Конструкция погружных центробежных электронасосов для добычи нефти

1 АНАЛИЗ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОГРУЖНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ЭЛЕКТРОНАСОСОВ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ.  

        1.1 Насосы фирмы «АЛНАС» 

    Электроцентробежные погружные насосы производства «АЛНАС» (сокращенно ЭЦНА) применяются для  подъема пластовой жидкости, а  также в системах поддержания пластового давления. «АЛНАС» производит и поставляет центробежные погружные насосы в габаритных группах 5, 5А, 6 и 8, производительностью от 18 до 2000 кубических метров в сутки и напором до 3300 метров. Широкая номенклатура насосов позволяет подобрать оборудование практически под любые условия эксплуатации.

    Насосы  «АЛНАС» спроектированы по секционному  принципу и в общем случае состоят  из входного модуля, газосепаратора, насосных секций, обратного и спускного  клапанов.

    Насосные  секции выполняются различной длины, что обеспечивает оптимальный подбор насоса к любой скважине. По всей длине каждой секции установлены промежуточные радиальные подшипники, что обеспечивает надежную и продолжительную работу насоса.

    Большая часть номенклатуры насосов по конструкции рабочих органов выполняется как в обычном, так и в двухопорном исполнении.

Применение  ЭЦН с рабочими ступенями двухопорной  конструкции позволяет в сложных  условиях эксплуатации, связанных с  повышенным содержанием в пластовой  жидкости механических примесей. 

1.2 Насосы фирмы «БОРЕЦ» 

       Завод «Борец» производит погружных электроцентробежные насосы (ЭЦН) для добычи нефти (рисунок 1):

в ГАБАРИТЕ 5" - насос с наружным диаметром корпуса 92 мм, для обсадных колонн с минимальным внутренним диаметром 121,7 мм;

        в ГАБАРИТЕ 5А" 

-насос с наружным диаметром корпуса 103 мм и комплектующим двигателем 103-го габарита - для обсадных колонн с минимальным внутренним диаметром 124,0 мм;

-насос с наружным диаметром корпуса 103 мм и комплектующим двигателем 117-го габарита - для обсадных колонн с минимальным внутренним диаметром 130,0 мм;

-в ГАБАРИТЕ 6" - насос с наружным диаметром корпуса 114 мм, для обсадных колонн с минимальным внутренним диаметром 144,1 мм;

-в ГАБАРИТЕ 6Б" - насос с наружным диаметром корпуса 130 мм, для обсадных колонн с минимальным внутренним диаметром 151,5 мм.

      Рисунок 1 - Насос ЭЦН фирмы «Борец» 
 
 
 
 

        Насосы типа ЭЦНМ

Насосы  погружные центробежные модульные  типа ЭЦНМ и 10ЭЦНМ 

Выпускаются модульного исполнения со ступенями  одноопорной конструкции из высокопрочного легированного модифицированного серого перлитного чугуна, обладающего повышенной износо- и коррозионной стойкостью.

Насосы  имеют напорную характеристику постоянно  падающей формы, исключающей возникновение неустойчивых режимов работы, приводящих к повышенной вибрации насоса и снижающей вероятность отказов оборудования.

Для повышения надежности работы насосы оснащаются керамическими осевыми  опорами вала.

В конструктивном исполнении насосов 10ЭЦНМ исключены осевые опоры валов в секциях. Осевые силы, действующие на валы насосных секций, передаются на вал протектора и воспринимаются усиленной пятой. Радиальные подшипники перенесены в основание и головку секции, тем самым уменьшены консоли вала. Насосы такого исполнения отличаются повышенной надежностью и долговечностью. 

1.3 Насосы фирмы «ИЖНЕФТЕПЛАСТ» 

       ООО «Ижнефтепласт» специализируется на проектировании и производстве насосного оборудования. Основным направлением деятельности предприятия является разработка и производство погружных электроцентробежных насосов (ЭЦН) для добычи нефти, а также комплектующих деталей и узлов для погружных электроцентробежных насосов из композиционных материалов на основе полимеров (рисунок 2).

       Компания «Ижнефтепласт» производит насосы погружные электроцентробежные с применением полимерных композиционных материалов (ПКМ). Данные насосы применяются для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин в условиях интенсивного отложения солей и минералов.

