Материал: Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов. Оборудование для эксплуатации и ремонта нефтяных и газовых скважин

Рис. 5.6. Схема гидродинамической пяты:

а – радиальная канавка; б – плоскость скоса; в – плоскость, параллельная поверхности подпятника

В насосе имеются пары трения: текстолит по чугуну в осевых опорах рабочего колеса в ступени; латунная втулка, надетая на вал между рабочими колесами, или чугунная ступица рабочего колеса по чугуну направляющего аппарата; прорезиненный и прографиченный бельтинг по закаленному и шлифованному стальному подпятнику в пяте насоса. Все эти пары трения достаточно долговечны. При большой обводненности они работоспособны в течение 100–200 сут, а при большом количестве нефти в отбираемой жидкости насос может работать без ремонта от года до нескольких лет (есть примеры работы агрегатов ЭЦН без подъема из скважин в течение 3–5 лет).

Скважинные центробежные насосы могут быть выполнены и для осложненных условий эксплуатации, например для отбора жидкости с большим содержанием песка, отбора жидкости с повышенной коррозионной агрессивностью.

Для отбора жидкости с большим содержанием механических примесей (в основном песка) предназначаются насосы ЭЦНИ (электроцентробежный насос в износостойком исполнении). Они рассчитаны на отбор жидкости с содержанием 0,05 % (0,5 г/л) механических примесей.

При отборе жидкости с песком свободно несущийся абразив разрушает диски и лопатки рабочего колеса и части направляющего аппарата, особенно в местах изменения направления движения струи жидкости. В местах трения деталей, у текстолитовой опоры, у ступицы колеса попадающий в зазор песок также изнашивает эти детали, причем ступицы стираются до вала. Длинный гибкий вал при вращении получает несколько полуволн изгиба, и на его поверхности места износа четко показывают форму, которую он принимает при работе насоса (рис. 5.7).

Для увеличения срока службы насоса при отборе жидкости с большим содержанием песка в конструкцию насоса внесены следующие основные изменения:

1. Чугунные рабочие колеса заменены пластмассовыми из полиамидной смолы, стойкой против износа свободно несущимся абразивом и не набухающей в воде. В скважинах с большим содержанием нефти, как показал опыт, она менее работоспособна.

81

2.Текстолитовая опора колеса заменена резиновой, а в направляющем аппарате опорой для этой резиновой шайбы служит стальная термообработанная втулка.

3.Для уменьшения износа ступиц рабочих колес и вала ставятся дополнительные резино-металлические радиальные опоры, которые препятствуют изгибу вала при его вращении (см. рис. 5.7).

Рис. 5.7. Схема искривления вала насоса (где 1 – радиальные опоры вала износоустойчивого насоса)

Таким образом, снимаются усилия у радиальной опоры колеса в направляющем аппарате.

Для удержания вала в прямолинейном состоянии необходимо резинометаллические радиальные опоры ставить друг от друга на расстоянии, равном половине полуволны изгиба вала. На рис. 5.7 показаны длина полуволны l и расстояние между подшипниками 0,5l. Длину полуволны изгиба вала можно найти, учитывая, что при вращении и изгибе вала потенциальная энергия изгиба вала (V) должна быть равна сумме работы центробежных сил ротора насоса (А1), осевых сил, действующих на вал (А2), и гидродинамических сил (А3), возникающих в радиальной опоре рабочего колеса в каждой ступени. Последние силы обусловлены давлением жидкости в зазоре между

Анализ всех этих сил применительно к современной конструкции износоустойчивого насоса показывает, что:

1)несмотря на применение пластмассовых колес и уменьшение таким образом массы ротора центробежные силы – основные по величине силы, изгибающие вал;

2)осевые силы, действующие на вал в новой конструкции и при опоре рабочих колес на направляющие аппараты, невелики, так как они воспринимаются в основном верхней осевой опорой, на которой подвешен вал; вес самого вала незначительно изменяет (удлиняет) полуволну изгиба вала;

3)гидродинамические силы при малой вязкости жидкости незначительны; износоустойчивые насосы применяются в основном при большой обводненности, около 80–90 %, когда вязкость практически равна вязкости воды.

Таким образом, для инженерных расчетов в случае, когда условия эксплуатации известны недостаточно точно, можно учитывать только действие центробежных сил и

82

потенциальной энергии изгибаемого вала (последнее обусловлено размерами вала и характеристикой его материала). В этом случае длина полуволны изгиба будет

где Е – модуль упругости материала вала; J – момент инерции сечения вала; g – ускорение свободного падения; q – вес единицы длины ротора насоса (вала, втулок, надетых на вал, рабочих колес); ω – частота вращения вала.

В более точных расчетах, в основном при исследованиях, необходимо учитывать все указанные силы. Тогда выражение, из которого надо найти l, принимает следующий вид:

повышенной коррозионной стойкостью конструктивно мало отличается от насоса обычного исполнения. Эти насосы предназначены для отбора жидкости с повышенным содержанием сероводорода – до 0,0125 маc. % (1,26 г/л) и водородным показателем рН = 6,0–8,5. Детали этого насоса изготовлены из коррозионно-стойких материалов. Шифры насосов такие же, как и у установок, но без буквы У, т.е. при обычном исполнении ЭЦН-5А-500-800. В шифр износоустойчивых насосов добавляют букву И – ЭЦНИ, а с повышенной коррозионной стойкостью букву К – ЭЦНК [7, 15].

