УЭЦН отечественные и зарубежного производства. Эксплуатация насосов в осложненных условиях

Установка ЭЦН состоит из погружного маслозаполненного короткозамкнутого трехфазного асинхронного электродвигателя ПЭД с гидрозащитой, центробежного многоступенчатого насоса ЭЦН, кабельной линии с муфтой, присоединяемой к токовводу ПЭД, наземного электрооборудования -станции управления (ШГС), трансформатора повышенного напряжения (ТМПН) и трансформаторной подстанции (ТП).

По заказу УЭЦН дополнительно комплектуется газосепаратором для отделения свободного газа на приеме насоса и системами контроля температуры, давления и вибрации в зоне подвески установки.

УЭЦН опускается в скважину на колонне НКТ, которая подвешивается на головке эксплуатационной колонны с помощью устьевого оборудования, электроэнергия от промысловой сети через трансформатор и станцию управления по кабелю, прикрепленному к наружной поверхности НКТ хомутами, подается на электродвигатель (ПЭД), который приводит во вращение центробежный насос (ЭЦН), который подает жидкость по НКТ на поверхность.

Комплектующие узлы УЭЦН отечественного производства.

Электроцентробежный насос.

Погружной электроцентробежный насос многоступенчатый, вертикального исполнения, модульный, состоит из входного модуля и модулей секций. Модули- секции представляют собой сборочные единицы, из которых можно собирать насосы с различными напорами, используя входной модуль и модули секции необходимого количества. Каждая секция насоса представляет собой металлический корпус, изготовленный из стальной трубы длиной до 5,5м. Длина насоса определяется количеством рабочих ступеней и секций, число которых зависит от параметров насоса - подачи и напора. В корпус насоса вставляется пакет ступеней, представляющий собой собранные на валу рабочие колеса и направляющие аппараты. Рабочие колеса устанавливаются на валу на продольной призматической шпонке, предотвращающей проворот их относительно вала, по ходовой посадке и могут перемещаться в осевом направлении. Направляющие аппараты зажаты в корпусе между основанием и верхним подшипником (ниппелем). Затяжка ниппеля создает у торцов направляющих аппаратов трение, предотвращающее вращение аппаратов при работе насоса. В верхней части насоса находится ловильная головка, в которую вворачивается переходной патрубок для соединения с НКТ.

В собранном насосе втулка рабочего колеса вращается в отверстии направляющего аппарата как в подшипнике, а само колесо упирается в бурт направляющего аппарата. Для уменьшения силы трения, между опорной поверхностью рабочего колеса и буртом направляющего аппарата, обусловленной действующим на колесо осевым усилием, которое при нормальном режиме работы насоса направлено сверху вниз, в расточку нижнего диска колеса запрессована шайба из антифрикционного материала. По мере ее износа, рабочее колесо перемещается вдоль вала, оставаясь, всегда прижатым вниз (иногда возможен подъем колес).

Рабочие ступени насоса (направляющие аппараты и рабочие колеса) обыкновенного исполнения, завод-изготовитель “Алнас”, изготовляются из чугуна-отливкой, защитные втулки вала - из латуни, сам вал - из стали, опорные шайбы рабочих колес из текстолита. В насосе износостойкого исполнения, завод-изготовитель “Новомет”, рабочие ступени и защитные втулки изготовляются с помощью порошковой металлургии, подпятники узла пяты из карбид-кремния.

 

Рис. 12 Типовая конструкия скважины оборудованной УЭЦН.

Выше насоса, на 3-5 НКТ, в зависимости от газового фактора, устанавливается обратный клапан, а над обратным клапаном, через одну НКТ, сбивной клапан. Обратный клапан предназначен для предотвращения лавинообразного стока жидкости из НКТ через насос, вызывающего турбинное вращение ротора насоса, и облегченного запуска УЭЦН, после ее остановки. Сбивной клапан предназначен для слива жидкости из колонны НКТ при подъеме насосного агрегата из скважины.

