Электроцентробежные насосы

Кратко о главном

Установка — это наземное оборудование (станция управления, обычно с частотным преобразователем, и повышающий трансформатор), кабель вдоль НКТ и погружной агрегат: насос из сотен ступеней, входной модуль или газосепаратор, гидрозащита, погружной электродвигатель (ПЭД) и датчики.
Центробежный насос — динамический: его подача зависит от напора, против которого он работает. Напорная характеристика показывает, какой напор в метрах столба жидкости даёт ступень при каждой подаче; работать нужно в рабочей области около максимума КПД.
Напор в метрах от плотности маловязкой жидкости не зависит, а давление и мощность ей пропорциональны: $\Delta p = \rho g h$ .
Требуемый напор — это высота подъёма жидкости с динамического уровня плюс разность давлений на устье и в затрубье и трение, выраженные в метрах столба. Число ступеней — требуемый напор, делённый на напор одной ступени при расчётной подаче.
По законам подобия подача пропорциональна частоте вращения, напор — её квадрату, мощность — кубу. Частотный преобразователь меняет режим без подъёма насоса, но рабочая точка смещается по характеристике скважины, а мощность двигателя и газ на приёме ограничивают частоту.
Свободный газ — главный враг УЭЦН: уже при 10–15 % по объёму напор заметно падает, при большей доле возможен срыв подачи. С газом борются давлением на приёме, сепарацией и газостойкими ступенями.

Ключевые соотношения

H_{\text{треб}} = H_{\text{дин}} + \dfrac{p_{wh} - p_{\text{затр}} + \Delta p_{\text{тр}}}{\rho g}

требуемый напор насоса, м

z_{\text{ст}} = \dfrac{H_{\text{треб}}}{h(q_{\text{пр}})}

число ступеней (округляют вверх)

N_{\text{вал}} = \dfrac{\rho g\,q_{\text{пр}}\,H_{\text{нас}}}{\eta}

мощность на валу насоса

\dfrac{q_2}{q_1} = \dfrac{n_2}{n_1}, \quad \dfrac{h_2}{h_1} = \left(\dfrac{n_2}{n_1}\right)^{2}, \quad \dfrac{N_2}{N_1} = \left(\dfrac{n_2}{n_1}\right)^{3}

законы подобия для соответствующих точек характеристик

Где чаще всего ошибаются

Подбирать насос по дебиту на поверхности, забыв, что через него идёт объём при условиях приёма — с объёмным коэффициентом нефти и не отделённым свободным газом.
Ставить расчётную подачу на край рабочей области: при снижении притока насос уйдёт за её пределы.
Ждать, что дебит изменится пропорционально частоте: рабочая точка определяется и характеристикой скважины.
Повышать частоту, не проверив мощность двигателя и давление на приёме.
Пускать двигатель, пока жидкость, стекающая через насос, вращает его в обратную сторону.

После урока вы сможете

назвать узлы УЭЦН от станции управления до датчиков под двигателем и объяснить, что делает каждый;
объяснить, как работает центробежная ступень и что показывает её напорная характеристика: напор, КПД, мощность, рабочая область;
подобрать насос к скважине: рассчитать требуемый напор, число ступеней и мощность, выбрать двигатель и проверить его охлаждение;
по законам подобия оценить, как частота питания меняет подачу, напор и мощность, и найти рабочую точку насоса в скважине при другой частоте;
рассчитать долю свободного газа на приёме и выбрать меры против газа;
оценить ток двигателя и потери в кабеле и распознать по току и давлениям откачку скважины, газ и другие неполадки.

Из чего состоит установка

В уроке о выборе способа механизированной добычи УЭЦН описан в двух словах: многоступенчатый центробежный насос с погружным двигателем, питаемым по кабелю. Здесь разберём установку по частям — по пути, которым электроэнергия идёт от сети к жидкости.

СхемаСкважина с установкой электроцентробежного насоса (схема, не в масштабе; скважина укорочена). Насос, входной модуль или газосепаратор, гидрозащита и двигатель собраны в один погружной агрегат на конце НКТ. Агрегат спущен выше интервала перфорации, поэтому жидкость идёт к приёму вдоль двигателя и охлаждает его; газ, отделившийся у приёма, поднимается по затрубному пространству над динамическим уровнем.

Наземное оборудование. Станция управления включает и отключает установку и защищает её: от перегрузки и недогрузки двигателя, снижения сопротивления изоляции, по сигналам датчиков. Чаще всего в неё входит частотный преобразователь (ЧП, variable speed drive): он меняет частоту питающего тока, а с ней — частоту вращения двигателя и насоса. Обычно станция работает на напряжении сети, а между ней и скважиной стоит повышающий трансформатор: он даёт такое напряжение, чтобы после потерь в кабеле на двигателе было номинальное, — от сотен вольт до нескольких киловольт. Между трансформатором и устьем ставят клеммную (вентиляционную) коробку (vent box): газ из скважины может проникать вдоль жил кабеля, и коробка не даёт ему дойти до электрооборудования, где искра при переключении могла бы его поджечь.

Кабель идёт от устья вдоль НКТ и крепится к трубам металлическими поясами; в местах, где его легко повредить при спуске, ставят протекторы. Через устьевую арматуру его пропускают герметичным вводом, а если в скважине есть пакер — то и через пакер. Вдоль погружного агрегата, где зазор между ним и колонной мал, круглый кабель сменяется плоским удлинителем, который заканчивается муфтой кабельного ввода в двигатель (pothead).

Насос (ЭЦН) собран из секций, в каждой — десятки ступеней, а всего их бывает от нескольких десятков до нескольких сотен. Ступень — это рабочее колесо (impeller) на общем валу и неподвижный направляющий аппарат (diffuser), закреплённый в корпусе. Колесо разгоняет жидкость, направляющий аппарат тормозит её, превращая скорость в давление, и подводит к следующему колесу. Ступени соединены последовательно — выкид одной служит входом следующей, — поэтому напор насоса пропорционален числу ступеней, а подачу задают размеры колёс. Насосы выпускают по габаритам — наибольшему наружному диаметру, который проходит в эксплуатационную колонну данного размера; чем больше габарит, тем больше подача и напор одной ступени и выше КПД.

Под насосом — входной модуль с сеткой, через который жидкость входит в насос, или газосепаратор (gas separator), который отделяет часть свободного газа и сбрасывает её в затрубное пространство (раздел о газе).

Гидрозащита (protector, seal section) соединяет вал двигателя с валом насоса и решает четыре задачи: отделяет чистое масло двигателя от пластовой жидкости; компенсирует тепловое расширение масла, когда двигатель нагревается; выравнивает давление внутри двигателя с давлением в скважине, чтобы уплотнения не работали под большим перепадом; воспринимает своей упорной пятой осевую силу, которую создают рабочие колёса насоса.

Погружной электродвигатель (ПЭД, submersible motor) — длинный и сравнительно тонкий двигатель, заполненный маслом, которое изолирует обмотку и смазывает подшипники. Обычно это асинхронный трёхфазный двигатель; при 50 Гц его вал вращается с частотой около 2900 оборотов в минуту. Мощность — от десятка до нескольких сотен киловатт; если одного двигателя не хватает, соединяют два-три последовательно. Всё шире применяют вентильные двигатели с постоянными магнитами: у них выше КПД, и они работают в более широком диапазоне частот вращения. Тепло двигатель может отдать только жидкости, которая обтекает его на пути к приёму, — отсюда требование к скорости потока вдоль двигателя.

Под двигателем крепят блок погружной телеметрии — термоманометрическую систему (ТМС): она измеряет давление и температуру на приёме, температуру двигателя, вибрацию, иногда давление на выкиде и передаёт данные по силовому кабелю. Над насосом в НКТ ставят обратный клапан — он не даёт жидкости стекать из труб через насос при остановке — и над ним сливной клапан, который открывают перед подъёмом, чтобы не поднимать трубы, заполненные жидкостью.

