Изучение устройства наземного и скважинного оборудования при эксплуатации скважин с применением УЭЦН

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной

технический университет»

 

Кафедра разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИЗУЧЕНИЕ  УСТРОЙСТВА НАЗЕМНОГО И СКВАЖИННОГО  ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН

С ПРИМЕНЕНИЕМ  УЭЦН 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  

Выполнил студент  группы ГР-10-03                                 Башкин О.В.

Проверил доктор технических наук, профессор              Ленченкова Л.Е.   
 

Уфа 2010

     1. Цель работы

     Изучение  погруженного (скважинного) центробежного  электронасоса (ПЦЭН) проводится по инструкции, плакатам и натурным образцам ПЦЭН. 

     2. Область применения УЭЦН

     Область применения УЭЦН – это высокодебитные обводненные, глубокие и наклонные скважины с дебитом 10 ¸ 1250 м³/сут, по напору до  2500 м. Межремонтный период УЭЦН доходит до 320 суток и более.

     Установки погружных центробежных насосов  в модульном исполнении типов  УЭЦНМ и УЭЦНМК предназначены  для откачки продукции нефтяных скважин, содержащих нефть, воду, газ и механические примеси. Установки типа УЭЦНМ имеют обычное исполнение, а типа УЭЦНМК – коррозионностойкое.

     Установки ЭЦН применяются в самых различных  геолого-промысловых условиях:

     - газовый фактор - 10-500 м³/м³;

     - глубина пласта - до 3000 м;

     - температура пласта до 120 °С;

     - в условия содержания в откачиваемой жидкости механических примесей и парафино-гидратных отложений.

     Насосы  позволяют отбирать из скважин нефть, имеющую следующие физико-химические свойства при стандартных условиях:

     - кинематическая вязкость пластовой жидкости не более 7 мм²/с;

     - водородный показатель попутной воды рН = 6,5 – 8,5;

     - содержание мехпримесей для насосов обычного и коррозионностойкого исполнения не более 0,1 г/л, не более 0,5 г/л, соответственно;

     - содержание сероводорода для насосов обычного и коррозионностойкого исполнения не более 0,01 г/л; до 1,25 г/л, соответственно;

     - содержание воды в скважине – неограничено;

     - содержание свободного газа на приеме насоса до 30 %, для установок с модулями-сепараторами до 60 %;

     - максимальная температура добываемой продукции до 120 °С.

     Максимальный угол наклона установки ЭЦН в скважине должен быть не более 40 °. 

     3. Принцип работы  установок ЭЦН

     Электрический ток из промысловой сети через автотрансформатор и стацию управления по бронированному трехжильному кабелю поступает к маслозаполненному электродвигателю. Вращая вал насоса, электродвигатель  ПЭД приводит его в действие. Всасываемая насосом нефть проходит через приемную сетку и нагнетается по НКТ на поверхность. Чтобы нефть при остановке агрегата не сливалась из подъемных труб (НКТ) в скважину, в трубах над насосом смонтирован обратный клапан.

     Погружной электроцентробежный насос представляет собой набор отдельных ступеней, в каждой из которых имеется свой ротор (центробежное колесо) и статор (направляющий аппарат). Роторы отдельных ступеней посажены на один вал, жестко соединенный с валом погружного электродвигателя.

     Каждая  из ступеней ЭЦН развивает напор 3…5,5 м. Поэтому для обеспечения напора в 800…1000 м в корпусе насоса монтируют 150…200 ступеней.

     Существенными недостатками электроцентробежных  насосов являются их низкая эффективность  при работе в скважинах с дебитом  ниже 60 м³/сут, снижение подачи, напора и КПД при увеличении свободного газа на приеме насоса. 

