Эксплуатация скважин погружными винтовыми электронасосами

Относятся к классу объёмных машин. В нефтяной промышленности применяются одновинтовые насосы. Установки погружных винтовых сдвоенных электронасосов типа УЭВН5 предназначены для откачки пластовой жидкости повышенной вязкости из нефтяных скважин. 

Однако их можно также использовать для добычи нефти обычных вязкости и газосодержания. Наиболее эффективна эксплуатация этих установок на ме­сторождениях, где применение другого оборудования нецеле­сообразно или совсем невозможно. 

👉Например, на месторождениях с низким коэффициентом продуктивности пласта, большим содержанием газа при высоком давлении насыщения, высокой  вязкости нефти в пластовых условиях.

Принцип действия винтовых насосов заключается в том, что винт или винты насоса и его обойма образуют по своей длине ряд замкнутых полостей, которые при вращении винтов передвигаются от приема насоса к его выкиду. 

• В начальный момент каждая полость сообщается с областью приема насоса, при продвижении вдоль оси насоса ее объем увеличивается, заполняясь перекачиваемой жидкостью, после чего становится полностью замкнутым. 
• У выкида объем полости сообщается с полостью нагнетания, постепенно уменьшается, а жидкость выталкивается в трубопровод.

 

Преимущества винтовых насосов: 

1. Возможность откачивания вязких жидкостей (до определённого предела) без снижения КПД, а так же жидкостей с значительным содержанием твёрдой фазы. 

2. Винтовые насосы не так критичны к содержанию растворённого газа в жидкости.

3. По­дача насоса плавная, без пульсаций, при работе насоса не создаются стойкие эмульсии.

Недостатки: 

1. Ограниченный диапазон по дебиту (~ 100-250 м3/сут), по напору (1500-1800м). 

2.Сложность конструкции насоса. Высокая стоимость и низкая надёжность.

  

Состав оборудования установки УВПЭН.

     Установки выпускают для скважин с условным диаметром колонны обсадных труб 146 мм по ГОСТ 622—80 (минимальный внутренний диаметр колонны не менее 121,7мм).

   Выпускают установки трех модификаций:

•      для температуры 30 °С (А)
•      для температуры от 30 до 50 °С (Б)

 для температуры от 50 до 70 °С (В, Г). Для различия установок в обозначении введены буквы А, Б ;   и В (Г). Кроме того, установки УЭВН5-25-1000 и УЭВН5-100-1000 выпускают в модификации А1 и К для добычи высоковязкой нефти.

    Модификация установок А1 комплектуется двигателем повы­шенной мощности и отличается от остальных отсутствием зо­лотникового устройства в насосе.

В установке применен винтовой насос, приводимый в действие погружным электродвигателем, в принципе таким же, как и у установок ЭЦН. История разработок установок с винто­выми насосами включает попытки применения трехвинтовых и по­том одновинтовых насосов. Использование трехвинтовых насосов со стальными винтами и металлической обоймой при отборе пласто­вой жидкости приводило к прихвату винтов в обойме. 

Одновинто­вые насосы со стальным винтом и резиновой обоймой надежно ра­ботали при отборе пластовой жидкости и, по сравнению с другими насосами, показали высокую эффективность при большой вязко­сти жидкости.

Для подъема жидкости из нефтяных скважин винтовые насосы разработаны только в Советском Союзе. У этих насосов однозаходный винт располагается в двухзаходной полости обоймы и контактная ли­ния / (рис. 41, а) между ними образует по длине обоймы ряд замк­нутых полостей. При вращении винта эти полости перемещаются от приема насоса к его выкиду. Сложная геометрическая система замкнутых полостей представлена Д. Ф. Балденко простой плоской моделью. В этой модели гибкая линия / совершает гармонические колебания между двумя граничными прямыми 2 и 3 (рис. 41,в). При колебательном процессе замкнутые полости, например г, пе­ремещаются от приема к нагнетанию.

К недостаткам насоса можно отнести то, что его напоры ограничены технологическими возможностями изготовле­ния длинных винтов и обойм и винт насоса вращается не только вокруг своей оси, но и по эксцентриситету. 

Последнее требует при­менения эксцентриковых муфт, соединяющих винты с валом при­вода, что усложняет конструкцию. Вращение вала насоса по экс­центриситету вызывает радиальные инерционные силы в агрегате.