Узлы УЭЦН — от сети к жидкости

Узел: Станция управления, частотный преобразователь
Что делает: пуск, защита, регулирование частоты вращения
По-английски: switchboard, variable speed drive

Узел: Повышающий трансформатор
Что делает: даёт напряжение, нужное двигателю, с учётом потерь в кабеле
По-английски: step-up transformer

Узел: Клеммная коробка
Что делает: не пускает газ, пришедший по кабелю, к электрооборудованию
По-английски: vent box

Узел: Кабель, удлинитель, муфта кабельного ввода
Что делает: подводят ток к двигателю
По-английски: power cable, motor lead extension, pothead

Узел: Обратный и сливной клапаны
Что делает: удерживают жидкость в НКТ; сливают её перед подъёмом
По-английски: check valve, drain valve

Узел: Насос из секций ступеней
Что делает: поднимает давление жидкости
По-английски: multistage centrifugal pump

Узел: Входной модуль или газосепаратор
Что делает: впускает жидкость, отделяет газ
По-английски: intake, gas separator

Узел: Гидрозащита
Что делает: защищает двигатель, воспринимает осевую силу
По-английски: protector, seal section

Узел: Погружной электродвигатель (ПЭД)
Что делает: вращает вал
По-английски: submersible motor

Узел: ТМС
Что делает: давление, температура, вибрация
По-английски: downhole sensor

Узел	Что делает	По-английски
Станция управления, частотный преобразователь	пуск, защита, регулирование частоты вращения	switchboard, variable speed drive
Повышающий трансформатор	даёт напряжение, нужное двигателю, с учётом потерь в кабеле	step-up transformer
Клеммная коробка	не пускает газ, пришедший по кабелю, к электрооборудованию	vent box
Кабель, удлинитель, муфта кабельного ввода	подводят ток к двигателю	power cable, motor lead extension, pothead
Обратный и сливной клапаны	удерживают жидкость в НКТ; сливают её перед подъёмом	check valve, drain valve
Насос из секций ступеней	поднимает давление жидкости	multistage centrifugal pump
Входной модуль или газосепаратор	впускает жидкость, отделяет газ	intake, gas separator
Гидрозащита	защищает двигатель, воспринимает осевую силу	protector, seal section
Погружной электродвигатель (ПЭД)	вращает вал	submersible motor
ТМС	давление, температура, вибрация	downhole sensor

В обозначениях отечественных установок обычно указывают габарит, номинальную подачу в кубометрах в сутки и напор в метрах: например, шифр вида «5-125-1500» означает насос 5-го габарита на 125 м³/сут с напором 1500 м. Номинальная подача — подача в оптимальном режиме, при максимальном КПД, на воде при 50 Гц.

Ступень и напорная характеристика

Центробежный насос не вытесняет определённый объём за оборот, как плунжерный или винтовой: он сообщает жидкости энергию через скорость. Поэтому его подача зависит от того, против какого напора он работает: чем больше нужно поднять давление, тем меньше подача, и наоборот. Если закрыть задвижку на выкиде, насос будет вращаться, создавая наибольший напор при нулевой подаче, — долго так работать нельзя, потому что без потока насос и двигатель перегреваются, но давление не растёт неограниченно, как у объёмного насоса.

Напор (head) — энергия, которую насос сообщает каждому ньютону веса жидкости, выраженная высотой столба этой жидкости в метрах. Удобство напора в том, что для маловязких жидкостей он не зависит от плотности: ступень поднимает на одну и ту же высоту и воду, и нефть. А давление, которое она при этом создаёт, пропорционально плотности.

Перепад давления, мощность и КПД ступени

\Delta p_{\text{ст}} = \rho g h, \qquad N_{\text{ст}} = \rho g\,q_{\text{пр}}\,h, \qquad \eta = \frac{N_{\text{ст}}}{N_{\text{вал,ст}}}

где:

$\Delta p_{\text{ст}}$ прирост давления в одной ступени, Па
$\rho$ плотность перекачиваемой жидкости при условиях в насосе, кг/м³
$g$ ускорение свободного падения, 9,81 м/с², м/с²
$h$ напор ступени при подаче $q_{\text{пр}}$ — по характеристике, м
$q_{\text{пр}}$ подача — объём жидкости, проходящий через насос, при условиях приёма, м³/с
$N_{\text{ст}}$ гидравлическая (полезная) мощность ступени, Вт
$N_{\text{вал,ст}}$ мощность на валу, затрачиваемая на ступень, Вт
$\eta$ КПД ступени — он же КПД насоса из одинаковых ступеней, —

Единицы: СИ

Справедливо, если

маловязкая жидкость (вязкость близка к вязкости воды) без свободного газа: характеристики изготовитель снимает на воде, а вязкость и газ уменьшают напор и КПД;
напор и КПД берут по характеристике при той подаче и той частоте вращения, с которыми ступень работает.

Для насоса из одинаковых ступеней напор и мощность во столько раз больше, сколько в нём ступеней, а КПД тот же. Разница между мощностью на валу и полезной уходит в тепло: трение жидкости в каналах, перетоки между колесом и направляющим аппаратом, трение в подшипниках.

В других системах единиц (2)

Метрические промысловые единицы

\Delta p_{\text{ст}}\,[\text{МПа}] = \frac{\gamma\,h\,[\text{м}]}{102}

$h$ — метры, $\gamma$ — относительная плотность жидкости (вода = 1), $\Delta p$ — МПа.

$102 = 10^6/(1000\cdot 9{,}81)$ : столб пресной воды высотой 102 м создаёт давление 1 МПа.

Промысловые единицы (oilfield)

\Delta p_{\text{ст}}\,[\text{psi}] = 0{,}433\,\gamma\,h\,[\text{ft}]

$h$ — футы, $\gamma$ — относительная плотность жидкости, $\Delta p$ — psi.

0,433 psi на фут — градиент давления пресной воды.

Изготовитель снимает напорную характеристику (pump performance curve) на стенде, на воде, при номинальной частоте — 50 Гц (около 2900 об/мин) или 60 Гц (около 3500 об/мин) — и приводит её в каталоге для одной ступени или для насоса с определённым числом ступеней. Это три кривые в зависимости от подачи:

Напор наибольший при нулевой подаче и падает с её ростом до нуля при наибольшей подаче.
КПД равен нулю при нулевой подаче (полезной работы нет) и при наибольшей (нет напора), а между ними проходит через максимум. Это оптимальный режим (best efficiency point, BEP); подачу в нём называют номинальной.
Мощность на валу у обычных ступеней растёт с подачей. Поэтому двигатель перегружается, если насос работает с подачей больше расчётной — например, когда из-за негерметичности НКТ жидкость возвращается в скважину и насосу приходится создавать меньший напор.

РасчётУсловная характеристика ступени на воде при 50 Гц (кривые придуманы для урока, но похожи на каталожные): напор

h = 6{,}4\,[1 - (q/280)^2]

м и КПД

\eta = 0{,}60\,x(2 - x)

, где

x = q/140

. Оптимум — 140 м³/сут при напоре 4,8 м и КПД 0,60; рабочая область, где КПД не ниже 90 % максимального, — примерно от 96 до 184 м³/сут.

Работать насос должен в рабочей области (recommended operating range) — интервале подач вокруг оптимума, который указывает изготовитель; обычно это примерно от 0,7 до 1,3 номинальной подачи. Внутри неё КПД близок к максимальному. Левее, при малых подачах, поток прижимает рабочие колёса вниз — изнашиваются нижние опорные шайбы, жидкость циркулирует внутри ступени и нагревается. Правее, при больших подачах, колёса поднимаются вверх, а КПД быстро падает. В условной характеристике урока рабочая область — подачи, при которых КПД не ниже 90 % максимального: от 0,68 до 1,32 номинальной.

Каталожная характеристика снята на воде

Кривые изготовителя получены на воде без газа при номинальной частоте. На скважинной жидкости той же вязкости их применяют без поправок к напору в метрах, но давление и мощность пересчитывают по её плотности; частоту учитывают законами подобия, а вязкость и газ — поправками. Именно поэтому УЭЦН так хорошо работают на сильно обводнённой продукции: если сплошная фаза — вода, характеристика на воде к ней почти применима.

Подбор насоса к скважине

Подобрать УЭЦН — значит найти насос, который при расчётной подаче создаёт ровно тот напор, которого требует скважина, и при этом работает в рабочей области, а затем подобрать к нему двигатель, гидрозащиту и кабель. Исходные данные — индикаторная кривая и желаемый дебит, глубина спуска и конструкция скважины, свойства флюидов, давления на устье и в затрубье.

