Общие сведения

Установки ЭЦН являются одним из основных видов нефтедобывающего оборудования. Основным фактором широкого применения УЭЦН является установка привода в скважине около насоса, что ликвидировало длинный узел связи между ними и позволило снять ограничение на передачу полезной мощности насосу. В настоящее время полезная мощность ЭЦН составляет от 14 до 120 кВт против 40 кВт у штанговых насосов. Промышленностью выпускаются насосы для отбора до 1000 м³/сут жидкости при напоре 900 м. Содержание в добываемой жидкости сероводорода до 0,01 г/л, для установок коррозионно-стойкого исполнения - 1,25 г/л; максимальное содержание попутной воды - 99%, свободного газа на входе в насос не более 25% (по объему), а для установок с модулями-газосепараторами - 55%. Максимальное содержание твердых частиц - 0,1 г/л, а для насосов в износостойком исполнении-до 5 г/л.

Шифр: ЭЦН-5А-360-600 - электроцентробежный насос для обсадной колонны 5" (диаметром 146 мм) подача 360 м³/сут, напор - 600 м водяного столба (ρ=1000 кг/м3).

Диаметры эксплуатационных колонн в обозначении группы ЭЦН соответствуют:

5 - обсадная колонна диаметром 140 мм с внутренним диаметром 121,7 мм;

5А - обсадная колонна диаметром 146 мм с внутренним диаметром 130 мм;

6 и 6А - обсадная колонна диаметром 168 мм с внутренним диаметром 144,3 мм и 148,3 мм соответственно.

В соответствии с группами ЭЦН диаметры корпусов насосов составляют 92 мм, 103 мм, 114 мм и 137 мм. Внутренний диаметр корпусов насосов соответственно равен 80 мм, 90 мм, 100 мм и 120 мм. В последнее время промышленностью освоен выпуск насосов в модульном исполнении, что позволяет более точно подобрать насос для широкого диапазона параметров скважин. В этом случае в обозначение насоса вводится буква «М».

Для привода погружных центробежных электронасосов применяется маслозаполненный погружной трехфазный асинхронный электродвигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором и синхронной частотой оборотов 3066 в мин. Электродвигатели изготавливаются диаметрами 103, 117, 123 и 138 мм, что позволяет компоновать их с соответствующей группой насосов 5, 5А, 6, 6А и опускать в соответствующую эксплуатационную колонну с зазором 10-20 мм. Всего предусмотренно 15 типоразмеров погружных электродвигателей мощностью от 14 до 125 кВт (табл. 19.4). Большие мощности и малые диаметры вызывают необходимость иметь большую длину электродвигателя до 8,2 м. Для предотвращения попадания пластовой жидкости из скважины корпус электродвигателя выполняется герметичным и его заполняют трансформаторным маслом с высоким пробивным напряжением. Масло служит одновременно смазкой для подшипников скольжения электродвигателя. Трансформаторное масло для лучшего охлаждения и смазки опор циркулирует. Оно поднимается по пустотелому валу к турбинке и нагнетается ею в полость над статором двигателя. Отсюда оно идет по зазорам между статором и ротором и по пазам в статорном железе, отводя тепло от перегретых деталей и вынося продукты износа из подшипников. Обозначения: ПЭД-20-103 - погружной электродвигатель; 20 - номинальная мощность, кВт; 103 - наружный диаметр, мм.

Теплостойкость изоляции проводов обмотки электродвигателей ограничена 130 - 160°С, поэтому температура добываемой жидкости в скважине не должна превышать 50 - 80°С в зависимости от конструкции двигателя и применяемых материалов (табл. 19.4). В настоящее время широко внедряются погружные электродвигатели для привода насосов в модульном исполнении. Двигатели предназначены для работы в среде пластовой жидкости с температурой до 110°С и гидродинамическим давлением до 20 МПа. Обозначения: ПЭДУСК-90-117В5 - погружной электродвигатель унифицированный. С - секционный, К - коррозионно-стойкий (отсутствующие буквы - нормальный); 90 - полезная (номинальная) мощность, кВт; 117 - диаметр корпуса, мм; В5 - климатическое исполнение и категория размещения. В табл. 19.4 представлены основные характеристики 16 типоразмеров секционных погружных электродвигателей. Каждый типоразмер имеет нормальное и коррозионное исполнение, буквы после размера двигателя обозначают; В - верхняя секция; Н - нижняя; С – средняя.