      Рисунок 2 - Насос типа ЭЦН фирмы «Ижнефтепласт»

Насосы, в зависимости от условий эксплуатации, изготавливаются в базовом (Б), коррозионно-стойком (К), износостойком (И) и коррозионно-износостойком (КИ) исполнении.

        Конструктивные особенности ЭЦН  

Применение  рабочих колес из ПКМ обеспечивает следующие преимущества: 

    а)Коррозионная стойкость позволяет использовать рабочие колеса в насосах коррозионно-стойкого и коррозионно-износостойкого исполнения;

    б)Высокая чистота проточных каналов, низкая адгезия материала, а также отсутствие образования гальванических пар обеспечивает низкое солеотложение и засорение проточных каналов асфальто-смоло-парафиновыми веществами (АСПВ);

    в)Малый вес (примерно в 5 раз меньше чугунных) значительно снижает массу ротора, особенно в насосах с большой производительностью, что обеспечивает уменьшение пусковых токов и плавный пуск двигателя;

    г)Низкое солеотложение и малый вес уменьшают дисбаланс и вибрации ротора, что уменьшает износ защитных втулок вала, опорных поверхностей направляющих аппаратов, вала. Уменьшается вероятность «полетов» оборудования;

    д)Малый вес в сочетании с высокой чистотой проточных каналов и низкой адгезией материала обеспечивает увеличение КПД;

    е)Применение закладных металлических ступиц увеличивает износостойкость и позволяет использовать рабочие колеса из ПКМ в насосах износостойкого и коррозионно-износостойкого исполнения;

    ж)Применение рабочих колес из ПКМ с диспергирующим элементом (импеллер) обеспечивает снижение влияния газового фактора на процесс отложения солей и минералов, особенно в скважинах с высоким обводнением пластовой жидкости.

    з)Применение направляющих аппаратов комбинированной конструкции, проточные каналы которых изготовлены из ПКМ, обеспечивает следующие преимущества:

    и)Высокая чистота и низкая адгезия проточных каналов обеспечивает низкое солеотложение;

            к)Снижение веса аппарата на 15…25% за счет применения ПКМ;

Повышение КПД ЭЦН (в целом) за счет снижения шероховатости поверхности проточных  каналов.

Полимерное  покрытие, стойкое к кислотам и температурам до 270°С, рабочих поверхностей головок, оснований, верхних подшипников, оснований входных модулей обеспечивает:

        Повышение коррозионной стойкости рабочих поверхностей;

        Значительное снижение шероховатости рабочих поверхностей;

Снижение  отложений солей и минералов  за счет низкой адгезии поверхностей с полимерным покрытием.

Все исполнения ЭЦН содержат в своем  составе промежуточные подшипники, обеспечивающие снижение вибрации ротора, что особенно актуально при неравномерном  отложении солей.

        2 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ СТУПЕНЕЙ

        2.1Ступени фирмы «Ижнефтепласт» 

2.1.1 Рабочие колеса 

       ООО «Ижнефтепласт» производит рабочие колеса (ТУ 3665-004-24476500-03, ТУ 3665-010-24476500-04) для насосов обычного, коррозионно-стойкого, износостойкого и коррозионно-износостойкого исполнения, работающих в обводненных скважинах, а также в скважинах с интенсивным отложением солей и минералов. 

       Рисунок 3- Вид рабочего колеса(ПКМ) 

       Конструктивные особенности  рабочих колес (РК): 

       Рабочие колеса производятся из полимерных композиционных материалов (ПКМ) одно- и двухопорной конструкции, с короткой и удлиненной цельнолитой ступицей, а также с закладными металлическими ступицами.

       Применяемые материалы 

       Рабочие колеса для  насосов обычного исполнения (О) изготавливаются из стеклонаполненных полиамидов (СПА); для глубин опускания свыше 1800 м – из жидкокристаллических полимеров (ЖКП) (рисунок 3). 

       Примечание: материал СПА обеспечивает более высокую  чистоту проточных каналов, но является менее стойким к кислотным промывкам, чем материал ЖКП.

       Рабочие колеса для  насосов коррозионно-стойкого исполнения (К) изготавливаются из материала  ЖКП с антифрикционной добавкой (ЖКП-АФ).

       Рабочие колеса для  насосов износостойкого и коррозионно-износостойкого исполнения (И, КИ) изготавливаются из материала ЖКП (ЖКП-АФ) с закладной ступицей из чугуна ЧВШГ.

