манифольд, установку приборов для исследования скважины – манометров для измерения давления в колонне НКТ и межтрубном пространстве, измерение уровня жидкости в скважине и т.д.
Устьевое оборудование включает трубную головку (устанавливаемую на обсадной колонне), в которой размещены разъемный корпус и уплотнения, герметизирующие кабель и НКТ. Уплотнение поджимается разъемным фланцем. Для выпуска газа из затрубного пространства предусмотрено колено, соединяющее межтрубное пространство через обратный клапан с манифольдом. Трубная головка снабжена отверстием для присоединения приборов, используемых при исследовании скважины
[7, 15].
5.4. Система токоподвода погружного электродвигателя
Электроэнергия подается к погружному электродвигателю от промысловой сети напряжением 380 В. Мощные установки питаются от сети напряжением до 6000 В. Система токоподвода состоит из станции управления, трансформатора, повышающего напряжение, и кабеля.
Станция управления позволяет осуществить ручной и автоматический запуск установки и ее остановку. При некоторых аварийных режимах станция управления автоматически отключает установку, например при коротком замыкании в кабеле или двигателе, перегрузке двигателя (с выдержкой времени), значительной недогрузке двигателя, отключении напряжения в питающей сети (с последующим автоматическим запуском при подаче напряжения), недопустимом снижении сопротивления изоляции системы «кабель – двигатель». При электродвигателях мощностью от 28 до 100 кВт в качестве станции управления применяется комплексное устройство ШГС5804, а при мощности свыше 100 кВт – комплексное устройство КУПНА-79. Комплексное устройство ШГС5804 выполняется в металлическом шкафу одностороннего обслуживания с отсеком высокого напряжения (при напряжении выше 1000 В). Комплексное устройство КУПНА-79 имеет шкаф двухстороннего обслуживания. Вероятность их безотказной работы – не менее 0,8 при наработке не менее 16 500 ч, срок службы до списания – 16 лет.
Трансформатор повышает напряжение, чтобы двигатель на вводе в обмотку имел заданное номинальное напряжение. Рабочее напряжение двигателей составляет 1–2 кВ. Кроме того, учитывается снижение напряжения в длинном кабеле. Трансформаторы выполняются с естественным масляным охлаждением (циркуляция масла безнасосная). Они предназначены для установки на открытом воздухе. На высокой стороне обмоток трансформатора имеется 5–10 ответвлений (отпаек), обеспечивающих подачу оптимального напряжения на электродвигатель. Например, у одного из трансформаторов мощностью 100 кВА пайки даны на напряжения 1170, 1108, 1045, 983 и 920 В. Масло, заполняющее трансформатор, имеет пробивное напряжение 40 кВ. В шифре трансформатора, например ТМПН 100/3-73ХЛ1, приняты следующие обозначения: Т – трехфазный; М – маслозаполненный с естественной циркуляцией масла; ПН – для скважинных нефтяных насосов; 100 – номинальная мощность трансформатора, кВА; 3 – класс напряжения обмотки высокой стороны; 73 – год выпуска; ХЛ – климатическое исполнение (для макроклиматических районов с холодным климатом, при умеренном климате – У); 1 – категория размещения (для работы на открытом воздухе).
Кабель имеет плоское сечение (рис. 5.10, б) на длине погружного агрегата для сокращения его диаметра. Рядом с трубами идет обычно круглый кабель. В настоящее время выпускается круглый кабель с сечением, практически близким к треугольному
(рис. 5.10, а).
Кабель выпускается с полиэтиленовой изоляцией, которая накладывается на жилы кабеля в два слоя. Три изолированные жилы кабеля соединяются вместе, накрываются
87
предохраняющей подложкой под броню и металлической броней. Металлическая лента брони предохраняет изоляцию жил от механических повреждений.
Рис. 5.10. Схема кабеля:
1 – жила кабеля; 2 – электроизоляция и слой, защищающий от внешней среды; 3 – подложка под броню; 4 – металлическая броня
Кабель круглый имеет шифр КПБК (кабель пластмассовый, бронированный, круглый), плоский – КПБП. Площадь сечения жил равна 10, 16, 25, 35 и 50 мм2. Допустимое давление пластовой жидкости, окружающей кабель, составляет 20 МПа, допустимый газовый фактор – 180 м3/м3. В статическом положении кабель может работать при температуре воздуха от –60 до 50 °С на воздухе и до 200 °С в жидкости. При ремонтах и изгибе кабеля температура не должна быть ниже –40 °С.
