ЭЦН насос, конструктивные особенности и принцип действия

Нефтяная промышленность требует специального оборудования, дающего возможность наращивать добычу. ЭЦН насос способен обеспечить заданные объемы. Автоматическая станция управления строго контролирует скрытый процесс, создавая оптимальные условия бесперебойного поступления нефти из труб сразу в перекачивающую магистраль. ЭЦН работают на различной высоте подъема малодебитных и высокодебитных скважин. Многие добычные компании предпочитают использования только таких агрегатов.

К узлам прибора относят:

• Главная деталь – непосредственно ЭЦН. Обычно собирается из нескольких секций, которые делятся на ступени, имеющие разную высоту. Чем больше дисков секции, тем выше производительность. Каждая ступень оснащена вращающимся колесом и стационарным рабочим аппаратом. Размер подачи насоса пропорционален количеству ступеней. Наружная оболочка выполнена из стойких к коррозии материалов, обладающих усиленной износостойкостью. Дебит ЭЦН – кубатура нефти, откачиваемой за единицу времени.
• Электродвигатель погружного типа. Конструктивно выполнен очень тонким, чтобы работать в колоннах различного диаметра. Считается вторым по важности узлом. Внутри залит особым невязким маслом, выполняющим функции смазки и охлаждения деталей. Внутреннее давление масла противостоит внешнему нажиму среды трубы, компенсируя напор пластовой жидкости и создавая баланс. Стандартное исполнение из антикоррозийных материалов, имеющих высокую износостойкость.
• Протектор обеспечивает гидрозащиту мотора от пластовой жидкости, проникающей в полость приборов.

Купить насос и необходимые для него принадлежности можно в нашем интернет-магазине.

• Электрический кабель – применяют жилы с усиленной бронированной изоляцией, могущей выдерживать повышение температуры от 90°С до 230°С. Броня предназначена для сопротивления истиранию, выдерживает неповрежденной до пяти, шести спусков без замены. К телу трубы кабель крепят клямсами – специальными хомутами.

К вспомогательным устройствам относят газосепаратор. Свободные углеводороды, выделяемые из черного золота или непосредственно пласта способны замедлить или полностью прекратить откачку. Попадая в каналы рабочего колеса или направляющих лопастей, метан создает вихревой газовый мешок, где нефть перемешана с пузырьками. Скопление газа снижает перекачку жидкости, сужая сечение пропускного канала. Поток не в состоянии создавать вихри, а это значительно снижает напор. Струя переходит в полностью газовую и вытесняет нефть. Результатом становится образующаяся стойкая пробка, останавливающая работу всего модуля. Допустимое включение газовых пузырей на входе в раструб не более 5-25% от объема.

В скважинах с наличием большого количества углеводородов дополнительно монтируют газосепаратор, отделяющий пузыри от нефти. Если этого недостаточно, его сдваивают с диспергатором, извлекающим вкрапления.

Для ЭЦН параметры общие со всеми агрегатами:

• Напор – разброс давления на входе и выходе. Проходя через центробежные лопатки, поток теряет часть силы, ослабевая к концу этапа.
• Подача – количество нефти, выкачиваемое за единицу времени. Вычисляется при максимальном показании КПД. В нефтяной промышленности именуется дебит.
• КПД – отношение полезной мощности к энергии вала.
• Номинальное давление – наибольший показатель, допустимый для безопасной эксплуатации.

Узлы располагают в определенной последовательности:

1. В самом низу – компенсатор.
2. Далее идет погружной двигатель.
3. Протектор.
4. Газосепаратор.
5. Многоступенчатый ЭЦН.
6. Обратный клапан.
7. Сливной клапан для возврата среды в колонну.

К погружному двигателю подходит бронированный кабель, исходящий от автоматической станции управления. Она соединяется с трансформатором, контролирующим напряжение. Неважно какое подает источник питания – трансформатор преобразует его до показаний, необходимых для функционирования ПЭД.

Направляющий аппарат и рабочее колесо составляют одну ступень.

