Файл: Системный анализ причин отказов установок электроцентробежного насоса при добыче нефти.pdf

25
Рисунок 9 – Конструкция односекционного электродвигателя:
1 – статор; 2 – обмотка статора; 3 – ротор; 4 – втулка подшипника; 5 – головка; 6 – пята; 7 – подпятник; 8 – клапан обратный, 9 – колодка, 10 – основание, 11 – фильтр, 12 – клапан перепускной, 13 – клапан обратный; 14 – крышка кабельного ввода; 15 – крышка верхняя; 16
– муфта шлицевая, 17 – крышка нижняя [3]
Электродвигатель (рисунок 9) состоит из статора 1, ротора 3, головки 5, основания 10 и узла токоввода 9. Статор 1 представляет собой выполненный из специальной трубы корпус, в который запрессован магнитопровод из листовой электротехнической стали. В пазы статора уложена трехфазная протяжная обмотка из специального обмоточного провода. Фазы обмотки соединены в звезду. Внутри статора размещается ротор 3, представляющий собой набор пакетов, разделенных между собой промежуточными подшипниками и последовательно надетыми на вал. Вал ротора выполнен пустотелым для обеспечения циркуляции масла. Пакеты ротора набраны из листовой электротехнической стали В пазы пакетов вставлены медные стержни, сваренные по торцам с медными кольцами. В головке электродвигателя

26 размещен узел упорного подшипника 6, который воспринимает осевые нагрузки от веса ротора. В нижней части электродвигателя расположено основание 10, в котором размещен фильтр 11 для очистки масла.
Секционные двигатели состоят из верхней и нижней секций, которые соединяются при монтаже двигателя на скважине. Каждая секция состоит из статора и ротора, устройство которых аналогично односекционному электродвигателю. Электрическое соединений секций между собой последовательное, внутреннее и осуществляется с помощью 3-х наконечников.
Герметизация соединения обеспечивается уплотнением при стыковке секций.
Предельная длительно допускаемая температура обмотки статора электродвигателей (по сопротивлению для электродвигателей диаметром корпуса 103 мм) равна 170˚С, остальных электродвигателей 160˚С [3].
Двигатели предназначены для работы в среде пластовой жидкости (смесь нефти и попутной воды в любых пропорциях) с температурой до 110˚С, содержащей:

механические примеси с относительной твердостью частиц не более 5 баллов по шкале Мооса – не более 0,5 г/л;

сероводород: для нормального исполнения – не более 0,01 г/л; для коррозионностойкого исполнения – не более 1.25 г/л;

свободный газ (по объему) – не более 50%. Гидростатическое давление в зоне работы двигателя не более 0 Мпа.

допустимые отклонения от номинальных значений питающей сети: по напряжению – от минус 5% до плюс 10%; по частоте переменного тока -
±0,2Гц; по току – не выше номинального на всех режимах работы включая вывод скважины на режим.

27 оборудованных УЭЦН, и защиты погружных агрегатов от аномальных режимов работы (перегрев электродвигателя или снижение давления жидкости на приеме насоса ниже допустимого).
Система ТМС состоит из скважинного преобразователя (ТМСП), трансформирующего давление и температуру в частотно-манипулированный электрический сигнал, и наземного прибора (ТМСН), осуществляющего функции блока питания, усилителя-формирователя сигналов и устройства управления режимом работы погружным электронасосом по давлению и температуре. Скважинный преобразователь давления и температуры (ТМСП) выполнен в виде цилиндрического герметичного контейнера, размещаемого в нижней части электродвигателя или головке ПЭД и подключенного к нулевой точке его статорной обмотки. Наземный прибор, устанавливаемый в станции управления УЭЦН, обеспечивает формирование сигналов на её отключение и выключение насоса по давлению и температуре, а также при установке в станции управления с частотным преобразователем используется для работы по поддержанию заданных параметров (например, давление на приеме насосной установки). В качестве линии связи и энергопитания ТМСП используется силовая сеть питания погружного электродвигателя [11].
2.6 Газосепараторы и диспергаторы
Для откачивания пластовой жидкости, содержащей у сетки входного модуля насоса свыше 5 % (до 55 %) по объему свободного газа, к насосу подсоединяется модуль насосный – газосепаратор.
Газосепаратор (рисунок 10 а) устанавливается между входным модулем и модулем-секцией. Наиболее эффективны газосепараторы центробежного типа, в которых фазы разделяются в поле центробежных сил. При этом жидкость концентрируется в периферийной части, а газ - в центральной части газосепаратора и выбрасывается в затрубное

28 пространство. Газосепараторы серии МНГ имеют предельную подачу
50

500 м3/сут, коэффициент сепарации 90%, массу от 6 до 42 кг.
Диспергаторы (рисунок 10 б) предназначены для измельчения газовых пробок в пластовой жидкости, подготовки однородной эмульсии и подачи ее на вход погружного центробежного насоса.
Рисунок 10 а – Чертеж газосепаратора
Рисунок 10 б – Чертеж диспергатора
Газосепараторы-диспергаторы (рисунок 11) совмещает в себе конструкцию как газосеператора так и диспиргатора в одном корпусе. Применение газосепараторов-диспергаторов позволяет эксплуатировать УЭЦН при особо высоком газовом факторе (до 65 %) [3].

