Изначально входит в комплектацию УЭЦН наземное и подземное оборудование различных вариантов исполнения. Основными элементами установки являются привод, насос, трансформатор и устьевая обвязка, направляющая откаченную нефть на замерное устройство АГЗУ. Для нормального функционирования этих узлов дополнительно необходимы фильтры, клапаны, станция управления, газостабилизирующее оборудование, гидравлическая защита и кабельная линия.
Одним из признаков классификации оборудования установки электропогружного лопастного насоса является его расположение относительно уровня земли – наземное и погружное (подземное).
Непосредственно к комплекту установки бесштангового погружного насоса относится следующее наземное оборудование:
Не входит в комплект УЭЛН устьевое оборудование. Однако именно оно отвечает за герметизацию скважины в процессе добычи полезного ископаемого, экологическую безопасность работ, перенаправление потока флюида из ствола в выкидную линию и далее на АГЗУ.
Нефтегазодобывающие промыслы запитываются от воздушных ЛЭП напряжением 380 В или высоковольтных кабелей 6000 В. Для преобразования характеристик напряжения перед подачей его на погружной двигатель используются силовые трансформаторы ТМПН и ТМПНГ – трехфазные маслонаполненные для погружных двигателей насосного оборудования открытого и закрытого типа, соответственно.
На трансформаторы мощностью до 160 кВА подается 380 В, для более мощных моделей от 200 кВА протягивается высоковольтная линия 6000 В. Негерметичные корпуса трансформаторов ТМПН комплектуются расширительным баком. Клеммы обмоток низкого/высокого напряжения защищены кожухом, выведены на крышку. Цилиндрические многослойные обмотки наматываются на сердечник магнитопровода из электротехнической холоднокатаной стали.
Герметичный трансформатор серии ТМПНГ не имеет открытых частей. Компенсация расширения масляной охлаждающей жидкости происходит за счет гофрированных стенок бака. Напряжение короткого замыкания для этих моделей не нормируется. Трансформаторы обладают следующими характеристиками:
Параметры |
ТМПНГ-400/6-У1(УХЛ1) |
ТМПНГ-160/3-У1(УХЛ1) |
ТМПН-100/3-У1(УХЛ1) |
Вес (кг) |
390 |
160 |
125 |
Полная масса (кг) |
1440 |
690 |
520 |
Потери КЗ (Вт) |
3500 |
2150 |
1700 |
Ток ХХ (%) |
1,8 |
1.8 |
2 |
Потери ХХ (Вт) |
800 |
440 |
280 |
Схема, группа соединений обмоток |
Y/YH-0 |
||
Ток вторичной обмотки (А) |
66 |
37 |
36 |
Напряжение регулирующих ступеней (В) |
1904-1952-2002-2055- -2113-2172-2238-2304- -2375-2450 |
1250-1356-1458-1568- -1673-1783-1889-1999- -2101-2210 |
916-993-1070-1137- -1222-1304-1378-1455- -1532-1609 |
Напряжение ВН обмотки (В) |
6000 |
2101 |
1455 |
Напряжение НН обмотки (В) |
2172 |
380 |
380 |
Мощность (кВА) |
400 |
160 |
100 |
Для обмоток трансформаторов применяются различные электротехнические материалы:
Охладитель маломощных трансформаторов 63 кВА имеет ребристую форму, мощных 100 – 400 кВА радиаторную конструкцию. На корпусе имеются петли для погрузки, монтажа электротехнического изделия автокраном. Сливная пробка и заземляющий узел вынесены в нижнюю часть бака.
Продукты окисления масла из-за нагрева задерживаются термосифонным фильтром в виде решетчатой трубки, заполненной силикагелем. Напряжение регулируется после отключения обмоток трансформатора от сети методом без возбуждения специальным переключающим устройством. Для охлаждения обмоток используется масло трансформаторное ВГ или ГК согласно ТУ 38.401.978 или ТУ 38.101.1025, соответственно.
Трансформатор ТМПН способен выдерживать перегрузки 5% продолжительное время, 10% эпизодически менее 6 часов ежесуточно и 30% аварийно меньше 3 часов ежесуточно.