К погружному электродвигателю от трансформатора по кабельной линии подводится электроэнергия. Кабельная линия состоит из основного кабеля круглого сечения и срощенного с ним плоского кабеля с муфтой кабельного ввода, обеспечивающей герметичное соединение кабельной линии с электродвигателем. В качестве основного кабеля могут использоваться круглые кабели КРБК, КПБК, КТЭБК, КФСБК или плоские кабели марок КПБП, КТЭП, КФСБ. В качестве удлинителя - плоские кабели КПБП или КФСБ. Кабель марки КРБК состоит из трех жил, каждая из которых скручена из медных проволок и обжата диэлектрической резиной. Три изолированные жилы заключены в общий найритовый нефтестойкий шланг. На шланг накладываются маслостойкая ткань и оплетка из хлопчатобумажной пряжи или лавсана. На оплетку наложена стальная оцинкованная ленточная броня. Допустимая температура окружающей среды + 90°С и давление пластовой жидкости до 10 МПа. Кабели КПБК и КПБП с полиэтиленовой изоляцией высокого давления предназначены для эксплуатации при температуре окружающей среды до +90°С и давлении до 25 МПа. Их преимуществом по сравнению с резиновыми является отсутствие насыщения изоляции кабеля попутным нефтяным газом. Кабели марок КТЭБК и КТЭБ с изоляцией из термоэластопласта предназначены для эксплуатации при температурах окружающей среды до +110°С и давлении пластовой жидкости 35 МПа. Кабели КФСБК и КФСБ с фторпластовой изоляцией предназначены для эксплуатации при температурах окружающей среды до +160°С и давлении пластовой жидкости до 35 МПа. В промежутках между основными изолированными жилами круглых и плоских кабелей могут располагаться изолированные жилы меньшего сечения. Плоский кабель КФСБ состоит из медных, изолированных полиамиднофторопластовой пленкой жил в изоляции из фторопласта и оболочки из свинца, а также подушки и брони. В качестве брони плоских кабелей используется холоднокатаная отожженная медная лента. В связи с более низкой механической прочностью медной ленты по сравнению со стальной использование плоских кабелей в качестве основных оправдано только в исключительных случаях (малый зазор и др.). Допустимая плотность тока, определяющая применяемость кабеля, составляет:

- для кабелей с резиновой изоляцией i = 2,5 ÷ 2,7 А/мм²;

- для кабелей с полиэтиленовой и термоэластопластовой изоляцией i = 5 А/мм²;

- для кабелей с фторопластовой изоляцией i = 7 А/мм².

Основные характеристики кабелей приведены в табл. 19.3.

Диаметр насосно-компрессорных труб (НКТ) определяется их пропускной способностью и возможностью совместного размещения в скважине труб с муфтами, насоса и круглого кабеля. Выбирается диаметр НКТ по дебиту скважины, исходя из условия, что средняя скорость потока в трубах должна быть в пределах Vср = 1,2 ÷ 1,6 м/с, причем меньшее значение берется для малых дебитов. Исходя из этого определяют площадь внутреннего канала НКТ, м²,

F_вн = y m:val="p"/></m:rPr><w:rPr><w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:h-ansi="Cambria Math"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:sz w:val="36"/></w:rPr><m:t>СЃСЂ</m:t></m:r></m:sub></m:sSub></m:den></m:f></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>"> ,

и внутреннийдиаметр, см,

где Q – дебит скважины, м³/сут; V_ср – выбранная величина средней скорости.

