Обзор технологии нефтяных насосов ЭЦН
На более чем 60 процентах нефтедобывающих скважин для производства вначале определенных извлекаемых припасов нужно применение той либо другой технологии механизированной добычи. Из примерно 832000 скважин с механизированной добычей в мире, приблизительно 14 процентах эксплуатировались либо эксплуатируются с внедрением ЭЦН.
Механизированные методы добычи являются неотъемлемой частью эксплуатации скважин, в особенности на месторождениях поздней стадии разработки, где продуктивные пласты не владеют достаточным давлением для подъема нефти на устье. По мере того как дебиты скважины по газу и нефти продолжают понижаться, а дебит по воде вырастает, а именно в пластах с водонапорным режимом, нефтедобывающая компания может начать использовать заводнение — способ увеличения нефтеотдачи при котором вода закачивается в пласт через водонагнетательную скважину для перемещения углеводородов к другим скважинам.
При всем этом с течением времени дебит скважины по нефти продолжит понижаться, а дебит по воде будет расти. В итоге, время откачки, например, для станка-качалки вырастает до того момента, пока насос не станет работать 20 четыре часа в день. В это время, более удобным способом роста добычи является установка насоса с большей производительностью.
Одним из применимых вариантов, в особенности при операциях заводнения с применением огромных объемов, является погружной насос с электроприводом. Системы ЭЦН могут быть лучшим вариантом для высокодебитных скважин, на которых вышло падение уровня добычи и существует необходимость его увеличения. Эта задачка животрепещуща для многих месторождениях в Русской федерации и странах СНГ. Старенькые системы газлифта в критериях сильного обводнения могут работать при более низких давлениях и обеспечить более полный отбор извлекаемых припасов нефти, если затратить средства на перевод этих скважин на ЭЦНы.
Из всех систем механизированной добычи электронные центробежные насосы (ЭЦН) обеспечивают самую большую отдачу на более глубочайших скважинах, но совместно с тем их применение просит более нередких ремонтов и соответственного роста издержек. В добавок, ЭЦН обеспечивают потрясающие рабочие свойства в средах насыщенных газом и водой. Газ и вода находятся естественным образом в сырой нефти в огромных объемах. Для способности откачки нефти на устье нужно отделить от нее газ и воду. Высочайшее их содержание может вызвать газовые пробки в механизме насоса, что приведет к значительному понижению производительности и будет нужно извлечение из скважины всей насосно-компрессорной колонны и повторной ее заправки.
Разработка электронных центробежных насосов
На большинстве нефтяных месторождений на стадии эксплуатации для откачки нефти на устье употребляются скважинные насосы, которые имеют электропривод. Насос обычно содержит в себе несколько поочередных секций центробежных насосов, которые могут быть сконфигурированы с учетом специфичных характеристик ствола скважины для определенного предназначения. Электронные центробежные насосы (ЭЦН) являются принятым способом механизированной добычи, обеспечивающим широкий спектр размеров и производительности. Электронные центробежные насосы обычно употребляются на старенькых месторождениях с высочайшей обводненностью (высочайшим соотношением вода-нефть).
Насосы ЭЦН обеспечивают экономную добычу методом увеличения нефтеотдачи на данных низкопродуктивных старенькых месторождениях. Заканчивания с оснащением ЭЦН являются другими средствами механизированной эксплуатации скважин, которые имеют низкие давления призабойной зоны. Заканчивания скважины с оснащением ЭЦН являются более действенным методом эксплуатации высокодебитных скважин. При использовании ЭЦН огромных размеров были получены дебиты до 90000 баррелей (14500 м3) воды в день.
Составляющие ЭЦН
Система ЭЦН состоит из нескольких компонент, которые крутят поочередно соединенные центробежные насосы для увеличения давления скважинной воды и подъема ее на устье. Энергия для вращения насоса обеспечивается высоковольтным (от 3 до 5 кВ) источником переменного тока, который приводит в действие особый движок, способный работать при больших температурах до 300 °F (150 °C) и больших давлениях до 5000 фунт/дюйм2 (34 MПa) в скважинах глубиной до 12000 футов (3,7 км) с потребляемой мощностью до 1000 лошадиных сил (750 кВт). В ЭЦН применяется центробежный насос, который соединен с электродвигателем и работает при погружении в скважинную жидкость. Герметично изолированный электродвигатель крутит серию рабочих колес. Каждое рабочее колесо в серии подает жидкость через отвод во входное отверстие рабочего колеса размещенного над ним.
