11) проверяют рациональность применения для подъема жидкости скважинного центробежного насоса по сравнению с другими способами подъема и видами насосов.
Для выбора установки необходимо знать характеристику скважины: отбор жидкости из скважины, глубину уровня жидкости в скважине, характеристику пластовой жидкости (содержание нефти, воды, газа, механических примесей -- песка; плотность и вязкость); размеры обсадной колонны скважины; устьевое давление, скважины для обеспечения подачи пластовой жидкости до групповой установки сбора нефти или до нагнетательных скважин (при закачке пластовых вод).
Для выбора насоса необходимо определить давление жидкости, которое он должен создавать. Это давление увеличивается с увеличением глубины скважины, гидравлических сопротивлений в трубах, противодавления на устье скважины. С другой стороны, необходимое давление уменьшается за счет работы газа, отбираемого из скважины вместе с жидкостью. Газ по мере приближения к устью скважины расширяется и увлекает за собой жидкость.
При выборе скважинного центробежного насоса необходимо знать параметры для подачи им воды, поскольку технические показатели насосов, приводимые в стандартах, технических условиях, паспортах, каталогах приведены именно для таких условий. Поэтому при подаче пластовой жидкости учитывают вязкость и содержание в ней газа, так как эти показатели отрицательно влияют на работу насосных установок.
Для насосов с небольшой подачей учитывают нагрев жидкости при прохождении ее около двигателя и через насос, в результате чего вязкость жидкости уменьшается.
По полученным подаче и напору насоса (при работе на воде) с использованием стандартов и каталогов находят его необходимый типоразмер. При известном внутреннем диаметре обсадной колонны скважины определяют допускаемый габаритный размер насосного агрегата (обычно зазор между насосным агрегатом и обсадной колонной составляет не менее 6 мм).
По габаритному размеру агрегата, заданному отбору жидкости, давлению, которое должен создавать насос, выбираются 2--3 типоразмера установок. В стандартах и каталогах приводятся сведения по комплектации насосных агрегатов трубами, кабелями, трансформаторами, станциями управления. Таким образом, определяют все оборудование, составляющее установку скважинного центробежного насоса.
Установку подбирают так, чтобы необходимые подача и напор находились в рабочей части характеристики насоса. При этом возможна некоторая подгонка параметров выпускаемых промышленностью насосов к характеристике скважины.
Глубину подвески насоса определяют главным образом в зависимости от двух факторов: ухудшения рабочих параметров системы насосной агрегат -- подъемные трубы вследствие попадания свободного газа на вход насоса ‚(чем меньше погружение под уровень жидкости, тем больший объем газа поступает в насос и тем хуже его характеристика) и уменьшения затрат на оборудование и ремонт при уменьшении глубины погружения насоса (меньше длина труб и кабеля, а также глубина, с которой насосный агрегат поднимается для ремонта).
Мощность электродвигателя определяют с учетом к. п. д. насоса при подаче им пластовой жидкости с соответствующей вязкостью.
По параметрам двигателя (пусковому и рабочему току, напряжению и мощности) проверяется кабель. Кабель должен иметь возможно меньший диаметр, но при этом в нем не должно теряться более 5--6 % мощности установки, а при включении двигателя снижение напряжения не должно приводить к невозможности его пуска.
Ниже приведена методика подбора УЭЦН, применявшаяся в НГДУ до начала использования зарубежных насосов. В настоящее время подбор ведется по программе на компьютере.
Методика позволяет подобрать расчетным путем оборудование для эксплуатации скважины ЭЦН и определить удельный расход электроэнергии при его работе.
Необходимые исходные данные:
1. Наружный диаметр эксплуатационной колонны Д (мм);
2. Глубина скважины Нф (м);
3. Дебит жидкости Q (м3/сут);
4. Статический уровень hст (м);
5. Коэффициент продуктивности скважины К (м3/сут МПа);
6. Кинематичиская вязкость жидкости х (м2/с);
7. Газовый фактор Gо (м3/м3);
8. Расстояние от устья скважины до сепаратора l (м);
9. Превышение уровня жидкости в сепараторе над устьем скважины hг (м);
10. Избыточное давление в сепараторе Рс (МПа);
11. Плотность добываемой жидкости сж (кг/м3);
Расчет:
Выбор диаметра насосных труб.
