Установки электроприводных диафрагменных насосов для добычи нефти

Диафрагменные насосы относятся к классу объемных. Они предназначены, в первую очередь, для эксплуатации мало- и среднедебитных нефтяных скважин, которые в настоящее время и в ближайшем обозримом будущем являются основным фондом нефтяной промышленности России.

Насос состоит из гидравлической и приводной части. В гидравлическую часть входит всасывающий и нагнетательный клапаны, гидравлическая полость в которую поступает, а затем вытесняется Добываемая жидкость и диафрагма, разделяющая насос на две части. Диафрагма выполняет две функции. Первая - вытеснение добываемой жидкости и вторая - изолирование приводной части от агрессивной добываемой среды. Приводная часть в зависимости от конструктивного исполнения может содержать различные узлы. Ее задачей является создание усилия и его передача на диафрагму. По способу передачи энергии бесштанговые диафрагменные насосы можно разделить на две группы, в первую из которых входят насосы с погружным электроприводом, а во вторую - с поверхностным гидроприводом.

В качестве привода в диафрагменных насосах для добычи нефти наиболее часто используется роторный электродвигатель. Были попытки использовать в качестве привода соленоидные (электромагнитные) и линейные электродвигатели, применение которых приводит к значительным упрощениям в трансмиссии.

Соленоидный двигатель является наиболее простым по конструкции из названных и компактным. Недостатками его являются низкий КПД и большая скорость движения рабочего органа. В настоящее время преодолеть эти недостатки является невозможным, что затрудняет применение подобного двигателя для насосов, предназначенных для добычи нефти.

Линейный двигатель позволяет по сравнению с соленоидным уменьшить скорость поступательного движения якоря, но, к сожалению, имеет относительно низкий КПД (порядка 30%), а, следовательно, и высокую рабочую температуру обмоток. Т.к. диафрагменные насосы предназначены в первую очередь для малодебитных скважин, то охлаждение линейных электродвигателей затруднено, поэтому в настоящее время они не используются.

Роторный асинхронный электродвигатель является в настоящее время самым распространенным типом привода для погружных насосных установок, благодаря достаточно высокому КПД (свыше 80%) и высокой технической и технологической обработанности изготовления, эксплуатации и ремонта.

Система привода от двигателя к диафрагме называется трансмиссией и подразделяется на механическую и гидравлическую.

В диафрагменных насосах с механическим приводом диафрагмы имеется толкатель, который жестко связан с диафрагмой. В период хода нагнетания диафрагма испытывает нагрузку, равную давлению, создаваемому насосом, поэтому с ростом давления, создаваемого насосом, срок службы диафрагмы резко уменьшается. По этой причине при механическом приводе диафрагмы параметры насоса, как правило, жестко связаны с прочностными параметрами диафрагмы и ограничены сроком ее службы. Так как давление, развиваемое погружными насосами для добычи нефти, достаточно велико (порядка 10 МПа), то данный вид трансмиссии не может быть использован в насосах, предназначенных для долговременной работы в скважинах.

В насосах с гидравлическим приводом диафрагмы между ней и исполнительным органом насоса находится жидкая рабочая среда, которая, вытесняясь из рабочей камеры рабочим органом (например - плунжером), воздействует на диафрагму, а через нее - на перекачиваемую среду. При этом диафрагма является лишь разделительным органом, отделяющим рабочую среду и исполнительные органы насоса от перекачиваемой среды. Давление сред по обе стороны диафрагмы практически одинаково. Если отклонение диафрагмы от нейтрального положения выбрано с таким расчетом, что напряжения в материале диафрагмы незначительны, то работоспособность диафрагмы и срок ее службы определяется пределом выносливости материала при многократном изгибе в месте крепления диафрагмы к корпусу насоса. Кроме того, к достоинству этого типа трансмиссии относится возможность передачи больших мощностей при малых размерах элементов, большой срок службы, обуславливаемый в значительной степени самосмазыванием всех элементов трансмиссии рабочей жидкостью и простыми средствами предохранения трансмиссии от перегрузок. К особенностям данного вида трансмиссии следует отнести высокие требования, предъявляемые к качеству изготовления ее элементов, а также к самой рабочей жидкости, свойства которой должны оставаться стабильными при длительной работе в условиях повышенной температуры и давления. В связи с решением Данных задач современными структурами машиностроения и нефтехимии именно данный тип трансмиссии используется для диафрагменных насосов для добычи нефти.

