Текст книги "Организация эксплуатации и ремонта установок электроцентробежных насосов в нефтедобывающей отрасли. Том 1. Эксплуатация"

5.2. Газосепараторы и входные модули

5.2.1. Газосепараторы

Газосепаратор предназначен для уменьшения объемного содержания свободного газа на входе секции насоса.

Газосепараторы используются:

1) для обеспечения работы погружного центробежного насоса при содержании свободного газа, превышающем допустимое для насоса без специального предвключенного входного устройства;

2) для уменьшения глубины спуска погружного агрегата в скважину;

3) для ускорения процесса вывода на режим скважин со значительным газопроявлением.

Мировыми производителями выпускаются три типа газосепараторов: гравитационные, вихревые, центробежные. Для отделения газа от жидкости в этих газосепараторах используется плавучесть газовых пузырьков под действием гравитационных или центробежных сил.

Гравитационный газосепаратор имеет наименьший коэффициент сепарации, центробежный – наибольший, а вихревой газосепаратор по коэффициенту сепарации занимает промежуточное положение.

В отечественных установках, а также в насосах фирмы Centrilift и Reda используются роторные газосепараторы, которые работают аналогично центрифуге. Лопатки центрифуги, вращающиеся с частотой 3500 об/мин, вытесняют более тяжелые жидкости на периферию и далее через переходной канал – вверх в насос, тогда как более легкая жидкость (пар) остается около центра и выходит через переходной канал и выпускные каналы обратно в скважину.

Работает газосепаратор следующим образом: газожидкостная смесь попадает через входной модуль или сетку основания газосепаратора на шнек и далее к рабочим органам. За счет приобретенного напора газожидкостная смесь поступает во вращающуюся камеру сепаратора, снабженную радиальными ребрами, где под действием центробежных сил газ отделяется от жидкости. Далее жидкость с периферии камеры сепаратора поступает по пазам переводника на прием насоса, а отсепарированная газожидкостная смесь попадает в полость перфорированного патрубка, где происходит дополнительное разделение газа и жидкости. Эта жидкость вытекает через отверстия патрубка, стекает снаружи по корпусу газосепаратора и снова поступает на вход в газосепаратор. При этом снижается содержание газа в смеси, поступающей в газосепаратор. Газ через перфорированный патрубок отводится в затрубное пространство.

Для откачивания пластовой жидкости, содержащей у сетки входного модуля насоса свыше 25% (по объему) свободного газа, к насосу следует подсоединить насосный модуль-газосепаратор (рис. 5.15). Газосепаратор устанавливается между входным модулем и модулем-секцией.

Рис. 5.15. Газосепаратор: 1 — головка; 2 — втулка радиального подшипника; 3 — вал; 4 — камера сепаратора; 5 – направляющие аппараты; 6 – рабочее колесо; 7 – корпус; 8 — шнек; 9 — основание

Современные центробежные сепараторы обеспечивают эффективное отделение до 90% несвязанного газа прежде, чем он достигнет насосного блока, что приводит к снижению кавитации в насосе и колебанию нагрузки электродвигателя.

Также помимо газосепараторов применяются:

– диспергатор – для измельчения газовых пузырей в пластовой жидкости, для подготовки однородной суспензии и подачи ее на вход погружного насоса;

– газосепаратор-диспергатор – для снижения содержания газа в пластовой жидкости и ее преобразования в однородную газожидкостную смесь перед входом в насос.

Обозначения и различия газосепараторов разных заводов-изготовителей, группы исполнения

ООО «Борец» предлагает газосепараторы габаритов 5, 5А и 6 типа ЗМНГБ – для работы с насосами типа ЭЦНД, ЭЦНМ, 10ЭЦНД, 10ЭЦНМ и ЭЦНДП.

В конструкции газосепараторов типа ЗМНГБ осевые усилия передаются на опору протектора, который работает в масле, не подвергается агрессивному воздействию откачиваемой среды и выполнен со значительным запасом прочности.

Газосепараторы снабжены защитной гильзой, предохраняющей корпус газосепаратора от гидроабразивного износа. Основания и защитные гильзы корпуса газосепаратора выполнены из нержавеющей стали для повышения сопротивляемости гидроабразивному износу.

Рис. 5.16. Шнек-выпрямитель потока, выполненный в одном узле

Рис. 5.17. Вал в сборе с сепарирующим устройством

Стыки соединений уплотнены резиновыми кольцами для защиты от прорыва газа в соединении. Радиальные подшипники выполнены из карбида вольфрама.