Диаметр насосных труб определяется их пропускной способностью и возможностью размещения труб в скважине (с учетом соединительных муфт) вместе с кабелем и агрегатом.
Пропускная способность труб связана с их КПД (зтр). КПД труб изменяется от 0,92 до 0,99 и зависит в основном от диаметра и длины НКТ. КПД труб, как правило, следует брать не ниже 0,94.
Так как очень часто ЭЦН применяют для форсированного отбора жидкости из сильно обводненных скважин с вязкостью нефти близкой к вязкости воды (х = 1·10-6 м2/с при Т = 293 К), то в целях облегчения расчета для этих условий построены кривые потерь напора на участке 100 м.
Для определения диаметра труб необходимо из точки дебита провести вертикаль вверх до пересечения кривых потерь напора в трубах разного диаметра. Затем, исходя из предварительно принятого КПД (например 0,94), найти в пересечении вертикали с линией 0,94 необходимый диаметр труб. При пересечении кривых для труб нескольких диаметров предпочтение надо отдать тому, который дает более высокий к. п. д., учитывая при этом также прочность труб и возможность размещения их в скважине.
Рис. 2.16 Кривые потерь напора в насосных трубах
Из рис. 2.16 видно, что к. п. д. насосных труб -- зтр = 0,94 (пунктирная линия) пропускная способность 48-мм труб примерно равна 140 м3/сут. Если устраивает дебит, можно принять трубы с d = 48 мм, но более высокий КПД получим с трубами с d = 60 мм.
Определение необходимого напора ЭЦН
Необходимый напор определяется из уравнения условной характеристики скважины
Нс = hст + Дh + hтр + hг + hс,
где hст -- статический уровень; Дh = Q/К -- депрессия при показателе степени уравнения притока, равном единице; hтр -- потери напора за счет трения и местных сопротивлений при движении жидкости в трубах от насоса до сепаратора; hг -- разность геодезических отметок устья скважины и сепаратора; hс -- избыточный напор в сепараторе.
где L -- глубина спуска насоса, м; L = hд + h. Здесь hд -- расстояние от устья до динамического уровня, hд = hст + Дh; h -- глубина погружения насоса под динамический уровень, которая зависит от количества свободного газа на этой глубине и определяется приближенно расчетными способами различного рода.
Коэффициент гидравлического сопротивления л при движении в трубах однофазной жидкости определяется в зависимости от числа Рейнольдса Re и относительной гладкости труб ks:
где d -- внутренний диаметр НКТ.
Относительная гладкость труб
ks = d/2Д
d -- диаметр труб, мм; Д -- шероховатость стенок труб, мм (для труб, не загрязненных отложениями солей и парафина, ориентировочно принимаем Д = 0,1 мм).
По полученным значениям Re и ks находим из графика (рис. 2.17) л.
Рис. 2.17 График для определения коэффициента гидравлического сопротивления в зависимости от числа Рейнольдса и относительной гладкости труб
Подбор насоса
Существующий нормальный ряд российских ЭЦН предусматривает в зависимости от диаметра эксплуатационной колонны и дебитов скважин 15 насосов разных типов, а с учетом возможных напоров -- 105 типоразмеров.
Насос для скважин подбирается в соответствии с характеристикой скважины, ее дебитом, необходимым напором и диаметром эксплуатационной колонны на основании характеристики ЭЦН.
Рис. 2.18 Рабочая характеристика насоса
Характеристику насоса можно приблизить к условной характеристике скважины путем уменьшения подачи насоса при помощи штуцера или задвижки, установленных на выкидной линии, и за счет уменьшения числа ступеней насоса.
При первом способе дебит и напор изменяются по кривой рабочей характеристики насоса Q = f(Нн). При этом уменьшается зн, поэтому выгоднее применять второй способ, при котором зн практически не изменяется.
Число ступеней, которое надо снять с насоса для получения необходимого напора, равно
Если рассчитанное количество ступеней меньше, то вместо снятых ступеней внутри корпуса насоса устанавливаются проставки.
Выбор кабеля
Выбор кабеля осуществляется по характеристике применяемых для ЭЦН кабелей, приведенной в справочной литературе. Выбираем кабель в соответствии со следующими положениями. От сечения и длины кабеля зависят потери электроэнергии в нем и к. п. д. установки.