Устройства по поддержанию нейтрального положения диафрагмы (иначе называемые системой компенсации утечек - СКУ) позволяют регулировать объем рабочей жидкости в диафрагменной камере, добавляя ее туда или сбрасывая избыток в сливную линию силового насоса. При использовании такой системы потери рабочей жидкости минимальны, однако, наличие такой системы усложняет конструкцию насоса. В других случаях может быть применена комбинированная система, при которой недостаток рабочей жидкости в диафрагменной камере компенсируется из гидравлической системы насоса, а избыток - сбрасывается в нагнетательный канал диафрагменного насоса. Конкретный выбор одного из способов поддержания нейтрального положения диафрагм зависит от конструкции насоса и, в частности, от конструкции диафрагм.

Как уже указывалось выше, одной из наиболее важных частей насоса является диафрагма. Часто именно ее долговечность определяет долговечность насоса, так как клапаны имеют достаточный ресурс и их конструкция хорошо отработана, а приводная часть насоса отделена от агрессивной среды диафрагмой и, поэтому имеет также высокие показатели долговечности. Так как особенности исполнения диафрагм зависят от конструкции насоса, то вначале рассмотрим их.

Скважинные диафрагменные насосы могут быть как одностороннего, так и двустороннего действия. Насосы одностороннего действия позволяют значительно упростить конструкцию и уменьшить габариты. Однако, при этом появляется значительная неравномерность загрузки привода, что снижает его КПД и надежность. Этот недостаток можно существенно ослабить при применении рекуператоров энергии холостого хода. При этом снижается необходимая установочная мощность привода и улучшаются условия его работы, повышается обший КПД. В то же время наличие рекуператора усложняет конструкцию насоса. Кроме того, выход из строя рекуператора приводит к прекращению работы насоса. Поэтому насосы одностороннего действия изготавливаются небольшой мощности (3-5 кВт).

Насосы двухстороннего действия имеют при одной и той же установочной мощности электродвигателя подачу в 1,5-1,7 раз большую, чем насос одностороннего действия из-за отсутствия холостого хода и более равномерную нагрузку на электродвигатель. Поэтому этот принцип может быть рекомендован при изготовлении насосов большой мощности (свыше 5 кВт).

Конструкция диафрагм

Плоская - наиболее простая и технологичная форма диафрагмы. При использовании гидравлического привода легко устанавливается точка наибольшего прогиба, что упрощает проектирование устройств компенсации. К недостаткам данной конструкции относится небольшая предельно допустимая величина прогиба подобных диафрагм, что делает затруднительным применение их в насосах, рассчитанных на большие подачи (свыше 20 м3/сут).

Сильфон — этот тип диафрагм позволяет изменять объем диафрагменной камеры в несколько раз (рис. 4.73). Кроме того, величина и направление изменения ее объема могут легко контролироваться, что облегчает создание устройств компенсации смещения нейтрального положения диафрагмы при гидравлическом приводе. К недостаткам данной конструкции следует отнести сравнительно большой «мертвый» объем, а также значительные деформации материала диафрагмы

в местах перегибов гофр. Кроме того, при определенных условиях диафрагмы сильфонного типа могут терять свою устойчивость и складываться не по длине, а поперек. Эти диафрагмы могут быть рекомендованы для насосов с достаточно большой подачей (свыше 20 м3/сут).

Цилиндрическая - эти диафрагмы также позволяют изменить объем диафрагменной камеры в несколько раз, причем при этом не образуется мест с высокой степенью деформации (рис. 4.74). Кроме того, эти диафрагмы более просты по конструкции, чем сильфонные. Однако, при применении цилиндрических диафрагм трудно определить направление их максимального прогиба, что затрудняет проектирование устройств компенсации. В целом применение подобных диафрагм оправдано при проектировании насосов на большие подачи и давления [1].

Различаются насосы и количеством диафрагм. Количество диафрагм зависит как от типа насоса - одностороннего или двухстороннего действия, так и от его конструкции. В целях увеличения надежности насоса могут быть установлены двойные диафрагмы, так чтобы прорыв одной из них не вывел бы насос из строя. Таким образом, количество диафрагм диктуется очень большим числом факторов. В нефтяной промышленности нашли применение одно- и двухдиафрагменные насосы.

Диафрагмы, используемые при добыче нефти, изготовлены из эластичных материалов. Условия эксплуатации предъявляют целый ряд требований к выбору материала. Во-первых, материал должен быть стоек к действию нефти и пластовой воды, имеющей, как правило, кислую реакцию. Во вторых, материал должен быть износостоек к абразивному действию механических примесей (зачастую с высокой твердостью), содержащихся в добываемой жидкости. В-третьих, материал должен выдерживать большое количество циклов нагружения. Как правило, для изготовления диафрагм используется маслобензостойкая резина.