Установка скважинного винтового насоса подобно установке скважинного центробежного насоса имеет погружной электродвигатель с компенсатором и гидрозащитой, скважинный насос (винтовой), кабель, обратный и спускной клапаны, встроен­ные в НКТ, оборудование устья, трансформатор и станцию управ­ления. Используются части установки тех же типов, что и у уста­новок ЭЦН, за исключением насоса и иногда двигателя. 

Двигатель применяется с частотой вращения 50 с~¹, как и у двигателей уста­новок ЭЦН, и с меньшей частотой вращения (25 с~¹)(это обусловлено тем, что при больших оборотах могут возникнуть эффекты пригорания и возникают высокие динамические нагрузки), но с принци­пиально той же конструкцией двигателя.

Одновинтовой насос по принципу действия относится к объем­ным насосам. Он имеет однозаходный винт с внутренним диаметром d, вращающейся в двухзаходной обойме (см. рис. 41, а). Длина шага нарезки винта t в 2 раза меньше длины шага обоймы Т. Кон­тактная линия 1 на длине шага обоймы образует одну замкнутую полость, которая при вращении винта перемещается к выкиду на­соса. За один оборот винта эта полость перемещается на длину шага обоймы. Ось винта в своем крайнем положении расположена на расстоянии е от оси обоймы. Крайнее положение оси отдельных се­чений винта имеет отклонение от оси обоймы, равное 2е (см. рис. 41, б). Если мы условно разрежем сечение винта на две поло­вины и разместим их по двум сторонам сечения обоймы (см. рис. 41, б), то площадь между ними (4 ed), помноженная на длину шага обоймы (Т), даст объем одной замкнутой полости. Частота вращения винта (п) определяет число этих полостей, перемещаемых к выкиду насоса в единицу времени. Таким образом, подача винто­вого насоса будет Q=4edTn.     

                     

• Напор, создаваемый рабочим органом винтового насоса, опре­деляется допустимым перепадом давления на одной контактной линии и числом этих контактных линий на длине обоймы, т. е. чис­лом замкнутых полостей в обойме. 
• Опыт показал, что рациональ­ный перепад давления на контактной линии — 2,5—3,5 МПа. На длине обоймы и винта можно расположить три-четыре замкнутые полости, поэтому один винтовой насос может создать наибольшее давление 7,5—14 МПа.

ОКБ БН наметило ряд винтовых насосных установок на подачу 16, 25, 40, 80, 100 и 200 м^з/cyт жидкости. Напоры, создаваемые насосами, составляют 200—1200 м. Насосы предназначаются для отбора жидкости с малой и большой вязкостью в пределах, практи­чески встречающихся на нефтяных месторождениях. Количество свободного газа на приеме насоса может доходить до 50 %.

В шифре установок винтовых насосов, например УЭВНТ5А-16-1200, буквы обозначают винтовой насос с электроприводом, а цифры — те же, что и у уста­новок ЭЦН.

 

Конструкция скважинного винтового насоса

Серийно изготовляемый скважинный винтовой насос с двумя рабочими органами (рис. 42) состоит из рабочих винтов 3 и 6, обойм 4 и 7, эксцентриковых муфт 2 и 5 (одна муфта соединяет винты между со­бой, а вторая — нижний винт с подсоединительным валом насоса), кожуха верхнего рабочего органа, предохранительного поршеньково-золотникового кла­пана 8 и пусковой муфты 1. Применение 2ух винтовых пар позволяет компенсировать осевые усилия и увеличить подачу при оптимальных размерах эксентриситета.

Максимальный момент трения при пуске – в винтовых парах, что обусловлено их спецификой.

Жидкость из скважины поступает через прием­ные сетки к рабочим органам насоса. Вращающиеся винты нагнетают жидкость в полость между винтами, откуда она по кожуху у верхнего рабочего органа поступает в предохранительный клапан 8, а затем в НКТ 9.

Давление нагнетания в полости между винтами, действуя на верхний и нижний винты, разгружает их сборку от осевого усилия. Подача насоса при этой схеме равна сумме подач двух винтов. Напор насоса равен напору, создаваемом у одним винтом.

Винты насоса изготовляются из легированной стали на токарном станке с приспособлением и по­том покрываются износоустойчивым слоем хрома. Поскольку винт вращается не только вокруг своей оси, но и по эксцентриситету, конструкторы ищут пу­ти уменьшения радиальных инерционных сил. Умень­шения этих сил можно достигнуть сокращением экс­центриситета оси винта по отношению к оси обоймы, уменьшением частоты вращения винта и массы винта. Для уменьшения массы винта применяют материалы более легкие, чем сталь, например титановые сплавы (такие винты у насосов на подачу 100 и 200 м^сут).