Входной модуль имеет корпус с отверстиями для прохода жидкости и защитную сетку. Внутри входного модуля расположен вал с радиальными подшипниками. Верхняя часть входного модуля при помощи фланцев соединяется с основанием модуля-секции или газосепаратора, нижняя часть входного модуля, также при помощи фланцев, соединяется с протектором. Валы модуль - секций между собой соединяются при помощи шлицевых муфт.

Газосепаратор обычно используют в скважинах с большим газовым фактором. Газовый сепаратор работает аналогично центрифуге. Вал с лопатками (шнек), обычно изготавливается как единое целое, вращающийся с частотой 3000 об/мин, вытесняет более тяжелые жидкости на перифирию через переходной канал вверх в насос, тогда как более легкая жидкость (пар) остается около центра и выходит по выпускному каналу обратно в скважину.

Основным показателем работы газосепаратора является коэффициент полезного действия (к.п.д.). К.П.Д. отечественных газосепараторов очень низок и составляет всего чуть больше 20%.

Погружной электродвигатель - ПЭД.

Важнейшим узлом насосной установки является маслозаполненный погружной асинхронный трехфазный электродвигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором вертикального исполнения типа ПЭД.

Двигатель состоит из статора, ротора, вала, головки и основания. Корпус статора изготавливается из стальной трубы с резьбой на концах для подсоединения головки и основания двигателя.

Двигатель заполняется специальным маловязким с высокой диэлектрической прочностью маслом типа МАПЭД-8, для охлаждения и смазки.

Статор собирается из активных и немагнитных шихтованных жестей с пазами, в которых располагается обмотка. Она может быть однослойной протяжной катушечной или двухслойной стержневой петлевой. Фазы обмотки соединены в “звезду”. Выводные концы обмотки статора соединяют с кабелем через специальную изоляционную штепсельную колодку токоввода.

Короткозамкнутый ротор двигателя набран из магнитных сердечников, чередующихся с подшипниками скольжения, имеющими механическую фиксацию от проворота и сохраняющие возможность легкого перемещения вдоль оси вала. Вал ротора выполнен из пустотелой калиброванной стали, сердечники - из электротехнической. В пазы сердечников уложены медные стержни, сваренные по торцам с короткозамыкающими кольцами. Сердечники набирают на вал, чередуя с радиальными подшипниками, и соединяют с ним шпонками. Весь набор сердечников на валу затянут в осевом направлении гайками или турбинкой.

Турбинка обеспечивает принудительную циркуляцию масла для выравнивания температуры двигателя на длине статора. В головке размещен упорный подшипник, состоящий из подпятника и пяты, и установлена колодка токоввода. Основание двигателя служит для размещения фильтра, перепускного клапана и клапана для закачки масла в двигатель.

Отечественные электродвигатели имеют диаметры корпусов 103, 117, 123 мм. Двигатели больших мощностей выполняются секционными. Частота вращения двигателей всех типоразмеров одинакова и равна 3000 оборотов в минуту при частоте тока 50Гц. Двигатель рассчитан на работу при температуре окружающей среды, не превышающей 90⁰С.

Противополетный якорь - ППЯ.

Якорь служит для предотвращения полета УЭЦН на забой скважины в случае обрыва труб НКТ, а также в случае расчленения узлов УЭЦН при работе из-за вибрации. При спуске УЭЦН ППЯ не позволяет превышать скорость спуска, выше допустимой (0,25м/сек, а в особо искривленных местах 0,1м/сек). В случае превышения скорости спуска происходит “заклинивание” сухарей в обсадной колонне.

ППЯ состоит из корпуса, в котором расположены основные рабочие органы противополетного якоря: поршень и четыре сухаря, с помощью которых и происходит удержание УЭЦН в обсадной колонне в случае “полета”. Вторая часть противополетного якоря - это патрубок. С помощью резьбового соединения противополетный якорь вворачивается в зависимости от модификации двигателя в компенсатор или непосредственно в двигатель.