Исходя из ближайшего внутреннего диаметра выбирается стандартный диаметр НКТ. Если разница получается существенной, то корректируется V_ср.

V =

где F_вн - площадь внутреннего канала выбранных стандартных НКТ.

Необходимый напор определяется из уравнения условной характеристики скважины:

H_с = h_ст + Dh + h_тр + h_г + h_с,

где h_ст - статический уровень жидкости в скважине, м;

Δh - депрессия, м;

h_тр - потери напора на трение в трубах;

h_г - разность геодезических отметок сепаратора и устья скважины;

h_c - потери напора в сепараторе.

Депрессия определяется при показателе степени уравнения притока, равном единице:

Δh = ,

где К - коэффициент продуктивности скважины, м³/сут·МПа;

ρ_ж - плотность жидкости, кг/м³;

g = 9,81 м/с².

Потери напора на трение в трубах, м, определяются по формуле

h_тр = λ ,

где L глубина спуска насоса, м,

L = h_ст + Dh + h;

h - глубина погружения насоса под динамический уровень;

l - расстояние от скважины до сепаратора, м;

λ - коэффициент гидравлического сопротивления,

Коэффициент λ определяют в зависимости от числа Re и относительной гладкости труб K_s:

Re = ,

где ν - кинематическая вязкость жидкости, м²/с;

К_s = ,

где Δ - шероховатость стенок труб, принимаемая для незагрязненных отложениями солей и парафина труб равной 0,1 мм. По графику находят значение λ.

Другим способом определения λ является вычисление ее по числу Рейнольдса, независимо от шероховатости:

l =64/Re, если Re < 2300

l =0,3164/Re^0,25, если Re > 2300

Потери напора на преодоление давления в сепараторе

h = ,

где P_c - избыточное давление в сепараторе. Подставляя вычисленные значения Δh, h_тр и h_c и наперед заданные h_ст и h_г, найдем величину необходимого напора для данной скважины. Подбор насоса для заданной подачи, необходимого напора и диаметра эксплуатационной колонны скважины производят по характеристикам погружных центробежных насосов. При этом необходимо иметь в виду, что в соответствии с характеристикой ЭЦН напор насоса увеличивается при уменьшении подачи, а КПД имеет ярко выраженный максимум. Поскольку характеристики на конкретные типоразмеры ЭЦН часто отсутствуют, то целесообразно по заданным трем точкам рабочей области построить участок характеристики для точного определения напора ЭЦН. Учитывая, что табличные характеристики построены для воды, следует изменить табличные значения напора в соответствии с плотностью реальной жидкости по соотношению

H_ж = H_в ,

где Н_в - табличное значение напора ЭЦН;

ρ_в - плотность пресной воды;

ρ_ж - плотность реальной жидкости. Для учета вязкости реальной жидкости (более 0,03-0,04 см²/с) и пересчета характеристики ЭЦН следует воспользоваться известными методиками пересчета. Для совмещения характеристик скважины и насоса применяют два способа.

1. На выкиде из скважины устанавливают штуцер, на преодоление дополнительного сопротивления которого расходуют избыточный напор насоса

ΔH = H - Н_c.

Однако, этот способ прост, но не экономичен, так как снижает КПД насоса и установки в целом.

2. Второй способ предусматривает разборку насоса и снятие лишних ступеней. Этот способ трудоемкий, но наиболее экономичный, так как КПД насоса не изменяется. Число ступеней, которое нужно снять с насоса для получения необходимого напора, равно

Δz = (1- × z,

где Н - напор насоса по его характеристике, соответствующий дебиту скважины;

Н_с - необходимый напор скважины;

z - число ступеней насоса.

Необходимую (полезную) мощность двигателя, кВт, определяют по формуле

где η_н - КПД насоса по его рабочей характеристике,

ρ_ж - наибольшая плотность откачиваемой жидкости.