5.3. Погружные электродвигатели и их гидрозащита

Погружные электродвигатели (ПЭД), служащие для привода центробежных насосов, – асинхронные, с короткозамкнутыми роторами, маслозаполненные. При частоте питающего напряжения 50 Гц синхронная частота вращения их вала равна 3000 мин–1. ПЭД, как и насосы, имеют малые диаметры, различные для скважин с обсадными колоннами 168 и 146 мм. Их мощность достигает 125 кВт. Питающее напряжение (1–2 кВ) зависит от типоразмера двигателя. Номинальный ток – 20–85 А, скольжение – около 6 %.

Малые диаметры и большие мощности вызывают необходимость увеличивать длину двигателей, которая иногда превышает 8 м. Погружной электродвигатель (рис. 5.8), как и всякий электродвигатель, имеет статор и ротор. Статор и ротор ПЭД секционные. Каждая секция длиной около 300 мм. Секция статора имеет набор магнитных жестей 9, по обе стороны которого имеется пакет немагнитных жестей 8, в последних расположены корпуса радиальных опор скольжения 7 вала 11. Секция ротора имеет набор жестей ротора 10 и втулки опор 7 вала. Жести статорных секций имеют отверстия для катушек обмотки статора. В жестях роторных секций расположена «беличья клетка». Статор запрессован в корпус 12. Ротор собран на валу 11. Число секций ротора и статора доходит до 12–15. В верхней части ПЭД имеется головка 2, в которой размещена осевая опора вала (детали 3 и 4) и подсоединение кабеля (кабельный ввод) 5. Вал двигателя в верхней части заканчивается шлицевой муфтой 1, соединяющей валы двигателя и гидрозащиты. В нижней части двигателя, в его основании 14, расположен фильтр 13 и клапаны, соединяющие полость двигателя с компенсатором, расположенным ниже двигателя. Двигатель заполнен изоляционным сухим трансформаторным маслом. При большой длине статора двигателя масло в зазоре между статором и ротором перегревается. Для того чтобы избежать местного перегрева масла, в двигателе осуществляется его циркуляция. Вал двигателя имеет отверстие, по которому масло поступает от фильтра 13 к турбинке 6. Турбинка, вращаясь с валом, нагнетает масло из внутренней полости вала в верхнюю часть двигателя. Создается перепад давления масла, находящегося в верхней части двигателя и у фильтра. Масло

83

движется сверху к фильтру по зазору между статором и двигателем. Таким образом уравнивается температура всего масла, заполняющего двигатель, и в то же время масло способствует отбору теплоты от перегретых частей двигателя. На своем пути масло подается и к радиальным опорам вала для их смазки.

Рис. 5.8. Схема погружного электродвигателя УЭЦН

Теплостойкость обмоточных проводов электродвигателя ограничивается 250 °С. С учетом перегрева двигателя за счет потерь энергии в нем температура окружающей среды ограничена у большинства двигателей 90–130 °С.

Если невозможно выполнить двигатель необходимой мощности в одном корпусе, двигатель может быть составлен из двух секций, подобно тому как составляются секционные насосы.

Вшифре электродвигателей, например ПЭДС-90-117В5, приняты следующие обозначения: ПЭД – погружной электродвигатель, С – секционный, 90 – номинальная мощность (в кВт), 117 – внешний диаметр двигателя (мм), В5 – исполнение двигателя, соответствующее климатическим условиям применения (В – для всех макроклиматических районов на суше и на море) и категории размещения (5 – при повышенной влажности).

Для увеличения работоспособности погружного электродвигателя большое значение имеет надежная работа его гидрозащиты, предохраняющей электродвигатель от попадания в его внутреннюю полость пластовой жидкости и компенсирующей изменение объема жидкости в двигателе при его нагреве и охлаждении, а также при утечке масла через неплотности. Пластовая жидкость, попадая в электродвигатель, снижает изоляционные свойства масла, проникает в неплотности изоляции обмоточных проводов и приводит к короткому замыканию обмотки. Кроме того, ухудшается смазка подшипников вала двигателя.

Внастоящее время на промыслах широко распространена гидрозащита типа Г, предназначенная для рассмотренного насоса. Эта гидрозащита (рис. 5.9) имеет две сборочные единицы. Одна из них – собственно гидрозащита I, устанавливаемая над двигателем II, другая – компенсатор III, устанавливаемый под двигателем. Гидрозащита имеет два торцевых уплотнения 1 и 3, работающих последовательно. Эти уплотнения отделяют внутреннюю полость электродвигателя от пластовой жидкости, окружающей

84

двигатель. В торцевых уплотнениях с валом вращается деталь, плотно поджимаемая пружиной к неподвижной втулке. Втулка вставлена в неподвижные детали корпуса. Трущиеся поверхности торцевого уплотнения тщательно притерты. Материал деталей трущихся пар обычно выбирается весьма износоустойчивыми (например, керамика и твердые сплавы). Торцевые уплотнения работают практически без перепада давления – под ними установлена эластичная резиновая цилиндрическая диафрагма 4, уравнивающая давление внутри двигателя и за ним.