Гидрозащита.

Гидрозащита предназначена для предохранения внутренней полости двигателя от попадания пластовой жидкости, а также для компенсации температурных изменений объема и расхода масла. Гидрозащита также выравнивает давление внутри электродвигателя с давлением в скважине на уровне его подвески и передает крутящий момент от электродвигателя к насосу. Она состоит из протектора и компенсатора.

Протектор защищает полость электродвигателя от попадания пластовой жидкости. Он имеет две камеры, заполненые маслом МАПЭД-8. Камеры разделены эластичным элементом - резиновой диафрагмой. Вал протектора вращается в трех подшипниках и опирается на гидродинамическую пяту, которая воспринимает осевые нагрузки. Для предотвращения попадания пластовой жидкости по валу, в протекторе имеются два торцовых уплотнения - верхнее и нижнее.

Компенсатор служит для пополнения запаса жидкого масла вследствие утечек через торцовые уплотнения и температурных изменений объема масла в системе «электродвигатель-гидрозащита». Компенсатор состоит из камеры, образуемой эластичным элементом - резиновой диафрагмой, заполняемой маслом МАПЭД-8. Полость за диафрагмой сообщается со скважиной отверстиями. Диафрагма защищена от повреждений стальным корпусом. Полость диафрагмы сообщается с полостью электродвигателя.

Кабельная линия.

Кабельная линия, обеспечивающая подвод электроэнергии к электродвигателю погружного центробежного электронасоса, состоит из основного питающего кабеля, сращенного с ним плоского кабеля и муфты кабельного ввода для соединения с электродвигателем. С поверхности до погружного агрегата протягивают питающий, бронированный кабель любого типа КПБП или КПБК, а в пределах погружного агрегата - только плоский кабель типа КПБП. Кабель КПБП или КПБК состоит из медных однопроволочных жил, изолированных в два слоя полиэтиленом высокой плотности и уложенных в одной плоскости или скрученных между собой. Сверху полиэтилена идет оплетка и броня.

Условия работы для кабелей: допустимое давление пластовой жидкости 19,6 МПа; газовый фактор-180 куб.м/т; температура воздуха от -60⁰С до 45⁰С, пластовой жидкости 90⁰С - в статическом положении. На расстоянии 250-300 мм выше и ниже каждой муфты НКТ и каждого сростка кабель крепится стальными поясами (клямсами). Не допускается при этом слабина кабеля внутри скважины. Клямсы затягиваются до момента начальной деформации брони. Пряжка клямсы располагается в свободном пространстве между НКТ и кабелем, но, ни в коем случае не на поверхности кабеля, загнутый конец клямсы плотно прижимается к пряжке. Для крепления кабеля УЭЦН «REDA» используются клямсы фирмы REDA.

Технические характеристики силовых электрических кабелей марки КПБК и КПБП для погружных электронасосов: 1) максимальное рабочее напряжение 3300 В; 2) рабочая температура 90⁰С; 3) конструкция жил медная; 4) изоляция 2 слоя полиэтилена толщиной 3 мм; 5) оплетка защитная пленка из прорезиненной ткани; 6) броня стальная лента.

Технические характеристики силовых электрических кабелей марки КППБПТ теплостойкий для погружных электронасосов: 1) максимальное рабочее напряжение 3300 В; 2) рабочая температура 120⁰С; 3) конструкция жил медная; 4) изоляция 1 слой из сшитого полиэтилена высокой плотности толщиной 1,3 мм, второй слой из сополимера пропилена толщиной 1 мм; 5) оплетка защитная лента из прорезиненной ткани; 6) броня стальная оцинкованная лента.

Станция управления и комплектное устройство.