У погружного двигателя кабель заканчивается штепсельной муфтой, которая соединяется с обмоткой статора двигателя. Однако ограниченные размеры цилиндрического штыря и ниппеля такого соединения приводят к большой плотности тока, нагреву кабельного ввода и выходу его из строя. Поэтому разработана новая конструкция соединения кабеля – с обмоткой двигателя со штепселем ножевого типа, большей площадью контакта соединяющихся деталей и более надежной изоляцией соединения от внешней среды и от верхней полости двигателя [15].
5.5. Основные направления совершенствования скважинных центробежных насосов
Установка скважинного центробежного насоса постоянно совершенствуется, увеличиваются эффективность, надежность и долговечность ее узлов, снижается стоимость установок и проверяются принципиально новые схемы установок.
Наиболее широко ведутся работы по усовершенствованию узлов электрооборудования установок, имеющих наименьшую надежность и долговечность. Опыт эксплуатации установок показал, что до 80 % ремонтов вызвано выходом из строя электродвигателя, его гидрозащиты и кабеля. Естественно, первоочередная задача – совершенствование этих узлов и станции управления, которая должна защищать их от аварийных режимов.
Собственно скважинный насос выходит из строя значительно реже, но усовершенствование его необходимо для увеличения КПД.
Для улучшения условий эксплуатации насосов и облегчения сборки скважинного агрегата, спуска его в скважину и подъема совершенствуется вспомогательное оборудование – оборудование устья скважины, приспособления для спуско-подъемных операций и т.д.
В то же время принципиальное изменение схемы спуска погружного агрегата в скважину, изменение частоты вращения вала могут существенно повысить эксплуатационные качества, эффективность и другие показатели установок. Поэтому разрабатываются и вопросы, связанные с принципиальными изменениями в установке.
Усовершенствование отдельных сборочных единиц серийно выпускаемых установок. Общее направление усовершенствования – повышение надежности работы
88
установок, их эффективности, расширение параметров установок по объему отбираемой из скважины продукции и увеличение мощности насосов и их привода.
Основное число отказов вызывают электродвигатель и кабель. Самый ненадежный узел электродвигателя – изоляция обмоточного провода статора двигателя. Два ее недостатка вызывают наибольшее число отказов – недостаточные изоляционные качества и недостаточную теплостойкость. Для их ликвидации ведутся работы по применению новых изоляционных материалов, в частности на базе фторопластов, и улучшению качества масла, заполняющего двигатель. Это новые масла (вместо трансформаторного масла), позволяющие повысить температуру окружающей среды или увеличить мощность, отбираемую от двигателя.
Улучшаются изоляционные свойства кабеля, герметичность и стойкость его брони против коррозии.
В насосах тщательной отработкой проточной части ступеней повышаются их КПД, напор. В насосах с повышенной коррозионной стойкостью повышается гарантированная наработка на отказ за счет возрастания стойкости применяемых материалов деталей и защиты части деталей от непосредственного активного воздействия агрессивной среды.
Новые схемы установок скважинных центробежных насосов. Наряду с усовершенствованием узлов установки разрабатываются принципиально новые схемы погружного агрегата, в частности агрегата, спускаемого на кабель-канате, и агрегатов с повышенной частотой вращения вала.
Первая схема агрегата позволяет принципиально изменить характер спускоподъемных работ и резко увеличить габариты погружного агрегата (насоса и двигателя). Кроме того, при этой схеме подъем жидкости может осуществляться по обсадной колонне, что снижает гидравлические потери в трубах (по сравнению с подъемом жидкости по НКТ) и уменьшает металлоемкость установки. При этой схеме в погружном агрегате внизу находится насос, выше – гидрозащита двигателя и еще выше – сам электродвигатель. Токоподводящий кабель подсоединяется к обмотке статора у верхнего торца двигателя. Таким образом, двигатель, насос и гидрозащита по диаметру не стеснены кабелем и могут иметь существенно больший диаметр, чем при обычной схеме.
Насос имеет прием у нижнего торца и выход жидкости в обсадную колонну вверху, у соединения насоса с гидрозащитой. Для разобщения полостей приема и выкида насос устанавливается на пакер, предварительно опущенный в скважину. Скважинный агрегат спускается на кабеле, как на канате, поэтому кабель должен выдерживать вес агрегата, собственный вес и усилие срыва агрегата с пакера. Для глубины около 1300 м нагрузка на канат составляет (с некоторым запасом) примерно 100 кН. Кабель-канат имеет конструкцию, отличную от обычной. В одной из конструкций кабеля его броня заменена грузонесущей оплеткой, состоящей из двух рядов проволоки, навитых в разных направлениях. Опытные и расчетные работы показали, что спуск агрегата на кабель-канате дает возможность примерно в 2 раза увеличить мощность и подачу погружного насоса. Спуск и подъем глубинного агрегата ускоряется в 10–20 раз, ликвидируются трудоемкие работы с НКТ, улучшаются энергетические показатели установки и уменьшается ее металлоемкость.
