Установка электроцентробежных насосов (УЭЦН) является одним из наиболее эффективных способов добычи нефти на месторождениях с обводненными скважинами. Рассмотрим подробнее схема УЭЦН и основные принципы работы данного оборудования.
УЭЦН состоит из двух основных частей - погружного электродвигателя и многоступенчатого центробежного насоса. Они соединены между собой валом и опускаются в скважину на насосно-компрессорных трубах. Питание электродвигателя осуществляется от наземного источника через силовой кабель, спущенный в скважину вместе с насосом.
Устройство погружного электродвигателя
Погружной электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую и приводит в действие многоступенчатый центробежный насос. Он состоит из статора, ротора, вала и подшипниковых узлов.
Статор представляет собой пакет сердечников из электротехнической стали, на которых размещена обмотка. Обмотка статора соединяется с питающим кабелем. Ротор также изготавливается из пакета стальных пластин, в пазах которого размещены постоянные магниты. Вращение ротора происходит под действием электромагнитного поля, создаваемого обмоткой статора.
Вал ротора опирается на два подшипниковых узла - нижний и верхний. Нижний подшипник воспринимает основную нагрузку от веса ротора, насоса и потока перекачиваемой жидкости. Верхний подшипник обеспечивает центровку ротора в статоре.
Устройство многоступенчатого центробежного насоса
Центробежный насос состоит из определенного количества последовательно соединенных рабочих колес (ступеней). Каждая ступень представляет собой лопастное колесо, которое приводится в движение от общего вала. Поток жидкости последовательно проходит через все ступени, набирая давление.
Корпус насоса изготавливается из высокопрочных сплавов и рассчитан на работу в агрессивных условиях нефтяных скважин. Для обеспечения надежной герметизации между ступенями используются специальные манжеты.
Количество ступеней насоса определяет его подачу и напор. Чем больше ступеней, тем выше давление, которое способен создать насос.
Назначение основных узлов УЭЦН
Рассмотрим основные функции элементов схемы УЭЦН и назначение отдельных элементов:
- Электродвигатель приводит в действие насос;
- Насос повышает давление и перекачивает жидкость на поверхность;
- Преобразователь частоты регулирует скорость вращения двигателя;
- Кабельная линия обеспечивает электропитание двигателя;
- Наземный щит управления производит пуск и остановку УЭЦН;
- Датчики контролируют рабочие параметры.
Таким образом, все элементы в схеме УЭЦН выполняют строго определенные функции, отказ любого из них приводит к остановке работы всей системы.
Основные узлы и детали УЭЦН
Рассмотрим более подробно основные узлы и детали:
- Электродвигатель состоит из статора, ротора, подшипников и вала;
- Насос включает корпус, рабочие колеса, вал и уплотнения;
- Погружной трансформатор понижает напряжение с 6-10 кВ до 380-690 В;
- Кабель питания с медными токопроводящими жилами в полимерной изоляции;
- НКТ - насосно-компрессорные трубы для спуска УЭЦН в скважину;
- Пускорегулирующая аппаратура для запуска и остановки насоса.
Дополнительно в состав УЭЦН входят датчики давления и температуры, обратный клапан, гидрозащита кабеля и другие элементы.
Принцип работы УЭЦН
Работа установки электроцентробежного насоса осуществляется следующим образом:
- Оператор запускает УЭЦН с помощью пускорегулирующей аппаратуры;
- Электроэнергия поступает по кабелю к электродвигателю;
- Электродвигатель вращает вал с установленным на нем центробежным насосом;
- Насос всасывает жидкость через прием погружной части и нагнетает ее по НКТ на поверхность со значительным напором.
В процессе работы УЭЦН обеспечивает непрерывный поток жидкости из скважины, компенсируя падение пластового давления. Контроль параметров осуществляют датчики с передачей данных на наземный щит.
Таким образом, электроцентробежные насосы позволяют эффективно добывать нефть из скважин со сложными условиями эксплуатации.