Структура условного обозначения газосепараторов

ХМНГБ5(5А)04КМ

X – конструктивное исполнение газосепаратора

– цифра не проставляется для газосепараторов с осевой опорой вала

2 – сдвоенный газосепаратор

3 – без осевой опоры вала

3.2 – сдвоенный, без осевой опоры

МН – модуль насосный

Г – газосепаратор

Б – изготовление ООО "Борец"

5(5А) – группа насоса, с которым используется газосепаратор

04 – исполнение с промежуточным подшипником

К – коррозионностойкое исполнение

М – модернизированная конструкция

Структура условного обозначения диспергаторов

ХМНДБ5(5А)04КМ

X – конструктивное исполнение диспергатора

– цифра не проставляется с осевой опорой вала

3 – без осевой опоры вала

МН – модуль насосный

Д – диспергатор

Б – изготовление ООО "Борец"

5(5А) – группа насоса, с которым используется газосепаратор

04 – исполнение с промежуточным подшипником

К– коррозионностойкое исполнение

М – модернизированная конструкция

Структура условного обозначения газосепараторов-диспергаторов

ХМНГДБ5(5А)04КМ

X – конструктивное исполнение газосепаратора-диспергатора – цифра не проставляется для газосепаратора-диспергатора с осевой опорой вала

3 – без осевой опоры вала

МН – модуль насосный

ГД – газосепаратор-диспергатор

Б – изготовление ООО "Борец"

5(5А) – группа насоса, с которым используется газосепаратор

04 – исполнение с промежуточным подшипником

К – коррозионностойкое исполнение

М – модернизированная конструкция

ЗАО «Новомет»

В газосепараторах типа МНГСЛ, МНГЛ, МНГБ для принудительной подачи газожидкостной смеси используется шнековая ступень, а для сепарации – активный лопастной сепаратор открытого типа. Оптимальные условия входа газожидкостной среды в сепарационную камеру обеспечиваются профилированием кромок лопастного сепаратора или установкой перед ним специального лопастного рабочего колеса.

В газосепараторах МНГСЛ перед сепаратором устанавливается рабочее колесо с суперкавитирующим профилем лопастей с целью повышения эффективности сепарации за счет создания газовых каверн за выходными кромками лопастей.

Для дополнительного повышения эффективности сепарации газа разработаны сдвоенные (тандемные) конструкции газосепараторов, имеющих два каскада сепарации.

Все газосепараторы выпускаются в модернизированной серии "М" и имеют:

– стабилизированную трехопорную конструкцию ротора с износостойкими радиальными подшипниками;

– толстостенную защитную гильзу сепарационной камеры, изготовленную из хромоникелевой нержавеющей стали;

– уплотнения между всеми соединениями пакета статора;

– основание из нержавеющей стали.

Таблица 5.7. Структура условного обозначения

ОАО «Алнас»

В конструкции газосепараторов ОАО "Алнас" изготовлены:

– пары трения радиальных подшипников из керамики или твердого сплава;

– детали газосепаратора из нержавеющей стали и чугуна типа "нирезист" Модели газосепараторов:

ГСА(О)5А, ГСА5-3, ГСА(О)5-4, ГСДА5А, ГСДАО5А,

ГС – газосепаратор

Д – диспергатор

А – производство ОАО "Алнас"

Э – эвольвентное исполнение шлицев вала

О – без осевой опоры вала

ООО «Алмаз»

Условное обозначение:

2 МНГС Д Р ИК 5А-250 Э БО

2 – сдвоенный газосепаратор

МНГС – модуль насосный газосепарирующий

Д – диспергатор

Р – г. Радужный

И – износостойкое исполнение

К – коррозионностойкое исполнение

5, 5А – габарит

250 – номинальная производительность, м³/сут

Э – эвольвентное шлицевое соединение

БО – без осевой опоры (опора в гидрозащите)

отсутствие буквы – обычное исполнение

Группы исполнения в соответствии с техническими требованиями нефтяных компаний.

1 группа (стандартное исполнение):

– наружное покрытие изготавливают стойким к механическим воздействиям;

– рабочие ступени выполняют из серого чугуна, модифицированного церием и бором, или другого, не уступающего ему по своим физико-механическим свойствам;

– втулки подшипников изготавливают из бронзы Бр0ЗЦ7С5Н1 или другого, не уступающего ему по своим физико-механическим свойствам; втулки защитные – из стали 40X13;

– валы необходимо изготавливать из нержавеющих легированных сталей 03Х14Н7В, Нитроник 50 или из сталей с более высокими прочностными характеристиками, в зависимости от передаваемой мощности и диаметра вала.

