水中ポンプ

水中ポンプ(または電動水中ポンプ ( ESP ) ) は、密閉されたモーターがポンプ本体に密に結合された装置です。アセンブリ全体が、汲み上げる流体に浸されます。このタイプのポンプの主な利点は、ポンプと流体表面の高低差が大きい場合に発生する問題であるポンプのキャビテーションを防止できることです。水中ポンプは、真空を作り出して大気圧に依存するジェットポンプではなく、流体を表面に押し出します。水中ポンプは、電気モーターではなく、表面からの加圧流体を使用して油圧モーターを穴の奥で駆動し、加熱された水を駆動流体とする重油用途で使用されます。

歴史

1928年、アルメニアの石油供給システムエンジニアで発明家のアルマイス・アルトゥノフが、油田に初の水中石油ポンプを設置することに成功しました。^[1] 1929年、プルーガー・ポンプ社（現在のプルーガー・インダストリーズ）が、現代の多段式水中ポンプの先駆けとなる水中タービンポンプの設計を開発しました。^[2]

動作原理

電動水中ポンプは、垂直位置で作動する多段遠心ポンプです。インペラによって加速された液体は、運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザーで運動エネルギーを失います。これが、ラジアルフローポンプと混合フローポンプの主な動作メカニズムです。HSP では、モーターは電気モーターではなく油圧モーターであり、クローズドサイクル (動力流体を生産流体から分離) またはオープンサイクル (パワー流体を生産流体とダウンホールで混合し、表面を分離) になります。

ポンプシャフトは、ポンプの底部にある機械的なカップリングによってガスセパレータまたはプロテクターに接続されます。流体は吸気スクリーンからポンプに入り、ポンプステージによって持ち上げられます。その他の部品には、シャフトの長さに沿って分散されたラジアルベアリング (ブッシング) があり、ポンプシャフトにラジアルサポートを提供します。オプションのスラストベアリングは、ポンプで発生する軸方向の力の一部を吸収しますが、それらの力のほとんどはプロテクターのスラストベアリングによって吸収されます。

スクリュータイプの水中ポンプもあり、その作動要素として鋼鉄製のスクリューが使用されています。スクリューにより、砂やその他の機械的不純物が多い水中でもポンプが作動します。

アプリケーション

水中ポンプは、多くの用途で使用されています。単段ポンプは、排水、下水汲み上げ、一般工業汲み上げ、スラリー汲み上げに使用されます。また、池のフィルターにも人気があります。多段水中ポンプは、通常、ボーリングホールに降ろされ、住宅、商業、都市、工業の水抽出（抽出）、井戸、油井に最も一般的に使用されます。

水中ポンプのその他の用途としては、下水処理場、海水処理、消火（難燃性ケーブルであるため）、井戸および深井戸の掘削、沖合掘削リグ、人工リフト、鉱山排水、灌漑システムなどがあります。

可燃性液体または可燃性液体で汚染されている可能性のある水に使用される、電気的に危険な場所のポンプは、液体または蒸気が発火しないように設計する必要があります。

油井での使用

水中ポンプは石油生産において、比較的効率的な「人工揚水」を提供するために使用され、広範囲の流量と深度で作動することができます。^[3]^[4]井戸底の圧力を下げることによって（底部流動圧力を下げるか、ドローダウンを増やすことによって）、天然生産と比較して、井戸から大幅に多くの石油を生産することができます。^{[引用が必要]}ポンプは通常、電気で駆動され、電動水中ポンプ（ESP）と呼ばれ、油圧で駆動される場合は油圧水中ポンプ（HSP）と呼ばれます。^{[引用が必要]}

ESP システムは、地上コンポーネント (石油プラットフォームなどの生産施設に収容) と地下コンポーネント (坑井内にあります) の両方で構成されています。地上コンポーネントには、モーターコントローラー (多くの場合、可変速コントローラー)、地上ケーブル、変圧器が含まれます。地下コンポーネントは、地上にあるチューブストリングの坑井端に取り付けて配置され、その後、チューブとともに坑井内に降ろされます。

地表の高電圧 (3 ～ 5 kV) 交流電源が地下モーターを駆動します。最近まで、ESP は電源からモーターまで電気ケーブルを延長する必要があり、設置コストが高額でした。このケーブルはジョイントチューブに巻き付け、各ジョイントで接続する必要がありました。新しいコイルチューブアンビリカルを使用すると、従来のコイルチューブユニット 1 つで配管と電気ケーブルの両方を配置できます。センサーと制御データ用のケーブルも含めることができます。

地下コンポーネントには通常、ポンプ部分とモーター部分があり、モーターはポンプの地下にあります。モーターがシャフトを回転させ、シャフトがポンプのインペラを回転させて、流体を生産チューブを通して地表まで持ち上げます。これらのコンポーネントは、最大 1000 馬力 (750 kW) の高エネルギー要件を伴う、最大 12,000 フィート (3.7 km) の深さの深い井戸から、最大 300 °F (149 °C) の高温、最大 5,000 psi (34 MPa) の高圧で確実に動作する必要があります。ポンプ自体は多段ユニットで、段数は動作要件によって決まります。各段には、インペラとディフューザーが含まれます。各インペラは回転シャフトに結合され、シャフトの近くから半径方向外側に流体を加速します。次に、流体は非回転ディフューザーに入ります。ディフューザーはシャフトに結合されておらず、流体をシャフトに戻すための羽根が含まれています。ポンプの直径は90 mm (3.5インチ) から254 mm (10インチ) まで、長さは1メートル (3フィート) から8.7メートル (29フィート) まであります。ポンプを駆動するモーターは通常、三相かご形誘導モーターで、定格出力は7.5 kW から 560 kW (60 Hz) の範囲です。^[3]

ESPアセンブリには、モーターとポンプの間のシャフトに結合されたシール、砂を排除するスクリーン、およびガス、油、水を分離するポンプ吸入口の流体セパレーターも含まれる場合があります。^[3] ESPは、ポンプ吸入口での約10%を超えるかなりの量のガスがあると効率が大幅に低下するため、ポンプの前にガスと油を分離することが重要になる場合があります。一部のESPには、水を坑井に再注入できる水/油セパレーターが含まれています。一部の井戸は最大90%の水を生み出し、流体のリフトには大きなコストがかかるため、水を地表に持ち上げる前に再注入すると、エネルギー消費を削減し、経済性を向上させることができます。ESPは最大4000rpm（67Hz）の高い回転速度と狭いクリアランスを考えると、砂などの固形物に対する耐性があまりありません。

世界中で少なくとも 15 種類の油田 ESP ブランドが使用されています。