مضخة غاطسة

المضخة الغاطسة (أو المضخة الكهربائية الغاطسة ) هي جهاز مزود بمحرك محكم الإغلاق متصل مباشرة بجسم المضخة. يُغمر هذا الجهاز بالكامل في السائل المراد ضخه. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذا النوع من المضخات في منع ظاهرة التكهف ، وهي مشكلة ترتبط بفرق الارتفاع الكبير بين المضخة وسطح السائل. تدفع المضخات الغاطسة السائل إلى السطح، على عكس المضخات النفاثة التي تُحدث فراغًا وتعتمد على الضغط الجوي. تستخدم المضخات الغاطسة سائلًا مضغوطًا من السطح لتشغيل محرك هيدروليكي في قاع البئر، بدلًا من محرك كهربائي، وتُستخدم في تطبيقات النفط الثقيل مع الماء الساخن كسائل دافع.

في عام 1928، نجح المهندس والمخترع الأرمني أرمياس أروتونوف، المتخصص في أنظمة توصيل النفط ، في تركيب أول مضخة نفط غاطسة في حقل نفطي. ^{[ 1 ]} وفي عام 1929، طورت شركة مضخات بلوجر (التي تُعرف اليوم باسم صناعات بلوجر ) تصميم مضخة التوربينات الغاطسة، وهي النموذج الأولي للمضخة الغاطسة متعددة المراحل الحديثة. ^{[ 2 ]}

المضخات الغاطسة الكهربائية هي مضخات طرد مركزي متعددة المراحل تعمل في وضع رأسي. تفقد السوائل، التي تتسارع بفعل المروحة، طاقتها الحركية في الموزع، حيث يتم تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة ضغط. هذه هي آلية التشغيل الرئيسية للمضخات الشعاعية ومضخات التدفق المختلط. في مضخة الضغط الهيدروليكي، يكون المحرك هيدروليكيًا وليس كهربائيًا، وقد يكون ذو دورة مغلقة (يحافظ على فصل سائل الطاقة عن السائل المُنتَج) أو ذو دورة مفتوحة (يخلط سائل الطاقة مع السائل المُنتَج في قاع البئر، مع فصلهما على السطح).

يتصل عمود المضخة بفاصل الغاز أو جهاز الحماية بواسطة وصلة ميكانيكية في أسفل المضخة. تدخل السوائل إلى المضخة عبر مصفاة سحب، ثم تُرفع بواسطة مراحل المضخة. تشمل الأجزاء الأخرى المحامل الشعاعية (الجلب) الموزعة على طول العمود، والتي توفر دعماً شعاعياً له. يتحمل محمل الدفع الاختياري جزءاً من القوى المحورية المتولدة في المضخة، ولكن معظم هذه القوى يمتصها محمل الدفع الخاص بجهاز الحماية.

توجد أيضاً مضخات غاطسة من النوع اللولبي، حيث يُستخدم لولب فولاذي كعنصر تشغيل فيها. يسمح هذا اللولب للمضخة بالعمل في المياه ذات المحتوى العالي من الرمل والشوائب الميكانيكية الأخرى .

تُستخدم المضخات الغاطسة في العديد من التطبيقات. تُستخدم المضخات أحادية المرحلة في تصريف المياه، وضخ مياه الصرف الصحي ، والضخ الصناعي العام، وضخ المواد الطينية. كما أنها شائعة الاستخدام في مرشحات البرك. أما المضخات الغاطسة متعددة المراحل، فتُنزل عادةً في بئر ، وتُستخدم في الغالب لاستخراج المياه في المنازل والمنشآت التجارية والبلدية والصناعية ، وفي آبار المياه وآبار النفط .

تشمل الاستخدامات الأخرى للمضخات الغاطسة محطات معالجة مياه الصرف الصحي ، ومعالجة مياه البحر ، ومكافحة الحرائق (نظرًا لأنها كابلات مقاومة للهب )، وحفر آبار المياه والآبار العميقة ، ومنصات الحفر البحرية ، والرافعات الاصطناعية ، ونزح المياه من المناجم ، وأنظمة الري .

يجب تصميم المضخات الموجودة في المواقع الخطرة كهربائياً والمستخدمة للسوائل القابلة للاشتعال أو للمياه التي قد تكون ملوثة بالسوائل القابلة للاشتعال بحيث لا تتسبب في اشتعال السائل أو الأبخرة.