Станция управления ШГС 5805 предназначена для управления и защиты погружных электродвигателей серии ПЭД мощностью от 14 до 100 кВт и напряжением до 2300 В переменного тока, а комплектное устройство КУПНА - для установок с электродвигателями мощностью свыше 100 кВт (125 кВт,180 кВт,250 кВт,700 кВт)

Станция управления ШГС 5805 располагается в металлическом шкафу одностороннего обслуживания с отсеком высокого напряжения. ШГС 5805 обеспечивает включение и отключение установки при автоматическом периодическом режиме, самозапуск после появления исчезнувшего напряжения и аварийное отключение (при «перегрузе» или «недогрузе» УЭЦН, коротком замыкании).

Трансформаторы масляные повышенного напряжения.

Трансформаторы серии (ТМПН) мощностью от 40 до 400 кВ·А служат для преобразования напряжения промысловой сети до величины, обеспечивающей оптимальное напряжение погружного электродвигателя в зависимости от длины кабеля, загрузки электродвигателя и напряжения сети. Для этого на высокой стороне обмоток трансформатора имеется 5-10 ответвлений (отпаек). Переключение отпаек производится при полностью отключенном трансформаторе. У трансформаторов предусмотрено масляное охлаждение. Они предназначены для работы на открытом воздухе.

Трансформатор состоит из магнитопровода, обмоток высокого напряжения ВН и низкого напряжения НН, бака, крышки с вводами и расширителя с воздухоосушителем.

Бак трансформатора заполняется трансформаторным маслом, имеющим пробивное напряжение не ниже 40кВ.

На трансформаторах мощностью 160-200 кВ·А установлен термосифонный фильтр для очистки трансформаторного масла от продуктов старения.

На крышке бака смонтирован привод переключателя ответвлений обмоток ВН (один или два); ртутный термометр для измерения температуры верхних слоев масла; съемные вводы ВН и НН, допускающие замену изоляторов без подъема извлекаемой части; расширитель с маслоуказателем и воздухоосушителем; металлический короб для предохранения вводов от попадания пыли и влаги.

Воздухоосушитель с масляным затвором предназначается для удаления влаги и очистки от промышленных загрязнений воздуха, поступающего в трансформатор при температурных колебаниях уровня масла.

Трансформаторные подстанции.

Трансформаторные подстанции серии КТППН и КТППНКС предназначены для питания, управления и защиты погружных электродвигателей серии ПЭД мощностью от 16 до 125 кВт. Подстанции КТППНКС рассчитаны на питание, управление и защиту 4 погружных электродвигателей в условиях Крайнего Севера и Западной Сибири.

Подстанции комплектуются трансформаторами серии ТМПН мощностью от 100 до 400 кВ*А.

Конструктивные отличия УЭЦН фирмы «REDA»

Электроцентробежный насос.

Корпус насоса выполнен из толстостенной, бесшовной низкоуглеродистой стали, т.е. материала, аналогичного при изготовлении обсадных колонн скважин. В скважинах с высокой коррозийной активностью используются корпуса из ферритной стали (Redalloy). Также для повышения коррозийной стойкости корпуса могут иметь монелевое покрытие.

Рабочие ступени (направляющие аппараты и рабочие колеса) могут изготовляться из NI-RESIST (сплав железа с никелем) или из RYTON (полифенеленсульфида). В связи с высокой пластовой температурой на многих месторождениях, ОАО «СНГ» закупает в основном насосы, рабочие ступени которых изготовлены из NI-RESIST. Вал и соединительные муфты - из монеля, который очень хорош от коррозии и очень крепкий материал. Рабочие колеса и защитные втулки вала изготовлены как единое целое. В головке насоса отсутствует осевой подшипник, но зато имеется радиальный, который устанавливается в месте концентрации вибрации. Щлицевая муфта между секциями насоса превратилась во втулку подшипника, что позволило обеспечить лучшую соосность соединения, поддержку консульных частей вала.

Насосы могут быть износостойкого исполнения типа ARZ (абразивно-стойкий цирконий), когда все рабочие ступени изготовлены из него или типа ES, когда по всей длине модуль - секции рабочие ступени из абразивно-стойкого циркония устанавливаются только в трех местах: в начале, в середине и в конце.