Для защиты асинхронного двигателя от перегрузок и переключения режимов его эксплуатации в скважине используется станция управления. Электронные блоки размещаются внутри герметичного шкафа из листового металла, окрашенного порошковым способом для защиты от коррозии.
С момента подготовки погружного электродвигателя к запуску и до его остановки для обслуживания, ремонта, профилактики используется щадящий режим безаварийной эксплуатации. Датчики и приборы телеметрии отслеживают характеристики рабочей среды. При необходимости переключают режимы работы ПЭД. Даже в момент запуска используется плавное увеличение параметров частоты, напряжения, тока.
Встроенный частотный преобразователь позволяет повысить коэффициент мощности, упростить сервисное обслуживание и ремонт, использовать двухконтурный теплообменник воздушного типа, повысить качество комплектующих, снизить совокупные затраты и расход энергоносителя. Основными режимами станции являются:
При проектировании режимов учитывается линейное изменение мощности и производительности ПЭД, кубическая зависимость потребляемой мощности, квадратичная зависимость напора.
Поэтому для старта в плавном разгонном режиме частота увеличивается равномерно. Запуск привода в тяжелых условиях выполняется с синхронизацией с плато характеристики частоты в средней фазе. Толчковый пуск используется при больших пусковых моментах. Количество толчков задается функцией, время действия высокого напряжения определяет их частота.
Заклиненный ротор может раскачиваться станцией управления путем изменения направления вращения. Во избежание отложения солей периодически включается режим встряхивания – серия разночастотных вращений вала двигателя.
Изначально станции рассчитаны на экстремальные эксплуатационные условия:
Во время краткосрочных (менее 2 секунд) перерывов электроснабжения производится автоматический подхват насоса на проектной частоте вращения по мере восстановления параметров напряжения.
Дополнительно в станцию управления могут встраиваться приемопередатчики спутниковой связи, модули для систем дистанционного управления, приборы учета электроэнергии, в том числе, многотарифные, подавители импульсного, грозового перенапряжения, сглаживающие фильтры.
Возможно извещение диспетчера о попытках взлома силового отсека КЭП по телеметрии.
От трансформатора через станцию управления электроэнергия передается на погружной двигатель посредством кабельной линии. При этом, вначале линия идет по земле, затем кабель заводится в скважину. Основными проблемами кабельных линий являются:
Конструкция кабельной линии выглядит следующим образом:
Кабели трехжильные, каждая жила имеет собственную независимую изоляцию. Пучок из трех жил, расположенных в плоском кабеле параллельно, или свитых в круглом кабеле между собой, дополнительно укутан подложкой и защищен броней.
Основная питающая линия изготавливается из кабеля марок КТЭБК, КПБК, КФСБК (круглые) или КФСБ, КТЭБ, КПБП (плоские). Удлинитель всегда изготавливается из кабеля КФСБ или КПБП (плоские). Муфта кабельного ввода всегда круглая в стальном корпусе с несколькими вариантами законцовки.
Кабельные линии предназначены для следующих эксплуатационных условий:
В зависимости от вида изоляции кабели используются для следующих температурных диапазонов:
Величина потерь электрической мощности в кабеле составляет 5 – 15%. Поэтому обмотки оборудуются дополнительными отводами для повышения напряжения на расчетную величину потерь.
Ниже уровня грунта внутри ствола скважины находится вторая часть оборудования установки погружного лопастного насоса – подземная. В нее входят следующие элементы:
Часть из них входит в комплект УЭЛН по умолчанию согласно регламента ГОСТ Р 56830. Остальное закладывается в проект и приобретается пользователем отдельно.
Протекторная защита разработана для предотвращения коррозии КТ колонн, эксплуатационных труб и насосного оборудования в скважинах с высоким содержанием углекислоты, сероводорода, минерлизованных технологических сред, обводненностью, парафиновых, соляных, асфальтовых отложений.
Для этого в нижнюю часть двигателя, компенсатора вкручивается протектор, иногда совмещающий функции центратора. Погружной протектор изготавливается из трубы сплавов марок Ац5М5 или АК5М2 (цинк, магний, алюминий) с сердечником из углеродистой стали Ст3. Длина протектора составляет 1 м или 2,5 м.