Для работы в нефтяной промышленности был предложен целый ряд конструкций погружных диафрагменных насосов.

За рубежом основным разработчиком погружных диафрагменных насосов была германская фирма Pleuger Underwasserpussy Gmb. Ей принадлежит свыше десяти патентов на скважинные диафрагменные насосы различных типов. Наиболее удачная конструкция приведена на рисунке 4.75. Корпус насоса 1 соединен с электродвигателем 2, вал которого вращает конический редуктор 3. Конический редуктор 3 преобразует вращение вала электродвигателя 2 во вращение горизонтального низкоскоростного кулачкового вала 4. Кулачек набегает на толкатель 5, служащий одновременно плунжером диафрагменного насоса. Возврат толкателя 5 осуществляется при помощи пружины 6. Контроль положения диафрагмы осуществляется при помощи золотникового устройства 7, плунжер которого жестко связан с расположенной в рабочей камере 8 диафрагмой 9. При перемещении диафрагмы 9 выше предельного положения открывается канал 10, и избыток масла сбрасывается в сливную линию. При перемещении диафрагмы 9 ниже предельного положения она ложится на нижнюю стенку рабочей камеры 8, под ней образуется разряжение, и по каналу II рабочая жидкость из сливной линии поступает под диафрагму.

Приведенный патент послужил основой для промышленного выпуска фирмой Pleuger насоса с подачей 10 м3/сутки, давлением 10 МПа и КПД 40%. 

Недостатком данного насоса является необходимость спуска в скважину дополнительной колонны труб для компенсации утечек рабочей жидкости. Кроме того, использование в качестве рабочей только одной поверхности поршня затрудняет создание насосов такого типа для добычи нефти из среднедебитных скважин.

В ОКБ БН была разработана аналогичная конструкция, но не требующая применения дополнительной колонны труб для компенсации утечек. Именно эта конструкция в последующем была принята за основу при создании установок электроприводных диафрагменных насосов (УЭДН). В процессе испытаний и подконтрольной эксплуатации были получены следующие характеристики насоса (рис. 4.76).

В настоящее время по ТУ 26-06-1464-86 серийно выпускаются установки типа УЭДН5, предназначенные для добычи нефти из малодебитных скважин с внутренним диаметром обсадной колонны не менее 121,7 мм.

Установка типа УЭДН5 по конструкции аналогична установкам погружных центробежных насосов типа УЭЦН и включает в себя погружной диафрагменный электронасос типа ЭДН5, комплектное устройство для управления электронасосом и его защиты, кабельную линию с муфтой штекерного типа, пояса для крепления кабельной линии к насосно-компрессорным трубам, на которых электронасос опускается в скважину, и клапан для слива жидкости из труб перед подъемом электронасоса на поверхность. Наземный трубопровод у устья скважины снабжен электроконтактным манометром и обратным клапаном. 

Электронасос скважинный диафрагменный (рис. 4.77) выполнен в виде вертикального моноблока, состоящего из асинхронного четырехполюсного электродвигателя 2, конического редуктора 3 и плунжерного насоса 5 с эксцентриковым приводом 4 и пружины 6. Все указанные узлы размещены в общей камере, заполненной маслом, и герметично изолированы от перекачиваемой среды. В нижней части насоса установлен резиновый компенсатор 1 (для компенсации температурного изменения объема масла), а в верхней части установлена резиновая плоская диафрагма 7, которая является рабочим органом насоса. Компенсатор и диафрагма, кроме основной функции насоса, обеспечивают герметичность приводной части насоса, т.е. изолируют ее от прокачиваемой жидкости. Над диафрагмой установлены всасывающий 8 и нагнетательный 9 клапаны, монтажный патрубок и защитная сетка.

В верхней части головки электронасоса расположены три токоввода 10 для соединения с муфтой кабельной линии. Внутри монтажного патрубка непосредственно над нагнетательным клапаном установлен шламовый патрубок с муфтой. Монтажный патрубок снабжен муфтой для соединения с насосно-компрессорной трубой диаметром 60 мм.

Для крепления защитной сетки и плоского кабеля предусмотрены зажимы и накладки.

Для защиты нагнетательного клапана от твердых частиц в конструкции насоса предусмотрены шламовые трубы, которые соединяются между собой с помощью конической резьбы. Затем их соединяют со шламовым патрубком электронасоса. Верхняя труба сверху закрыта конусом, имеющим радиальные отверстия.

Откачиваемая электронасосом жидкость через нагнетательный клапан подается в шламовые трубы и через радиальные отверстия конуса выбрасывается в НКТ. Проходя через шламовые трубы и НКТ, жидкость очищается от твердых частиц.

