Электрические погружные насосы

Электрический погружной многоступенчатый центробежный насос был введен в эксплуатацию для механизированной добычи нефти компанией Reda Pump Company в конце 1920-х годов. С тех пор несколько других компаний разрабатывали электрические погружные насосы для применения на нефтяных месторождениях. В настоящее время эти насосы производятся в широком ассортименте: с различными размерами, производительностью и рабочими напряжениями. При стандартном монтаже насос в сборе и электромотор опускаются в скважину на эксплуатационной колонне. Электричество подводится по кабелю, присоединенному к насосно-компрессорной колонне (рис. 10.32).

Скважинный узел

В типовом монтаже электрического погружного насоса внутрискважинное оборудование состоит из электромотора, многоступенчатого центробежного насоса и кабельной оснастки (рис. 10.33). Трехфазный индукционный электромотор заполнен маслом для охлаждения и смазки. Охлаждение осуществляется с помощью передачи тепла к скважинному флюиду, обтекающему мотор по направлению к газосепаратору и приему насоса, когда узел находится над продуктивной зоной. Эти моторы обычно работают на 3500 об/мин при 60 Гц или 2900 об/мин при 50 Гц. Они могут иметь мощность от нескольких лошадиных сил до более чем 700 л.с. Максимальные мощности, используемые для обсадных труб различного размера, приведены в табл. 10.1. Имеются моторы на разное напряжение (примерно от 300 В до более чем 3000 В), что удобно для наиболее экономически эффективного выбора сочетания мотора и электроарматуры.

Защитная секция предназначена для выравнивания давления масла в корпусе мотора и в устье скважины, что необходимо для компенсации теплового расширения и сжатия нефти. Механические уплотнения предотвращают попадание скважинных флюидов в корпус мотора или утечку масла из него.

Рис. 10.32. Электрический погружной скважинный насос	Рис. 10.33. Разрез погружного насосного узла

Таблица 10.1.Максимальная мощность для разных размеров обсадных колонн

Размер обсадной колонны, дюйм (наружный диаметр, мм)	Максимальная мощность, л.с. (60Гц)
4(112,5) 5 (137,5) 7 (175,0) 8 (215,5)	127,5 240,0 600,0 720,0

Используется специально разработанный внутрискважинный электрический кабель из медных проводов от № 1 до № 8. Размер выбирается на основании силы тока и падения напряжения, обычно с учетом падения напряжения 30 В на 1000 фут. (10 В/100 м). Стандартный кабель, изготовленный из медных проводов с покрытием, с полипропиленэтиленовой изоляцией, нитрильной оболочкой и армированный оцинкованной сталью или монель-металлом. Температурное ограничение составляет 205°F (95°С) при 1500 psi (ПМПа). Чем выше давление, тем ниже предельная температура. Имеются более дорогие кабели с предельной температурой 400°F (200°C). Считается, что стандартный кабель должен служить 10 лет при 167°F (75°C). Повышение температуры на каждые 16°F (9°С) уменьшает срок службы кабеля вдвое. Из-за температурных ограничений предельная глубина применения электрических погружных насосов составляет 3000 м. Обычно кабель имеет круглое сечение, но есть и с плоским — для тех случаев, когда важен просвет.

Наземное оборудование

Типовая наземная установка для погружного насоса состоит из устья скважины для фиксации насосно-компрессорной колонны и внутрискважинного оборудования и для обеспечения уплотнения насосно-компрессорной колонны и силового электрического кабеля, распределительной коробки для обеспечения атмосферозащищенного соединения внутрискважинного и наземного кабелей, распределительного щита для электроарматуры и группы трехфазных трансформаторов (рис. 10.34). Переключатели изготавливаются специально для каждого конкретного случая. Электроарматура производится в атмосферозащитном исполнении и может состоять только из магнитного пускателя и предохранителей, записывающего амперметра, индикаторных лампочек, регуляторов длительности цикла или автоматических приборов дистанционного управления. Можно, кроме того, обеспечить защиту от скачков напряжения в источнике питания.