Обойма имеет стальной корпус и резиновую рабо­чую часть в ней. Резина прессуется в корпус в пресс-форме, стержень которой образует двухзаходную винтовую рабочую полость. Резина нефте- и износоустойчивая.

Эксцентриковые муфты с двумя универсальными шарнирами и валиком между ними позволяют винтам совершать сложное пла­нетарное движение. При этом конструкция муфт, передающих вращающий момент, рассчитана и на восприятие осевых усилий. Эти усилия особенно велики у муфты, соединяющей два винта в по­лости, где на винты действует давление нагнетания.

Предохранительный клапан 8 защищает рабочие органы насоса от работы без достаточной смазки перекачиваемой жидкостью (при поступлении на прием насоса недопустимо большого количества газа) и от работы насоса при чрезмерном напоре. В этих случаях клапан перепускает жидкость из НКТ в скважину на прием насоса. Клапан состоит из корпуса, золотника и седла с поршнем.

👉Пусковая муфта находится внизу насоса, между подсоединительным валом насоса и валом гидрозащиты. С помощью выдвиж­ных кулачков она обеспечивает запуск насоса в момент, когда электродвигатель набирает частоту вращения вала, соответствую­щую максимуму его крутящего момента. Это обеспечивает надеж­ный запуск насоса. Кроме того, муфта защищает насос от обрат­ного по отношению к рабочему направления вращения винтов. При обратном направлении вращения винтов, во-первых, жидкость будет подаваться из НКТ в скважину и, во-вторых, возможен от­ворот резьб в сборке насоса.

 

 

Преимущества этой схемы:

насос 5, электродвигатель с гидрозащи­той 7, комплектного устройства 2, токоподводящего кабель с муфтой кабельного ввода 6.  В состав установок с подачами 63, 100 и 200 м3сут входит еще и трансформатор 1, так как двигатели этих установок рассчитаны соответственно на напря­жение 700 и 1000 В. насосно-компрессорные трубы 4. специальные пояса для крепления кабеля к трубам 3.

1)при одном и том же поперечном габарите насоса получа­ется удвоенная подача; 2)рабочие органы гидравлически взаимно уравновешены, что исключает передачу значительных осевых сил на основание насоса и пяту электродвигателя.

 

     Погружной винтовой насос (рис. 4.7) состоит из следующих основных узлов и деталей: пусковой кулачковой муфты центро­бежного типа 9, основания с приводным валом 8, сетчатых фильтров 3, установленных на приёме насоса, рабочих органов с правыми и левыми обоймами и винтами б и 4, двух эксцентри­ковых шарнирных муфт 5 и 7, предохранительного клапана 2 и шламовой трубы 1.

В насосах с подачами 62, 100 и 200 м3/сут рабочие винты изготавливают из титанового сплава ОТ-4, а в насосах с пода­чами 16 и 25 м3/сут—из стали марки 40Х.

Для обойм используется специальная резина марки 2Д-405, имеющая высокие физико-механические свойства.

Остальные ответственные детали насосов изготавливают из нержавеющей стали марок 95Х18 и легированной стали марки 12ХНЗА. В основании насосов применяется высокопрочный графит марки СГ-П. Для защиты от коррозии и повышения износостойкости рабочая поверхность винтов по­крыта слоем хрома.

В комплект обязательной поставки входит погружной насос­ный агрегат, состоящий из насоса и электродвигателя с гидро­защитой, кабель на металлическом барабане, кожух и пояс для защиты и крепления кабеля к трубам, станция управления, трансформатор (для установок с подачами 16 и 25 м3/сут транс­форматор не требуется, так как погружной двигатель для этих установок рассчитан на напряжение 350 В).

Запуск электродвигателя осуществляется через станцию уп­равления.

При работе установки крутящий момент от электродвига­теля через вал протектора гидрозащиты, пусковую муфту и экс­центриковые муфты насоса передаётся рабочим винтам.

Жидкость через сетчатые фильтры засасывается одновре­менно верхней и нижней винтовыми парами. Две пары рабочих органов работают параллельно и создают напор, необходимый для подъема жидкости на поверхность.

Подача насоса равна сумме подач двух рабочих пар, а на­пор насоса — напору каждой рабочей пары.

Погружные винтовые насосы имеют ряд специфических уз­лов и деталей: пусковую и эксцентриковые муфты, клапан и шламовую трубу (см. рис. 4.7).