Для слива жидкости из колонны НКТ при подъеме электронасоса из скважины используют сливной клапан.

Обозначение установки УЭДН5-12,5-800 ВП 00-1,6 ТУ-26-06- 1464-86 расшифровывается следующим образом: У-установка; ЭДН5-12.5-800 - типоразмер электронасоса; Э - привод от погружного электродвигателя; Д - диафрагменный; Н - насос; 5 - номер группы электронасоса для использования в скважинах с внутренним диаметром колонны обсадных труб не менее 121,7 мм; 12,5 - подача, м3/сут; 800 - напор, развиваемый электронасосом, м; ВП 00 - вариант поставки; 1,6 - верхний предел измерения манометра электроконтактного, МПа.

При заказе указывается обозначение варианта поставки и верхний предел измерения электроконтактного манометра в МПа из ряда 1; 1,6; 2,5.

С установками любых типоразмеров поставляются групповые комплекты: запасных частей для проведения среднего и капитального ремонтов (один комплект на пять установок); сменных плунжерных пар, обеспечивающих получение различных значений подачи насоса (табл. 4.30); монтажных частей, инструмента и принадлежностей.

Установки работают от сети переменного тока напряжением 380 В при частоте тока 50 Гц.

Установки типа УЭДН5 предназначены для перекачивания пластовой среды, состоящей из смеси нефти, воды и газа. Содержание пластовой воды в перекачиваемой среде не ограничивается. Максимальное массовое содержание твердых частиц - 0,2%; максимальное объемное содержание нефтяного газа на приеме насоса 10%; водородный показатель пластовой воды - рН 6,0-8,5; максимальная концентрация сероводорода - 0,01 г/л.

Таблица 4.30- Основные рабочие характеристики диафрагменных насосов

Установка	Подача, м/сут, не менее	Давле­ние, МПа	Мощность, кВт, не более	КПД, %, не менее	Подпор, м	Ток средний, А
УЭДН5-4-17	4	17	2,2	35	10	9
УЭДНб-6,3-13	6,3	13	2,45	38	10	9
УЭДН5-8-11	8	11	2,6	38	10	9,2
УЭДН5-10-10	10	10	2,8	40	10	9,5
УЭДНб-12,5-8	12,5	8	2,85	40	15	9,6
УЭДН5-16-6,5	16	6,5.	2,85	40	20	9,6

Рабочий диапазон изменения температуры - от 5 до 90°С.

Погружной диафрагменный электронасос опускается в скважину на насосно-компрессорных трубах ГОСТ 633-80 условным диаметром 42, 48 или 60 мм. Для увеличения объема кольцевой шламовой камеры у шламовых труб первая труба над электронасосом должна иметь диаметр 60 мм. Между первой и второй трубами устанавливается сливной клапан. Кабельная линия, по которой подводится электроэнергия к электронасосу, крепится к трубам поясами по мере спуска, на поверхности скважины она соединяется с комплектным устройством или с разъединительной коробкой системы электрооборудования, предохраняющей комплектное устройство от попадания в него нефтяного газа по кабелю. На поверхности скважины располагается устьевое оборудование, конструкция которого выбирается потребителем установки в зависимости от условий эксплуатации. Устьевое оборудование соединяется специальным отводом с наземным трубопроводом. Электроконтактный манометр соединяется трубкой манометра с отводом, а сигнальным проводом - с комплектным устройством. Для предупреждения обратного движения откачиваемой жидкости из наземного трубопровода в НКТ отвод снабжается обратным клапаном.

Насосно-компрессорные трубы, устьевое оборудование, отводной трубопровод и обратный клапан не входят в комплект поставки установки типа УЭДН5, их выбирает и приобретает потребитель установок в зависимости от условий эксплуатации скважины.

Габаритные размеры установок типа УЭДН5: диаметр - 117 мм, длина - 2700 мм. Масса установок до 1377 кг.

Установки и электронасосы различных типоразмеров полностью унифицированы и отличаются сечением и длиной круглого кабеля кабельной линии, а также рабочим диаметром сменной плунжерной пары, входящей в состав плунжерного насоса.

Электронасос заполняется маслом и испытывается в заводских условиях. На устье скважины он поступает полностью подготовленным к спуску. При монтаже электронасоса на устье скважины с токовводов снимаются транспортировочные крышки и подсоединяется муфта кабеля.

Для привода погружных диафрагменных электронасосов типа ЭДН5 всех типоразмеров служит погружной асинхронный четырех- полюсный электродвигатель типа ПЭДД 2,5-117/4В5. Электродвигатель выполнен в виде самостоятельного блока, что создает ряд преимуществ при его изготовлении, заводских испытаниях, поставках потребителям и ремонте, а также при сборке с насосом.