Требуемый напор складывается из тех же частей, что и перепад давления насоса: подъём жидкости с динамического уровня до устья, разность давлений на устье и в затрубье и трение в НКТ. Выраженный в метрах столба перекачиваемой жидкости, он и есть напор, который должен дать насос.

Требуемый напор насоса

H_{\text{треб}} = \frac{p_{\text{вых}} - p_{\text{пр}}}{\rho g} = H_{\text{дин}} + \frac{p_{wh} - p_{\text{затр}} + \Delta p_{\text{тр}}}{\rho g}

где:

$H_{\text{треб}}$ напор, который должен создать насос при расчётной подаче, м
$p_{\text{вых}},\ p_{\text{пр}}$ давления на выкиде и на приёме насоса, Па
$H_{\text{дин}}$ глубина динамического уровня в затрубье по вертикали, м
$p_{wh}$ давление на устье в НКТ, Па
$p_{\text{затр}}$ давление газа в затрубном пространстве на устье, Па
$\Delta p_{\text{тр}}$ потери давления на трение в НКТ от насоса до устья, Па
$\rho$ плотность жидкости в НКТ и в затрубье под уровнем, кг/м³
$g$ ускорение свободного падения, 9,81 м/с², м/с²

Единицы: СИ; давления — все избыточные или все абсолютные

Справедливо, если

жидкость без свободного газа, одной плотности в НКТ и в затрубье под уровнем; газ в НКТ облегчает столб, и тогда давление на выкиде считают по многофазному потоку — требуемый напор меньше;
глубины по вертикали, трение — по длине НКТ: $\Delta p_{\text{тр}} = \lambda\,\dfrac{L}{d}\,\dfrac{\rho v^2}{2}$ , как в уроке об узловом анализе;
вес газового столба в затрубье над уровнем мал.

Требуемый напор растёт, когда опускается динамический уровень — то есть с ростом отбора, — и с давлением на устье. Сколько метров напора даёт одна ступень при расчётной подаче, известно из характеристики; отсюда число ступеней.

Число ступеней и мощность на валу насоса

z_{\text{ст}} = \frac{H_{\text{треб}}}{h(q_{\text{пр}})}, \qquad N_{\text{вал}} = \frac{\rho g\,q_{\text{пр}}\,H_{\text{нас}}}{\eta(q_{\text{пр}})}

где:

$z_{\text{ст}}$ число ступеней; результат округляют вверх, —
$h(q_{\text{пр}})$ напор одной ступени при подаче $q_{\text{пр}}$ и той частоте, на которой будет работать насос, м
$q_{\text{пр}}$ подача при условиях приёма: дебиты нефти и воды, умноженные на их объёмные коэффициенты, плюс не отделённый свободный газ, м³/с
$H_{\text{нас}}$ напор насоса, $z_{\text{ст}}\,h$ ; при точном подборе равен требуемому, м
$N_{\text{вал}}$ мощность на валу насоса, Вт
$\eta(q_{\text{пр}})$ КПД насоса при этой подаче, —
$\rho,\ g$ плотность перекачиваемой жидкости при условиях в насосе и ускорение свободного падения, кг/м³, м/с²

Единицы: СИ

Справедливо, если

все ступени одинаковы, жидкость маловязкая и без заметной доли газа; вязкость и газ учитывают поправками или запасом ступеней;
к мощности насоса добавляют то, что потребляют газосепаратор и гидрозащита, — обычно несколько процентов.

Ступени добавляют напор, а не подачу. Мощность на валу пропорциональна подаче и напору; двигатель выбирают с запасом по мощности и проверяют по охлаждению, температуре в скважине и пусковым условиям.

В других системах единиц (1)

Метрические промысловые единицы

N_{\text{вал}}\,[\text{кВт}] = \frac{q_{\text{пр}}\,[\text{м}^3/\text{сут}]\;\Delta p_{\text{н}}\,[\text{МПа}]}{86{,}4\;\eta}

$q_{\text{пр}}$ — м³/сут при условиях приёма, $\Delta p_{\text{н}} = \rho g H_{\text{нас}}$ — МПа, $N_{\text{вал}}$ — кВт.

$86{,}4 = 86\,400/1000$ : секунды в сутках, а МПа·м³/с = МВт = 1000 кВт.

Порядок подбора

1
Режим
по индикаторной кривой — забойное давление при желаемом дебите, по нему и глубине спуска — давление на приёме. Его сравнивают с давлением насыщения: ниже него на приём придёт свободный газ.
2
Объём на приёме
дебиты нефти и воды пересчитывают к условиям приёма объёмными коэффициентами (Модель «чёрной нефти»: газосодержание и объёмные коэффициенты) и добавляют свободный газ, который не отделит сепаратор.
3
Насос
габарит, проходящий в колонну, и тип ступени, у которой расчётная подача попадает в рабочую область — лучше в её правую половину: при снижении притока рабочая точка сместится влево.
4
Напор и ступени
требуемый напор, число ступеней по характеристике, мощность на валу.
5
Двигатель, гидрозащита, кабель
двигатель с запасом по мощности; охлаждение двигателя; кабель по току, температуре и допустимым потерям (раздел о двигателе и кабеле).
6
Проверка на будущее
узловым анализом — режимы при другом пластовом давлении, продуктивности и обводнённости и при разных частотах; нужен ли частотный преобразователь и в каком диапазоне частот. Подробные рекомендации даёт, например, рекомендуемая практика Американского нефтяного института по подбору установок УЭЦН — API RP 11S4.

Расчётный примерПодбор УЭЦН для обводнённой скважины

Исходные данные (условные)

Скважина: вертикальная; середина интервала перфорации — 2100 м, приём насоса — 1950 м; колонна 146 × 7,7 мм (внутренний диаметр 130,6 мм), НКТ 73 мм (внутренний диаметр 62 мм)
Приток: $\bar p_R = 18{,}0$ МПа, $J = 14$ м³/(сут·МПа), давление насыщения 5,0 МПа
Желаемый режим: 150 м³/сут жидкости при обводнённости 80 %; при условиях приёма $B_o = 1{,}08$ , $B_w \approx 1$
Жидкость в НКТ и колонне: $\rho = 1030$ кг/м³; коэффициент трения в НКТ $\lambda = 0{,}022$
Давления на устье (избыточные): в НКТ 1,5 МПа, газа в затрубье 0,6 МПа
Условная ступень (рисунок выше): на воде при 50 Гц $h = 6{,}4\,[1 - (q/280)^2]$ м, $\eta = 0{,}60\,x\,(2 - x)$ , $x = q/140$ , подача $q$ — в м³/сут
Двигатель: наружный диаметр 117 мм

Решение

Забойное давление: $p_{wf} = 18{,}0 - 150/14 = 7{,}29$ МПа — выше давления насыщения, прямая индикаторная кривая применима. Давление на приёме меньше на вес столба жидкости высотой 150 м: $p_{\text{пр}} = 7{,}29 - 1{,}52 = 5{,}77$ МПа — тоже выше 5,0 МПа, свободного газа на приёме нет.
Подача при условиях приёма: $q_{\text{пр}} = 30\cdot 1{,}08 + 120 = 152{,}4$ м³/сут. Динамический уровень: $H_{\text{дин}} = 1950 - \dfrac{(5{,}77 - 0{,}6)\cdot 10^6}{1030\cdot 9{,}81} = 1438$ м.
Трение в НКТ: средняя скорость $v = 0{,}584$ м/с, $\Delta p_{\text{тр}} = 0{,}022\cdot\dfrac{1950}{0{,}062}\cdot\dfrac{1030\cdot 0{,}584^2}{2}\cdot 10^{-6} = 0{,}122$ МПа.
Давление на выкиде: $p_{\text{вых}} = 1{,}5 + 19{,}703 + 0{,}122 = 21{,}325$ МПа, где 19,703 МПа — столб жидкости от насоса до устья. Перепад $\Delta p_{\text{н}} = 21{,}325 - 5{,}77 = 15{,}555$ МПа.
Требуемый напор: $H_{\text{треб}} = \dfrac{15{,}555\cdot 10^6}{1030\cdot 9{,}81} = 1539$ м. Проверка через уровень: $1438 + \dfrac{(1{,}5 - 0{,}6 + 0{,}122)\cdot 10^6}{1030\cdot 9{,}81} = 1539$ м.
По характеристике при $q_{\text{пр}} = 152{,}4$ м³/сут: $h = 6{,}4\,[1 - (152{,}4/280)^2] = 4{,}504$ м; $x = 1{,}089$ , $\eta = 0{,}595$ . Подача — в рабочей области (96–184 м³/сут), правее оптимума.
Число ступеней: $z_{\text{ст}} = 1539{,}4/4{,}504 = 341{,}8$ , принимаем 342.
Мощность: гидравлическая $N = 152{,}4\cdot 15{,}555/86{,}4 = 27{,}4$ кВт, на валу $N_{\text{вал}} = 27{,}4/0{,}595 = 46{,}1$ кВт. С запасом 15 % двигатель должен давать не меньше 53 кВт; возьмём 56 кВт — условно ближайший больший из ряда изготовителя.
Охлаждение двигателя: скорость жидкости в зазоре между колонной и двигателем $v_{\text{охл}} = \dfrac{152{,}4/86\,400}{\pi\,(0{,}1306^2 - 0{,}117^2)/4} = 0{,}67$ м/с — больше обычно требуемых 0,3 м/с.

