Установки погружных электроцентробежных насосов

Установки ЭЦН являются основным видом нефтедобывающего оборудования. Если в 1960 г. ими добывалось 9,3 млн. т нефти, то уже в 1980 г. около 200 млн. т при 19% фонда сква­жин.

Основным фактором широкого применения УЭЦН является установка привода в скважине около насоса, что ликвидирова­ло длинный узел связи между ними и позволило снять ограни­чение на передачу полезной мощности насосу.

В настоящее время полезная мощность ЭЦН составляет от 14 до 120 кВт против 40 кВт у штанговых насосов. Промыш­ленностью выпускаются насосы для отбора до 1000 м3/сут жидкости при напоре 900 м (табл. 3.1 и 3.2). Содержание в добываемой жидкости сероводорода до 0,01 г/л, для установок коррозионно-стойкого исполнения - 1,25 г/л; максимальное содержание попутной воды - 99%, свободного газа на входе в насос не более 25% (по объему), а для установок с модулями-газосепараторами - 55%. Максимальное содержание твердых частиц - 0,1 г/л, а для насосов в износостойком исполнении-до 5 г/л.

Шифр: ЭЦН-5А-360-600 - электроцентробежный насос для обсадной колонны 5" (диаметром 146 мм) подача 360 м3/сут, напор - 600 м водяного столба (р=1000 кг/м3). Диаметры эксплуатационных колонн в обозначении группы ЭЦН соответствуют:

5 - обсадная колонна диаметром 140 мм с внутренним диа­метром 121,7 мм;

5А - обсадная колонна диаметром 146 мм с внутренним диаметром 130 мм;

6 и 6А - обсадная колонна диаметром 168 мм с внутрен­ним диаметром 144,3 мм и 148,3 мм соответственно.

В соответствии с группами ЭЦН диаметры корпусов насо­сов составляют 92 мм, 103 мм, 114 мм и 137 мм. Внутренний диаметр корпусов насосов соответственно равен 80 мм, 90 мм, 100 мм и 120 мм.

В последнее время промышленностью освоен выпуск насо­сов в модульном исполнении, что позволяет более точно подобрать насос для широкого диапазона параметров сква­жин. В этом случае в обозначение насоса вводится буква «М».

Диаметр насосно-компрессорных труб (НКТ) определяет­ся их пропускной способностью и возможностью совместного размещения в скважине труб с муфтами, насоса и круглого кабеля. Выбирается диаметр НКТ по дебиту скважины, исхо­дя из условия, что средняя скорость потока в трубах должна быть в пределах Vср = 1,2 ÷ 1,6 м/с, причем меньшее значение берется для малых дебитов. Исходя из этого определяют пло­щадь внутреннего канала НКТ, м2,

, (3.1)

и внутренний диаметр, см,

, (3.2)

где Q - дебит скважины, м³/сут; Vср - выбранная величина средней скорости.

Исходя из ближайшего внутреннего диаметра выбирается стандартный диаметр НКТ. Если разница получается сущест­венной, то корректируется Vср.

, (3.2')

где Fвн - площадь внутреннего канала выбранных стандарт­ных НКТ.

Диаметр НКТ также может быть определен по кривым по­терь в насосных трубах (рис. 63 [27]) для заданного дебита и выбранного КПД труб не ниже 0,94.

Необходимый напор определяется из уравнения условной характеристики скважины:

, (3.3)

где hст - статический уровень жидкости в скважине, м; Δh - депрессия, м; hтр - потери напора на трение в трубах; hг - разность геодезических отметок сепаратора и устья скважины; hc - потери напора в сепараторе.

Депрессия определяется при показателе степени уравнения притока, равном единице:

, (3.4)

где К - коэффициент продуктивности скважины, м³/сут·МПа; ρж - плотность жидкости, кг/м³; g = 9,81 м/с².

