КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по теме: «ПУТИ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВИНТОВЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК»

Введение

Мировые запасы высоковязких нефтей и природных битумов огромны и по оценкам ряда специалистов превышают запасы легких нефтей. Ведущее место по добычи высоковязких нефтей и природных битумов занимают Венесуэлла, США, Канада. Более 90% мировой добычи высоковязких нефтей и природных битумов приходится на скважинные методы, из них более 80% добываются механизированными способами на естественном режиме работы пластов, чему способствуют сравнительно высокие пластовые давления и температуры на глубине залегания основных разрабатываемых за рубежом скважинными методами месторождений.

Естественный режим работы пластов является, как правило, стадией, предшествующей разработке месторождений с применением термических методов воздействия на продуктивный пласты. Среди термических методов наибольшее распространение получило паротепловое воздействие (циклическое и площадное). Доля высоковязких нефтей и природных битумов, добываемых с применением внутрипластового горения весьма мала. Одной из основных причин этого является недостаточное научное обеспечение метода, сложность прогнозирования и управления процессом.

Условия залегания природных битумов в нашей стране и в частности на территории Татарстана отличаются сравнительно малыми глубинами, низкими величинами пластовых давлений и температур, высокой вязкостью битума в пластовых условиях, сравнительно малыми мощностями битумонасыщенных пластов, сильной неоднородностью битумонасыщен-ности по толще пласта, слабой сцементированностью песчаных коллекторов, близким расположением и сильным влиянием водоносных горизонтов, содержащих питьевые воды и т.п. В этих условиях притоки вязкого битума в скважины на естественном режиме работы пласта весьма малы и целесообразность естественного режима как самостоятельной стадии разработки сомнительна. Экономический анализ показывает, что битумная отрасль промышленности может быть рентабельной только при условии комплексной переработки и использования битумного сырья. С этой точки зрения является нежелательным применение при разработки месторождений природных битумов таких методов, как внутрипластовое горение или низкотемпературное окисление, поскольку эти методы приводят к ухудшению ценности сырья. Паротепловое воздействие на пласт не исключает необходимости отбора продукции и из скважин, временно неохваченных воздействием или охваченных им в недостаточной мере. Сказанное обуславливает необходимость изучения и создания технических средств подъема продукции битумных скважин, которые имели бы достаточно широкий диапазон применения по вязкости продукции и обеспечивали эксплуатацию скважин при применении паротеплового воздействия на пласт.

Одним из таких технических средств используемой сегодня в нефтяной промышленности являются одновинтовые насосы (ОВН), именуемые в зарубежной литературе Moineau pumps или Progressive cavity pumps (PCP). Простота конструкции и уникальные характеристики ОВН позволяют эффективно использовать их в различных технологических процессах. В настоящее время во всем мире наблюдается пик интереса к одновинтовым гидромашинам и по мнению экспертов в дальнейшем область применения ОВН и технологий с их использованием будет расширяться.

Краткий обзор и анализ существующего оборудования

По принципу действия ОВН относятся к объемным роторным гидромашинам. Предложенный 75 лет назад французским инженером Муано (R. Moineau) новый принцип гидравлической машины, названный «капсулизмом», позволил исключить клапапанные и золотниковые распределители.

Рабочим органом (РО) одновинтовой гидромашины является винтовой героторный механизм – зубчатая косозубая пара внутреннего циклоидального зацепления (рис. 1), состоящая из z2-заходного металлического ротора и z1-заходного эластичного статора (z1=z2+1). Исполнение винтовых поверхностей ротора и статора с шагами, пропорциональными отношению чисел их зубьев, позволяет создать изолированные камеры (шлюзы), разобщенные от областей высокого и низкого давлений. В насосах среднего и высокого давления РО выполняются многошаговыми, отношение их длины к диаметру не менее 10.

Оси ротора и статора смещены на расстояние эксцентриситета е=1…10 мм. Ротор, обкатываясь по зубьям статора, совершает планетарное движение: при повороте ротора на угол j относительно неподвижной системы координат (абсолютное движение) его ось поворачивается по круговой траектории с радиусом е в противоположном направлении (переносное движение) на угол  π= –  2π.