В типовом 4 дюймовом ЭЦН, каждое рабочее колесо дает надбавку давления приблизительно 9 psi (60 KПa). К примеру, обычный 10-ти секционный насос делает давление около 90 psi (600 KПa) на выходе (т.е 10 колес x 9 psi). Лифт и производительность насоса зависят от поперечника рабочего колеса и ширины лопатки рабочего колеса. Давление насоса является функцией количества рабочих колес. В качестве примера, 7-ми секционный насос с мощностью 1/2 лошадиной силы может откачивать большой объем воды при низком давлении, тогда как 14-ти секционный насос с мощностью 1/2 лошадиной силы откачает наименьший объем, но при более высочайшем давлении. Как во всех центробежных насосах, повышение глубины скважины либо давления на выходе приводит к понижению производительности.
В системах ЭЦН электродвигатель размещается понизу сборки, а насос сверху. Электронный кабель крепится к внешней поверхности НКТ и сборка в сборе спускается в скважину таким макаром, что насос и электродвигатель находятся ниже уровня воды. Система механических уплотнений и разглаживающее/предохранительное уплотнение (равнозначные наименования) употребляются для предотвращения поступления воды в электродвигатель и устранения угрозы недлинного замыкания. Насос может быть подсоединен или к трубе, к гибкому шлангу, или спущен по направляющим рельсам либо проволоке таким макаром, что насос садится на фланцевую муфту с лапой и при всем этом обеспечивается соединение с компрессорными трубами. При вращении электродвигателя вращение передается на рабочее колесо в батарее поочередных центробежных насосов. Чем больше секций имеет насос, тем выше будет подъем воды.
Электродвигатель подбирается с учетом потребностей насоса. Насос проектируется для откачки определенного объема воды. Вал может быть сделан из монель-металла, а секции из коррозионно- и износоустойчивого материала. Насос имеет роторно-центробежное действие. Защитный узел крепится сверху насоса для изолирования электродвигателя и для обеспечения движения вала в центре для привода насоса.
Кабель проходит из высшей части электродвигателя, с боковой стороны от насоса/уплотнения, и крепится к наружной поверхности каждой НКТ по всей длине лифтовой колонны от электродвигателя до устья скважины, а потом до электрораспределительной коробки. Кабель состоит из 3-х жил защищенного и изолированного непрерывного провода. Bвиду ограниченного зазора вокруг насоса/уплотнения, в промежутке от электродвигателя до НКТ выше насоса употребляется тонкий кабель. В этом месте он сращивается с наименее дорогим круглым кабелем, который проходит до устья. Кабель может иметь железную оболочку для защиты от повреждения.
Проектирование систем ЭЦН просит всестороннего и кропотливого анализа с целью одновременного решения ряда специфичных задач их внедрения. Для проектирования требуется информация по притоку скважины (кривая потока (КП) либо кривая продуктивности скважины (КПС)), данные о скважинных жидкостях (дебит по нефти, водонефтяной фактор, газожидкостное соотношение), данные по трубам (глубины и размеры НКТ и обсадных труб), температуры (на забое и на устье), и давления на устье скважины. Для соответствующего проектирования и подбора оборудования также требуется информация по жесткой фазе, жестким отложениям, асфальтенам, коррозионно-активным жидкостям, коррозионно-активным газам и т.д.
Оборудование устья просит установки силового трансформатора и щита управления, также электрораспределительной коробки с воздушным остыванием. Если требуется внедрение привода с регулируемой скоростью (ПРС), тогда нужен дополнительный повышающий трансформатор в цепи до входа кабеля в устье скважины. Трубная головка имеет конструкцию, позволяющую задерживать колонну НКТ и изолировать электронный кабель. Этот изолятор, обычно, способен выдержать давление как минимум 3000 psi. Щит управления обычно оборудуется амперметром, плавкими предохранителями, молниезащитой и системой отключения. Он имеет и другие устройства, такие как выключатель при высочайшем и низком токе и аварийную сигнализацию. Он позволяет эксплуатировать скважину безпрерывно, с перерывами либо стопроцентно приостановить эксплуатацию.