Потери напора на трение в трубах, м, определяются по формуле

, (3.5)

где L глубина спуска насоса, м,

; (3.6)

h - глубина погружения насоса под динамический уровень; l - расстояние от скважины до сепаратора, м; λ - коэффи­циент гидравлического сопротивления,

Коэффициент λ определяют в зависимости от числа Re и относительной гладкости труб Ks:

, (3.7)

где ν - кинематическая вязкость жидкости, м²/с;

, (3.8)

где Δ - шероховатость стенок труб, принимаемая для неза­грязненных отложениями солей и парафина труб равной 0,1 мм. По графику (рис. 64 [27]) находят значение λ.

Другим способом определения λ является вычисление ее по числу Рейнольдса, независимо от шероховатости:

, если Re < 2300 (3.9)

, если Re > 2300 (3.10)

Потери напора на преодоление давления в сепараторе

, (3.11)

где Pc - избыточное давление в сепараторе.

Подставляя вычисленные значения Δh, hтр и hc и наперед заданные hст и hг в формулу (3.3), найдем величину необхо­димого напора для данной скважины.

Подбор насоса для заданной подачи, необходимого напора и диаметра эксплуатационной колонны скважины производят по характеристикам погружных центробежных насосов (табл. 3.1). При этом необходимо иметь в виду, что в соответ­ствии с характеристикой ЭЦН напор насоса увеличивается при уменьшении подачи, а КПД имеет ярко выраженный мак­симум.

Поскольку характеристики на конкретные типоразмеры ЭЦН часто отсутствуют, то целесообразно по заданным трем точкам рабочей области (табл. 3.1, 3.2) построить участок ха­рактеристики для точного определения напора ЭЦН.

Учитывая, что табличные характеристики построены для воды, следует изменить табличные значения напора в соответ­ствии с плотностью реальной жидкости по соотношению

, (3.12)

где Нв - табличное значение напора ЭЦН; ρв - плотность пресной воды; ρж - плотность реальной жидкости,

Для учета вязкости реальной жидкости (более 0,03 - 0,04 см²/с) и пересчета характеристики ЭЦН следует вос­пользоваться известными методиками пересчета, например [12].

Для совмещения характеристик скважины и насоса приме­няют два способа.

1. На выкиде из скважины устанавливают штуцер, на пре­одоление дополнительного сопротивления которого расходуют избыточный напор насоса ΔH = H - Нc. Однако, этот способ прост, но не экономичен, так как снижает КПД насоса и уста­новки в целом.

2. Второй способ предусматривает разборку насоса и сня­тие лишних ступеней. Этот способ трудоемкий, но наиболее экономичный, так как КПД насоса не изменяется.

Число ступеней, которое нужно снять с насоса для получе­ния необходимого напора, равно [27]

, (3.12a)

где Н - напор насоса по его характеристике, соответствую­щий дебиту скважины; Нс - необходимый напор скважины; z - число ступеней насоса.

Необходимую (полезную) мощность двигателя, кВт, опре­деляют по формуле

, (3.13)

где ηн - КПД насоса по его рабочей характеристике, ρж - наибольшая плотность откачиваемой жидкости.

Учитывая, что КПД передачи от двигателя до насоса (че­рез протектор) составляет 0,92 ÷ 0,95 (подшипники скольже­ния), определим необходимую мощность двигателя:

. (3.14)

Ближайший больший по мощности типоразмер электродви­гателя выбираем по табл. 3.3 и 3.4 с учетом диаметра эксплуа­тационной колонны. Запас мощности необходим для преодоления высоких пус­ковых моментов УЭЦН.

Задача. Рассчитать необходимый напор ЭЦН, выбрать насос и электродвигатель для заданных условий скважины.

Дано: наружный диаметр эксплуатационной колонны - 140 мм;

глубина скважины - 2000 м;

дебит жидкости Q = 120 м³/сут;

статический уровень hст = 850 м;

коэффициент продуктивности скважины К = 60 м³/(сут · МП<variant>;

глубина погружения под динамический уровень h = 40 м;

кинематическая вязкость жидкости ν = 2·10^-6 м²/с;

превышение уровня жидкости в сепараторе над усть­ем скважины hг = 15 м;

избыточное давление в сепараторе Рс = 0,2 МПа;

расстояние от устья до сепаратора l = 60 м;

плотность добываемой жидкости ρж = 880 кг/м3.