29
Рисунок 11 Чертеж и разрез газосепаратора-диспергатора ГДН 5
По принципиальной схеме газосепараторы, диспергаторы и газосепараторы - диспергаторы являются центробежными. Они в соответствии с рисунком 11 содержат корпус, вал, основание, приемную сетку, защитную гильзу, предохраняющую корпус от гидроабразивного износа, радиальные подшипники. Основным рабочими органами газосепараторов является барабан, колесо квитирующее и шнек, а диспергаторов - несколько диспергирующих ступеней, состоящих из шнека и обоймы. В газосепараторе-диспергаторе на едином валу устанавливаются рабочие органы газосепаратора и ступени диспергатора. Осевая опора в изделиях отсутствует. Осевое усилие передается на опору в гидрозащите. Стыки соединений уплотнены резиновыми кольцами для защиты от прорыва газа в соединении. Корпус, защитная гильза, рабочие органы газосепараторов и диспергирующие ступени диспергаторов изготовляются из нержавеющей стали для повышения сопротивляемости гид- роабразивному износу. Радиальные подшипники выполнены из релита (карбида кремния).
В процессе эксплуатации установки газожидкостная смесь через приемную сетку и отверстия в основании газосепаратора попадает на шнек и далее на колесо квитирующее. За счет приобретенного напора газожидкостная смесь поступает в барабан, снабженный радиальными ребрами, где под действием центробежных сил газ отделяется от жидкости. Далее жидкость с периферии барабана поступает по каналам разделителя на прием насоса, газ через наклонные отверстия отводится в затрубное пространство. При

30 поступлении пластовой жидкости в диспергирующие ступени диспергатора происходит измельчение газовых пробок и подготовка однородной эмульсии, которая затем подается на вход погружного центробежного насоса. В газосепараторе-диспергаторе происходят оба описанных процесса.
2.7 Гидрозащита
Гидрозащита предназначена для предотвращения проникновения пластовой жидкости во внутреннюю полость электродвигателя, компенсации изменения объема масла во внутренней полости от температуры электродвигателя и передачи крутящего момента от вала электродвигателя к валу насоса.
Разработано два варианта конструкций гидрозащит для двигателей унифицированной серии: открытого типа - П92; ПК92; П114; ПК114 и закрытого типа - П92Д; ПК92Д; (с диафрагмой) П114Д; ПК114Д.
Гидрозащиту выпускают обычного и коррозионностойкого (буква К - в обозначении) исполнений.
Основным типом гидрозащиты для комплектации ПЭД принята гидрозащита открытого типа, далее будет рассмотрена именно она.
Гидрозащита открытого типа требует применения специальной барьерной жидкости, обладающей физико-химическими свойствами, которые исключают ее перемешивание с пластовой жидкостью скважины и маслом в полости электродвигателя. Конструкция гидрозащиты открытого типа представлена на рисунке 12 (а), закрытого типа - на рисунке 12 (б).

31
Рисунок 12
-
Гидрозащита открытого (а) и закрытого (б) типов:
А - верхняя камера; Б - нижняя камера; 1 - головка; - верхний ниппель: 3 - корпус; 4 - средний ниппель; 5 - нижний ниппель; 6 - основание; 7 - вал; 8 - торцовое уплотнение;
9 - соединительная трубка; 10 - диафрагма
Гидрозащита состоит из протектора и компенсатора. Протектор служит для герметизации вала, передающего вращение насосу, а также для регулирования давления в системе при температурных расширениях масла и удаления газов, скопившихся в процессе работы двигателя. Протектор представляет собой маслонаполненную камеру с набором защитных и регулирующих устройств. Компенсатор служит для уравнивания давления во внутренней полости двигателя с давлением пластовой жидкости в скважине и компенсации теплового изменения объема масла во внутренней полости двигателя при его работе и остановках. Компенсатор, представляет собой камеру, образованную эластичной диафрагмой, сообщающуюся с электродвигателем.
В настоящее время погружные электродвигатели комплектуются либо однокорпусной, либо двухкорпусной гидрозащитой.
2.7.1 Двухкорпусная гидрозащита
В двухкорпусной гидрозащите (на примере модульной гидрозащиты МГ-
54 производства «Алнас») компенсатор располагается в отдельном корпусе ниже электродвигателя, а протектор устанавливается между насосом и двигателем [29].

