книги / Скважинные насосные установки для добычи нефти

ные в верхнюю 6 и нижнюю 7 опоры. Осевая сила от вала пере­ дается через пружинное кольцо 8 опоры вала и дистанционную втулку 9 упорному подшипнику.

Гидродинамическая пята выполнена с радиальными канавка­ ми, скосом и плоской частью на поверхности трения о подпят­ ник. Она обычно изготавливается из бельтинга (технической ткани с крупными ячейками), пропитанного графитом с рези­ ной и завулканизированного («запеченного») в пресс-форме. При вращении пяты жидкость идет от центра к периферии по канав­ кам, попадает под скос и нагнетается в зазор между плоскими частями подпятника и пяты. Таким образом, подпятник сколь­ зит по слою жидкости. Такое жидкостное трение (не в пуско­ вом, а в рабочем режиме пяты) обеспечивает низкий коэффици­ ент трения, незначительные потери энергии на трение в пяте, малый износ деталей пяты при достаточном осевом усилии, ко­ торое она воспринимает.

Радиальный подшипник ЭЦН воспринимает радиальные на­ грузки, возникающие при работе насоса. Радиальный подшип­ ник (рис. 1.7) состоит из опорной втулки с вкладышем 1, кото­ рые является неподвижными деталями и втулки 2, вращающейся вместе с валом. В каждой модуль-секции насоса обычного ис­ полнения вал имеет два радиальных подшипника — верхний и нижний, а в модуль-секциях насосов износостойкого исполне-

/2

Поперечные (радиальные) усилия в секции насоса, предназ­ наченного для откачки неабразивной жидкости, воспринимают­ ся двумя концевыми радиальными подшипниками, корпуса ко­ торых размещены в головке и корпусе входного модуля или в нижней части секции.

В радиальных подшипниках использована пара трения сколь­ жения, материал которой зависит от условий эксплуатации.

Кроме того, поперечные усилия в секции воспринимаются радиальными подшипниками, функции которых выполняют пары трения, образованные ступицами рабочих колес и расточками направляющих аппаратов.

На рис. 1.5 показан скважинный центробежный насос в сбо­ ре. Осевое усилие, действующее на вал, воспринимается гидро­ динамической пятой 1. Вал 3 расположен в радиальных под­ шипниках скольжения 2 и 8. Радиальными подшипниками вала являются и опоры скольжения у втулок вала и внутреннего диа­ метра направляющих аппаратов 5 у каждой ступени. Крутящий момент передается от вала к рабочим колесам 7 через шпонку 6. Вся сборка ротора насоса размещена в корпусе 4 и сжата сверху корпусом подшипника 2, а внизу — основанием 10, на котором размещена приемная сетка 9. В верхней части насоса на корпус подшипника 2 навернута ловильная головка насоса, в которой имеется резьба для соединения с НКТ. Вал насоса соединяется с валом гидрозащиты шлицевой муфтой 11.

Для создания высоконапорных скважинных центробежных насосов в насосе приходится устанавливать множество ступеней (до 550 штук). При этом они не могут разместиться в одном корпусе, поскольку длина такого насоса (15—20 м) затрудняет транспортировку, монтаж на скважине и изготовление корпуса. Высоконапорные насосы составляются из нескольких модульсекций. Длина корпуса в каждой секции не более 6 м. Корпус­ ные детали отдельных модуль-секций соединяются фланцами с болтами или шпильками, а валы — шлицевыми муфтами. Каж­ дая секция насоса имеет верхнюю осевую опору вала, вал, ради­ альные опоры вала, ступени. Приемную сетку имеет только вход­ ной модуль насоса (рис. 1.9), расположенный в нижней секции или в модуле насосном-газосепараторе. Ловильную модуль-го­ ловку имеет только верхняя секция насоса (рис. 1.10). Модульсекции высоконапорных насосов могут иметь длину меньшую, чем

Рис. 1.10. Модуль-головка насоса

1 — кольцо уплотнительное; 2 — ребро; 3 — корпус

6 м (обычно длина корпуса насоса составляет 3, 4 и 5 м), в зависи­ мости от числа ступеней, которые надо в них разместить.

При отборе насосом жидкости с небольшим содержанием механических примесей и достаточной смазкой (наличие в жид­ кости нефти) насосы обычного исполнения обеспечивают дли­ тельную эксплуатацию скважины без их ремонта.

В насосе имеются пары трения: текстолит по чугуну в осевых опорах рабочего колеса в ступени; латунная втулка, надетая на вал между рабочими колесами, или удлиненная чугунная ступи­ ца рабочего колеса по чугуну направляющего аппарата; проре­ зиненный и графитизированный бельтинг по закаленному и шлифованному стальному подпятнику в пяте насоса. Все эти

пары трения достаточно долговечны при соответствующих усло­ виях эксплуатации. При большой обводненности они работос­ пособны в течение 100—200 сут, а при достаточно большом ко­ личестве нефти в отбираемой жидкости насос может работать без ремонта от года до нескольких лет (есть примеры работы агрегатов ЭЦН без подъема из скважин в течение 3—5 лет).