Незакрепленность ротора в радиальном направлении и эластичность одного из элементов РО определяют особое место одновинтовых гидромашин в ряду объемных машин. Их напорные характеристики (в т.ч. предельное давление) в решающей степени зависят от утечек жидкости из напорной магистрали во всасывающую через образующийся при деформации статора односторонний зазор по длине контактных линий. В этой связи линия Q-P ОВН не является жесткой и заметно отличается от напорных характеристик других объемных насосов. Отличительным параметром ОВН, во многом определяющим их характеристики, является кинематическое отношение РО: i=z2: z1.

Со времени первых насосов Муано в отечественных и зарубежных ОВН в основном используются РО с кинематическим отношением 1:2.

Преимуществами насосов с однозаходным ротором круглого сечения являются:

• относительно простая технология изготовления ротора;

• пониженная вибрация вследствие минимальной переносной угловой скорости ротора;

• повышенная допустимая частота вращения (несущественно ограниченная инерционной силой), что упрощает компоновку привода насоса;

• минимальная скорость жидкости в каналах РО, что уменьшает их гидроабразивный износ;

• оптимальная кривизна винтовых поверхностей РО, что обеспечивает минимальные контактные напряжения.

Основной недостаток насосов с однозаходным ротором – необходимость существенного удлинения РО для обеспечения высокого давления при пониженной частоте вращения n (500 об./мин. и ниже).

Новые эксплуатационные возможности ОВН открылись при использовании многозаходных РО (z2 > 2). Впервые развернутое обоснование целесообразности применения многозаходных винтовых пар в качестве РО насоса было выполнено в 1979 г. Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования подтвердили возможность расширения области применения ОВН при комплектовании их многозаходными РО.

Многозаходные ОВН при прочих равных условиях имеют ряд преимуществ, обусловленных кратностью действия и повышенным числом контактных линий, отделяющих вход и выход гидромашины. В частности:

• увеличенный рабочий объем, позволяющий повысить подачу Q при одинаковой частоте вращения и наружном диаметре насоса, (рис. 2а);

• уменьшенный осевой габарит L (до 1–1,5 м) при одинаковых давлениях P (рис. 2б);

• увеличенное давление при одинаковых осевых габаритах и натягах в паре;

• возможность поддержания высоких давлений при пониженной частоте вращения (до 50–100 об./мин.) без увеличения осевых габаритов.

В качестве основного критерия эффективности использования ОВН можно принять полезную гидравлическую мощность Nп=PQ, зависящую от напорной характеристики насоса (рис. 3). Давление, соответствующее максимуму Nп (экстремальный режим), как правило, ограничивает рабочую зону насоса.

В теории рабочего процесса ОВН принимается гипотеза равномерного нарастания давления по длине РО с постоянным межвитковым перепадом давления

Проектирование РО (выбор кинематического отношения, длины и диаметра) ведется по допускаемому межвитковому перепаду давления [Рк], зависящему, как и объемный КПД насоса, от геометрических параметров РО, натяга в паре, физических свойств материалов РО и жидкости, а также частоты вращения ротора (приводного вала). При расчетах принимают [Рк] = 0,2–0,5 МПа, причем пониженные значения перепадов относятся к режимам низких частот вращения.

Эти теоретические выводы нашли подтверждение при сравнительных испытаниях насосов с различным кинематическим отношением РО (рис. 4) на стенде РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. Сравнение характеристик насосов с многозаходными и традиционными РО при одинаковом контурном диаметре Dк (диаметре впадин статора); натяге в паре, числе шагов и частоте вращения продемонстрировало существенное влияние кинематического отношения на основные технические показатели насосов.

Многозаходные ОВН обладают повышенной подачей и давлением. Давление насоса с традиционными РО, который в силу своих конструктивных особенностей является быстроходной гидромашиной, при пониженных частотах вращения в большей степени ограничено утечками в паре ротор-статор. Поэтому зарубежные фирмы-производители высоконапорных насосов для формирования удовлетворительной характеристики Q-P вынуждены применять сверхъудлиненные пары (до 15 м), тем самым обеспечивая необходимое число шагов и межвитковый перепад давления Pк.

Наибольшее распространение в последние годы ОВН получили в нефтяной промышленности. Это объясняется, в частности, тем, что ОВН является практически единственным типом роторных насосов, способным перекачивать жидкости широкого диапазона физико-химических свойств, в т.ч. вязкие, содержащие газ, механические примеси и не обладающие смазывающими способностями.