Пусковая муфта соединяет валы протектора и насоса и обес­печивает с помощью выдвижных кулачков пуск насоса при до­стижении ротором электродвигателя частоты вращения, соот­ветствующей максимальному крутящему моменту. Кроме того, муфта защищает насос от обратного вращения.

В насосе имеются две эксцентриковые муфты: одна располо­жена между винтами, другая—между нижним винтом и валом основания. Каждая муфта состоит из двух универсальных шар­ниров, что позволяет винтам в обоймах совершать сложное планетарное вращение.

Предохранительный поршеньково-золотниковый клапан на­ходится над насосом и состоит из корпуса, золотника и седла с поршнем. Клапан защищает насос от сухого трения и повы­шенного давления и осуществляет заполнение и слив жидкости из НКТ при спуско-подъемных операциях. При нормальном ра­бочем давлении и подаче клапан направляет поток откачивае­мой жидкости по колонне труб на поверхность.

При недостаточном притоке жидкости из пласта или содер­жании в ней большого количества газа клапан перепускает жидкость из напорной линии обратно в скважину.

• Шламовая труба предохраняет насос от засорения круп­ными частицами примесей и выполняет роль отстойника.
• Жидкость поступает одновременно в левый и правый ор­ганы насоса через приемные сетки-фильтры. В камере между винтами потоки соединяются, и, следуя дальше по кольцевому каналу между корпусом насоса и верхней обоймой, жидкость через предохранительный клапан поступает в напорную ли­нию.
• Подвижные детали насоса (два рабочих винта и приводной вал) соединены в гибкую систему двумя эксцентриковыми муф­тами.
• Неподвижные части рабочих органов (обоймы совместно с основанием и корпусами) образуют жесткую систему—труб­чатый корпус насоса.

Гибкая внутренняя связь подвижных частей рабочих органов позволяет винтам самоустанавливаться в обоймах. Рабочие винты вращаются эксцентрично относительно оси насоса, по­этому для уравновешивания возникающих при вращении цен­тробежных сил их при помощи эксцентриковых муфт смещают от оси насоса в диаметрально противоположные стороны на величину их эксцентриситетов. Остающийся неуравновешенным момент от пары этих центробежных сил, действующих в проти­воположные стороны, создает некоторую вибрацию установки, которая улучшает наполнение рабочих органов особенно вяз­кими жидкостями.

При перекачке жидкостей повышенной вязкости снижаются перетоки через уплотняющую контактную линию между винтом и обоймой. Поэтому характеристики винтового насоса при пе­рекачке вязких жидкостей лучше, чем при перекачке воды.

Рабочие органы винтовых насосов изготавливают с различ­ными натягами и зазорами, учитывающими их тепловое расши­рение в скважинах.  

Приводом винтовых насосов служит погружной электродви­гатель (рис. 4.8). Электродвигатель трехфазный, асинхронный, короткозамкнутый, четырехполюсный, погружной, маслонаполненный. Исполнение двигателя вертикальное, со свободным кон­цом вала, направленным вверх. Номинальный режим работы двигателя — продолжительный. Работает от сети переменного тока с частотой 50 Гц. Диаметр корпуса двигателя равен 117 мм. Двигатель выполнен герметичным, так как работает в среде пластовой жидкости под давлением.

Гидрозащита—конструктивный элемент двигателя, предо­храняющий его внутреннюю полость от попадания пластовой жидкости, а также компенсирующий температурные изменения объема и расхода масла при работе двигателя. Гидрозащита обеспечивает выравнивание давления внутри двигателя с дав­лением в скважине на уровне его подвески.

Внутренняя полость двигателей заполнена специальным мас­лом высокой диэлектрической прочности.

Основные узлы электродвигателя—статор, ро­тор, головка, передняя и нижняя опоры радиальных подшип­ников скольжения, основание с фильтром, осевая опора и ка­бельный ввод.                                      

Статор представляет собой стальной цилиндрический тонко­стенный корпус, в котором расположен магнитопровод, состоя­щий из магнитных и немагнитных пакетов. Немагнитные па­кеты служат опорами промежуточных подшипников скольжения ротора.

Ротор электродвигателя многоопорный. Он состоит из пусто­телого вала и группы сердечников, между которыми установ­лены промежуточные радиальные опоры (подшипники скольже­ния).

В головке двигателя расположены колодка кабельного ввода, упорный подшипник, воспринимающий вес подвешенного на нем ротора, и концевая радиальная опора вала.

Двигатели комплектуют гидрозащитой 1Г51.