Ответ: Насос из 342 условных ступеней (напор около 1539 м при 152,4 м³/сут на приёме) и двигатель 56 кВт: мощность на валу насоса — 46,1 кВт, динамический уровень — около 1438 м.

Что это значит. Почти весь напор уходит на подъём жидкости с динамического уровня; трение в НКТ при таком дебите — меньше процента. Расчётная подача поставлена правее оптимума намеренно: когда пластовое давление снизится, требуемый напор вырастет и рабочая точка сместится влево — через оптимум, а не за край рабочей области. Округление числа ступеней вверх даёт небольшой избыток напора, и насос будет работать чуть правее расчётной точки — где именно, показывает пересечение характеристик в следующем разделе. Данные примера условные.

Что меняется, если…

…увеличить желаемый дебит — динамический уровень опустится и требуемый напор вырастет, а напор ступени при большей подаче упадёт: число ступеней и мощность растут быстрее дебита;
…поднять насос выше — давление на приёме упадёт на вес столба между старой и новой глубиной: требуемый напор почти не изменится, но может появиться свободный газ;
…обводнённость вырастет — жидкость станет тяжелее: требуемый напор в метрах изменится мало, а мощность вырастет пропорционально плотности.

Частота вращения: законы подобия и частотное регулирование

Если изменить частоту вращения рабочего колеса, все скорости жидкости в ступени изменятся пропорционально, а картина течения останется подобной прежней. Отсюда законы подобия (affinity laws) для одной и той же ступени:

Законы подобия центробежного насоса при изменении частоты вращения

\frac{q_2}{q_1} = \frac{n_2}{n_1}, \qquad \frac{h_2}{h_1} = \left(\frac{n_2}{n_1}\right)^{2}, \qquad \frac{N_2}{N_1} = \left(\frac{n_2}{n_1}\right)^{3}, \qquad \eta_2 = \eta_1

где:

$q_1,\ q_2$ подачи в подобных (соответствующих) точках характеристик, м³/сут
$n_1,\ n_2$ частоты вращения; у двигателя, питаемого от частотного преобразователя, они почти пропорциональны частоте тока $f$ , об/мин
$h_1,\ h_2$ напоры ступени в этих точках, м
$N_1,\ N_2$ мощности на валу, кВт
$\eta_1,\ \eta_2$ КПД, —

Единицы: отношения безразмерны; величины с индексами 1 и 2 — в одинаковых единицах

Справедливо, если

одна и та же ступень, маловязкая жидкость без газа; при сильном снижении частоты — примерно ниже 30–35 Гц при номинальных 50 — КПД падает, и законы выполняются хуже;
законы связывают соответствующие точки двух характеристик, а не рабочие точки в скважине: рабочую точку при новой частоте находят пересечением новой характеристики насоса с характеристикой скважины.

Повышение частоты на 10 % даёт в подобной точке на 10 % больше подачи, на 21 % больше напора и на 33 % больше мощности. Вся характеристика сдвигается вверх и вправо, а оптимум движется по параболе $h \propto q^2$ .

Частотный преобразователь даёт три выгоды. Плавный пуск: асинхронный двигатель, включённый прямо в сеть, в первые секунды потребляет ток в несколько раз больше номинального, а преобразователь разгоняет его, постепенно повышая частоту. Подстройка под приток: пластовое давление и продуктивность со временем меняются, и частотой можно вернуть насос в рабочую область без подъёма установки. Запас на неопределённость: для новой скважины, приток которой известен неточно, один насос перекрывает несколько возможных режимов. Частоту обычно меняют в пределах примерно от 30–35 до 60–70 Гц. Плата — потери в самом преобразователе (несколько процентов) и искажения формы тока, которые фильтруют, чтобы не вредить двигателю.

Частоту ограничивает и двигатель. Если напряжение повышают пропорционально частоте, двигатель сохраняет номинальный момент, и мощность, которую он может отдать, растёт пропорционально частоте. Насосу же нужна мощность, растущая примерно как куб частоты. Поэтому при повышении частоты запас мощности двигателя быстро кончается. Второе ограничение сверху — давление на приёме: больший отбор опускает его, и может появиться газ; какое из двух ограничений наступит раньше, зависит от скважины (в примере ниже — газ). Снизу частоту ограничивают рабочая область насоса и охлаждение двигателя: поток вдоль него становится медленнее.

РасчётРасчётные напорные характеристики насоса из примера подбора (342 условные ступени) при 40, 45, 50 и 55 Гц и характеристика скважины — напор, который она требует при каждом дебите (пунктир). Точки пересечения — рабочие режимы. По горизонтали — дебит жидкости в стандартных условиях; подача насоса при условиях приёма на 1,6 % больше.

Расчётный примерТот же насос при 45 и 55 Гц

Исходные данные (условные)

Насос: из примера подбора: число условных ступеней — 342, двигатель 56 кВт при 50 Гц
Скважина: та же; её характеристика — требуемый напор при каждом дебите (рисунок выше)
Двигатель при другой частоте: напряжение меняют пропорционально частоте

Решение

Законы подобия для оптимума ступени: при 45 Гц ( $n_2/n_1 = 0{,}9$ ) он переходит из точки 140 м³/сут, 4,80 м в точку 126 м³/сут, 3,89 м; при 55 Гц — в 154 м³/сут, 5,81 м. Мощность в подобных точках меняется в $0{,}9^3 = 0{,}729$ и $1{,}1^3 = 1{,}331$ раза.
Рабочие точки — пересечения характеристик насоса и скважины: при 50 Гц — 150,1 м³/сут (округление числа ступеней добавило 0,06 м³/сут к расчётным 150), при 45 Гц — 122, при 55 Гц — 178 м³/сут.
Давление на приёме: 7,74, 5,77 и 3,80 МПа. При 55 Гц оно ниже давления насыщения 5,0 МПа — на приём придёт свободный газ, которого этот расчёт не учитывает, так что режим при 55 Гц оценён лишь приближённо; до давления насыщения давление на приёме опускается уже при 51,9 Гц.
Мощность на валу: 32,5, 46,1 и 63,0 кВт. Двигатель 56 кВт может отдать при 55 Гц $56\cdot 1{,}1 = 61{,}6$ кВт — меньше нужных 63,0 кВт; предел по мощности наступает около 54,4 Гц.

Ответ: При 45 Гц дебит падает до 122 м³/сут (на 18 %), при 55 Гц растёт до 178 м³/сут (на 18 %) — но двигатель перегружен, а на приём идёт газ. Без замены оборудования частоту в этой скважине разумно держать не выше примерно 52 Гц.

Что это значит. По законам подобия при 45 Гц можно было бы ждать $150\cdot 0{,}9 = 135$ м³/сут, а скважина дала меньше. В подобной точке, при 135 м³/сут, насос даёт лишь $0{,}9^2 = 81$ % прежнего напора, а скважине при таком дебите нужно 93 % прежнего: часть требуемого напора — подъём со статического уровня до устья и разность давлений в НКТ и затрубье на устье — от дебита не зависит. Напора не хватает, и рабочая точка уходит влево дальше. Частота — удобный регулятор, но его ограничивают с обеих сторон: снизу — рабочая область насоса и охлаждение двигателя, сверху — мощность двигателя и газ на приёме. Данные примера условные.