Для своевременного переключения режимов работы электродвигателя необходима информация о характеристиках пластовой жидкости и ПЭД в каждый момент времени. Поэтому в комплект установки УЭЦН входят датчики телеметрии.
Система ТМС состоит из манометра и термометра, собранных в единый узел преобразователя ТМСП. На устье монтируется второй блок телеметрии – прибор ТМСН, усиливающий поступающие из скважины сигналы, являющийся одновременно с этим блоком питания.
Погружной ТМС смонтирован в головке электродвигателя или нижней его части. Наземный прибор встроен в станцию управления.
Для отсечения механических примесей на входе в насос используются фильтры следующих конструкций:
Намывные фильтры изготавливаются непосредственно на забое. В подвесных гравийных фильтрах набивка и запрессовка сыпучего материала производится на заводе. В проволочных фильтрах применяется проволока треугольного сечения, намотанная с проектным шагом 1 – 10 мм. Область применения проволочных сеток ограничена галечниковыми, щебенистыми, полускальными породами, пластами с высоким содержанием крупнозернистого песка более 50% по весу.
Щелевые фильтры изготавливаются методом перфорирования труб. Они имеют максимально простую конструкцию, обычно щелевую симметричную, асимметричную перфорацию. Наиболее востребованы изделия диаметром 81 мм, 110 мм и 172 мм.
С 2009 года начали использоваться фильтры из ППМ проволочно-проницаемых материалов. Кольца из свитой проволоки закрепляются на каркасе с высокими показателями упругости. Это позволяет увеличить регенеративные свойства фильтра, снизить его чувствительность к нагрузкам ударного типа.
Для передачи крутящего момента на вал центробежного насоса УЭЦН установки используется погружной асинхронный электрический двигатель с короткозамкнутым ротором, внутренняя полость которого заполнена маслом, выполняющим функцию охлаждающей жидкости.
Для решения основной проблемы – обеспечение высокой мощности до 500 кВт при очень маленьком диаметре, маслонаполненные двигатели ПЭД имеют увеличенный размер длины до 8 метров. При стандартной частоте 50 Гц силовой привод имеет скорость 3000 об/мин, скольжение 6%. В зависимости от типоразмера ПЭД ему требуется 10 – 100 А и 400 – 3000 В.
Конструкция статора представляет собой запрессованный в трубу магнитопровод с трехфазной обмоткой по схеме «звезда». Ротор набран из пакетов, смонтирован на пустотелом валу с несколькими подшипниками. Осевые нагрузки воспринимает упорный подшипник. Циркуляция масла обеспечивается за счет пустотелой конструкции вала. В основании движка имеется фильтр для очистки охлаждающей жидкости.
Эксплуатационные условия для ПЭД соответствуют значениям:
Для снижения теплопотерь в кабельных линиях некоторые производители выпускают двигатели НЭДТ особой конструкции. Диаметр обмоточного провода здесь уменьшен, количество проводников в пазах статора и напряжение питания, наоборот, увеличено. Что позволяет экономить расход энергоносителя.
По требованию заказчика ПЭД и НЭДТ комплектуются центраторами, муфтами/валами эвольвентного профиля. Для горизонтальных скважин разработаны силовые приводы со специальными узлами осевых опор. Нижний и верхний подпятники закреплены внутри головки на проектном расстоянии, что позволяет снизить осевое перемещение пяты до минимума.
Современной энергоэффекивной альтернативой асинхронным движкам являются вентильные модели ПВЭД. Они сокращают расход энергоносителя на 15%, а в комплекте с энергоэффективными насосами на 30%. В некоторых случаях вентильные двигатели являются единственным вариантом силового привода лопастного погружного насоса:
Вместо обмотки в ротор вентильного двигателя устанавливаются магниты постоянного тока из редкоземельных элементов. Это позволяет снизить расход электрической энергии, которая в асинхронных якорях идет на создание магнитного поля. Изменена схема подачи напряжения на статорные обмотки.
Станция управления переключает специальные электронные ключи, получившие название вентилей. Мощность, скорость вращения и диаметр одной секции низкооборотного вентильного электродвигателя составляют 40 кВт, 100 – 1500 мин-1 и 117 мм, соответственно. для высокооборотных моделей эти показатели равны 70 – 77 кВт, 1000 – 6000 об/мин и 55 – 130 мм, соответственно.