В первом элементе конструкции диск надевается на втулку рабочего колеса, поэтому в середине предусмотрено отверстие. В паре с ним расположен диффузор, наподобие стакана с дыркой в центральной части. Элементы соединены в одну конструкцию с рабочими лопастями, крутящимися параллельно с направляющим аппаратом. Различные условия работы требуют разных материалов для четкого функционирования сборки. Одни части литые, другие изготовлены из порошка методикой спекания. Полимерные материалы штампуют.

Во втором два диска – нижний представляет собой круг с большим отверстием, а верхний сплошной с прикрепленной ступицей, надеваемой на стержень. Между ними расположены изогнутые лопасти, причем загиб тяготеет в противоположную сторону от направления вращения.

Заказать монтаж системы водоснабжения вы можете в нашей компании. Подробная информация и запись на консультацию – в разделе «услуги».

Ступень поднимает среду на уровень до 3-7 метров. Поэтому количество сегментов рассчитывается в зависимости от глубины буровой. Конфигурацию лопаток выбирают, обращая внимание на дебит месторождения. Если суточная подача требуется не более 250 кубометров, то подойдет прибор с цилиндрическими лопастями и невысокой подачей. Свыше 250 кубометров выбирают наклонно цилиндрические лопатки.

Пары из рабочего колеса и направляющих аппаратов формируются пакетами от трех до десяти элементов. Высоту ступиц рабочих колес подбирают, чтобы между дисками оставался хотя бы минимальный зазор. Характерной особенностью метода является возможность модуля самостоятельно изменять функции при разных режимах работы или смене параметров проходящей среды. Плавающие рабочие колеса после длительной перекачки и стирании части конструкции, самостоятельно переводят гребенку в компрессионное состояние. В нижней части пакета есть добавочная опора, куда переключается передача осевой нагрузки при переходе на компрессию.

Это положительно сказывается на состоянии осевых шайб, с которых почти полностью снимается нажим, вследствие чего сильно замедляется трение и износ. Все преимущества компрессионной сборки присутствуют в пакетном варианте, а недостатков практически нет.

На стержне фиксируют гребенку из серии рабочих колес. Каждое из них тщательно подгоняют, чтобы уровень ступиц был равномерным, а диски соприкасались между собой. Каждое рабочее колесо при вращении создает осевое усилие, которое суммарно превышает возможности вала. Чтобы избежать аварийной ситуации, часть нагрузки принимает на себя пята гидрозащиты. Преимущества компрессионной сборки:

• Можно монтировать колеса без опорных шайб.
• Снижается осевая нагрузка на диски.
• ЭЦН может быть использован в разработках, где добывают нефть со значительным включением твердых примесей.

Недостатки:

• Довольно сложный монтаж.
• В шлицевые муфты требуются вспомогательные калиброванные пластины, предотвращающие соприкосновение других частей с дисками.

Через входной модуль происходит прием среды и подача ее в эцн. Схема состоит их корпуса, имеющего отверстия для пропуска пластовой жидкости и вала, оснащенного защитными втулками и сеткой грубой очистки от крупных включений. Корпус модуля сверху подсоединен к агрегату, а с нижней к протектору. Современные модули встраиваются в гидрозащитный протектор с целью уменьшения стыковочных узлов.

Добавочной частью модульной секции устанавливают шламоуловитель, предупреждающий попадание примесей в рабочий орган ЭЦН. Между гидрозащитным оборудованием и нижним сегментом агрегата смонтирован входной фильтр. Загрязненная пластовая среда проходит через фильтры шламоуловителя, задерживаясь специальными аппаратами.

Откачка происходит под действием центробежных процессов. Струя попадает на радиально изогнутые лопасти в центре рабочего колеса, которые с помощью высокой скорости заставляют ее изменить осевое направление на радиальное. Поток перемещается вдоль лопаток, изменяя энергию из статической в кинетическую. От скорости значительно увеличивается давление, отбрасывая струю в нагнетающий патрубок.

Обратный клапан не позволяет жидкости вернуться назад, а следующая порция повышенным натиском проталкивает предыдущую еще выше. Сила подачи и напора напрямую зависят от частоты вращения крыльчатки.