2 группа (коррозионностойкое исполнение):

– наружное покрытие изготовляют стойким к механическим воздействиям; корпусные детали выполняют из нержавеющих сталей или с защитными металлическими антикоррозионными покрытиями наружной части типа "монель" или "нержавеющая сталь";

– рабочие ступени должны быть изготовлены из аустенитного модифицированного чугуна типа "нирезист" или другого, не уступающего ему по своим коррозионным свойствам;

– пары трения радиальных подшипников изготавливают из износостойких материалов типа карбида кремния, карбида вольфрама, оксида алюминия или других материалов, не уступающих им по износостойкости;

– валы выполняют из коррозионностойких сплавов Н65Д"(ЮТ-ИШ (К-монель), Monel К-500, Inkonel 718 или из коррозионностойких сплавов с более высокими прочностными характеристиками, в зависимости от передаваемой мощности и диаметра вала.

3 группа (износостойкое исполнение):

– наружное покрытие должно быть стойким к механическим воздействиям;

– рабочие ступени необходимо изготовлять из аустенитного модифицированного чугуна типа "нирезист" или другого, не уступающего ему по своим коррозионным свойствам;

– пары трения радиальных подшипников следует изготавливать из износостойких материалов типа карбида кремния, карбида вольфрама или других материалов, не уступающих им по износостойкости; подшипниковая пара должна быть полностью изготовлена из керамики или иметь вкладыши из керамики, не допускается изготовлять с керамическим покрытием (напылением);

– валы выполняют из нержавеющей легированной стали 05Х16Н4Д2Б, с пределом текучести 1100 МПа или других сталей, не уступающих по прочностным характеристикам.

4 группа (износо– и коррозионностойкое исполнение):

– наружное покрытие должно быть стойким к механическим воздействиям; корпусные детали должны быть выполнены из нержавеющих сталей или иметь защитные металлические антикоррозионные покрытия наружной части типа "монель" или "нержавеющая сталь";

– рабочие ступени должны быть изготовлены из аустенитного модифицированного чугуна типа "нирезист" или другого, не уступающего ему по своим коррозионным свойствам;

– пары трения радиальных подшипников необходимо изготавливать из износостойких материалов типа карбида кремния, карбида вольфрама или других материалов, не уступающих им по износостойкости; подшипниковая пара должна быть полностью изготовлена из керамики или иметь вкладыши из керамики, не допускается изготовление с керамическим покрытием (напылением);

– валы изготавливают из коррозионностойких сплавов с пределом текучести не менее 110 кгс/мм² или других сплавов, не уступающих по прочностным характеристикам и коррозионной стойкости.

5 группа (коррозионностойкое исполнение с повышенной абразивной устойчивостью):

– наружное покрытие должно быть стойким к механическим воздействиям; корпусные детали должны быть выполнены из нержавеющих сталей или иметь защитные металлические антикоррозионные покрытия наружной части типа "монель" или "нержавеющая сталь";

– пары трения радиальных подшипников следует изготавливать из износостойких материалов типа карбида кремния, карбида вольфрама или других материалов, не уступающих им по износостойкости; подшипниковая пара должна быть полностью изготовлена из керамики, не допускается изготовление с керамическим покрытием (напылением) или вкладышем из керамики;

– валы следует выполнять из коррозионностойких сплавов с пределом текучести не менее 1100 МПа или других сплавов, не уступающих по прочностным характеристикам и коррозионной стойкости.

5.2.2. Входные модули

Входной модуль (рис. 5.18) служит для приема и грубой очистки от механических примесей перекачиваемой пластовой жидкости.

Рис. 5.18. Входной модуль: а – общий вид; б — входной модуль в разрезе; 1 — шпильки; 2, 7 — упаковочные крышки; 3 — основание с отверстиями для прохода скважинной продукции; 4 — вал; 5 – приёмная сетка; 6 — шлицевая муфта

При помощи шпилек модуль верхним концом подсоединяется к модулю-секции. Нижний конец входного модуля присоединяется к гидрозащите двигателя.

Входной модуль для насосов группы 6 имеет два исполнения:

– с валом диаметром 25 мм – для насосов с подачами 250, 320, 500 и 800 м³/сут;

– с валом диаметром 28 мм – для насосов с подачами 1000, 1250 м³/сут.

В основании установлены подшипники скольжения вала и шпильки, при помощи которых модуль крепится верхним концом к секции насоса, а нижним фланцем – к протектору. Упаковочные крышки применяют при хранении и транспортировании входного модуля.