Для передачи вращения с двигателя на насос, защиты погружного привода от проникновения в его корпус пластовой жидкости и нивелирования изменения объема масла при нагревании, остывании используется гидравлическая защита.
Этот узел имеет два варианта исполнения – открытого типа и закрытого с диафрагмой. Кроме того, в особо агрессивных средах эксплуатируют гидрозащиту из коррозионностойкой стали.
В состав гидрозщиты электродвигателя входят два независимых узла – протектор и компенсатор. Первый регулирует давление масла и герметизирует вал ПЭД. Второй компенсирует объемные изменения охлаждающей жидкости и выравнивает давление внутри двигателя и скважины. Компенсатор и протектор могут находиться в одном корпусе или иметь двухкорпусную конструкцию.
Если компенсатор гидравлической защиты ПЭД размещен в собственном корпусе, то внутри скважины он находится под электродвигателем.
После соединения компенсатора с двигателем внутреннее пространство этих двух устройств объединяется. При неработающем двигателе пластовое давление выше, чем внутри маслонаполненного двигателя. После включения мотора масло в нем нагревается, увеличивается в объеме, излишки перетекают в камеру компенсатора.
В отдельнокорпусном исполнении проектор гидравлической защиты погружного двигателя устанавливается между ним и насосом ЭЦН.
В отличие от компенсатора, внутренняя полость протектора оснащена двумя диафрагмами, нижней и верхней. Что позволяет в автоматическом режиме выравнивать значение давления пластовой жидкости и охлаждающего масла в двигателе.
При содержании в нефти, для добычи которой используется установка УЭЦН, свободного газа в количестве 5 – 55% по объему в комплект оборудования включаются стабилизирующие устройства – газосепараторы или диспергаторы.
Согласно назначению этих модулей, монтируются они между нижней (первой) секцией насоса и фильтром или входным модулем. Содержащиеся во флюиде пузырьки газа создают вихревые мешки в каналах направляющих аппаратов и на лопастях рабочих колес. Это приводит к снижению циркуляции из-за газовых пробок. Газостабилизирующие устройств дегазируют нефть, выводя легкие фракции из ее состава
Основным рабочим органом газового погружного сепаратора является шнек, которым смесь подается в разделительную камеру.
Центробежная сила внутри камеры сепарации отбрасывает более тяжелую жидкость к стенкам. Одновременно с этим более легкий газ отжимается к валу. Жидкость поступает в насос по каналам головки, а газ выбрасывается в затрубное пространство.
При высокой степени обводненности нефти выброс газа в затрубное пространство экономически невыгоден, так как им можно выполнить полезную работу внутри НКТ колонны. Поэтому вместо сепаратора здесь используется диспергатор.
Этот агрегат несколькими колесами взбивает газированную жидкость, превращая ее в суспензию путем измельчения содержащихся внутри нее пузырьков газа.
При особо высоких показателях газового фактора стабильную работу лопастного насоса невозможно обеспечить, ни сепаратором, ни диспергатором. В этом случае используется универсальное оборудование газосепаратор-диспергатор. Избыточная часть газа выбрасывается в секции сепаратора наружу, в затрубное пространство. Оставшийся в нефти газ измельчается в секции диспергатора, получившаяся суспензия поступает в центробежный насос.
Согласно названию, модуль монтируется перед первой секцией погружного лопастного центробежного насоса. Он используется только при планируемо низком содержании механических примесей в пластовом флюиде. Фактически является укороченной версией фильтра с защитными втулками.
В некоторых случаях входной модуль может встраиваться в верхнюю часть протектора гидравлической защиты либо в нижнюю часть первой секции центробежного насоса. Чаще всего используются модули следующего типа:
Обозначение |
Вес |
Размер корпуса |
Длина |
Размер вала |
МВИ6-28Э |
15 |
123 |
302 |
28 |
МВИ5А-25М1Э |
9,1 |
108 |
190 |
25 |
МВИ5А-25Э |
14,1 |
302 |
||
МВИ5-20М1Э |
8,3 |
103 |
190 |
20 |
МВИ5-20Э |
12,8 |
302 |
||
МВИ4-17Э |
10,5 |
96 |
17 |
Крепление нижнее и верхнее фланцевое ресурсными шпильками, гайками.