Входной модуль может быть стандартного или износостойкого исполнения типа ARZ (абразивно-стойкий цирконий). В стандартных входных модулях используется никелевая стойкая втулка. Во входных модулях типа ARZ используются циркониевые опоры и муфты, обеспечивающие повышенную защиту от абразивного износа и поперечных вибраций.

Газосепаратор.

В газосепараторе типа CRS, поставляемого фирмой «REDA» используются цирконевые опоры, упрочненные материалы и некоторые усовершенствования гидравлического характера. Принцип работы такой же, как и отечественных газосепараторов. Основными характеристиками газосепаратора является эффективность сепарации и процент всасывания газа.

 

Процент всасывания газа - это количественный показатель того, сколько свободного газа, присутствующего у входного модуля, должно поступить в насос. Обычно это включает и естественную сепарацию газа.

С учетом количества задействованных переменных спрогнозировать эффективность сепарации довольно сложно. Одна только естественная сепарация может составлять от 5 - 70%, в зависимости от состава жидкости, скорости потока жидкости, режима течения, габаритов оборудования и т. д. Обычно приходится пользоваться грубыми оценками, которые определяются опытным путем.

Для газосепаратора фирмы «REDA» типа CRS:

Эффективность сепарации 80-95%

Процент всасывания газа 5 - 20%

Погружной электродвигатель.

Погружной электродвигатель существенных конструктивных отличий не имеет, также состоит из статора, ротора, головки и основания, но в головке отсутствует колодка токоввода. Присоединение кабельной линии к двигателю осуществляется с помощью кабельной муфты и выводных концов двигателя, посредством сочленения наконечников кабельной муфты с гильзами выводных концов двигателя. Места соединения обматывают специальной изоляционной лентой, выдерживающей высокую температуру. В связи с плохими климатическими условиями (низкая температура воздуха зимой) фирма “REDA” стала поставлять электродвигатели с колодкой токоввода, имеющей существенное отличие от колодки токоввода ПЭД отечественного производства. Существенное отличие заключается в следующем: за счет большей площади соприкосновения гильз выводных концов с наконечниками кабельной муфты осуществляется лучший контакт, что практически не приводит к прогару колодки. Сама колодка токоввода как бы «утоплена» в головке двигателя, тем самым, исключая вероятность повреждения колодки при сочленении кабельной линии с двигателем. Крепление колодки токоввода в отверстии головки двигателя осуществляется с помощью стопорного кольца.

Масло, закачиваемое в полость двигателя, обладает высокой текучестью, высокой смазывающей способностью, высокой диэлектрической прочностью, не смешивается с водой, обеспечивает хорошее охлаждение двигателя.

Погружные электродвигатели выпускаются стандартного (температура откачиваемой жидкости 121˚С) и промежуточного (температура откачиваемой жидкости 150˚С) исполнения.

Вращение вала двигателя УЭЦН «REDA» против часовой стрелки.

Гидрозащита.

Гидрозащита выполняет те же функции, что и отечественная, за исключением того, что состоит только из протектора.

Протекторы, поставляемые фирмой «REDA» двух видов:

LSLSL и BSL. Протектор получает наименование в соответствии с типом (типами) используемых камер уплотнений и способа соединения этих камер т.е. «последовательный» или «параллельный». Обозначение способов соединения камер: L – лабиринт, B – резервуар, P - параллельное соединение, S - последовательное соединение.

В отличии от отечественных протекторов, которые имеют два торцовых уплотнения, протектора имеют три торцовых уплотнения. Резервуар (диафрагма) изготовлен из материала AFLAS, выдерживающего температуру 204˚С.

Протектор LSLSL можно применять в скважинах с агрессивной средой, а также где пластовая температура достигает 140˚С, но нежелательно в скважинах с большой кривизной.