     4. Принципиальная схема УЭЦН и ее элементы

     Установка ЭЦН является сложной технической  системой и, несмотря на широко известный  принцип действия центробежного  насоса, представляет собой совокупность оригинальных по конструкции элементов. Принципиальная схема УЭЦН приведена на рисунке 4.1. Установка состоит из двух частей: наземной и погружной. Наземная часть включает автотрансформатор 1, станцию управления 2, иногда кабельный барабан 3 и оборудование устья скважины 4. Погружная часть включает колонну НКТ 5, на которой погружной агрегат спускается в скважину, бронированный трехжильный электрический кабель 6, по которому подается питающее напряжение погружному электродвигателю и который крепится к колонне НКТ специальными зажимами 7. Погружной агрегат состоит из многоступенчатого центробежного насоса 8, оборудованного приемной сеткой 9 и обратным клапаном 10. Часто в комплект погружной установки входит сливной клапан 11, через который сливается жидкость из НКТ при подъеме установки. В нижней части насос сочленен с узлом гидрозащиты (протектором) 12, который, в свою очередь, сочленен с погружным электродвигателем 13. В нижней части электродвигатель 13 имеет компенсатор 14.

 

     

1 - автотрансформатор; 2 - станция управления; 3 - кабельный барабан;

4 - оборудование устья скважины; 5 - колонна НКТ; 6 - бронированный электрический кабель; 7 - зажимы для кабеля;8 - погружной многоступенчатый центробежный насос; 9 - приемная сетка насоса; 10 - обратный клапан;

11 - сливной клапан; 12 - узел гидрозащиты (протектор);

13 - погружной электродвигатель; 14 - компенсатор

Рисунок 4.1 – Принципиальная схема УЭЦН

     Погружной центробежный насос

     Конструктивно представляет собой совокупность ступеней небольшого диаметра, состоящих, в свою очередь, из рабочих колес и направляющих аппаратов, размещаемых в корпусе насоса (трубе). Рабочие колеса, изготавливаемые из чугуна, бронзы или пластических материалов, крепятся на валу насоса со скользящей посадкой с помощью специальной шпонки. Верхняя часть сборки рабочих колес (вала насоса) имеет опорную пяту (подшипник скольжения), закрепляемую в корпусе насоса. Каждое рабочее колесо опирается на торцевую поверхность направляющего аппарата. Нижний конец насоса имеет подшипниковый узел, состоящий из радиально-упорных подшипников. Узел подшипников изолирован от откачиваемой жидкости и в некоторых конструкциях вал насоса уплотняется специальным сальником. Погружной центробежный насос выполняется в виде отдельных секций             с большим числом ступеней в каждой секции (до 120), что позволяет собирать насос с необходимым напором. Принципиальная схема погружного центробежного насоса представлена на рисунке 4.2.

 
 
 
 
 
 

1 – секция  верхняя с ловильной головкой; 2 – секция нижняя; 3 – муфта шлицевая; 4 – пята опорная; 5 – корпус подшипника; 6 – направляющий аппарат; 7 – рабочее колесо; 8 – корпус; 9 – вал; 10 – шпонка; 11 – подшипник скольжения; 12 – втулка защитная; 13 – основание; 14 – сетка фильтра;            15 – муфта приводная

Риснок 4.2 – Принципиальная схема погружного центробежного насоса

     Отечественная промышленность выпускает насосы обычного                    и износостойкого исполнения. Насосы износостойкого исполнения предназначены для откачки из скважин жидкостей с определенным количеством механических примесей (указывается в паспорте насоса). По поперечным габаритам (диаметру корпуса) выпускаются насосы нескольких групп, соответствующих номинальному диаметру обсадных колонн (в дюймах) добывающих скважин: 5, 5А, 6.

     По  рабочим параметрам (подаче Q и напору Н) выпускается широкая гамма погружных насосов, что позволяет использовать эти насосы для эксплуатации скважин различных категорий. Каждый погружной центробежный насос имеет свой шифр, в котором отражены диаметр эксплуатационной колонны, подача и напор при работе в оптимальном режиме. Например, насос ЭЦН6-500-750 —электрический центробежный насос для обсадных колонн диаметром 6", с оптимальной подачей 500 м3/сут при напоре 750 м.