В погружном скважинном насосе ЭЦН использован принцип центробежного воздействия на пластовую жидкость, поступающую в него, для увеличения ее характеристики давления. Это достигается специальной формой направляющего аппарата и рабочего колеса:
Принцип действия центробежного насоса состоит в преобразовании энергии вращения вала в энергию давления рабочей среды, проходящую через его внутреннее пространство.
Комплект из направляющего аппарата и рабочего колеса называется ступенью. Несколько ступеней на одном валу внутри общего корпуса составляют секцию насоса, в которую дополнительно входят опоры, подшипники и регулировочные кольца. Верхняя секция оснащается головкой, за которую может зацепиться ловильный инструмент в случае обрыва подвески насосного оборудования в период его эксплуатации.
В каждой ступени рабочее колесо опирается на торец направляющего аппарата из-за вертикального расположения деталей в пространстве и собственного веса. Поэтому в конструкцию секции добавлен подшипник скольжения – опорная пята. Снизу и сверху корпуса располагаются еже два подшипника, компенсирующих радиальные нагрузки всей конструкции в сборе.
Путем регулировки количества секций и ступеней внутри каждой из них можно подобрать проектное значение напора и дебита насоса. При низком содержании в нефти сероводорода и углекислого газа детали ЭЦН изготавливаются из полиамида или серого чугуна. Высокопрочная сталь ОЗХ14Н7В и модифицированный чугун ЦН16Д71ХШ применяются для направляющих аппаратов и рабочих колес, эксплуатируемых при высоком содержании во флюиде H2S и CO2.
Сборка секций осуществляется одним из трех возможных способов:
В последнем варианте рабочее колесо «плавает» между двумя соседними направляющими аппаратами без жесткой фиксации на валу. В нижний его торец впрессована шайба из износостойкого материала (карбонит, текстолит).
При компрессионной сборке рабочие колеса стягиваются на валу муфтами. Высота ступиц вычисляется по размеру направляющих аппаратов. Вся осевая нагрузка передается на вал, поэтому для ее компенсации используется гидрозащита.
Пакетная сборка является улучшенным вариантом предыдущего метода. Только направляющие аппараты собираются в пакеты таким образом, чтобы между ними и рабочими колесами остались зазоры. Исключается человеческий фактор и подгонка при монтаже.
Рабочее колесо здесь разборное, лопасти монтируются между двумя дисками. Подача определяется геометрическими параметрами колеса, не изменяется в ступенях и секциях. Напор складывается из значений каждой ступени. Цилиндрические лопатки рабочих колес обеспечивают подачу менее 250 кубов ежесуточно. При использовании наклонно-цилиндрическими лопастями эта характеристика увеличивается.
Размер секции ограничен 6 метрами, в насосе обычно используется более 600 ступеней, то есть он состоит из трех с лишним секций. Это сделано для удобства транспортировки, хранения, монтажа оборудования. Между собой секции соединяются фланцами или прикручиваются фланцем к корпусу, иногда с дополнительным подшипником, снижающим вибрации.
В установках УЭЦН используются клапаны двух типов не одинакового назначения и конструкции, соответственно:
Обратный клапан предназначен для долгосрочной эксплуатации. Сливной клапан является одноразовым устройством, нормально-закрытым в рабочем положении УЭЦН. При необходимости подъема колонны НКТ вместе в колонну насосно-компрессорных труб сбрасывается специальный инструмент, обламывающий головку штуцера. При этом открывается сквозной канал штуцера, жидкость свободно вытекает через него в скважину наружу.
Готовые установки УЭЦН имеют специальную классификацию у производителей по области применения:
Таким образом, изначально установка УЭЦН проектируется, заказывается и устанавливается в скважину в сборе в виде единого узла. По мере износа оборудования докупаются отдельные узлы – секции насоса, двигатели, элементы гидрозащиты, фильтры, клапаны, газостабилизирующие устройства.