Условные обозначения наносят на кожух, чтобы, рассмотрев их, потребитель выбрал оптимальное оборудование, подходящее именно для данного объекта. Пример маркировки: ЭЦН (К) (И) – РР – ВВВ – МММ, где:

• ЭЦН – электроцентробежный насос.
• (К) – антикоррозионный кожух.
• (И) – усиленная износостойкость.
• РР – Габаритная группа.
• ВВВ – величина номинальной подачи м³/сут.
• МММ – номинальное значение напора в метрах.

Промышленные значения габаритной группы – 5, 5А, 6, 6А. Минимальный диаметр колонны из труб – 148-123 мм. Внешний диаметр стандартного кожуха ЭЦН – 123, 114, 105, 92.

Высокодебитные скважины требуют оборудования с высокими показателями КПД и силы напора. Единичный эцн зачастую не справляется с заданными параметрами, поэтому монтируют многоступенчатые модули для обработки результативных добычных выработок.

Подъем нефти с серьезной глубины характерен сильным противодействием внутренней среды. Обращая внимание на сложившуюся ситуацию, устанавливают комплекс до 650 единиц. Учитывая, что длина такой конструкции составляет около 20 метров, затрудняя процесс монтажа и спуска, предпочитают готовить отдельные высокопроизводительные соединения не более 150 ступеней. Для обеспечения надежности соединения используют стыковку Фланец-корпус. Такая методика с дополнительным подшипником уменьшает общее напряжение, вибрацию, снижает истирание металла головки.

Стыковочные узлы валов модульных секций, с гидрозащитным стержнем подсоединяют шлицевыми муфтами. Каждый сегмент крепится к последующему, таким же образом. Резиновые кольца служат дополнительным уплотнением.

Между входным раструбом и последующими секциями монтируют газосепаратор. Длина стандартных корпусов 5, 4, 3 метра. На первом основании располагаются стальные ребра, предназначенные для прокладки кабелей.

Видео: Технические характеристики ЭЦН

В работе ЭЦН случаются сбои. Они обусловлены рядом причин. Резкое прекращение электроснабжения, авария на силовом кабеле, превышение температуры – автоматы сработают, подавая сигнал отключения. При вынужденных остановках системы перекачки, столб черного золота, извлеченный из отверстия, но не успевший дойти до магистрали, стремится вернуться вниз.

Обратный клапан надежно запирает рабочую камеру, не допуская возвратного действия. Он же облегчает повторный запуск системы.

Спускной клапан обеспечивает обратный сток нефти. Причиной возврата в эксплуатационную колонну становится перегрузка погружного электродвигателя при повторном запуске.

Видео: принцип работы ЭЦН

Питание комплексов осуществляют от источников переменного тока, мощностью 380 либо 6 000 В. Требования к кабельным линиям, подающим ток:

• Низкие электрические потери.
• Минимально возможный диаметр.
• Достаточные диэлектрические параметры.
• Повышенная устойчивость к высоким и низким температурам.
• Прочность бронированной обмотки, устойчивой к воздействию подземной агрессивной среды (метана, углеводорода, пластовой жидкости).

Видео: Оборудование скважины

Надземный отрезок кабеля может иметь круглое сечение, но часть, предназначенная для спуска внутрь колонны обычно плоская, так достигается наиболее узкое сечение. Профиль из трех сращенных жил, каждая отдельно оплетена термоизоляцией. Вместе их заключают в полимерную оболочку и металлическую броню. Спуск и подъем оснащения вызывает сильное трение наружной стороны кабеля, а металлическая броня препятствует разрушительной силе.

Основной метраж пакуют на барабан, который раскручивают при спусках и возвращают при подъемах. Подземный отрезок монтируют на колонну, сразу закрепляя клямсой с прочной застежкой.

Погружной электрический механизм содержит специальную конструкцию асинхронного двухполюсного двигателя, работающего от переменного тока. Внутренность заполняют маслом, имеющим высокую текучесть, смазывающим сильно трущиеся подшипники, уничтожая абразивный эффект, увеличивая их срок службы. Масло циркулирует по всем полостям через специально выполненные отверстия и пазы в статоре. Оно соприкасается с корпусом ПЭД, а внешняя среда охлаждает от перегрева.