Протектор BSL можно использовать в скважинах с большой кривизной, но нежелательно использовать в скважинах с агрессивной средой и пластовой температурой свыше 120˚С.

В отличие от отечественных УЭЦН, где усилие, развиваемое насосом, воспринимает подшипник, расположенный в головке двигателя, в УЭЦН «REDA» эту нагрузку воспринимает упорный подшипник, расположенный в протекторе.

Датчики давления и температуры.

В отличие от отечественных УЭЦН, УЭЦН «REDA» может комплектоваться датчиком давления и температуры, с помощью которых можно постоянно контролировать изменение давления над приемом насоса, а также снимать показания температуры пластовой жидкости на уровне подвески УЭЦН. Датчики поставляются двух типов: PSI и DMT.

Кабельная линия.

Кабельная линия состоит также из удлинителя, на конце которого имеется металлическая кабельная муфта и основной длины кабеля.

Удлинитель типа KELTB-LP:

Рабочая температура: 121 - 232˚С

Материал жил: Медь с покрытием из сплава.

Материал изоляции: EPDM (этилен-пропилен-диен-метилен)

Защитный материал: Свинец, поверх которого наложена лента и оплетка, усиливающие прочность конструкции.

Броня: Оцинкованная сталь, возможно из монель-металла.

Кабель Redalead.

Рабочая температура: 203 - 232˚С.

Материал жил: Медь с покрытием из сплава.

Материал изоляции: EPDM (этилен-пропилен-диен-метилен).

Защитный материал: Свинец, поверх которого наложена оплетка, усиливающая прочность конструкции.

Броня: Оцинкованная сталь, возможно из монель-металла.

Свинец обеспечивает оптимальную защиту изоляции от проникновения газов и жидкостей.

Второй тип кабельной линии, поставляемой фирмой «REDA», также состоит из удлинителя типа KELTB, с металлической кабельной муфтой и основной длины кабеля типа Redalene:

Рабочая температура: 96˚С

Материал жил: Медь с покрытием из сплава.

Материал изоляции: Полипропилен-этилен.

Защитный материал: Нитриловый шланг, защищенный с помощью ленты и оплетки.

Броня: Оцинкованная сталь, возможно из монель-металла.

Для крепления удлинителя по УЭЦН применяются специальные протектолайзеры или кожуха, которые крепятся с помощью клямс фирмы «REDA». По НКТ кабель крепится протекторами «Lassal». Конструкция данных протекторов не позволяет потянуть кабель при спуске, а также защищает кабель от мех. повреждений при СПО.

Станции управления.

Все станции управления, поставляемые фирмой «REDA» имеют модификацию MDFH. Данные станции управления комплектуются контроллерами электродвигателя типа Keltronics К889 или Keltronics K095.

Контроллер погружного электродвигателя Keltronics К889 - включает цифровой дисплей, который показывает фазные токи, установки по перегрузке и недогрузке, время, оставшееся до автоматического повторного включения, а также причину последнего отключения.

К889 непрерывно контролирует токи двигателя, токи питания контрольной цепи и состояние наружных контактов, обеспечивающих отключение двигателя при неблагоприятных условиях. Автоматическое повторное включение может быть произведено в случае недогрузки по току, перерыва электроснабжения, наружной блокировки давления, перегрузке по току, нарушения токового баланса, изменения направления вращения из-за изменения фазировки.

Контроллер погружного электродвигателя Keltronics К095(КЭД) предназначен для защиты и управления электродвигателями погружных насосов. Экран «L095 WELKOM» (ЭВ) обеспечивает обслуживающему персоналу информацию о режиме работы.

Контроллер следит за рабочими параметрами электродвигателя, электропитанием, внешними выключателями, аналоговыми измерительными приборами и командами дистанционного терминала SCADA. Он защищает насосную систему от повреждений путем отключения после обнаружения неисправностей и предотвращения запуска до тех пор, пока это не станет безопасным.

Дисплей L095 необходим для настройки контроллера К095 для работы.