5.2.3. Обратные клапаны

Насосный обратный клапан (рис. 5.19) предназначен:

– для предотвращения обратного вращения рабочих колес насоса под воздействием столба жидкости в напорном трубопроводе при остановках насоса;

– для облегчения повторного запуска насоса.

Рис. 5.19. Насосный обратный клапан: 1 — решетка; 2 — шарик; 3 — седло; 4 — корпус

Обратный клапан используется также при опрессовке колонны насосно-компрессорных труб после спуска установки в скважину. Обратный клапан состоит из корпуса, с одной стороны которого имеется внутренняя коническая резьба для подсоединения спускного клапана, а с другой стороны – наружная коническая резьба для ввинчивания в нулевой патрубок. Внутри корпуса размещается клапанная пара, состоящая из седла и шарика. Шарик имеет возможность осевого перемещения в направляющей втулке (решетке). Под воздействием потока перекачиваемой жидкости шарик поднимается, тем самым открывая клапан. При остановке насоса шарик опускается на седло под воздействием столба жидкости в напорном трубопроводе, т. е. клапан закрывается. На период транспортирования и хранения на обратный клапан навинчивают транспортировочные крышки.

Обратные клапаны насосов групп 5 и 5А, рассчитанных на любую подачу, и группы 6 с подачей до 800 м³/сут конструктивно одинаковы и имеют резьбы муфты насосно-компрессорной гладкой трубы 73 (ГОСТ 633-80, ГОСТ Р 53365-2009). Обратный клапан для насосов группы 6 с подачей свыше 800 м³/сут имеет резьбы муфты насосно-компрессорной гладкой трубы 89 (ГОСТ 633-80, ГОСТ Р 53365-2009).

5.2.4. Спускные клапаны

Спускной клапан предназначен для слива жидкости из напорного трубопровода (рис. 5.20) (колонны насосно-компрессорных труб) при подъеме насоса из скважины.

Спускной клапан (см. рис. 5.20) содержит корпус 2, с одной стороны которого имеется внутренняя коническая резьба муфты для соединения к насосно-компрессорным трубам, а с другой стороны – наружная коническая резьба для ввинчивания в обратный клапан. В корпус ввернут штутцер 3, который уплотнен резиновым кольцом 4. Перед подъемом насоса из скважины конец штутцера, находящийся во внутренней полости клапана, сбивается (обламывается) специальным инструментом (например, ломом, сбрасываемым в НКТ), и жидкость из колонны насосно-компрессорных труб вытекает через отверстие в штутцере в затрубное пространство. На период транспортирования и хранения спускной клапан необходимо закрыть крышками.

Рис. 5.20. Насосный спускной клапан: 1, 5 — транспортировочные крышки; 2 — корпус; 3 — штуцер; 4 — уплотнительное резиновое кольцо

Спускные клапаны имеют такие же исполнения по резьбам, как обратные.

5.2.5. Погружные кожухи

Среди дополнительного оборудования, используемого с электроцентробежными насосами, в настоящее время широкое применение получил кожух.

Кожух электроцентробежного насоса КЭЦН-130 (150) предназначен для направления потока жидкости вдоль корпуса ПЭД с целью обеспечения его охлаждения при работе УЭЦН ниже зоны перфорации обсадной колонны. Кожух устанавливается на головку модуля входного кожуха МВК-150, снабженного осевой опорой. Различные исполнения входного модуля обеспечивают фланцевое соединение с секцией насоса по шести или восьми точкам и вала диаметром 17 и 20 мм.

В нижней части электродвигателя устанавливают центратор, обеспечивающий равномерный диаметральный зазор между корпусом электродвигателя и кожухом.

Кожух снабжен переводником для подсоединения "хвостовика" из труб диаметром 60 и 73 мм.

Использование кожуха способствует предохранению электродвигателя от перегрева, позволяет увеличить дебит скважины и снизить вредное влияние попутного газа на работу насоса.

Рис. 5.21. Кожух односекционный: 1 — насос; 2 — кожух односекционный; 3 — входной модуль; 4 — протектор; 5 – электродвигатель односекционный; 6 — обсадная колонна; 7 – центратор; 8 — переводник; 9 — хвостовик

Показатели назначения по перекачиваемым средам (смесь нефти, попутной воды и нефтяного газа):

максимальная плотность жидкости, кг/м³ – 1400

водородный показатель попутной воды, pH – 6,0–8,5

максимальная концентрация сероводорода, % (г/л) – 0,001

температура откачиваемой жидкости, не более°C – 135

Обозначение кожуха электроцентробежного насоса КЭЦН-150-01 расшифровывается следующим образом:

КЭЦН – кожух электроцентробежного насоса;

150 – условный внутренний диаметр эксплуатационной колонны, мм;

01 – исполнение кожуха.