Рассмотрим более подробно конструктивные особенности погружной части УЭЦН.
Конструкция электродвигателя
Электродвигатель УЭЦН выполняется по асинхронной или синхронной схеме. Асинхронные двигатели отличаются простотой конструкции и надежностью. Синхронные двигатели обладают лучшими массогабаритными показателями и КПД.
Статор асинхронного двигателя состоит из стальных сердечников, на которые намотана обмотка из изолированного медного провода. Ротор выполнен на основе алюминиевого литья или с применением электротехнической стали.
В синхронных двигателях в роторе используются постоянные магниты из сплавов редкоземельных металлов, обеспечивающие мощное магнитное поле. Обмотки располагаются на статоре.
Особенности центробежного насоса
Насос для УЭЦН изготавливают из коррозионностойких материалов: нержавеющих сталей, титановых и бронзовых сплавов. Рабочие колеса могут быть закрытого или открытого типа.
Закрытые колеса обеспечивают высокий КПД насоса, но более сложны в изготовлении. Колеса открытого типа технологичны, но имеют несколько меньший КПД.
Для уплотнения вала в УЭЦН применяют торцовые уплотнения, сальниковые уплотнения или их комбинацию. Современные торцовые уплотнения отличаются высокой надежностью.
Чертеж погружной части УЭЦН
На чертеже погружной части УЭЦН показаны основные элементы: электродвигатель, многоступенчатый центробежный насос, вал, подшипниковые опоры, кабель, обратный клапан.
Документация включает виды с разрезами, в которых приведены конструктивные размеры всех деталей, и сборочный чертеж, дающий полное представление об устройстве изделия.
Чертежи погружной части используются при изготовлении, монтаже и эксплуатации УЭЦН. Они позволяют производить разборку-сборку насоса, замену вышедших из строя узлов.
Схема подключения УЭЦН
Для запуска УЭЦН и регулировки его работы используется схема подключения, в которую входят следующие элементы:
- Трансформаторная подстанция и распределительное устройство для подачи электроэнергии;
- Защитная и пускорегулирующая аппаратура;
- Кабельная линия до скважины;
- Наземный и погружной кабели;
- Контрольно-измерительные приборы.
Схема подключения УЭЦН должна обеспечивать стабильное электроснабжение, защиту оборудования и возможность изменения частоты вращения насоса для оптимизации его работы.
Принципиальная схема управления УЭЦН
На принципиальной схеме управления УЭЦН представлены:
- Преобразователь частоты для регулировки оборотов электродвигателя;
- Датчики давления, температуры, вибрации;
- Блок управления с микропроцессором;
- Исполнительные механизмы и защитная аппаратура.
Микропроцессорный контроллер анализирует данные датчиков и выдает команды на изменение частоты вращения или остановку УЭЦН. Принципиальная схема позволяет автоматизировать управление и мониторинг работы насоса.
Особенности подземного оборудования УЭЦН
К подземному оборудованию УЭЦН относятся:
- Погружной электродвигатель;
- Многоступенчатый центробежный насос;
- Погружной трансформатор;
- Прием и нагнетательный клапаны;
- Датчики давления и температуры.
Все перечисленные элементы рассчитаны на длительную работу в условиях высокого давления, повышенных температур и агрессивных скважинных сред.
Корпусные детали изготавливают из коррозионностойких материалов. Применяются специальные технические решения для предотвращения отложения солей и надежной изоляции обмоток электродвигателя.
Надежность подземного оборудования является критически важным фактором для бесперебойной работы УЭЦН.
Требования к материалам деталей УЭЦН
Материалы деталей УЭЦН должны обеспечивать надежную работу в агрессивных средах скважин. К основным требованиям относятся:
- Высокая коррозионная стойкость к воздействию нефти, пластовых вод и газов;
- Прочность при циклических и ударных нагрузках;
- Износостойкость рабочих поверхностей;
- Технологичность обработки и сварки.