Электродвигатели типа ПЭДД 2,5-117/4В5 выпускаются по техническим условиям ТУ 16-652.016-85.

Техническая характеристика приведена ниже.

Мощность, кВт 2,5

Линейное напряжение, В  350

Ток, А   7,9

Скольжение,  7

КПД,%  75

Наружный диаметр, мм   117

Длина, мм  1370

Масса, кг         80

Для управления погружными диафрагменными электронасосами типа ЭДН5 и их защиты от повреждений при аномальных условиях эксплуатации служит устройство комплектное типа Ш5103-3277У1.

Устройство выпускается по техническим условиям ТУ 16-656.109-86 и предназначено для погружных электродвигателей мощностью 2,5 и 5,5 кВт. Устройство выпускается в климатическом исполнении У (умеренный климат) для категории размещения I (открытая установка, под навесом), при этом температура окружающего воздуха должна быть не ниже 40°С. Это устройство является составной частью установок погружных диафрагме иных электронасосов типа УЭДН5 и установок погружных винтовых электронасосов типа УЭВН5.

Оно обеспечивает функции управления и защиты, аналогичные функциям, заложенным в комплектные устройства, применяемые для управления установками ЭЦН и ЭВН.

Устройство выполнено в металлическом шкафу одностороннего обслуживания с передней и дополнительной дверьми для предохранения лицевых частей приборов и аппаратов от воздействия внешней среды. Высота устройства (с подставкой и верхней лампой) 1600 мм, ширина 675 мм, глубина 560 мм, масса 125±10 кг.

Фирма «ШКОЛ» производит на механическом заводе «Купол» (г. Ижевск) модификацию диафрагменных насосных установок УЭДН5 с двигателями мощностью 3 и 5, 5 кВт по ТУ3665-007-00220440-93, обозначения которых представлены ниже [I]. 

УЭДН 5-4-2000 УЭДН 5-6,3-1500 УЭДН 5-8-1300 УЭДН 5-10-1200 УЭДН 5-12,5-900 УЭДН 5-16-750 УЭДН 5-20-600

УЭДН 5-4-2100 УЭДН 5-6,3-1600 УЭДН 5-8-1400 УЭДН 5-10-1300

УЭДН 5-12,5-1000

УЭДН 5-16-850 УЭДН 5-20-800

Установки, представленные в левой колонке, комплектуются погружными электродвигателями ПЭДДЗ-117 мощностью 3 кВт, а в правой колонке - ПЭДД5,5-117.

Кроме изменения характеристики Q-H имеются следующие дополнения. На установке используется стандартный токоввод (как на установках ЭЦН), а также установлен обратный клапан для циркуляции жидкости при проведении подземного ремонта.

Подача диафрагменного электронасоса определяется по следующей формуле:

где a - коэффициент подачи; s - скольжение электродвигателя; е — ход плунжера, обеспечиваемый эксцентриком, мм; f - частота тока; i - передаточное число конического редуктора, р - число пар полюсов электродвигателя; d- диаметр плунжера.

Мощность, потребляемая электронасосным агрегатом

где Q - подача насоса; Н - развиваемый напор; р - плотность перекачиваемой среды; hн, hр, hэ - КПД соответственно плунжерного насоса, редуктора и электродвигателя.

К сожалению, конструкции насоса ЭДН5 была не лишена ряда недостатков, в частности - применяется схема насоса одностороннего действия без рекуператора мощности с большим числом ходов диафрагмы. К тому же добычные возможности представленных насосов ограничены мощностью механического редуктора, в связи с чем при увеличении дебита насоса необходимо соответственно уменьшать развиваемый насосом напор. Поэтому были продолжены работы по созданию новых конструкций.

Конструкции бесштанговых объемных насосов, разработанные в ОКБ БН совместно с ГАНГ им. И. М. Губкина, лишены указанных недостатков. Предложенные насосы являются насосами двойного действия с приводом от погружного электродвигателя, гидравлической трансмиссией и с блоком разделительных диафрагм. Схемы этих насосов представлены в [1].

Как видно из представленного анализа конструкций, на сегодняшний день не удалось в полной мере реализовать возможности диафрагменных насосов. Наиболее перспективными являются насосы с роторным приводом и гидравлической трансмиссией двойного хода. Решение проблемы компенсации утечек и контроля положения диафрагмы является основным для всех видов гидроприводных насосов и пока, к сожалению, не решена в должной мере.

⇐ Предыдущая36373839404142434445Следующая ⇒

Поделиться: