Погружной глубинный скважинный насос. Штанговый и безштанговый

Погружной насос - насос, погружаемый ниже уровня перекачиваемой жидкости.
Это обеспечивает:

• подъем жидкости с большой глубины,
• хорошее охлаждение узлов насоса,
• подъем жидкости с растворенным в ней газом.

Устанавливаются насосы:

• в буровых скважинах,
• шахтных колодцах,
• технологических емкостях.

Различают 2 типа скважинных погружных насосов:

• штанговые погружные насосы;
• бесштанговые погружные насосы, в тч. используемые в УЭЦН.

Штанговые скважинные глубинные насосы (ШГН), в которых привод осуществляется от независимого двигателя, находящего на поверхности жидкости, через механическую связь (штангу).
Чаще всего штанговый насос используют при добычи нефти. В поршень штангового насоса установлен обратный клапан (выкидной), пропускающий жидкость в одном направлении.
Запорный элемент клапана - это шарик - седло.
При движении поршня вниз шарик перемещается вверх, клапан открывается, пропуская жидкость через поршень.
При движении поршня вверх шарик прижимается к седлу, клапан под действием давления столба жидкости закрывается.
Состав ШГН:

• плунжер, который движется вверх-вниз по хорошо подогнанному цилиндру;
• обратный клапан плунжера, обеспечивающий движение жидкости только вверх. Обратный клапан, называемый также выкидным, в современных насосах обычно представляет собой клапан типа шар-седло.

Работа ШГН обеспечивается возвратно-поступательным перемещением плунжера с помощью наземного привода через связующую колонну штанг.
Самая верхняя штанга - полированный шток, проходит через сальник на устье скважины и соединяется с головкой балансира станка-качалки с помощью траверсы и гибкой канатной подвески.

Основные узлы привода установки ШГН - на языке нефтяников - станка-качалки:

• рама,
• стойка в виде усеченной 4-гранной пирамиды,
• балансир с поворотной головой,
• траверса с шатунами, шарнирно подвешенные к балансиру, редуктор с кривошипами и противовесами,
• набор сменных шкивов для изменения числа качаний,
• поворотной салазка для электродвигателя, позволяющая менять ремни и их натяжение.

Добыча нефти при помощи штанговых насосов - самый распространенная технология.
Более 70% добывающих скважин эксплуатируется установками ШГН из-за простоты, эффективности и надежности. Преимущества ШГН:

• высокий коэффициент полезного действия (КПД);
• возможность проведения ремонта непосредственно на нефтепромысле;
• возможность использования различных приводов для первичных двигателей;
• возможность добычи ТрИЗ, в тч в пескопроявляющих скважинах, при наличии парафина, высокого газового фактора, необходимости откачки коррозионной жидкости.

Недостатки ШГН:

• невозможность использования в наклонно-направленных скважинах;
• ограничение по глубине спуска насоса из-за вероятности обрыва штанг;
• малая подача насоса.
  

Штанговые насосы бывают вставные (НСВ) и невставные (НСН), чаще применяемые для добычи парафинистой нефти.

Вставные ШГН спускают в скважину в собранном виде:

• в скважину на НКТ спускается специальное замковое приспособление,
• насос на штангах спускают в уже спущенные НКТ, что позволяет менять насос без операции спуска-подъема труб.

Невставные насосы спускают в полуразобранном виде:

• на НКТ спускают цилиндр насоса;
• на штангах спускают плунжер с обратным клапаном, что требует спуск- подъем при замене насоса.

Бесштанговые скважинные погружные насосы - с переносом привода (первичного двигателя) в скважину к насосу.
Выполняются в одном агрегате с электрическим (или гидравлическим) двигателем.
К ним относятся электроцентробежные насосы (ЭЦН) установок погружных центробежных (УЭЦН), винтовых и диафрагменных электронасосов.
В нефтегазе установки погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН) известны, как эффективный метод искусственного подъема жидкости на поверхность.