Учитывая, что КПД передачи от двигателя до насоса (через протектор) составляет 0,92 ÷ 0,95 (подшипники скольжения), определим необходимую мощность двигателя:

N_дв = N_п/0,92

Ближайший больший по мощности типоразмер электродвигателя выбираем по таблицам с учетом диаметра эксплуатационной колонны. Запас мощности необходим для преодоления высоких пусковых моментов УЭЦН.

Задание: Рассчитать необходимый напор ЭЦН, выбрать насос и электродвигатель для заданных условий скважины.

Дано: наружный диаметр эксплуатационной колонны - 140 мм;

глубина скважины - 2000 м; дебит жидкости Q = 120 м³/сут;

статический уровень h_ст = 850 м;

коэффициент продуктивности скважины К = 60 м³/(сут · МПа);

глубина погружения под динамический уровень h = 40 м;

кинематическая вязкость жидкости ν = 2·10^-6 м²/с;

превышение уровня жидкости в сепараторе над устьем скважины h_г = 15 м;

избыточное давление в сепараторе Р_с = 0,2 МПа;

расстояние от устья до сепаратора l = 60 м;

плотность добываемой жидкости ρ_ж = 880 кг/м³.

Пример решения задачи:

Определяем площадь внутреннего канала НКТ:

Внутренний диаметр по формуле

Ближайший больший d_вн имеют НКТ диаметром 48 мм (d_вн = 40 мм). Скорректируем выбранное значение V_ср = 130 см/с:

При выборе НКТ по графику при дебите 120 м³/сут и КПД = 0,96 также получим НКТ диаметром 48 мм. Депрессия по формуле будет равна

Δh = = 232 м.

Число Рейнольдса по формуле:

Re = = 22120.

Относительная гладкость труб:

К_s = = 200.

По графику, находим λ = 0,03. Определим λ для сравнений

l =0,3164/22120^0,25= 0,025.

Глубина спуска насоса:

L = 850 + 232 + 40 = 1122 м.

Потери на трение в трубах:

h_тр = 0,03 = 55,3 м.

Потери напора в сепараторе:

h = = 23,2 м.

Величина необходимого напора:

H_с = 850+232+55,3+15+23,2 = 1175,5 м.

Для получения дебита Q = 120 м³/сут и напора Н_с =1176 м выбираем ЭЦН5-130-1200 с числом ступеней 282, учитывая, что эксплуатационная колонна у нас диаметром 140 мм. По данным таблицы построим участок рабочей области характеристики Q - Н (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Рабочая область характеристики ЭЦН

Из полученной рабочей области характеристики найдем, что при дебите 120м³/сут напор ЭЦН на воде составит 1250 м. По соотношению найдем напор насоса на реальной жидкости, если по условию ρ_ж= 880 кг/м³;

H_ж = 120*1000/880 = 1420 м

Так как вязкость жидкости не превышает 3 сантипуаз, то пересчет по вязкости жидкости не требуется. Для совмещения характеристик насоса и скважины определим число ступеней, которое нужно снять с насоса:

Следовательно, насос должен иметь 234 ступени, вместо снятых устанавливаются проставки. Напор одной ступени составит 5,03 м. При установке штуцера на выкиде из скважины мы совмещаем напоры ЭЦН и скважины, но уменьшаем подачу ЭЦН, одновременно уменьшая его КПД. Полезная мощность электродвигателя:

N_п = = 24,7 кВт,

где 0,57 - КПД насоса (табл. 19.1). Необходимая мощность двигателя:

N_н = 24,7/0,94 = 26,3 кВт.

Ближайший больший типоразмер выбираем по табл. 19.3. Это ПЭД 28 - 103 с КПД 0,73, напряжение 850В, сила тока 34,7 A, cosα = 0,75, температура окружающей среды до 70°С. Этому двигателю соответствует гидрозащита П92, ПК92, П92Д [17]. По табл. 19.4 можно также выбрать ПЭД32-103, который будет иметь больший запас мощности.

Таблица 19.1

Характеристики погружных центробежных насосов