Потери электроэнергии в кабеле длиной 100 м определяются по формуле
где I -- сила тока в статоре электродвигателя; R -- сопротивление в кабеле, Ом.
Сопротивление в кабеле длиной 100 м можно определить по формуле
где сt -- удельное сопротивление кабеля при температуре Тк ; Ом мм2/м‚ q -- площадь сечения жилы кабеля (мм2).
Удельное сопротивление кабеля
где с (Ом·мм2/м) -- удельное сопротивление меди при Т = 293 К; б = 0,004 -- температурный коэффициент для меди.
Общая длина кабеля равна сумме глубины спуска насоса и расстояния от скважины до станции управления.
Выбор двигателя
Мощность двигателя, необходимую для работы насоса, определим по формуле
где зн = 0,5 -- к. п. д. насоса (по его рабочей характеристике).
Техническая характеристика применяемых электродвигателей и протекторов для ЭЦН приведена в таблицах справочной литературы.
Определение основного диаметра агрегата
Наружный диаметр двигателя, насоса и подъемных труб выбирают с учетом размещения их вместе с кабелем в эксплуатационной колонне данного диаметра. При этом имеют в виду, что погружной агрегат и ближайшие к агрегату трубы составляют жесткую систему и расположение их в скважине должно рассматриваться совместно. Зная глубину спуска, искривленность скважины и состояние эксплуатационной колонны, выбирают допустимый зазор между агрегатом и колонной. От зазора зависят основные размеры насоса и двигателя, связанные с мощностью погружного агрегата. Для сохранности кабеля и устранения опасности прихвата агрегата в эксплуатационной колонне диаметральный зазор для скважин с диаметром колонн до 219 мм принимают равным 5--10 мм.
Наибольший основной размер погружного агрегата равен разности между внутренним диаметром эксплуатационной колонны и допустимым зазором.
Основной диаметр агрегата с учетом плоского кабеля (рис. 2.19):
Рис. 2.19 Схема расположения в скважине погружного агрегата, насосных труб и кабеля
где Dэд -- наружный диаметр электродвигателя; Dн -- наружный диаметр насоса; hк -- толщина плоского кабеля; S -- толщина металлического пояса, крепящего кабель к агрегату.
Выбор автотрансформатора
Автотрансформатор служит для повышения напряжения и компенсации падения напряжения в кабеле от станции управления до электродвигателя.
Для выбора автотрансформатора и определения величины напряжения во вторичной его обмотке необходимо найти падение напряжения ДU в кабеле, В
где r0 -- активное удельное сопротивление кабеля, Ом/км; х0 -- индуктивное удельное сопротивление кабеля, Ом/км (для кабелей КРБКЗх25 приближенно х0 = 0,1 Ом/км); соsц - коэффициент мощности установки, sinц -- коэффициент реактивной мощности; Ic -- рабочий ток статора; L -- длина кабеля
Активное удельное сопротивление кабеля определяется по формуле
Напряжение на вторичной обмотке трансформатора равно сумме напряжения электродвигателя и потерь напряжения в кабеле.
По напряжению на вторичной обмотке выбираем автотрансформатор и определяем положение клемм (перемычек) с учетом напряжения в сети, подводимого к первичной обмотке. В том случае, когда напряжение сети отличается от номинального (380 В), действительное напряжение на зажимах вторичной обмотки автотрансформатора определяется по формуле
где Uсет -- действительное напряжение сети по вольтметру, В; Uном -- номинальное напряжение в сети, В; U2 -- напряжение во вторичной обмотке автотрансформатора для данной отпайки, В.
Определение удельного расхода электроэнергии, приходящейся на 1 т добытой жидкости
Характерным энергетическим показателем работы электронасосной установки служит расход электроэнергии на 1 т добытой жидкости. Он определяется по формуле
где Н -- высота подачи жидкости; зоб -- общий к. п. д. установки, равный зтр·зн·здв·зк·зав (зтр - к. п. д труб; ·зн - к. п. д насоса; ·здв - к. п. д. двигателя при неполной его загрузке; ·зк· -- к. п. д. кабеля, который в зависимости от сечения, длины, силы тока и температуры изменяется от 0,7 до 0,95; зав -- к. п. д. автотрансформатора).
Для сравнительной оценки удельного расхода электроэнергии, чтобы исключить влияние высоты подъема, иногда определяют расход электроэнергии на подъем 1 т жидкости на 1 м.