Газ на приёме

Свободный газ, пришедший на приём, — главная причина неустойчивой работы УЭЦН. В рабочем колесе тяжёлая жидкость отбрасывается к периферии, а лёгкий газ скапливается у входа в колесо, где давление наименьшее. Пузыри загромождают каналы, и напор ступени падает — тем сильнее, чем больше газа. При некоторой доле газа ступени перестают создавать напор: газ запирает насос, наступает срыв подачи (gas lock). Ток двигателя падает и колеблется, жидкость не поступает, и двигатель без охлаждающего потока перегревается.

Сколько газа насос переносит, зависит от конструкции ступени, давления на приёме и подачи. Ориентиры такие: напор заметно падает уже при 10–15 % свободного газа по объёму; обычные ступени радиального типа срывают подачу где-то при 20–25 %, ступени смешанного (диагонального) типа переносят примерно вдвое больше, специальные газостойкие (мультифазные) ступени — ещё больше. Точный предел даёт изготовитель.

Долю газа на приёме считают так же, как в уроке о выборе способа, по газосодержанию нефти и объёмным коэффициентам при давлении и температуре приёма; здесь добавлена доля газа, которая уходит в затрубье, минуя насос.

Доля свободного газа на входе в насос с учётом сепарации

\varphi_{\text{г}} = \frac{(1 - E_{\text{с}})\,q_o\,(R - R_s)\,B_g}{(1 - E_{\text{с}})\,q_o\,(R - R_s)\,B_g + q_o B_o + q_w B_w}

где:

$\varphi_{\text{г}}$ объёмная доля свободного газа в потоке, входящем в насос, —
$E_{\text{с}}$ доля свободного газа, которая уходит в затрубье — естественной сепарацией у приёма и через газосепаратор, —
$q_o,\ q_w$ дебиты нефти и воды в стандартных условиях, м³/сут
$R$ газовый фактор, м³/м³
$R_s$ газосодержание нефти при давлении и температуре приёма, м³/м³
$B_g$ объёмный коэффициент газа при условиях приёма: $B_g = \dfrac{p_{\text{ст}}}{p}\cdot\dfrac{T}{T_{\text{ст}}}\,Z$ (давления абсолютные, температуры в кельвинах), м³/м³
$B_o,\ B_w$ объёмные коэффициенты нефти и воды при условиях приёма, м³/м³

Единицы: любые согласованные; давления в $B_g$ абсолютные, температуры — в кельвинах

Справедливо, если

газ, не растворённый в нефти при давлении приёма, приходит к приёму вместе с жидкостью; растворимость газа в воде не учитывается;
доля $E_{\text{с}}$ — оценка: она зависит от подачи, размера пузырей, вязкости и конструкции сепаратора; при $E_{\text{с}} = 0$ формула совпадает с формулой урока о выборе способа.

Через насос проходит объём жидкости $q_o B_o + q_w B_w$ и оставшийся газ — по этому объёму и подбирают насос. Отделённый газ уходит по затрубью, и ему нужен выход в выкидную линию.

Давление на приёме. Чем глубже насос погружён под динамический уровень, тем выше давление на приёме и тем больше газа остаётся растворённым. Плата — меньшая депрессия на пласт: это компромисс между дебитом и газом.
Естественная сепарация. Газ уходит в затрубье, если пузыри всплывают быстрее, чем жидкость опускается к приёму: лучше при малых подачах, широком зазоре между агрегатом и колонной и крупных пузырях. Сильнее всего она работает, если приём ниже интервала перфорации. Тогда агрегат помещают в кожух (shroud) с входом внизу, чтобы жидкость шла к приёму вдоль двигателя и охлаждала его.
Газосепаратор. Центробежный газосепаратор раскручивает поток: тяжёлая жидкость отбрасывается к стенке и идёт в насос, газ собирается у вала и выбрасывается в затрубье. При благоприятных условиях он отводит большую часть свободного газа — порядка 80–90 %, два последовательно — ещё больше. Но его вращающиеся детали изнашиваются песком и разбалансируются отложениями солей; это ещё один узел, который может отказать.
Газостойкие ступени и диспергаторы. Ступени смешанного типа, мультифазные ступени и диспергаторы, дробящие газ на мелкие пузыри, позволяют насосу переносить больше газа. Нижнюю часть насоса иногда собирают из газостойких ступеней, а верхнюю — из обычных: по мере роста давления газ сжимается и растворяется, и верхним ступеням его уже меньше.
Выход газу из затрубья. Отделённый газ должен свободно уходить из затрубья в выкидную линию. Если он копится, давление в затрубье растёт, оттесняет уровень вниз к приёму — и газ снова идёт в насос.

Расчётный примерСколько газа придёт на приём

Исходные данные (условные)

Скважина: дебиты нефти 40 и воды 60 м³/сут, газовый фактор 120 м³/м³
Датчик ТМС на приёме: 4,0 МПа (избыточное), 75 °C
Свойства при условиях приёма: газосодержание нефти 35 м³/м³, $B_o = 1{,}15$ , $B_w \approx 1$ , $Z = 0{,}88$
Газосепаратор: отводит в затрубье 85 % свободного газа (оценка)

Решение

Свободного газа в стандартных условиях: $40\cdot(120 - 35) = 3400$ м³/сут.
Объёмный коэффициент газа — по абсолютному давлению $4{,}0 + 0{,}1013 = 4{,}101$ МПа и температуре 348 К: $B_g = \dfrac{0{,}1013}{4{,}101}\cdot\dfrac{348{,}15}{293{,}15}\cdot 0{,}88 = 0{,}02582$ . При условиях приёма это 87,8 м³/сут газа.
Жидкости на приёме $40\cdot 1{,}15 + 60 = 106$ м³/сут. Доля газа без сепарации: $\varphi_{\text{г}} = \dfrac{87{,}8}{87{,}8 + 106} = 0{,}453$ , то есть 45 %.
С газосепаратором в насос идёт $0{,}15\cdot 87{,}8 = 13{,}2$ м³/сут газа: $\varphi_{\text{г}} = \dfrac{13{,}2}{13{,}2 + 106} = 0{,}11$ , то есть 11 %. Объём через насос — 119 м³/сут, на 19 % больше, чем жидкости на поверхности.

Ответ: Без сепарации почти половина объёма на приёме — газ (45 %), и обычный насос сорвёт подачу; с газосепаратором доля падает до 11 % — на грани допустимого для радиальных ступеней.

Что это значит. Такой скважине нужен газосепаратор и насос со ступенями смешанного типа или газостойким модулем в нижней части; насос подбирают на 119 м³/сут, а не на 100 м³/сут жидкости. Отделённый газ — около 2890 м³/сут в стандартных условиях — должен свободно уходить из затрубья в выкидную линию. Ещё один путь — спустить насос глубже под уровень: давление на приёме вырастет, и газа станет меньше. Данные примера условные.

Двигатель, гидрозащита и кабель

Погружной двигатель отдаёт тепло только жидкости, которая его обтекает. Если поток вдоль двигателя слишком медленный — приём ниже перфорации без кожуха, подача мала или колонна слишком широка, — обмотка перегревается, изоляция стареет, и срок службы двигателя сокращается в разы. Обычное требование — скорость потока вдоль двигателя не меньше примерно 0,3 м/с; в горячих скважинах и для вязкой жидкости — больше.

Скорость жидкости вдоль погружного двигателя

v_{\text{охл}} = \frac{4\,q_{\text{пр}}}{\pi\left(D_{\text{к}}^2 - D_{\text{дв}}^2\right)}

где:

$v_{\text{охл}}$ средняя скорость жидкости в кольцевом зазоре вдоль двигателя, м/с
$q_{\text{пр}}$ подача при условиях приёма, м³/с
$D_{\text{к}}$ внутренний диаметр обсадной колонны (или кожуха), м
$D_{\text{дв}}$ наружный диаметр двигателя, м

Единицы: СИ

Справедливо, если

вся жидкость, идущая к приёму, проходит мимо двигателя: двигатель ниже приёма, приток — снизу;
свободный газ охлаждает плохо, поэтому скорость оценивают по жидкости.

Чем шире зазор, тем медленнее поток. В широкой колонне при малой подаче скорость поднимают кожухом меньшего диаметра.