تُستخدم المضخات الغاطسة في إنتاج النفط لتوفير شكل فعال نسبيًا من أشكال "الرفع الاصطناعي"، وهي قادرة على العمل ضمن نطاق واسع من معدلات التدفق والأعماق. ^{[ 3 ] [ 4 ]} من خلال خفض الضغط في قاع البئر (عن طريق خفض ضغط التدفق في قاع البئر، أو زيادة السحب)، يمكن إنتاج كميات أكبر بكثير من النفط من البئر مقارنةً بالإنتاج الطبيعي. عادةً ما تعمل هذه المضخات بالطاقة الكهربائية، وتُسمى المضخات الغاطسة الكهربائية (ESP)، أو إذا كانت تعمل بالطاقة الهيدروليكية، فتُسمى المضخات الغاطسة الهيدروليكية (HSP).

تتكون أنظمة المضخات الغاطسة الكهربائية من مكونات سطحية (موجودة في منشأة الإنتاج، كمنصة النفط مثلاً )، ومكونات تحت سطحية (موجودة داخل البئر ). تشمل المكونات السطحية وحدة التحكم بالمحرك (غالباً وحدة تحكم متغيرة السرعة)، والكابلات السطحية، والمحولات. أما المكونات تحت السطحية، فيتم تركيبها على الطرف السفلي لأنابيب الإنتاج من السطح، ثم إنزالها إلى داخل البئر مع أنابيب الإنتاج.

يُشغّل مصدر تيار متردد عالي الجهد (من 3 إلى 5 كيلوفولت) على السطح المحرك الموجود تحت السطح. وحتى وقت قريب، كانت تكلفة تركيب المضخات الغاطسة الكهربائية باهظة نظرًا لاحتياجها إلى كابل كهربائي يمتد من المصدر إلى المحرك. وكان لا بد من لف هذا الكابل حول أنابيب ذات وصلات وتوصيله عند كل وصلة. أما الآن، فتتيح وصلات الأنابيب الملفوفة الجديدة إمكانية استخدام كل من الأنابيب والكابل الكهربائي في وحدة أنابيب ملفوفة تقليدية واحدة. كما يمكن تضمين كابلات بيانات الاستشعار والتحكم.

تتضمن المكونات الموجودة تحت سطح الأرض عادةً جزءًا للمضخة وجزءًا للمحرك، حيث يقع المحرك أسفل المضخة في البئر. يُدير المحرك عمودًا، والذي بدوره يُدير مراوح المضخة لرفع السائل عبر أنابيب الإنتاج إلى السطح. يجب أن تعمل هذه المكونات بكفاءة عالية في درجات حرارة تصل إلى 149 درجة مئوية (300 درجة فهرنهايت) وضغوط عالية تصل إلى 34 ميجا باسكال (5000 رطل لكل بوصة مربعة) ، من آبار عميقة يصل عمقها إلى 3.7 كيلومتر (12000 قدم) مع متطلبات طاقة عالية تصل إلى 750 كيلو واط (1000 حصان). المضخة نفسها وحدة متعددة المراحل، ويُحدد عدد المراحل بناءً على متطلبات التشغيل. تتضمن كل مرحلة مروحة وموزعًا. ترتبط كل مروحة بالعمود الدوار وتُسرّع السائل من قرب العمود شعاعيًا إلى الخارج. ثم يدخل السائل إلى موزع غير دوار، غير متصل بالعمود، ويحتوي على ريش تُعيد توجيه السائل نحو العمود. تتوفر المضخات بأقطار تتراوح من 90 مم (3.5 بوصة) إلى 254 مم (10 بوصات)، وتتراوح أطوالها بين متر واحد (3 أقدام) و 8.7 متر (29 قدمًا) . عادةً ما يكون المحرك المستخدم لتشغيل المضخة محركًا حثيًا ثلاثي الأطوار ذو قفص سنجابي، وتتراوح قدرته الاسمية بين 7.5 كيلوواط و560 كيلوواط (عند 60 هرتز). ^{[ 3 ]}               