Рис. 10.34. Наземное оборудование для погружного электронасоса

Группа трансформаторов нужна для преобразования сетевого напряжения в напряжение, необходимое для работы подземного оборудования. Трансформаторы могут быть повышающими или понижающими, и обычно оборудуются разрядными прерывателями и конденсаторами для предотвращения повреждения электромотора из-за скачков напряжения.

Области применения

Электрические погружные насосы обычно используют для скважин с высокой обводненностью, которые функционируют аналогично водяным скважинам. Большая часть установок предназначена для производительности более 1000 барр./сут. (15 900 м³) по следующим причинам:

• к насосу в обсадной колонне нефтяной скважины можно подвести большую мощность, чем в случае других вариантов механизированной добычи;

• центробежные насосы в обсадных колоннах нефтяных скважин способны работать с гораздо большей производительностью, чем поршневые насосы;

• при более низких скоростях добычи более экономичны другие системы.

Обычная установка, изображенная на рис. 10.35, применима только в том случае, когда насос установлен над продуктивным пластом. Если бы насос той же конфигурации (рис. 10.36) был установлен под продуктивной зоной, вокруг мотора не оказалось бы жидкости для охлаждения. Монтаж с насосом ниже продуктивной зоны может потребоваться для снижения давления в скважине до достаточно низкого уровня для обеспечения искомого притока или для обеспечения максимального внутри-скважинного отделения газа в скважинах с высоким газовым фактором. Поток жидкости вокруг мотора в такой конфигурации может быть обеспечен с помощью установки кожуха вокруг приемного отверстия насоса, защитной секции и секции мотора. Если не учитывать кожуха, монтаж не отличается от обычного монтажа внутрискважинного оборудования. Насосы в защитном кожухе не могут применяться в обсадных трубах с наружным диаметром менее 5,5 дюйма (137,5мм). Секция газосепаратора, присоединенная к приему насоса, отделяет значительную часть любого свободного газа от скважинных флюидов.

Как и в других системах механизированной добычи, в этом случае также нужно обеспечить удаление газа из обсадной колонны. Аналогично другим системам, отделение газа от жидкости в ограниченном пространстве не эффективно на 100%. Многоступенчатые центробежные насосы с открытым входом крыльчатки не очень чувствительны к образованию газовых пробок. Однако инжекция газа снижает суммарную производительность насоса и увеличивает расходы на перекачку.

В зависимости от требований, предъявляемых к потоку и оборудованию устья скважины, прием электрического погружного насоса может состоять из любого числа центробежных ступеней (от одной до нескольких сотен). По сравнению с поршневыми насосами, одноступенчатый центробежный насос обычно дает высокие скорости потока при гораздо меньших давлениях нагнетания. Поскольку гидростатический напор, создаваемый одноступенчатым насосом, зависит от диаметра крыльчатки, гидростатический напор центробежного насоса в обсадных трубах меньшего диаметра очень ограничен. Подъем жидкостей с больших глубин требует нескольких ступеней. Небольшие насосы этого типа эффективны примерно на 40%, а большие — почти на 80%. Насосы изготовляются из материалов, устойчивых к коррозии, которую могут вызвать все обычно встречающиеся скважинные флюиды.

Рис. 10.35. Погружной насос в кожухе	Рис. 10.36. Погружной насос с пакером

Электрический кабель

Конструкция с донным приемом используется в тех случаях, когда размеры обсадной колонны не позволяют добиться искомого объема добычи из-за потерь в результате трения в насосно-компрессорной колонне или ограничений по диаметру насоса. В этой конструкции насосный и моторный отсеки меняются местами, насос забирает жидкость через хвостовик на дне агрегата. Этот вид установки чаще всего применяется с обсадными трубами с внешним диаметром 4,5 дюйма (112,5 мм) или для толстостенных труб диаметром 5,5 дюйма (137,5мм).

Высокая объемная производительность и уменьшение скорости потока при повышении встречного давления погружных насосов позволяют использовать их во многих проектах, в том числе заводнения для добычи — закачки в замкнутой системе (рис. 10.37). Большинство коллекторов вначале поглощает воду при высоких скоростях и низких давлениях нагнетания. По мере заполнения коллектора восприимчивость уменьшается и давление нагнетания повышается.