Применение кабель-канатной схемы установки ограничено некоторыми недостатками. Во-первых, еще не разработан кабель-канат с достаточно малым диаметром, достаточной гибкостью и ремонтоспособностью. Последнее особенно важно, так как частые нарушения шланга кабеля и его изоляции требуют местного ремонта, что в кабель-канате необходимо делать, не нарушая грузонесущей оплетки. Во-вторых, отсутствуют средства, предотвращающие отложение парафина и солей на стенках обсадной колонны. Это создает опасность образования пробок при подъеме агрегата. Большое количество газа в откачиваемой жидкости не создает
89
дополнительных трудностей, так как подача агрегатов большая и в этом случае, как и при обычном трубном варианте, практически весь газ идет в насос. Другие недостатки, выявленные при опытных работах (ухудшение работы гидрозащиты из-за высокого абсолютного давления окружающей среды, необходимость в специальной лебедке с повышенным усилием натяжения наматываемого кабель-каната) не столь принципиальны.
Другое направление в разработке новых схем агрегатов связано с использованием гибких безрезьбовых труб. На этих трубах спускается обычный агрегат. Достоинство такой схемы спуска агрегата – ускорение и уменьшение трудоемкости спускоподъемных операций, а также возможность спуска ЭЦН в наклонные скважины. Эта возможность появляется при размещении кабеля внутри гибкой трубы, что защищает кабель от механических повреждений.
Глубокие исследования проводятся для реализации возможности увеличения частоты вращения вала скважинного электронасоса. При этом пропорционально увеличению частоты вращения возрастает подача насоса, во второй степени повышается напор насоса. При сохранении напора увеличением частоты вращения вала можно резко сократить длину насоса. Увеличение частоты питающего напряжения ПЭД почти пропорционально повышает полезную мощность двигателя [15].
5.6.Винтовые скважинные насосы
Вданной установке применен винтовой насос, приводимый в действие погружным электродвигателем. На сегодняшний день в установках электровинтовых насосов (УЭВН) широко применяются вентильные ПЭД, обладающие лучшими регулировочными свойствами, меньшими габаритами и КПД при сопоставимой мощности с асинхронными двигателями. История разработок установок с винтовыми насосами включает попытки применения трехвинтовых и потом одновинтовых насосов. Использование трехвинтовых насосов со стальными винтами и металлической обоймой при отборе пластовой жидкости приводило к прихвату винтов в обойме. Одновинтовые насосы со стальным винтом и резиновой обоймой надежно работали при отборе пластовой жидкости и, по сравнению с другими насосами, показали высокую эффективность при большой вязкости жидкости.
ВРФ разработаны и серийно выпускаются винтовые насосы для подъема жидкости из нефтяных скважин. Эксплуатационные характеристики данных насосов зачастую превосходят характеристики зарубежных аналогов. У этих насосов однозаходный винт располагается в двухзаходной полости обоймы и контактная линия 1 (рис. 5.11, а) между ними образует по длине обоймы ряд замкнутых полостей. При вращении винта эти полости перемещаются от приема насоса к его выкиду. Сложная геометрическая система замкнутых полостей представлена простой плоской моделью.
Вэтой модели гибкая линия 1 совершает гармонические колебания между двумя граничными прямыми 2 и 3 (рис. 5.11, в). При колебательном процессе замкнутые полости перемещаются от приема к нагнетанию.
Насос имеет следующие преимущества объемных насосов: достаточно высокую
эффективность при относительно малых подачах (КПД составляет 0,6–0,7 при подаче 16–200 м3/сут), повышение эффективности при работе на вязких жидкостях. Кроме того, подача насоса плавная, без пульсаций, при работе насоса не создаются стойкие эмульсии. Насос отличается простотой изготовления рабочих органов. К недостаткам насоса можно отнести то, что его напоры ограничены технологическими возможностями изготовления длинных винтов и обойм и винт насоса вращается не только вокруг своей оси, но и по эксцентриситету. Последнее требует применения эксцентриковых муфт, соединяющих винты с валом привода, что усложняет конструкцию. Вращение вала насоса по эксцентриситету вызывает радиальные инерционные силы в агрегате. В целом винтовые скважинные насосы показали свою
90