32 2.7.2 Однокорпусная гидрозащита
Однокорпусная гидрозащита на сегодняшний день наиболее распространена (рисунок 13) (на примере 1Г-57 производства «Алнас») и представляет собой протектор, в корпусе которого размещается компенсатор.
Протектор устанавливается над электродвигателем.
Рисунок 13 – Однокорпусная гидрозащита [29]
При спуске установки в скважину (рисунок 14 а) пластовая жидкость через отверстие в головке гидрозащиты по каналу в верхнем ниппеле поступает в полость за диафрагмой (во внешнюю полость камеры А). По мере погружения установки, вследствие увеличения гидростатического давления жидкости, диафрагма сжимается, тем самым, уравнивая давление масла в двигателе с давлением окружающей среды. При работе электродвигателя (рисунок 14 б) масло увеличивается в объёме вследствие повышения температуры. Тепловое расширение масла вызовет его перемещение по зазорам вдоль вала, через гидрозатворные камеры, в полость диафрагмы (камера А). Давление на гибкую диафрагму изнутри, вызванное притоком масла, передается наружу и вытесняет пластовую жидкость из полости за диафрагмой в скважину. При остановке двигателя масло, остывая, уменьшится в объеме и резиновая диафрагма под действием гидростатического давления, сожмется и пополнит маслом полость

33 электродвигателя. При этом давление масла в двигателе уравняется с давлением окружающей среды [29].
Рисунок 14 – Принцип работы однокорпусной гидрозащиты открытого типа
[29]
2.8 Кабельные линии
Кабельные линии предназначены для подачи электроэнергии с поверхности земли к погружному электродвигателю К кабельным линиям предъявляются достаточно жесткие требования — малые электрические потери, малые диаметральные габариты, хорошие диэлектрические свойства изоляции, термостойкость к низким и высоким температурам, хорошая сопротивляемость воздействию пластовой жидкости и газа и т.д. Кабельная линия состоит из основного питающего кабеля (круглого или плоского) и соединенного с ним плоского кабеля удлинителя с муфтой кабельного ввода.
Соединение основного кабеля с кабелем-удлинителем обеспечивается неразъемной соединительной муфтой (сросткой). С помощью сростки могут быть соединены также участки основного кабеля для получения требуемой длины. Кабельная линия на основной длине чаще всего имеет сечение круглое или близкое к треугольному (рисунок 15 а). Для уменьшения диаметра погружного агрегата (кабель + центробежный насос) нижняя часть кабеля имеет плоское сечение (рисунок 15 б). Кабель выпускается с полимерной изоляцией, которая накладывается на жилы кабеля в два слоя. Три
А
Б

34 изолированные жилы кабеля соединяются вместе, накрываются предохраняющей подложкой под броню и металлической броней.
Металлическая лента брони предохраняет изоляцию жил от механических повреждений при хранении и работе, в первую очередь — при спуске и подъеме оборудования [3].
Рисунок 15 – Схема кабеля КПБК (а) и КПБП (б):
1 – токопроводящая жила; 2 – изоляция; 3 – оболочка; 4 – ткань; 5 – бронепокров [3]
Имеется большое количество различных марок кабельных линий отечественных и зарубежных фирм. Конструкционно, все они выполнены по схеме, представленной на рисунке 18 (а), (б). Отличия заключаются, прежде всего, в допустимом диапазоне рабочих температур кабеля и материалов изоляции и брони кабеля. Диапазон температур для различных марок колеблется в диапазоне 90 -160 градусов Цельсия. В зависимости от назначения в кабельную линию могут входить: в качестве основного кабеля - круглые кабели марок КПБК, КТЭБК,
КФСБК или плоские кабели марок КПБП, КТЭБ, КФСБ; в качестве удлинителя - плоские кабели марок КПБП или КФСБ;муфта
А
Б

35 кабельного ввода круглого типа. Кабели марок КПБК и КПБП с полиэтиленовой изоляцией предназначены для эксплуатации при температурах окружающей среды до +90 °С.
Кабели КПБК и КПБП состоят из медных токопроводящих жил, изолированных в два слоя полиэтиленом высокой плотности и скрученных между собой (в кабелях КПБК) или уложенных в одной плоскости (в кабелях
КПБП), а также из подушки и брони.
Кабели марок КТЭБК и КТЭБ с изоляцией из термоэластопласта предназначены для эксплуатации при температурах окружающей среды до
+110 °С. Кабели КТЭБК и КТЭБ состоят из медных, изолированных полиамидно-фторопластовой пленкой токопроводящих жил в изоляции и оболочках из термоэластопласта и скрученных между собой (в кабелях КТЭБК) или уложенных в одной плоскости (в кабелях КТЭБ), а также из подушки и брони.
Кабели марок КФСКБ и КФСБ с фторопластовой изоляцией предназначены для эксплуатации при температурах окружающей среды до
+160 °С.
Кабели КФСБК и КФСБ состоят из медных, изолированных полиамидно- фторопластовой пленкой токопроводящих жил в изоляции из фторопласта и оболочках из свинца и скрученных между собой (в кабелях КФСБК) или уложенных в одной плоскости (в кабелях КФСБ), а также из подушки и брони.
У погружного двигателя кабельная линия заканчивается штепсельной муфтой (рисунок 16), которая обеспечивает герметичное соединение с обмоткой статора двигателя. Верхний конец кабельной линии проходит через специальное устройство в оборудовании устья скважины, которым обеспечивается герметичность затрубного пространства, и соединяется через клеммную коробку с электрической линией станции управления.