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 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 экс-центриситету 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.
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 мз/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 со-бой, 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 м3сут).
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 мсут 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 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 эксцентри¬ковых 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, соот-ветствующей 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 пе-рекачке 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 кон¬цом 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.