       Преимущества рабочих  колес из ПКМ: 

       Рабочие колеса из ПКМ  имеют ряд преимуществ перед  металлическими рабочими колесами:

       Коррозионная стойкость  позволяет использовать рабочие колеса в насосах коррозионно-стойкого и коррозионно-износостойкого исполнения;

       Высокая чистота  проточных каналов, низкая адгезия  материала, а также отсутствие образования  гальванических пар обеспечивает низкое солеотложение и практически  исключает засорение проточных каналов асфальто-смоло-парафиновыми веществами (АСПВ);

       Малый вес (примерно в 5 раз меньше чугунных) значительно  снижает массу ротора, особенно в  насосах с большой производительностью, что обеспечивает уменьшение пусковых токов и плавный пуск двигателя;

Низкое  солеотложение и малый вес  уменьшают дисбаланс и вибрации ротора, что уменьшает износ защитных втулок вала, опорных поверхностей направляющих аппаратов, вала. Уменьшается  вероятность «полетов» оборудования;

Малый вес в сочетании с высокой чистотой проточных каналов и низкой адгезией материала обеспечивает увеличение КПД;

Применение  закладных металлических ступиц увеличивает износостойкость и позволяет использовать рабочие колеса в насосах износостойкого и коррозионно-износостойкого исполнения.

С целью обеспечения ремонтопригодности (замена опорных шайб) в конструкцию  полимерных рабочих колес введены  специальные пазы на бурте для  удаления шайб (см. рис.). Данный конструктивный элемент обеспечивает беспрепятственное  и безопасное извлечение шайб из полимерных колес с помощью несложного слесарного инструмента типа отвертки.

         Рекомендации по эффективной эксплуатации рабочих колес из ПКМ 

       Многолетний опыт эксплуатации рабочих колес из ПКМ показал, что наибольший эффект их применения достигается в обводненных скважинах совместно с полимерными втулками защитными вала и шайбами из ПКМ (кроме слоистых пластиков).

       Применение рабочих  колёс из ПКМ позволяет обеспечить увеличение наработки на отказ при  меньшей стоимости ремонтов по сравнению  с аналогами из серого чугуна и нирезиста при подъеме пластовой жидкости.

       В настоящее время  рабочие колеса из ПКМ широко используются при ремонте насосов обычного исполнения в ступенях с направляющими  аппаратами из серого чугуна, а также  насосов коррозионно-стойкого исполнения.

       Однако низкая чистота  проточных каналов чугунных и  нирезистовых направляющих аппаратов, при работе в ступенях с рабочими колесами из ПКМ, не позволяет уменьшить  солеотложение в ступенях в целом. Поэтому при подъеме пластовой  жидкости с большим содержанием воды, солей и парафинов применение насосов данного исполнения незначительно увеличивает наработку на отказ по фактору солеотложения.

       В наибольшей степени  преимущества рабочих колес из ПКМ  раскрываются в ступенях с направляющими  аппаратами производства ООО «Ижнефтепласт», имеющими аналогичные свойства по солеотложению и коррозии. 

        2.1.2 Направляющие аппараты 

       ООО «Ижнефтепласт» производит направляющие аппараты для  насосов, работающих в обводненных  скважинах, а также в скважинах  с интенсивным отложением солей и минералов.  

       Рисунок 4- Вид направляющего аппарата(ПКМ)  

       Конструктивные особенности  комбинированных направляющих аппаратов одно- и двухопорной конструкции 

       Комбинированный направляющий аппарат (см. рис.) состоит из металлического (чугун или сталь) стакана и проточной части из теплокислотостойких полимеров. Центральная втулка аппарата выполнена из высокопрочного чугуна. 

       Применяемые материалы 

Направляющие  аппараты для насосов обычного исполнения (О) изготавливаются из серого чугуна модифицированного ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений (СЧ с УДП). 

Направляющие  аппараты для насосов коррозионно-стойкого исполнения (К) изготавливаются методом порошковой металлургии из сплава ЖГр1Д15-1 или комбинированным способом (стакан из нержавеющей стали 40×13, центральная втулка из чугуна ЧВШГ, проточная часть из материала ЖКП). 

Направляющие  аппараты для насосов износостойкого исполнения (И) изготавливаются из чугуна ЧВШГ или комбинированным способом (стакан и центральная втулка из чугуна ЧВШГ, проточная часть из материала ЖКП). 