Скважины, в которых эксплуатируется кожух, по допускаемому темпу набора кривизны ствола скважины, углу отклонения ствола скважины от вертикали в зоне работы кожуха, кривизне ствола скважины в зоне расположения кожуха должны удовлетворять требованиям по эксплуатации УЭЦН.

5.2.6. Шламоуловитель (труба шламовая)

Труба шламовая (рис. 5.22) предназначена для защиты обратного клапана погружного насоса от осадка механических примесей, находящихся в колонне насосно-компрессорных труб (НКТ).

Рис. 5.22. Шламоуловитель

Предусмотрены два варианта применения шламовой трубы.

Вариант 1. Установка непосредственно над обратным клапаном типа КОШ-73 с опорой на верхний торец специального патрубка, входящего в комплект клапана.

При этом ограничителем подъема шламовой трубы является нижний торец НКТ, вворачиваемый в муфту клапана.

Вариант 2. Установка в любом месте колонны НКТ с опорой на верхний торец ниже располагаемой НКТ.

В этом случае в муфту выше располагаемой НКТ обязательно должен быть ввернут сливной клапан типа КС-73 для обеспечения слива жидкости из участка колонны НКТ, расположенного выше шламовой трубы.

5.2.7. Фильтры

Фильтр противопесочный (рис. 5.23) предназначен для защиты насосов ЭЦН от механических примесей.

Рис. 5.23. Фильтр противопесочный ФНБ: а – разобщитель; б — фильтр-насадка; в – предохранительный клапан

Фильтр противопесочный производства ООО «Борец» типа ФПБ-85 предназначен для защиты насосов ЭЦН и ЭВН габаритов 5 и 5А на подачу до 500 м³/сут.

Исполнения: с креплением фильтра к нижней части погружного электродвигателя (фильтр ФПБН-85) и к нижней части кожуха электродвигателя (фильтр ФПБК-85). Фильтр ФПБН-85 включает фильтр-насадку ФНТ, предохранительный клапан со шламоуловителем ТШБ 42 × 73 и разобщитель. Фильтр ФПБК-85 отличается конструкцией крепления к кожуху и отсутствием разобщителя:

устанавливается:

на электродвигатель – ФПБН-500-85-В*-**;

на кожух электродвигателя – ФПБК-500-85-В*;

где ФПБ – фильтр противопесочный (ООО "Борец");

исполнение Н – для установки на электродвигателе;

исполнение К – для установки на кожухе;

500 – подача насоса, м³/сут;

85 – диаметр фильтра-насадки, мм;

В – ширина щели фильтра-насадки, мкм.

Щелевой фильтр – входной модуль ЖНШ (производство ЗАО "Новомет") к погружным насосам (рис. 5.24) – предназначен для предотвращения попадания в рабочие органы насосных секций механических примесей с поперечным сечением частиц более 0,2 мм.

Рис. 5.24. Фильтр ФПБН-85

Щелевой фильтр ЖНШ расположен между гидрозащитой и нижней насосной секцией. Задержание механических примесей осуществляется при прохождении загрязненной пластовой жидкости через щелевые фильтрующие элементы из нержавеющей стали. Тонкость фильтрации определяют размером щели. В зависимости от производительности насоса щелевой фильтр может состоять из одной секции или более.

Фильтр СПМФ-108 (рис. 5.25) предназначен для очистки пластовой жидкости от механических примесей с размером частиц более 0,4 мм, может также применяться для ликвидации пескопроявлений газовых скважин.

Рис. 5.25. Фильтр СПМФ-108: 1 — переводник верхний; 2 — компенсатор; 3 – перфорированный кожух; 4 – фильтрующие слои; 5 – прокладка; 6 — перфорированный ствол; 7 – переводник нижний

Таблица 5.8. Исполнение газосепараторов (диспергаторов, газосепараторов-диспергаторов, входных модулей). Технические требования

Таблица 5.9. Фильтры и шламоуловители для ЭЦН (габарит 5, 5А). Технические требования

Задержание механических примесей происходит при прохождении загрязненной пластовой жидкости (или газа) через слоистую составную цилиндрическую оболочку из пеноникеля с уменьшающимся размером пор от наружного к внутреннему слою.

Тонкость очистки определяется пеноникелевой оболочкой с наименьшим размером пор.