В комплект входят датчики измерения температуры и давления. Мощность зависит от длины и диаметра мотора. Сравнительная таблица

Мощность двигателя кВт	Диаметр мм
180	123
90	117
63	103
45	96

Регулятор частоты вращения увеличивает подачу и напор электроцентробежного насоса. Через него выполняют плавный пуск мотора, что уменьшает нагрузку на обмотку. Кабель также страдает от резких рывков, поэтому плавное введение в строй двигателя не причиняет резких ударов на провода.

Рядом со скважиной устанавливают металлическую будку, где прячут пульт управления процессами в скважине. Так как это временный объект, то фундамент не строят, а просто выравнивают или подсыпают площадку.

Автоматические реле контролируют нагрузки, следят за температурным режимом, учитывают объем перекачиваемой нефти. Обнаружение нештатных ситуаций (обрыв провода, значительное превышение температуры, сбой двигателя) кончается резким срабатыванием выключателя. Откачка прекращается, светодиоды сигнализируют о причинах экстренной остановки. На дисплее отражаются моменты неполадок, требующих вмешательства человека.

Полевые условия всегда сопряжена с рисками. Временно подведенное электроснабжение может дать сбой, снижая мощность подачи электропитания. Трансформатор поддержит временные сбои, выравнивая напряжение до необходимого. Автоматическое управление проследит за своевременным включением в систему. Будку трансформатора устанавливают на заранее спланированной, идеально ровной поверхности.

Трансформатор на нефтяной скважине подключают к сети переменного тока, для питания погружных приборов. Стандартное напряжение 380 либо 6000 вольт, а частота 50 герц.

Устройство трансформатора:

1. Магнитопровод.
2. Обмотка высокого напряжения.
3. Водухосушитель.
4. Масляный охладитель.
5. Обмотка низкого напряжения.
6. Клеммы ввода.

Чтобы пластовая жидкость не попала в полость погружного электродвигателя и не смешалась с маслом, требуется надежная гидрозащита. Неправильное соединение двух элементов приведет к нарушению изоляции и короткому замыканию, что повлечет с собой затруднительные операции по извлечению секций с мотором из колонны и длительному ремонту. Проектировщики учли такую вероятность, поэтому при монтаже модульных секций, сразу встраивают элементы гидравлической защиты.

Компенсатор – в корпус вставляют мягкий мешок, внутренность которого наполнена маловязким маслом. Некоторые части стенок кожуха открыты, давая доступ поверхности мешка соприкасаться с наружной жидкостью. Сам мешок составляет один объем с маслом в ПЭД. При перегреве масло поступает в мешок, а стенки его отдают лишнее тепло в среду колонны. Если увеличивается давление, то оно компенсируется, становясь равным внешнему воздействию. Снижение температуры вызывает обратный процесс, среда прижимает поверхность мешка, возвращая в исходное состояние. Таким образом внутри двигателя соблюдается постоянное давление. Собирают в нижней части ПЭД.

Схематическое видео монтажа:

Протектор – резиновая диафрагма, заполненная вязким веществом, не соединяющаяся с общим объемом масла. Расположен на верху.

Электроцентробежные установки применяют в скважинах:

• С криволинейной геометрией.
• Обводненной средой.
• Наклонных, выдающих суточный дебит от 20 до 1000 кубометров.
• Глубиной подъема от 500 до 2000 метров.

При подаче выше 80 кубометров, считаются наиболее эффективными, среди аналогичных приборов. Использование ЭЦН допускает применение реактивов, уменьшающих отложение парафина на стенках трубных колонн. Межремонтные сроки в пределах одного двух лет.

Электроцентробежные установки применяют в нефтяных скважинах для перекачки среды в магистраль. Несмотря на сложность монтажа в колонну трубы, именно такое оборудование предпочитают многие добычные компании.

Месторождения с высоким дебитом требуют конструкций с несколькими десятками агрегатов.

Глубина погружения достигает 2000 метров.

К насосу прилагается целая сеть дополнительного оснащения – погружной электрический двигатель, гидрозащитные устройства, автоматические станции и трансформаторы.

Электроснабжение 380 либо 6000 В, кабели оснащены защитной металлической броней.