Направляющие  аппараты для насосов коррозионно-износостойкого (КИ) изготавливаются комбинированным  способом (стакан из нержавеющей стали, центральная втулка из чугуна ЧВШГ, проточная часть из материала ЖКП).

       Преимущества комбинированных  направляющих аппаратов:

       Высокая чистота  и низкая адгезия проточных каналов  обеспечивает низкое солеотложение;

       Снижение веса аппарата на 15…25% за счет применения ПКМ;

       Повышение КПД ЭЦН (в целом) за счет снижения шероховатости  поверхности проточных каналов. 
 
 

          2.2Ступени фирмы «РЕАМ-РТИ» 

 ООО «РЕАМ-РТИ» освоило изготовление ответственных  деталей для нефтегазового оборудования из суперконструкционных термопластов. Это – рабочие колеса центробежных нефтяных насосов, детали роторной части газовых сепараторов, колодки токоввода двигателей нефтяных насосов, нажимные шайбы соединительных муфт, направляющие аппараты с полимерным покрытием, шайбы колеса.

Суперконструкционные термопласты служат для замещения высококачественной стали и других металлов, что минимизирует износ и снижает уровень шума независимо от рабочего состояния. К ним относят материалы, сочетающие высокую теплостойкость с высокими механическими характеристиками, обладающие износостойкостью, высокими допустимыми нагрузками, стабильностью размеров, стойкостью к химическому воздействию в широком диапазоне температур (до 260 °С), низкое водопоглощение. 

Основными представителями суперконструкционных термопластов являются:

       -полифениленсульфид (PPS) – кристаллизующийся материал, получаемый путем полимеризации  нефтяных смол, в результате чего  бензольные кольца и атомы  серы образуют макромолекулы,  придающие материалу ряд нестандартных  свойств.

       PPS – один из самых теплостойких термопластов (допускается длительная эксплуатация до 240°С), он стоек к ударным нагрузкам, нетоксичен, химически стоек к различным смазочным материалам, автомобильному топливу, имеет высокую стойкость к растрескиванию, самозатухает без всяких добавок, имеет высокую стабильность размеров, обладает низким водопоглощением.

       -полиэфирэфиркетон  (РЕЕК) – линейный, ароматический,  частично кристаллический полимер,  который считается самым эффективным  термопластом.

       Преимущества работоспособности полимера: РЕЕК обладает низким коэффициентом трения и очень хорошей износостойкостью в широких областях давления нагрузки, скорости и температуры при различных значениях шероховатости соприкасающихся поверхностей. Материал имеет высокую стойкость по отношению к различным органическим и неорганическим жидкостям, в том числе при высоких температурах и высоком давлении. Исключительная комбинация прочности, ударной вязкости и трибологических свойств делают возможным изготовление деталей с длительным сроком службы. 

       ООО «РЕАМ-РТИ» работает с ведущими производителями суперконструкционных пластиков, такими как «Ticona», «Chevron Phillips Chemicals» выпускающими марки PPS, «Victrex», выпускающей PEEK, и другими.

       Использование суперконструкционных термопластов в ответственных деталях НГО предопределяет ряд преимуществ таких, как:

       - низкая плотность  и вследствие этого малая масса  изделий;

       - стойкость к коррозии;

       - стойкость к гидроабразивному  износу;

       - износостойкость;

       - низкая виброактивность  изделий;

       - стойкость к агрессивным средам;

       - низкий коэффициент  трения; способность работать при  наличии  «сухого» трения;

       - повышенная теплостойкость;

       - стабильность размеров 

       Основными изделиями  являются рабочие колеса центробежных нефтяных насосов серий “Монолит Стандарт” для глубин до 2000м, “Монолит Супер” и “РЕЕК Супер +” для глубин свыше 2000м. 