Скважинные центробежные насосы могут быть выполнены и для осложненных условий эксплуатации, например — для отбора жидкости с большим содержанием песка, отбора сильно обвод­ ненной жидкости с повышенной коррозионной агрессивностью.

Для отбора жидкости с большим содержанием механических примесей (в основном песка) предназначаются износостойкие на­ сосы. Они рассчитаны на отбор жидкости с содержанием 0,05% (0,5 г/л) механических примесей.

При отборе жидкости с песком свободно движущийся абра­ зив разрушает диски и лопатки рабочего колеса и части направ­ ляющего аппарата, особенно в местах изменения направления движения струи жидкости. В местах трения деталей, у текстоли­ товой опоры, у ступицы колеса попадающий в зазор песок также изнашивает эти детали, причем ступицы изнашиваются до вала. Длинный гибкий вал при вращении получает несколько полу­ волн изгиба, и на его поверхности места износа четко показыва­ ют форму, которую он принимает при работе насоса (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Схема искривления вала насоса

1 — место установки радиальных опор вала износостойкого насоса

Для увеличения срока службы насоса при отборе жидкости с большим содержанием песка в конструкцию насоса могут быть внесены следующие основные изменения:

1.Чугунные рабочие колеса заменены пластмассовыми из по­ лиамидной смолы или углепластика, стойких против из­ носа свободным абразивом и не набухающих в воде. В сква­ жинах с большим содержанием нефти, как показал опыт, они менее работоспособны.

2.Вместо одноопорной применяется двухопорная конструк­ ция рабочего колеса.

3.Текстолитовая опора колеса заменена резиновой, а в На­ правляющем аппарате опорой для этой резиновой шай§ы служит стальная термообработанная втулка.

4.Для уменьшения износа ступиц рабочих колес и вала ста­ вятся дополнительные (промежуточное) радиальные опо­ ры, которые препятствуют изгибу вала при его вращении

(см. рис. 1.11).

Таким образом, снижаются усилия у радиальной опоры коде. са в направляющем аппарате.

С помощью этих и некоторых других изменений обычной конструкции насоса срок службы износостойкого насоса увели­ чивается в 2,5—7 раз.

Для удержания вала в прямолинейном состоянии необходи­ мо промежуточные (например, — резинометаллические) ради­ альные опоры ставить друг от друга на расстоянии, равном По­ ловине полуволны изгиба вала. На рис. 1.11. показаны длина полуволны / и расстояние между подшипниками 1/2 /.

Длину полуволны изгиба вала можно найти, учитывая, что при вращении и изгибе вала потенциальная энергия изгиба вала ( V) должна быть равна сумме работы центробежных сил ротора насоса (А,), осевых сил, действующих на вал (А^, и гидродина­ мических сил (А3), возникающих в радиальной опоре рабочего колеса в каждой ступени. Последние силы обусловлены давле­ нием жидкости в зазоре между ступицей рабочего колеса и опо­ рой в направляющем аппарате.

V = А| + А2 +А3

Анализ всех этих сил применительно к современной конст­ рукции износоустойчивого насоса показывает, что:

1)несмотря на применение пластмассовых колес и умень­ шение, таким образом, массы ротора центробежного насоса, центробежные силы остаются основными факторами, изгиба­ ющими вал;

2)осевые силы, действующие на вал в предложенной конструкции и при опоре рабочих колес на направляющие аппараты, невелики, так как они воспринимаются в основном

верхней осевой опорой, на которой подвешен вал; вес самого вала незначительно увеличивает (на 2—6%) полуволну изгиба вала;

3) так как износостойкие насосы применяются в основном при большой обводненности, когда вязкость откачиваемой жид­ кости незначительно отличается от вязкости воды, то гидроди­ намические силы незначительны.

Таким образом, для инженерных расчетов в случае, когда условия эксплуатации известны недостаточно точно, можно учи­ тывать только действие центробежных сил и потенциальной энергии изгибаемого вала (последнее обусловлено размерами вала и характеристикой его материала). В этом случае длина полуволны изгиба будет

I — %"4е I /q со,

где Е — модуль упругости материала вала; / — момент инер­ ции сечения вала; q — вес единицы длины ротора насоса (вала, втулок, надетых на вал, рабочих колес); со — частота вращения вала.

В более точных расчетах, в основном при исследованиях, не­ обходимо учитывать все указанные силы.

Тогда выражение, из которого надо найти /, принимает сле­ дующий вид:

/ 3 [(В + О) / - Е / 3 + С] - А = О,

где В, D, Е, С и А — величины, зависящие от параметров ротора насоса, его частоты вращения и вязкости перекачивае­ мой жидкости.

Технические характеристики насосов

Основные требования технических условий на электроприводные центробежные насосы для добычи нефти приведены в табл. 1.1. Технические характеристики некоторых типоразмеров электроприводных центробежных насосов для добычи нефти, изготавливаемых российскими фирмами по техническим усло­ виям, приведенным в табл. 1.1, представлены в табл. 1.2—1.9,