Гидрозащита — узел, от которого во многом зависит жизнь двигателя: двигатель чаще всего отказывает, когда пластовая жидкость проникает в масло через изношенные уплотнения. Камеры гидрозащиты бывают лабиринтными — масло и скважинная жидкость разделены за счёт разности плотностей, что надёжно работает только в вертикальном положении, — и с эластичной диафрагмой, которая работает и в наклонном стволе; часто их соединяют последовательно. Вторая частая причина отказов двигателя — качество электропитания: скачки напряжения, перекос фаз, высшие гармоники, особенно там, где электроэнергию вырабатывают на месте, а не берут из энергосистемы.

Кабель выбирают по току двигателя, по температуре в скважине (от неё зависят материалы изоляции и защитных оболочек) и по допустимым потерям. Сопротивление медных жил длиной в пару километров — единицы ом; в них теряется мощность, пропорциональная квадрату тока, а напряжение на двигателе меньше, чем на выходе трансформатора. Поэтому погружные двигатели делают высоковольтными: при вдвое большем напряжении ток той же мощности вдвое меньше, а потери в кабеле — вчетверо.

Ток двигателя и потери в кабеле

I = \frac{N_{\text{вал}}}{\sqrt{3}\,U\,\eta_{\text{дв}}\cos\varphi}, \qquad \Delta N_{\text{каб}} = 3 I^2 R_{\text{ж}}, \qquad R_{\text{ж}} = \rho_{\text{э}}\,\frac{L_{\text{к}}}{S}\,\bigl[1 + \alpha\,(t - 20)\bigr]

где:

$I$ ток в каждой жиле кабеля, А
$N_{\text{вал}}$ мощность на валу двигателя, Вт
$U$ линейное напряжение на двигателе, В
$\eta_{\text{дв}},\ \cos\varphi$ КПД и коэффициент мощности двигателя, —
$\Delta N_{\text{каб}}$ потери мощности в трёх жилах кабеля, Вт
$R_{\text{ж}}$ сопротивление одной жилы при её средней температуре, Ом
$\rho_{\text{э}}$ удельное сопротивление меди при 20 °C, 0,0175, Ом·мм²/м
$L_{\text{к}},\ S$ длина кабеля и сечение жилы, м, мм²
$\alpha$ температурный коэффициент сопротивления меди, 0,0039, 1/°C
$t$ средняя температура жилы по длине скважины, °C

Единицы: СИ; сечение жилы — мм², удельное сопротивление — Ом·мм²/м

Справедливо, если

трёхфазная симметричная нагрузка; двигатель работает вблизи номинального режима, и его КПД и коэффициент мощности — паспортные;
учтено только активное сопротивление жил; падение линейного напряжения оценивают как $\Delta U \approx \sqrt{3}\,I R_{\text{ж}}\cos\varphi$ , индуктивное сопротивление кабеля его немного увеличивает.

Потери растут как квадрат тока. Напряжение на выходе трансформатора выбирают так, чтобы после падения в кабеле на двигателе было номинальное.

Расчётный примерТок, потери в кабеле и энергия на кубометр

Исходные данные (условные)

Двигатель: 56 кВт, 1600 В, КПД 0,84, $\cos\varphi = 0{,}83$ ; нагрузка — 46,1 кВт из примера подбора
Кабель: медный, три жилы по 16 мм², длина 2000 м, средняя температура жил 60 °C
Наземное оборудование: трансформатор и станция с преобразователем вместе — КПД 0,96

Решение

Ток: $I = \dfrac{46{,}1\cdot 10^3}{\sqrt 3\cdot 1600\cdot 0{,}84\cdot 0{,}83} = 23{,}9$ А.
Сопротивление жилы: $0{,}0175\cdot 2000/16 = 2{,}188$ Ом при 20 °C, а при 60 °C $2{,}188\cdot(1 + 0{,}0039\cdot 40) = 2{,}53$ Ом.
Потери в кабеле: $3\cdot 23{,}9^2\cdot 2{,}53\cdot 10^{-3} = 4{,}3$ кВт. Падение напряжения: $\sqrt 3\cdot 23{,}9\cdot 2{,}53\cdot 0{,}83 \approx 87$ В, поэтому на выходе трансформатора нужно около 1690 В.
Двигатель потребляет $46{,}1/0{,}84 = 54{,}9$ кВт, вместе с кабелем — 59,2 кВт, из сети с учётом наземного оборудования — 61,7 кВт.
КПД системы: $27{,}44/61{,}7 = 0{,}445$ ; на кубометр жидкости расходуется $61{,}7\cdot 24/150 = 9{,}9$ кВт·ч.

Ответ: Ток — около 23,9 А; в кабеле теряется 4,3 кВт (7,3 % мощности, подведённой к кабелю); из сети установка берёт 61,7 кВт, КПД системы — 45 %.

Что это значит. На подъём жидкости идёт меньше половины энергии, взятой из сети; остальное — потери в насосе (самые большие), двигателе, кабеле и наземном оборудовании. Двигатель на 800 В при той же мощности потребовал бы вдвое большего тока и терял бы в кабеле вчетверо больше — около 17 кВт; поэтому для глубоких скважин выбирают высоковольтные двигатели, а кабель — с достаточным сечением жил. Данные примера условные.

Пуск, контроль и неполадки

После остановки столб жидкости в НКТ, если его не держит обратный клапан, стекает через насос обратно в скважину и раскручивает насос и двигатель в обратную сторону — это турбинное вращение (обратное вращение, backspin). Включить двигатель в этот момент — почти наверняка сжечь его или сломать вал. Поэтому станция управления запрещает повторный пуск в течение заданного времени после остановки или по сигналу датчика обратного вращения, а в НКТ над насосом ставят обратный клапан. При первом пуске проверяют и направление вращения: насос, вращающийся не в ту сторону из-за неправильного порядка фаз, тоже что-то подаёт, но заметно меньше, и ошибку замечают по дебиту и току.

Раньше о работе УЭЦН судили почти только по записи тока двигателя за сутки и по редким замерам дебита. Ток и сейчас — важнейший признак: при нормальной работе он ровный. К нему добавились данные ТМС и телемеханики: давление и температура на приёме, температура двигателя, вибрация, сопротивление изоляции, частота и напряжения, дебит и обводнённость по замерной установке. Датчики на приёме позволяют обходиться без спуска глубинных манометров при замерах забойного давления и даже при исследованиях восстановления давления.

Признаки неполадок УЭЦН

Что видно: Давление на приёме постепенно падает, затем ток падает и колеблется, станция отключает установку по недогрузке
Вероятная причина: насос откачал скважину: приток меньше подачи, к приёму идёт газ
Что делают: снижают частоту, ставят насос меньшей подачи, обрабатывают пласт; временно — периодический режим

Что видно: Ток и давление на выкиде колеблются при нормальном уровне
Вероятная причина: газ на приёме
Что делают: газосепаратор, газостойкие ступени, больше давления на приёме, выход газу из затрубья

Что видно: Ток выше обычного, давление на устье и дебит ниже
Вероятная причина: утечка в НКТ: насос работает с большей подачей и меньшим напором
Что делают: проверяют герметичность труб и сливного клапана

Что видно: Дебит постепенно падает, давление на приёме растёт
Вероятная причина: износ ступеней песком, соли в каналах, засорение приёма
Что делают: промывка, химическая обработка, замена насоса

Что видно: Растёт температура двигателя
Вероятная причина: мало потока вдоль двигателя, отложения на корпусе
Что делают: проверяют подачу и уровень; кожух, промывка

Что видно: Падает сопротивление изоляции
Вероятная причина: вода в масле двигателя, повреждение кабеля
Что делают: готовят ремонт до пробоя изоляции

Что видно	Вероятная причина	Что делают
Давление на приёме постепенно падает, затем ток падает и колеблется, станция отключает установку по недогрузке	насос откачал скважину: приток меньше подачи, к приёму идёт газ	снижают частоту, ставят насос меньшей подачи, обрабатывают пласт; временно — периодический режим
Ток и давление на выкиде колеблются при нормальном уровне	газ на приёме	газосепаратор, газостойкие ступени, больше давления на приёме, выход газу из затрубья
Ток выше обычного, давление на устье и дебит ниже	утечка в НКТ: насос работает с большей подачей и меньшим напором	проверяют герметичность труб и сливного клапана
Дебит постепенно падает, давление на приёме растёт	износ ступеней песком, соли в каналах, засорение приёма	промывка, химическая обработка, замена насоса
Растёт температура двигателя	мало потока вдоль двигателя, отложения на корпусе	проверяют подачу и уровень; кожух, промывка
Падает сопротивление изоляции	вода в масле двигателя, повреждение кабеля	готовят ремонт до пробоя изоляции

Если приток слишком мал даже для самого маленького подходящего насоса, скважину переводят в кратковременно-периодический режим: насос откачивает накопившуюся жидкость и останавливается, а когда уровень восстановится, включается снова. Остановку и пуск задают по давлению на приёме — отключение при снижении до одной уставки, пуск при росте до другой — или по таймеру. Но каждый пуск нагружает двигатель и кабель, поэтому правильно подобранный насос лучше частых пусков.

