Насосы СПА

Добавлено 30.10.2025

Насосы СПА: классификация, конструктивные особенности, применение и требования к кабельной продукции

Насосы СПА (станции погружных агрегатов) представляют собой ключевой элемент систем добычи нефти штанговым и бесштанговым способами. Это сложные электромеханические устройства, предназначенные для работы в экстремальных условиях нефтяных скважин. Их надежность и эффективность напрямую зависят от корректного выбора, монтажа и эксплуатации, где значительную роль играет сопутствующая электротехническая и кабельная продукция.

Классификация и конструкция насосов СПА

Насосы СПА классифицируются по нескольким ключевым признакам, определяющим их конструкцию и область применения.

1. По типу привода:

Установки электроцентробежных насосов (УЭЦН): Наиболее распространенный тип. Привод осуществляется погружным асинхронным электродвигателем (ПАД), на вал которого насажены ступени центробежного насоса. Передача энергии — через погружной кабель.
Установки винтовых насосов (УВН): Объемный насос с приводом от ПАД через редуктор или напрямую. Применяются для вязких жидкостей и скважин с высоким содержанием механических примесей.
Установки электродиафрагменных насосов (УЭДН): Привод основан на колебаниях диафрагмы, создаваемых электромагнитным приводом. Используются для добычи агрессивных жидкостей.
Штанговые насосы с погружным электродвигателем: Привод штангого насоса осуществляется от погружного линейного или роторного двигателя, что исключает необходимость в наземном станке-качалке.

2. По конструкции и условиям эксплуатации:

Обычного исполнения: Для скважин с условно нормальными условиями (температура до 90°C, содержание H2S до 0.001%, вода до 99%).
Термостойкие: Для высокотемпературных скважин (до 160-180°C). Используются специальные материалы уплотнений, изоляция кабеля и смазка.
Коррозионностойкие: Для сред с высоким содержанием сероводорода, углекислого газа и минерализованной воды.
Высоконапорные и высокодебитные: С увеличенным количеством ступеней или особыми гидравлическими профилями.

Основные компоненты комплекса СПА

Комплекс включает наземное и погружное оборудование, работающее как единая система.

Погружное оборудование:

Многоступенчатый центробежный насос: Состоит из корпуса, вала, пакета рабочих колес и направляющих аппаратов.
Погружной асинхронный электродвигатель (ПАД): Маслозаполненный или водозаполненный, трехфазный, с высоким КПД. Требует системы защиты от перегрева.
Газосепаратор или газосбрасыватель: Устройство для отделения свободного газа от пластовой жидкости перед ее поступлением в насос.
Протектор (гидрозащита) : Разделяет полость двигателя, заполненную маслом, и полость насоса, заполненную пластовой жидкостью, компенсируя тепловое расширение масла и предотвращая его загрязнение.
Кабельная линия : Специализированный погружной кабель для питания ПАД.
Трубная головка и обратный клапан : Обеспечивают подвеску оборудования в скважине и предотвращают обратное вращение насоса при остановке.

Наземное оборудование:

Автотрансформатор или частотный преобразователь (ЧПП): Для пуска и регулирования работы ПАД, компенсации потерь напряжения в кабеле.
Станция управления: Комплекс устройств для включения/выключения, защиты и контроля параметров работы (ток, напряжение, температура, давление).
Устьевая арматура : Обеспечивает герметичный вывод кабеля и трубопровода из скважины.

Требования к кабельной продукции для насосов СПА

Погружной кабель — критически важный элемент, определяющий надежность всей установки. Он работает в условиях высоких температур, давлений, воздействия агрессивных сред и механических нагрузок.

Конструкция кабеля:

Токопроводящая жила: Медная, многопроволочная, круглой или сегментной формы для компактности. Сечение от 6 до 35 мм² и более, в зависимости от мощности ПАД и длины спуска.
Изоляция жилы: Выполняется из термостойких полимеров: этилен-пропиленовой резины (EPDM), сшитого полиэтилена (XLPE) или полиамид-имида. Основные требования: высокое электрическое сопротивление, стойкость к температуре (до 200°C), давлению и агрессивным компонентам.
Экран : В виде медной оплетки или ленты для выравнивания электрического поля и защиты от помех.
Герметизирующий слой : Свинцовая или полимерная оболочка, предотвращающая проникновение пластовой жидкости в изоляцию под действием высокого скважинного давления.
Броня : Оплетка из оцинкованной стальной проволоки для защиты от механических повреждений при спуско-подъемных операциях и от сдавливания в стволе скважины.
Защитная оболочка : Наружный слой из маслостойкой и износостойкой резины (например, нитрильной) для дополнительной защиты брони от коррозии.

