращения вала 3000 об/мин. Конструктивно двигатели идентичны.

Погружной винтовой насос (рис. 100) имеет следующие основные узлы и детали: пусковую муфту 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 трубу 9. Его рабочими органами являются однозаход-ные 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 фильтровые 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 замыкаются 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 пульсации, не создавая стойкой эмульсии из нефти с водой.

Отличительной особенностью рабочего винта является то, что любое поперечное сечение, перпендикулярное оси вращения, представляет собой правильный круг. Центры этих кругов лежат на винтовой линии, ось которой является осью вращения всего винта. Расстояние центра поперечного сечения винта от его оси называется эксцентриситетом и обозначается буквой е. Поперечные сечения обоймы в любом месте вдоль оси винта одинаковы, но повернуты относительно друг друга. Одно из таких поперечных сечений винта в обойме изображено на рис. 101. Сечение внутренней полости обоймы образовано двумя полуокружностями с радиусами, равными половине диаметра поперечного сечения винта, и двумя общими касательными. Расстояние между центрами этих полуокружностей равно 4е. Благодаря вращению вала насоса винт вращается вокруг своей оси, одновременно ось винта совершает вращение по окружности диаметром d = 2e в обратном направлении.

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. Так как осевое перемещение

жидкости за один оборот винта равно Τ (из рис. 101 шаг обоймы T_o6 = 2t), то подача насоса за один оборот

где AeD— площадь поперечного сечения потока жидкости.

Для насосов, работающих по сдвоенной схеме (см. рис. 100), подача насоса за один оборот составит

Подача насоса за одни сутки

В этих формулах: е — эксцентриситет винта; D — диаметр сечения винта; Τ — шаг обоймы; η — частота вращения вала насоса, об/мин; η_Ο6 — объемный к. п. д. насоса.

Если размеры насоса принимать в метрах, подача его будет в 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 зазором), характеристики резины и развиваемого насосом напора.

На наших промыслах погружные винтовые электронасосы применяют для скважин со 146- и 168-мм обсадными колоннами с минимальными внутренними диаметрами соответственно 121,7 и 130 мм.

Погружной винтовой электронасос сочетает в себе положительные качества центробежного и поршневого, обеспечивая плавную, непрерывную подачу жидкости без пульсации, с постоянным высоким к. п. д. 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 нефти.

Одним из достоинств погружного винтового насоса 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 подачи.