Наработка на отказ УЭЦН — от нескольких месяцев до нескольких лет — сильно зависит от условий: температуры, песка и солей, коррозии (сероводород, углекислый газ), качества электропитания, а также от того, как аккуратно установку смонтировали и как её эксплуатируют. Заметная доля отказов приходится на первые недели после спуска — повреждения кабеля и агрегата при спуске, ошибки подбора. Поэтому там, где УЭЦН только начинают применять, наработка обычно сначала невысока и растёт по мере накопления опыта. Средние цифры по разным фондам сравнивают осторожно: в тяжёлых и в простых условиях они различаются в разы.

Сильные стороны и ограничения УЭЦН

Сильные стороны: большие дебиты жидкости, высокий напор
Ограничения: плохо работает при малых дебитах

Сильные стороны: работает в наклонных и горизонтальных скважинах
Ограничения: боится свободного газа и песка

Сильные стороны: подача регулируется частотой
Ограничения: вязкая нефть снижает напор и КПД, образуются эмульсии

Сильные стороны: КПД системы — примерно 35–60 %
Ограничения: для замены нужно поднимать трубы

Сильные стороны: мало места на устье, нет движущихся частей на поверхности
Ограничения: нужно надёжное электроснабжение; высокая температура сокращает жизнь двигателя и кабеля

Сильные стороны: датчики на приёме, данные в реальном времени
Ограничения: кабель нужно пропустить через устье и пакер, его легко повредить при спуске

Сильные стороны	Ограничения
большие дебиты жидкости, высокий напор	плохо работает при малых дебитах
работает в наклонных и горизонтальных скважинах	боится свободного газа и песка
подача регулируется частотой	вязкая нефть снижает напор и КПД, образуются эмульсии
КПД системы — примерно 35–60 %	для замены нужно поднимать трубы
мало места на устье, нет движущихся частей на поверхности	нужно надёжное электроснабжение; высокая температура сокращает жизнь двигателя и кабеля
датчики на приёме, данные в реальном времени	кабель нужно пропустить через устье и пакер, его легко повредить при спуске

Высокое напряжение, давление и обратное вращение

Установку питают напряжением до нескольких киловольт; кабель и клеммная коробка могут оставаться под напряжением, а в коробке может скапливаться газ, пришедший по кабелю. После остановки насос и двигатель могут вращаться в обратную сторону. В продукции бывает сероводород, в затрубье — газ под давлением. Описание в уроке — учебное, а не порядок работ: обслуживание, переключения и подъём установки ведут обученные специалисты по утверждённым инструкциям, с отключением и заземлением, блокировкой пуска и сбросом давления.

Особые схемы и применения

Наклонные и горизонтальные скважины. Агрегат можно спустить в ствол с большим зенитным углом, вплоть до почти горизонтального, но не через резкие перегибы: длинный жёсткий агрегат, протащенный через участок с большой интенсивностью искривления (Наклонно-направленные скважины: применение и профиль), изгибается, и его подшипники и уплотнения изнашиваются быстрее. Сам насос ставят на прямолинейном участке. В горизонтальной скважине насос, спущенный ближе к пласту, даёт бо́льшую депрессию, а газ на пологом участке собирается у верхней стенки и легче отделяется.
Доступ под насос. Агрегат подвешивают сбоку на Y-образном переводнике, а рядом с ним до забоя спускают байпасную трубу (Y-tool). Через неё без подъёма насоса проводят каротаж и исследования, перфорацию, установку мостовых пробок для изоляции воды и обработки пласта. Плата — меньший допустимый диаметр насоса и двигателя в той же колонне.
Два насоса в одной скважине. Два агрегата последовательно ставят, когда одного двигателя не хватает по мощности. Два насоса на два пласта — одновременно-раздельная эксплуатация (ОРЭ): каждый пласт работает со своим насосом и отдельным учётом дебита. В скважинах с большим выносом песка после ремонта иногда ставят нижний «жертвенный» насос: он берёт на себя первый, самый грязный период, а верхний включают позже.
Спуск на гибкой трубе. Агрегат спускают на колонне гибких труб. Кабель крепят снаружи трубы — тогда продукция идёт по ней — или прокладывают внутри, и тогда она идёт по затрубью, а агрегат можно спустить в скважину под давлением, без глушения. Это быстрее и дешевле, чем подземный ремонт с подъёмником, особенно на небольших морских платформах.
Перекачка и закачка воды. УЭЦН поднимает воду из водоносного пласта и подаёт её в нагнетательные скважины или прямо в другой пласт той же скважины — тогда компоновку переворачивают, и насос стоит под двигателем. Горизонтальные насосные установки на поверхности работают насосами поддержания пластового давления и подкачки в трубопроводы.
Отделение воды в скважине. При обводнённости выше примерно 80 % воду можно отделять прямо в скважине — гидроциклонами, которые питает тот же насос, — и закачивать в нижележащий пласт, поднимая на поверхность нефть с меньшей частью воды. Технология сложная: нужен подходящий пласт для закачки и вода без песка.
Насос вместе с газлифтом — одна из комбинированных систем; о них — в уроке о винтовых насосах и гибридных системах.

Термины и обозначения

УЭЦН, ЭЦН: установка электроцентробежного насоса; ЭЦН — сам многоступенчатый насос.
ПЭД: погружной электродвигатель: маслозаполненный, охлаждается потоком жидкости к приёму.
Гидрозащита: узел между двигателем и насосом: защищает масло двигателя, выравнивает давление, воспринимает осевую силу.
Газосепаратор: модуль на приёме, который отделяет свободный газ и сбрасывает его в затрубье.
Ступень: рабочее колесо и направляющий аппарат; ступени соединены последовательно, их напоры складываются.
Напорная характеристика: зависимость напора, мощности и КПД от подачи, снятая на воде при номинальной частоте.
Напор $h$ , $H$: энергия, сообщаемая единице веса жидкости, в метрах её столба; давление $\rho g H$ .
Оптимальный режим, рабочая область: подача при максимальном КПД (номинальная) и интервал подач вокруг неё, в котором насосу положено работать.
Законы подобия: подача пропорциональна частоте вращения, напор — её квадрату, мощность — кубу.
Частотный преобразователь: меняет частоту питания и частоту вращения; плавный пуск и регулирование подачи.
Срыв подачи: прекращение подачи, когда газ запирает ступени насоса.
Турбинное вращение: вращение насоса и двигателя в обратную сторону жидкостью, стекающей из НКТ после остановки.
ТМС: термоманометрическая система — датчики давления, температуры и вибрации под двигателем.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Чем больше ступеней, тем больше дебит».

На самом деле

Ступени добавляют напор, а не подачу. Лишние ступени сдвигают рабочую точку к большей подаче лишь пока позволяет приток; насос с избытком напора откачивает скважину до срыва подачи или работает за пределами рабочей области.

Неверно

«Каталожная характеристика — это то, что насос даст в скважине».

На самом деле

Кривые сняты на воде без газа при номинальной частоте. В скважине их пересчитывают на частоту (законы подобия), на вязкость и газ, а давление — по плотности перекачиваемой жидкости.

Неверно

«Поднимем частоту на 10 % — получим на 10 % больше нефти».

На самом деле

Подача в подобной точке растёт пропорционально частоте, но рабочая точка в скважине определяется пересечением с характеристикой скважины. Мощность растёт примерно как куб частоты, давление на приёме падает, и может появиться газ.