قد تتضمن مجموعات المضخات الغاطسة الكهربائية أيضًا: موانع تسرب موصولة بالعمود بين المحرك والمضخة؛ وشبكات لفصل الرمال؛ وفواصل سوائل عند مدخل المضخة لفصل الغاز والنفط والماء. ^{[ 3 ]} تنخفض كفاءة المضخات الغاطسة الكهربائية بشكل كبير عند وجود نسب كبيرة من الغاز، تتجاوز 10% من حجم مدخل المضخة، لذا يُعد فصل الغاز عن النفط قبل وصوله إلى المضخة أمرًا بالغ الأهمية. تحتوي بعض المضخات الغاطسة الكهربائية على فاصل ماء/نفط يسمح بإعادة حقن الماء في قاع البئر. ونظرًا لأن بعض الآبار تنتج ما يصل إلى 90% من الماء، ولأن رفع السوائل يُمثل تكلفة كبيرة، فإن إعادة حقن الماء قبل رفعه إلى السطح يُمكن أن يُقلل من استهلاك الطاقة ويُحسّن الجدوى الاقتصادية. ونظرًا لسرعة دوران المضخات الغاطسة الكهربائية العالية التي تصل إلى 4000 دورة في الدقيقة (67  هرتز) ومسافاتها الضيقة، فإنها لا تتحمل وجود المواد الصلبة، مثل الرمال.

يوجد ما لا يقل عن 15 علامة تجارية لأجهزة الضخ الكهربائية المستخدمة في حقول النفط في جميع أنحاء العالم.

كابلات المضخات الغاطسة هي موصلات كهربائية مصممة للاستخدام في التربة الرطبة أو تحت الماء، مع وجود أنواع متخصصة لظروف بيئة المضخة. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

كابل المضخة الغاطسة منتج متخصص يُستخدم مع المضخات الغاطسة في الآبار العميقة أو في ظروف قاسية مماثلة. يجب أن يكون الكابل المستخدم في هذا النوع من التطبيقات متينًا وموثوقًا، نظرًا لأن موقع التركيب والبيئة المحيطة قد تكونان شديدتي التقييد والقسوة. ولذلك، يمكن استخدام كابل المضخة الغاطسة في المياه العذبة والمالحة على حد سواء. كما أنه مناسب للدفن المباشر وداخل تجاويف الآبار. تُعد منطقة تركيب كابل المضخة الغاطسة محدودة المساحة، لذا يجب على مصنعي الكابلات مراعاة هذه العوامل لتحقيق أعلى مستوى ممكن من الموثوقية.

يختلف حجم وشكل كابلات المضخات الغاطسة تبعًا للاستخدام والتفضيلات ونوع المضخة المستخدمة. تُصنع كابلات المضخات بنوعين: أحادي الموصل ومتعدد الموصلات، وقد يكون مقطعها العرضي مسطحًا أو دائريًا. تتضمن بعض الأنواع أسلاك تحكم بالإضافة إلى موصلات الطاقة لمحرك المضخة. غالبًا ما تكون الموصلات مُرمّزة بالألوان لتسهيل التمييز، وقد يكون غلاف الكابل الخارجي مُرمّزًا بالألوان أيضًا.

في كابلات 3 و 4 نوى كما هو موضح في صورة أنواع SPC على الجانب الأيمن ، يتم استخدام النحاس العادي / النحاس المطلي بالقصدير كموصل.

• كابل PVC ثلاثي ورباعي النواة
  • كابل مسطح
  • كابل دائري
• كابل مطاطي ثلاثي ورباعي النواة
  • كابل مسطح
  • كابل دائري
• مسطح صالح للشرب
• كابل HO7RN-F

• 
  أنواع مختلفة من مراقبة العمليات الإحصائية
• 
  المقطع العرضي القابل للشرب

• مضخة طرد مركزي
• مضخة نفاثة
• مضخة معززة
• مضخة برميل

• ليونز، ويليام سي، محرر. (1996). الدليل القياسي لهندسة البترول والغاز الطبيعي . المجلد  2 (  الطبعة السادسة). دار نشر جلف بروفيشنال. ISBN 0-88415-643-5.

• مضخات متعددة الاستخدامات تعمل تحت الماء ، يوليو 1947، مجلة العلوم الشعبية: رسم توضيحي ممتاز لتصميم مضخة غاطسة كبيرة لمحطة مياه عامة