       ПОЛИМЕРНЫЕ ПОКРЫТИЯ 

       ООО «РЕАМ-РТИ» разрабатывает  и реализует следующие технологии нанесения полимерных покрытий на промысловое нефтегазовое оборудование:

Рисунок 5- Вид направляющего аппарата и рабочего колеса с покрытием (PPS) 

       Покрытие на основе полифениленсульфида (PPS) 

       Полифениленсульфид (PPS) – кристаллизирующийся линейный ароматический материал, получаемый путем полимеризации нефтяных смол, с образованиематомов серы. Такое сочетание обуславливает ряд уникальных свойств, выделяющих данный термопласт среди покрывных материалов, применяемых для защиты конструкций и изделий, работающих в условиях агрессивных сред. Такие свойства, как высокая длительная температура эксплуатации (до 300ºС), низкое водопоглощение, высокая адгезия, которая не уменьшается при длительной эксплуатации, исключительное сочетание высокой ударной вязкости и эластичности делают PPS наиболее приемлемым материалом для коррозионной защиты изделий, работающих в условиях отягощенной нефтедобычи (рисунок 5).

       На основе базового порошкового PSS (Ticona) РЕАМ-РТИ созданы  следующие композиции: 

        а) Антисолевое защитное покрытие.

       Предлагается антисолевое, антикоррозионное покрытие для защиты нефтяного добывающего (детали ЭЦН) оборудования для работы в условиях отягощенной нефтедобычи, т. е. при высоком газовом факторе, обводнении, длительном воздействии температуры до 300 °С, комплексном химическом воздействии агрессивных сред, массовом отложении солей и парафина на корпус и рабочие поверхности добывающего оборудования, выносе пластового флюида абразивных частиц горных пород. 

       Покрытие представляет собой совокупную композицию совместимых  функциональных полимеров с высокой  вязкостью полифениленсульфида (PPS) и тетрафторэтилена (PTFE). Наносится в виде дисперсии электростатическим методом с последующим отверждением нанесенного порошкового слоя покрытия в термопечи. Толщина однослойного покрытия – 40-100мкм. Покрытие обладает существенно большей долгосрочной теплостойкостью – 300ºС, более высокими протекторными свойствами, чем существующие системы покрытий на основе эпоксидных, полиэфирных, полиамидных (Рилсан) полимеров.Покрытие обладает более высокой адгезией, чем покрытия на основе фторопласта или органосилоксановые (кремнеорганические) покрытия. Покрытие предохраняет скважинное оборудование от отложения солей и парафина.  

б)Покрытие на основе PPS, включающее наполнитель до 25% повышающий твердость и абразивостойкость покрытия.

       Предлагается антизадирное химстойкое полимерное покрытие на основе наполненного жесткоцепного полимера – полифениленсульфида (PPS). Теплостойкость покрытия длительная – 300ºС. Двух-трехслойное покрытие наносится на внешнюю поверхность труб. Комплексная толщина покрытия до 250 мкм. 

        в)Покрытие на основе полиэфирэфиркетона (PEEK).

        К типичным  свойствам принадлежат высокая  продолжительная температура эксплуатации до 260°C, выделяющаяся прочность к истиранию, износостойкость и прочность на срез при этих высоких температурах, а также первоклассная стойкость против химикалий и радиации, невосприимчивость к износу покрытий, предполагающих применение различного смазочного материала. Разработаны композиции специально для способных к нагрузке покрытий с высоким износом и прочностью к истиранию и отличными свойствами антисхватывания и специально для способных к нагрузке покрытий с высокой износостойкостью и прочностью истирания. Покрытия на основе PEEK образуют отличный износостойкий слой к жестким сопряженным поверхностям из стали или керамики. Они являются самосмазывающимися, устойчивы для чистки и к износу. Покрытия на основе PEEK принадлежат к самым жестким термопластам на рынке. При температуре 260 °C они показывают более высокую прочность, чем PTFE (политетрафторэтилен) при комнатной температуре. Материал покрытий не растворяется во всех обычных растворителях. Превосходная стойкость против кислот, щелочей, углеводородов, солей и пара.

       Химическая стабильность лежит далеко выше соответствующих  величин многих экзотических металлов, включая высококачественную сталь и титан.

       Покрытия химически  инертны против воды и водяного пара под давлением и могут применяться без ухудшения прочности в течение 2500 часов при температуре 200°C и давлении пара 1.4 MPa. Абсорбция влажности в течение 24 часов лежит менее 0,1% от веса. Стабильные электрические свойства в очень широкой области температуры, области частоты и области влажности. Покрытия на основе PEEK – это новейшие материалы для покрытий с отличной износостойкостью и прочностью от царапин, которые позволяют многократно увеличивать срок службы деталей в сравнении с обычными полимерными покрытиями. Посредством использования PEEK-покрытий можно увеличить срок службы деталей от 50 до 200%.