Неверно

«Ток упал — насос разгрузился, всё в порядке».

На самом деле

Падение и колебания тока обычно значат, что насос подаёт меньше: откачан уровень, на приёме газ, сломан вал. Это повод проверить давление на приёме и дебит.

Неверно

«Подачу насоса считаем по дебиту на поверхности».

На самом деле

Через насос проходит объём при условиях приёма: нефть с растворённым газом (её объёмный коэффициент больше единицы) и не отделённый свободный газ. В газированной скважине он бывает на десятки процентов больше дебита на поверхности.

Подробно: для продвинутых

Откуда берутся законы подобия

Напор, который рабочее колесо сообщает жидкости, определяется изменением момента количества движения жидкости в колесе. Для идеального колеса — с бесконечно большим числом тонких лопаток и без потерь — это уравнение Эйлера для насосов:

Теоретический напор рабочего колеса (уравнение Эйлера)

H_{\text{т}} = \frac{u_2\,c_{u2} - u_1\,c_{u1}}{g}

где:

$H_{\text{т}}$ теоретический напор колеса, м
$u_1,\ u_2$ окружные скорости колеса на входе и на выходе, $u = \pi D n/60$ , м/с
$c_{u1},\ c_{u2}$ окружные составляющие абсолютной скорости жидкости на входе и выходе, м/с
$g$ ускорение свободного падения, м/с²

Единицы: СИ

Справедливо, если

идеальное колесо: поток точно следует лопаткам, потерь нет; реальный напор ниже из-за конечного числа лопаток, трения и перетоков;
при входе без закрутки ( $c_{u1} = 0$ ) остаётся $H_{\text{т}} = u_2 c_{u2}/g$ .

Все скорости в колесе пропорциональны частоте вращения $n$ (при подобных треугольниках скоростей), поэтому напор пропорционален $n^2$ . Подача — это скорость, умноженная на площадь проходного сечения, то есть пропорциональна $n$ ; мощность $\rho g q H$ — пропорциональна $n^3$ .

Те же рассуждения для геометрически подобных колёс разного диаметра $D$ дают $q \propto nD^3$ , $H \propto n^2D^2$ , $N \propto n^3D^5$ : поэтому ступени большего габарита дают больше подачи и напора при той же частоте. А вал УЭЦН ради напора вращают с высокой частотой — несколько тысяч оборотов в минуту: колесо малого диаметра, которое помещается в скважину, иначе давало бы слишком мало напора на ступень.

Вязкая нефть и эмульсии

С ростом вязкости в ступени растёт трение жидкости о стенки каналов и дисков колёс. Напор и подача падают, а мощность растёт, поэтому КПД снижается особенно сильно; малые ступени, которые ставят в скважины, чувствительнее больших. Уже при вязкости порядка сотни мПа·с поправки заметны, а при нескольких сотнях КПД падает в разы. Характеристику на вязкой жидкости получают пересчётом каталожной по стандартизованным методикам или по данным изготовителя.

Хуже вязкой нефти бывают эмульсии. В быстро вращающихся ступенях нефть и вода дробятся на мелкие капли и образуют стойкие эмульсии, вязкость которых вблизи точки обращения фаз может во много раз превышать вязкость и нефти, и воды (Многофазный поток в лифтовых трубах). Помогает подача деэмульгатора на приём, а для тяжёлой нефти чаще выбирают винтовые насосы: они перекачивают жидкость медленно и почти не перемешивают её. При высокой обводнённости, когда сплошная фаза — вода, вязкость смеси снова близка к вязкости воды, и УЭЦН работает хорошо.

Связь с другими темами

Механизированная добыча: когда нужна и как выбрать способ — когда УЭЦН — правильный выбор и как он выглядит рядом с другими способами.
Узловой анализ добывающей системы — рабочая точка насоса в скважине — то же пересечение характеристик притока и оттока.
Индикаторная кривая притока — сколько даст пласт при снижении забойного давления, в том числе ниже давления насыщения.
Многофазный поток в лифтовых трубах — газ в НКТ над насосом облегчает столб; трение в трубах и эмульсии.
Модель «чёрной нефти»: газосодержание и объёмные коэффициенты — газосодержание и объёмные коэффициенты при условиях приёма.
Штанговые глубинные насосы — штанговые насосы — для малых дебитов и неглубоких скважин.
Винтовые насосы и гибридные системы — винтовые насосы для вязкой нефти и песка и комбинированные системы, в том числе газлифт над УЭЦН.
Газлифт: принцип и подбор режима — газлифт — способ подъёма, который не боится газа.
Наклонно-направленные скважины: применение и профиль — интенсивность искривления ствола, через которую проходит погружной агрегат.

Проверьте себя

1
Насос на воде создаёт напор 1500 м. Какой перепад давления он создаст на жидкости плотностью 1100 кг/м³ той же вязкости при той же подаче?
1. А.16,2 МПа
2. Б.Нельзя сказать без испытаний на этой жидкости
3. В.13,4 МПа
4. Г.14,7 МПа
Показать ответ
Правильный ответ: А. 16,2 МПа
Напор в метрах для маловязкой жидкости от плотности не зависит, а давление ей пропорционально: $1100\cdot 9{,}81\cdot 1500 \approx 16{,}2$ МПа. На воде было бы около 14,7 МПа; мощность на валу тоже выросла бы в 1,1 раза.
2
В подобной точке при 50 Гц насос даёт 120 м³/сут, 1300 м напора и потребляет на валу 40 кВт. Что будет в подобной точке при 60 Гц и справится ли двигатель на 45 кВт (при 50 Гц)?
Показать ответ
Подача $120\cdot 1{,}2 = 144$ м³/сут, напор $1300\cdot 1{,}2^2 = 1872$ м, мощность $40\cdot 1{,}2^3 \approx 69$ кВт. Двигатель на 45 кВт при пропорциональном повышении напряжения может отдать при 60 Гц около $45\cdot 1{,}2 = 54$ кВт — он будет перегружен. Да и рабочая точка в скважине будет другой: её находят пересечением новой характеристики насоса с характеристикой скважины.
3
Почему расчётную подачу УЭЦН часто выбирают правее оптимума ступени?
1. А.Так двигатель меньше нагревается
2. Б.Справа от оптимума меньше мощность
3. В.Справа от оптимума насос не боится газа
4. Г.При снижении притока рабочая точка сместится влево и останется в рабочей области
Показать ответ
Правильный ответ: Г. При снижении притока рабочая точка сместится влево и останется в рабочей области
Пластовое давление со временем снижается, требуемый напор растёт, и рабочая точка движется влево по характеристике. Если начать правее оптимума, насос пройдёт через оптимум и дольше пробудет в рабочей области.
4
Приём насоса спустили ниже интервала перфорации без кожуха. Чем это хорошо и чем опасно?
Показать ответ
Хорошо для газа: жидкость идёт к приёму сверху вниз, а пузыри всплывают в затрубье — колонна работает как сепаратор. Опасно для двигателя: он стоит под приёмом, и жидкость его не обтекает — без охлаждения двигатель перегревается. Агрегат помещают в кожух с входом внизу, чтобы поток шёл вдоль двигателя.
5
Давление на приёме 3 МПа, доля свободного газа без сепарации 30 %. Какая мера НЕ уменьшит долю газа, входящего в насос?
1. А.Газосепаратор
2. Б.Спуск насоса глубже под уровень
3. В.Повышение частоты вращения
4. Г.Приём ниже перфорации в кожухе
Показать ответ
Правильный ответ: В. Повышение частоты вращения
Повышение частоты увеличит отбор: динамический уровень опустится, давление на приёме упадёт, и свободного газа станет больше. Остальные меры либо отделяют газ, либо повышают давление на приёме.
6
Ток двигателя УЭЦН несколько часов ровный, затем начинает колебаться, и станция отключает установку по недогрузке; после повторного пуска картина повторяется. Что происходит и что делать?
Показать ответ
Насос подаёт больше, чем даёт пласт: уровень опускается к приёму, давление на приёме падает ниже давления насыщения, к приёму идёт газ, и наступает срыв подачи. Подачу нужно согласовать с притоком: снизить частоту, поставить насос меньшей подачи или увеличить приток обработкой пласта. Частые пуски сокращают жизнь двигателя и кабеля.

Обновлено: 5 октября 2026 г.