Он обеспечивает защиту от пиков напряжения либо разбалансирований, которые могут произойти в источнике электропитания. Трансформаторы, обычно, размещаются на краю кустового основания. Входящее электронное напряжение трансформируется в напряжение, требуемое для работы электродвигателя на предполагаемой нагрузке и для компенсации утрат в кабеле. Завышенное напряжение (пониженный ток) понижает утраты на скважинном кабеле, но следует учесть и другие причины (Справочное управление по промысловым насосам, 2006). ЭЦН резко теряют производительность когда в насос попадает значимый процент газа.
Пороговый уровень для начала появления трудности с газом обычно принимается 10% толики газа по объему на входе насоса при давлении на входе насоса. Ввиду того, что насосы имеют высшую — до 4000 об/мин (67 Гц) — скорость вращения и малые зазоры, они не являются стойкими к воздействию жесткой фазы, к примеру песка. ЭЦНы для нефтяных скважин выпускаются для обсадных колонн поперечников от 4 1/2 до 9 5/8 дюймов. Выпускаются насосы для обсадных колонн большего поперечника, но они употребляются в большей степени в водяных скважинах. Для определенного размера обсадной колонны, обычно, более хорошим выбором является оборудование с огромным поперечником. Оборудование с огромным поперечником является более маленьким, как электродвигатель, так и насосы являются более действенными, а электродвигатели легче охлаждаются. Они делают тихое малогабаритное устьевое оборудование.
Достоинства ЭЦН
Вследствие малых требований к оборудованию на устье, ЭЦНы могут воспользоваться спросом для применений на площадках с ограниченными рабочими площадями, как к примеру на морских установках, если издержки на подъем не являются ограничивающим фактором. Они также употребляются на промыслах, где нет доступного газа для систем газлифта. ЭЦНы являются одним из более высокообъемных способов механизированной эксплуатации. ЭЦНы имеют преимущество над другими высокообъемными способами, потому что они могут создавать более высшую депрессию на пласт и повысить его продуктивность в тех случаях, когда может быть решение заморочек с помехой от газа и выноса песка. Поперечник обсадной колонны также не является принципиальным для обеспечения способности откачки таких огромных объемов.
По мере роста объемов заводнения, обычным становится откачка нескольких тыщ баррелей воды в день в процессе улучшения эффективности пластового вытеснения. Данная система просто может быть автоматизирована и может проводить откачку временами либо повсевременно, но неизменная откачка является предпочтительной для роста срока службы. Для неглубоких скважин серьезные издержки являются относительно низкими.
Недочеты ЭЦН
Существует несколько недочетов ЭЦН. Основной неувязкой является ограниченный срок службы. Насос как такой относится к скоростному центробежному типу, который может быть поврежден абразивными материалами, жесткой фазой либо осколками. Формирование окалины либо минерального осадка может помешать работе электронного центробежного насоса. Финансовая эффективность ЭЦН в большой мере находится в зависимости от цены электроэнергии. Это является в особенности критическим в отдаленных регионах. Система не обладает широкой эксплуатационной гибкостью. Все главные составляющие находятся в призабойной зоне скважины, потому, когда появляется неувязка либо требуется подмена какого-нибудь компонента, приходится извлекать всю систему полностью.
Если находится высочайший процент газа, принимаются меры для его отделения и возврата вспять в обсадную колонну до того как он попадет в насос. Засасывание огромных объемов свободного газа может вызвать неуравновешенную работу и привести к механическому износу и вероятному перегреву. На морских установках, где по правилам требуется применение пакера, весь газ откачивается с жидкостью. В этих особенных критериях используются особые насосы, в каких может быть создание первичного напора на приеме насоса.
Создатели: Джеймс Ф. Ли, доктор технологии нефти Керр Макги, школа геологии и технологии нефти, институт Оклахомы, Норман, Оклахома;
и Саид Мохтаб, советник по научно-исследовательским проектам по природному газу, департамент химии и технологии нефти, институт Вайоминга, Ларами, Вайоминг.