Для деталей электродвигателя важными являются магнитные свойства. Подшипники должны иметь низкий коэффициент трения.
Технологии повышения надежности УЭЦН
Для повышения надежности УЭЦН применяются следующие технологии:
- Использование качественных материалов и комплектующих;
- Современные методы расчета и моделирования;
- Усовершенствование конструкций узлов;
- Автоматизация сборки и испытаний;
- Диагностика технического состояния;
- Правильные методы эксплуатации.
Комплексный подход позволяет добиться высоких показателей безотказности и ресурса работы погружного оборудования.
Модернизация УЭЦН
Модернизация УЭЦН направлена на повышение энергоэффективности, производительности, автоматизацию управления и мониторинга.
Основные направления модернизации:
- Применение частотно-регулируемого привода;
- Использование современных материалов;
- Оптимизация гидравлических характеристик;
- Телеметрия и интеллектуальные системы управления.
Модернизированные УЭЦН позволяют существенно повысить эффективность добычи нефти из скважин.
Перспективы применения УЭЦН
УЭЦН будут и далее широко использоваться для добычи нефти благодаря своей надежности и эффективности.
Основные перспективы:
- Освоение месторождений со сложными условиями;
- Применение в горизонтальных и разветвленных скважинах;
- Комплексирование с другими методами повышения нефтеотдачи;
- Дальнейшее совершенствование конструкций и систем управления.
Развитие УЭЦН будет способствовать расширению ресурсной базы и росту объемов добычи нефти.
Сравнение типов электродвигателей для УЭЦН
Для привода УЭЦН используются различные типы электродвигателей. Рассмотрим их преимущества и недостатки.
Асинхронные двигатели просты и надежны, но имеют низкий КПД. Синхронные двигатели эффективнее, но дороже в производстве.
Двигатели постоянного тока позволяют легко регулировать скорость, однако нуждаются в сложной системе возбуждения. Вентильные двигатели компактны, но чувствительны к перегрузкам.
Способы регулирования производительности УЭЦН
Для регулирования производительности УЭЦН используют:
- Частотное регулирование приводного электродвигателя;
- Дросселирование потока на входе насоса;
- Изменение числа рабочих ступеней насоса;
- Комбинирование перечисленных методов.
Выбор способа зависит от конструкции УЭЦН, требуемого диапазона регулирования и условий эксплуатации.
Очистка проточной части УЭЦН от отложений
Для очистки проточной части УЭЦН от отложений применяют:
- Промывку ингибиторами солеотложения;
- Вибрационные и ударные воздействия;
- Обработку кислотными составами;
- Ультразвуковую очистку;
- Пропаривание парогазовой смесью.
Выбор метода зависит от типа отложений, конструкции УЭЦН и условий применения технологии.
Меры предотвращения отложений в УЭЦН
Для предотвращения отложений в УЭЦН применяют:
- Подбор оптимального режима работы;
- Использование ингибиторов солеотложения;
- Фильтрацию перекачиваемой жидкости;
- Использование эрозионно-коррозионностойких материалов;
- Регулярное техобслуживание и очистку.
Причины выхода из строя УЭЦН
Основные причины выхода УЭЦН из строя:
- Износ деталей от кавитации, эрозии, коррозии;
- Заклинивание вращающихся элементов;
- Обрыв кабеля или повреждение обмоток двигателя;
- Выход из строя подшипников;
- Нарушение герметичности уплотнений.
Своевременное техобслуживание и диагностика позволяют предотвратить аварийные остановки УЭЦН и продлить срок службы.
Перспективные конструкции УЭЦН
К перспективным конструкциям УЭЦН относятся:
- УЭЦН с гидротурбинным приводом;
- УЭЦН с магнитным приводом без электроконтакта;
- УЭЦН с гибридным приводом;
- УЭЦН с гидродинамическими уплотнениями;
- Модульные и миниатюрные УЭЦН.
Новые технические решения позволят расширить области применения УЭЦН и повысить эффективность их работы.