Рис. 5.9. Схема гидрозащиты типа Г

При изменении температуры масла, заполняющего двигатель, соответствующее изменение его объема компенсируется деформацией верхней диафрагмы гидрозащиты 4 и диафрагмы компенсатора 6. Также и при утечке из двигателя масла диафрагмы компенсируют его изменяющийся объем. Между торцевыми уплотнениями расположена гидродинамическая осевая опора скольжения 2, на которой подвешен ротор двигателя. При значительных утечках масла из двигателя диафрагма гидрозащиты 4 может жестко прижаться к внутренней ограничительной втулке, и тогда возникнет разность давлений в полости А и в двигателе. Для уравнивания этих давлений имеются трубка 5 и клапан 7, сообщающий полость А со средой, окружающей двигатель.

В шифре гидрозащиты, например 1Г51, приняты следующие обозначения: 1 – модификация, Г – тип защиты, 5 – условный размер обсадной колонны, 1 – номер разработки.

Новая система гидрозащигы типа Г сменила ранее применявшиеся гидрозащиты типов К и ГД. В старых гидрозащитах использовался принцип наличия избыточного давления внутри двигателя при одном уплотнении между пластовой жидкостью и маслом, заполняющим двигатель. Применение гидрозащиты типа Г без перепада

85

давления и с двумя дублирующими друг друга уплотнениями показало большую надежность новой системы гидрозащиты.

Кабельная линия обеспечивает подвод электроэнергии к погружному двигателю. Он состоит из основного кабеля круглого сечения, соединенного с ним плоского кабеля

имуфты кабельного ввода. Кабель круглого сечения располагается вдоль колонны НКТ от станции управления до погружного агрегата. Несколько выше его он соединен с плоским кабелем, проходящим вдоль агрегата и соединяющимся с вводом электродвигателя посредством муфты.

Использование кабеля с различной формой обусловлено необходимостью уменьшения радиальных габаритов погружного агрегата и проходящего мимо него кабеля.

Наименее надежными зонами кабельной линии являются места сращения круглого кабеля с плоским и соединения муфты кабельного ввода с двигателем. В ряде случаев для повышения надежности линии кабель по всей длине колонны выполняют плоским.

Круглый или плоский кабели состоят из трех медных однопроволочных или многопроволочных жил с двухслойной изоляцией из полиэтилена высокой плотности. Снаружи жилы покрыты подушкой – общим слоем нефтестойкой изоляции, сверху которой располагается броня из стальной оцинкованной ленты.

Переход от круглого кабеля к плоскому осуществляется либо соединением горячим способом в пресс-формах, либо выполнением нижней части кабеля с параллельным расположением жил.

Внекоторых конструкциях кабеля помимо силовых имеются еще три жилы или более для подключения геофизических приборов или контроля режима работы насосного агрегата.

Станция управления служит для включения и выключения агрегата, контроля режима его работы. Независимо от конструктивных особенностей станция управления должна обеспечивать включение и отключение установки, работу в ручном и автоматическом режимах, управление установкой с диспетчерского пункта, возможность управления установкой в соответствии с командами программного реле времени, самозапуск электродвигателя с регулируемой задержкой включения после обесточивания линии, отключение при появлении токов короткого замыкания в силовой цепи установки при отклонении напряжения или силы тока от номинала больше заданной величины, непрерывный контроль сопротивления изоляции кабеля с отключением установки при уменьшении ниже заданной величины, отключение установки при нарушении герметичности нефтепромыслового коллектора.

Трансформатор системы электроснабжения установок предназначен для повышения сетевого напряжения тока до необходимого рабочего напряжения электродвигателя у его ввода с учетом падения напряжения в кабеле.

Питание ПЭД повышенным напряжением обусловлено необходимостью уменьшения потерь в кабеле за счет уменьшения силы тока, улучшения условий запуска

итехнических показателей двигателя.

Так как величина потерь напряжения зависит от длины кабеля (т.е. от глубины подвески агрегата в скважине) и изменяется в больших пределах, то трансформатор должен обеспечивать регулировку напряжения на выходе в широком диапазоне, для чего в повышающей обмотке трансформатора предусмотрено от пяти до пятнадцати отводов (отпаек). Трансформаторы выполняются с естественным масляным охлаждением, включают в себя магнитопровод, обмотки высокого и низкого напряжений, бак с радиатором и крышки с вводами и расширителем.

Оборудование устья скважины для эксплуатации УЭЦН обеспечивает удержание на весу колонны НКТ вместе с агрегатом и кабелем, отвод в манифольд продукцию скважины, герметизацию пространства между обсадной колонной и колонной НКТ, ввод кабеля, перепуск газа из межтрубного пространства при увеличении его давления в

86