Классификация кабелей по условиям эксплуатации (по ГОСТ, API Spec 11S5):

Класс кабеля	Максимальная рабочая температура, °C	Стойкость к H2S	Стойкость к CO2	Типичные материалы изоляции
Стандартный (Standard)	90	Нет	Нет	EPDM, термопластичная резина
Повышенной термостойкости (Premium)	120-130	Ограниченная	Да	Высококачественный EPDM, XLPE
Высокой термостойкости (Premium High Temp)	150-165	Да	Да	XLPE, полиамид-имид
Сверхвысокой термостойкости (Ultra High Temp)	190-220	Да	Да	Полиамид-имид, PEEK

Критерии выбора и расчет параметров кабеля

Выбор кабеля осуществляется на основе технико-экономического расчета, учитывающего следующие параметры:

Мощность и ток двигателя (I_ном): Определяет минимально допустимое сечение жилы по условию нагрева.
Глубина спуска и длина кабеля (L) : Влияет на падение напряжения.
Напряжение питания (U) : Стандартно 400В, 690В, 1000В, 2300В, 3700В. Чем выше напряжение, тем меньше потери при той же мощности.
Температура среды в скважине : Определяет класс термостойкости изоляции.
Химический состав пластовой жидкости : Влияет на выбор материалов оболочек и герметизации.
Диаметр эксплуатационной колонны : Ограничивает максимальный диаметр кабеля и тип его крепления (плоский/круглый).

Расчет падения напряжения (ΔU) — ключевой этап:

ΔU = √3 I_ном L (R₀ cosφ + X₀

sinφ)

где R₀ и X₀ — удельные активное и индуктивное сопротивления кабеля (Ом/км), cosφ — коэффициент мощности ПАД. Падение напряжения не должно превышать 5-7% от номинального, иначе необходим выбор большего сечения или повышение напряжения питания.

Монтаж, эксплуатация и диагностика

Правильный монтаж кабельной линии не менее важен, чем ее выбор. Крепление кабеля к НКТ осуществляется металлическими поясами-хомутами с интервалом 5-10 метров. Необходимо избегать резких перегибов и натяжения. На устье организуется герметичный ввод через сальниковое устройство. В процессе эксплуатации ведется постоянный мониторинг тока, сопротивления изоляции и петли «фаза-ноль». Диагностика состояния изоляции методом измерения тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) позволяет прогнозировать остаточный ресурс кабеля.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Как определить оптимальное сечение кабеля для УЭЦН?

Оптимальное сечение находится на пересечении двух условий: допустимого падения напряжения (не более 5-7%) и экономической целесообразности. Расчет ведется от глубины спуска и тока двигателя. Часто используется сечение 16 мм² для глубин до 1500-2000 м при напряжении 1000-2300В.

2. В чем принципиальная разница между кабелями в круглой и плоской (flat) оболочке?

Круглый кабель имеет симметричную конструкцию, лучше подходит для скважин с большим зазором между НКТ и обсадной колонной. Плоский кабель (где три изолированные жилы уложены в ряд) имеет минимальную толщину, что критично в стесненных условиях, и обеспечивает лучший теплоотвод от жил к стенке НКТ.

4. Можно ли использовать частотный преобразователь со стандартным погружным кабелем?

Да, но с оговорками. Импульсное напряжение с высокими скоростями нарастания (du/dt) от ЧПП создает повышенные электрические нагрузки на изоляцию. Рекомендуется использовать кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) или специальные «инверторные» кабели, имеющие улучшенные диэлектрические характеристики и экранирование.

5. Каковы основные причины выхода из строя кабелей СПА?

Механические повреждения при СПО (разрыв, перегиб, сдавливание).
Термическое старение из-за работы при температуре, превышающей класс стойкости изоляции.
Нарушение герметичности : Проникновение пластовой жидкости в изоляцию приводит к пробою.
Коррозия брони и медных жил под воздействием агрессивных сред.
Электрический пробой из-за перенапряжений (в т.ч. от ЧПП) или снижения уровня изоляции.

6. Что такое «кабельный ввод» и каковы требования к нему?

Кабельный ввод (проходной сальник) — это устройство для герметичного перехода погружного кабеля через устьевую арматуру. Он должен обеспечивать электрическую изоляцию, механическую прочность, стойкость к давлению и температуре, а также возможность замены при ремонте. Негерметичность ввода — частая причина преждевременных отказов.

Заключение

Насосы СПА являются высокотехнологичным решением для механизированной добычи нефти, эффективность которого в значительной степени определяется правильным выбором и эксплуатацией сопутствующей кабельной продукции. Понимание конструкции, классификации, условий работы и методов расчета параметров кабеля для СПА позволяет инженерно-техническому персоналу принимать обоснованные решения, направленные на повышение надежности установок, увеличение межремонтного периода и снижение совокупной стоимости владения. Постоянное развитие материалов (полимерных изоляций, композитных бронь) и методов диагностики способствует дальнейшей оптимизации этого критически важного сегмента нефтедобывающего оборудования.

Насосы СПА