Это достигается самим принципом действия и конструкцией РО (наличием эластичной обкладки статора и износостойкого ротора). Для ОВН также характерна равномерность подачи, возможность изменения направления потока путем реверсирования приводного вала, высокая всасывающая способность, относительно высокий КПД.
Указанные особенности предопределили место ОВН в парке нефтепромысловой насосной техники.

Винтовые насосы с погружным электроприводом

Данная конструкция открыла дорогу одновинтовым гидромашинам в нефтяную промышленность.

Опыт эксплуатации насосов с погружными электродвигателями показал, что винтовые насосы являются одним из наиболее эффективных средств механизированной добычи высоковязкой нефти, а в определенных осложненных условиях выбор ОВН является практически единственным возможным вариантом.

В результате многолетних НИОКР в 60–70-е годы в Особом конструкторским бюро по бесштанговым насосам (ОКБ БН) была разработана схема сдвоенного гидравлически уравновешанного одновинтового электронасоса. По этой схеме ОАО «Ливгидромаш» в течение 20 лет выпускает насосы серии ЭВН.

Погружной насосный агрегат состоит из трех основных частей: маслонаполненного электродвигателя, гидрозащиты и собственно насоса. В насосную секцию (рис. 5) входят: приводной вал с сальником, графитовая осевая пята и две рабочих пары с нарезкой винтовых поверхностей разного направления, роторы которых соединены между собой и с приводным валом при помощи шарнирных муфт. В комплект насоса также включены пусковая обгонная муфта, многофункциональный клапан, предохраняющий насос от попадания в режимы повышенного давления и недостаточной подачи, а также препятствующий обратному перетоку жидкости через РО при остановках насоса. Подвод пластовой жидкости через фильтры к РО осуществляется параллельно с противоположных торцов насоса, так что движение жидкости по каналам РО происходит навстречу друг другу, а осевые усилия в верхней и нижней паре уравновешиваются. В напорной камере, расположенной между рабочими парами, потоки смешиваются и по зазору между внутренней поверхностью корпуса насоса и наружной поверхностью верхнего статора поступают в НКТ. Основное преимущество такой схемы – повышенная надежность вследствие практически полной разгрузки осевой опоры насоса.

Насосы серии ЭВН предназначены для добычи нефти преимущественно повышенной вязкости (до 10 Ст) с содержанием механических примесей до 0,8 г/л и свободного газа до 50% на приеме насоса.

В настоящее время ОАО «Ливгидромаш» серийно выпускает 13 типоразмеров насосов с подачей от 12 до 200 м³/сут. Давление 9–15 МПа.

Большинство насосов приводится от погружного асинхроннного электродвигателя с частотой вращения 1500 об./мин. С целью увеличения долговечности и расширения области применения ЭВН при эксплуатации малодебитных скважин наметилась тенденция снижения частоты вращения приводного вала. Ряд организаций (завод «Борец», ОАО «РИТЭК», ЗАО «Электон» и др.) ведут работы по использованию в установках ЭВН регулируемого электропривода и редукторных вставок, а также изменению общей компоновки агрегата, его отдельных узлов, условий монтажа и ремонта.

За рубежом ряд компаний также выпускают погружные электронасосы для добычи нефти (как правило, в обычном не сдвоенном варианте, оснащенном усиленной осевой опорой). Фирмы РСМ, Netzsch, Reda, Centrilift предлагают потребителю различные модификации установок ЭВН как по компоновке (с редуктором (рис. 6), со вставным ротором, с возможностью реверсирования вращения ротора для промывки НКТ и др.), так и по способам регулирования скорости.

Винтовые штанговые насосы

Винтовые штанговые насосные установки (ВШНУ) для отбора пластовых жидкостей из глубоких нефтяных скважин появились на нефтепромысловом рынке в начале 80-х годов в США и во Франции. Эффективная работа первых ВШНУ при эксплуатации низко- и среднедебитных скважин с высоковязкой нефтью стимулировала НИОКР ведущих машиностроительных фирм по совершенствованию конструкций установок и скважинных насосов, а также созданию большого количества их типоразмеров с диапазоном подач от 0,5 до 1000 м³/сут. и давлением до 30 МПа.