Питание электродвигателя осуществляется через погружаемый силовой кабель, закрепленный на НКТ. Данные насосы являются наиболее распространёнными.
К ним относятся скважинный насос, колодезный насос, а также фекальный насос и дренажный насос.
В случае применения гидродвигателя, источником энергии служит та же самая перекачиваемая жидкость, подаваемая в насос под высоким давлением.
В этом случае независимый двигатель с насосом устанавливается на поверхности.
Частный случай такой системы - гидролифт, в котором вода, подаваемая с поверхности под высоким давлением, увлекает с собой дополнительный объём воды из скважины.
Из числа скважинных погружных насосов наибольшее распространение получили центробежные насосы с погружным водо-, либо маслозаполненым герметичным электродвигателем соединенные коротким валом в моноагрегат, который подвешиваются в скважине на колонне водоподъемных (насосно-компрессорных) труб, либо устанавливается с устройством беструбного водоподъема, фиксирующим насос в обсадной колонне скважины на требуемой глубине и обеспечивающим подъем жидкости на поверхность по колонне обсадных труб.

Некоторые области применения погружных насосов:

• добыча нефти;
• системы скважинного подземного выщелачивания полезных ископаемых (добыча урана, золота, редкоземельных элементов методами физико-химической геотехнологии);
• водоснабжение и канализация муниципальных и промышленных сооружений, частных домовладений;
• ирригационные системы;
• утилизация геотермальной энергии низкого потенциала тепловыми насосами (Water source heat pumps-WSHP);
• перекачка сжиженных углеводородных газов.

Существуют также бытовые погружные насосы, используемые, например, для перекачивания жидкости из бассейнов и подвальных помещений, а также для местного водоснабжения.

Электрический центробежный насос

Вал соединяет двигатель с рабочими колесами ЭЦН через уплотнительную камеру. Вал спроектирован таким образом, чтобы его диаметр был как можно меньше без ущерба для его прочности; это позволяет большему объему проходить через впускное отверстие насоса.

Существуют различные материалы валов, отличающиеся коррозионной и эрозионной стойкостью, требованиями к мощности и прочности на растяжение.

Впуск насоса - стандартный, с обратным потоком и динамический.

Через входное отверстие насоса скважинная жидкость поступает в ЭЦН и направляется к рабочим колесам. В зависимости от свойств жидкости, в частности соотношения газ-жидкость, используются различные типы входных отверстий. Стандартные конструкции не предусматривают разделения газа и поэтому используются в скважинах с очень низким соотношением газа и жидкости.

Для разделения газа в скважинном потоке с относительно высоким коэффициентом газоотделения добывающие компании используют заборы с обратным потоком или с вращающимся насосом.

На входе насоса с обратным потоком добываемая жидкость вместе со свободным газом поступает вверх по внешней стороне фильтра с обратным потоком, затем поворачивается и поступает через отверстия в верхней части экрана. Затем она поступает вниз к впускным отверстиям, а затем обратно на первую ступень насоса.

Эти изменения направления обеспечивают естественное отделение более легких газов от жидкости. Отделенный газ проходит вверх по затрубному пространству и выходит из обсадной колонны на устье скважины. Для увеличения отделения газа от жидкости можно использовать более длинные обратные пути.

Ступени центробежного насоса предназначены для повышения давления жидкости. Каждая ступень состоит из вращающегося рабочего колеса и неподвижного диффузора. Ступени могут быть установлены последовательно для постепенного увеличения давления до достижения желаемого расхода.

Жидкость проходит через вращающееся рабочее колесо, что увеличивает ее кинетическую энергию, или скорость. Затем она поступает в диффузор, преобразуя энергию в потенциальную, что повышает давление нагнетания. Жидкость повторяет процесс на каждой ступени насоса. Эта операция будет продолжаться до тех пор, пока жидкость не достигнет расчетного давления на выходе.

Рабочие колеса имеют решающее значение для работы ЭЦН, поскольку они определяют расход. Рабочие колеса с радиальным потоком имеют углы наклона лопастей около 90 градусов и обычно предназначены для более низких скоростей потока. Рабочие колеса со смешанным потоком имеют углы наклона лопастей около 45 градусов и предназначены для более высоких скоростей потока.