     Погружной электрический двигатель (ПЭД)

     Двигатель специальной конструкции и представляет собой асинхронный двухполюсный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором. Двигатель заполнен маловязким маслом, которое выполняет функцию смазки подшипников ротора и отвода тепла к стенкам корпуса двигателя, омываемого потоком скважиннои продукции. Верхний конец вала электродвигателя подвешен на пяте скольжения. Ротор двигателя секционный; секции собраны на валу двигателя, изготовлены из пластин трансформаторного железа и имеют пазы, в которые вставлены алюминиевые стержни, закороченные с обеих сторон секции токопроводящими кольцами. Между секциями вал опирается на подшипники. По всей длине вал электродвигателя имеет отверстие для циркуляции масла внутри двигателя, осуществляемой также через паз статора. В нижней части двигателя имеется масляный фильтр. Секции статора разделены немагнитными пакетами, в которых расположены опорные радиальные подшипники. Нижний конец вала также закреплен в подшипнике. Принципиальная схема ПЭД представлена на рисунке 4.3.

 
 
 
 
 

1 – муфта; 2 – радиально-опорный узел; 3 – головка верхняя со штепсельной колодкой; 4 – вал; 5 – циркуляционная турбинка; 6 – статор; 7 – ротор;

8 – подшипник  скольжения; 9 – фильтр масляный;

10 –  основание с обратным клапаном

Рисунок 4.3 – Принципиальная схема ПЭД

     Длина и диаметр двигателя определяютего мощность. Скорость вращения вала ПЭД зависит от частоты тока; при частоте переменного тока 50 Гц синхронная скорость составляет 3000 об/мин. Погружные электродвигатели маркируются с указанием мощности (в кВт) и наружного диаметра корпуса (мм), например, ПЭД 65-117 – погружной электродвигатель мощностью 65 кВт и наружным диаметром 117 мм. Необходимая мощность электродвигателя зависит от подачи и напора погружного центробежного насоса и может достигать сотен кВт.

     Современные погружные электродвигатели комплектуются системами датчиков давления, температуры и других параметров, фиксируемых на глубине спуска агрегата, с передачей сигналов по электрическому кабелю на поверхность (станцию управления).

     Узел  гидрозащиты (протектор)

     Размещается между насосом и двигателем и предназначен для защиты электродвигателя от попадания в него откачиваемой продукции и смазки радиально-упорного подшипника насоса (при необходимости). Основной объем узла гидрозащиты, формируемый эластичным мешком, заполнен жидким маслом. Через обратный клапан наружная поверхность мешка воспринимает давление продукции скважины на глубине спуска погружного агрегата. Таким образом, внутри эластичного мешка, заполненного жидким маслом, давление равно давлению погружения. Для создания избыточного давления внутри этого мешка на валу протектора имеется турбинка. Жидкое масло через систему каналов под избыточным давлением поступает во внутреннюю полость электродвигателя, что предотвращает попадание скважиннои продукции внутрь электродвигателя.

     Компенсатор

     Предназначен для компенсации объема масла внутри двигателя при изменении температурного режима электродвигателя (нагревание                       и охлаждение) и представляет собой эластичный мешок, заполненный жидким маслом и расположенный в корпусе. Корпус компенсатора имеет отверстия, сообщающие наружную поверхность мешка со скважиной. Внутренняя полость мешка связана с электродвигателем, а внешняя со скважиной. При охлаждении масла объем его уменьшается, и скважинная жидкость через отверстия в корпусе компенсатора входит в зазор между наружной поверхностью мешка     и внутренней стенкой корпуса компенсатора, создавая тем самым условия полного заполнения внутренней полости погружного электродвигателямаслом. При нагревании масла в электродвигателе объем его увеличивается, и масло перетекает во внутреннюю полость мешка компенсатора; при этом скважинная жидкость из зазора между наружной поверхностью мешка и внутренней поверхностью корпуса выдавливается через отверстия в скважину.

     Все корпуса элементов погружного агрегата соединяются между собой фланцами со шпильками. Валы погружного насоса, узла гидрозащиты                и погружного электродвигателя соединяются между собой шлицевыми муфтами.

     Таким образом, погружной агрегат УЭЦН представляет собой комплекс сложных электрических, механических и гидравлических устройств высокой надежности, что требует от персонала высокой квалификации.