2765.Оборудование для добычи нефти и газа Часть 2

Зарубежные фирмы выпускают винтовые штанговые насо­ сы (табл. 7.47) с подачами от 0,5 до 1000 м2/сут и давлениями до 30 МПа. Широкий диапазон подач осуществляется за счет изменения диаметра рабочих органов и шагов их винтовых по­ верхностей. В зависимости от требуемого давления выпускаются

модификации насосов с различной длиной рабочих органов (от 0,5 до 15 м). В шифре насоса указывается наружный диаметр статора (как правило, совпадающий с одним из размеров НКТ), подача и давление насоса при номинальной частоте вращения. Кроме того, в шифре есть сведения о конструкции насоса.

Например, фирма Netzsch выпускает насосы с шифром NTZ 278-650ST10, NTZ 350-120DT33, NTZ 350120DiT33 в кото­ рых первые три буквы обозначают фирму-изготовитель, 278 — условный диаметр колонны НКТ (2 7/ 8 дюйма — 73 мм), цифры после тире — напор насоса в метрах водяного столба, ST — однозаходный винт, DT — многозаходный винт, DIT — многозаходный винтовой вставной насос, цифры после обозначения типа насоса обозначают теоретическую подачу насоса при частоте вра­ щения винта, равной 100 об/мин.

Отечественными разработчиками создано несколько парамет­ рических рядов МВН (Q = 1—100 м3/сут), в основу которых поло­ жено варьирование диаметральными размерами рабочих органов и их кинематическим отношением при сохранении оптимальной (нормализованной) плоской и пространственной геометрии [51]:

—серии МВН в диаметральном габарите 42—89 мм, спроек­ тированной ВНИИБТ и РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина;

—серии НВП в габарите 90—106 мм Пермского филиала ВНИ­ ИБТ. Длина рабочих органов не превышает 2 м. КПД МВН на­ ходится в пределах 40—60%; объемный КПД — 70—85%.

Рабочие органы МВН производятся ПФ ВНИИБТ НПО «Бу­ ровая техника» и Павловским машиностроительным заводом.

Фирмы «Ливгидромаш» и ПКНМ освоили производство вин­ товых штанговых насосов с однозаходным винтом с подачами от 1 до 50 м3/сут.

7 .3 .4. П Р И В О Д С К В А Ж И Н Н Ы Х Ш Т А Н Г О В Ы Х В И Н Т О В Ы Х Н А С О С О В

Как указывалось выше, привод винтовых штанговых насосов может иметь разное исполнение. Наиболее часто используется механический привод с одноступенчатой клиноременной транс­ миссией (рис. 7.130, в). Такой привод имеет минимальную сто­ имость и массу, а для изменение частоты вращения колонны штанг (для изменения величины подачи винтового насоса) не­ обходимо провести замену шкивов клиноременной передачи.

Представленные на рис. 7.130 о и б схемы приводов с зубча­ тыми редукторами имеют меньшее распространение из-за необ­ ходимости соединения тихоходного вала редуктора с полиро-

Рис. 7.130. Схемы приводов винтового штангового насоса:

соединение вала привода и полированного штока; 4 — корпус уп_ лотнения полированного штока

ванным штоком, что приводит К СЛОЖНОСТИ подгонки длины колонны штанг. Кроме того, изменение частоты вращения при­ вода возможно только за счет изменения скорости вращения вала электродвигателя.

Конструктивная схема привода с Клиноременнои трансмис­ сией и вертикальным расположением вала приводног0 электро­ двигателя показана на рис. 7.131.

На рис. 7.13i приведена конструктивная схема привода с двух­ ступенчатой трансмиссией (клиноременная передача + коничес­ кая зубчатая передача) и горизонтальным расположением элек­ тродвигателя. Данная схема привода обеспечивает боЛЬш0е пе­ редаточное отношение, что позволяет использовать быстроход­

ные электродвигатели с малой массой или обеспечивать малые скорости вращения ротора насоса.

ется достаточно дорогим и требует высокой квалификации обслу­ живающего персонала и применения высококачественных рабочих жидкостей, особенно при низких температурах окружающей среды.

7.3.5. О С О Б Е Н Н О С Т И Р А Б О Т Ы И Р А С Ч Е Т А Ш Т А Н Г С В И Н Т О В Ы М И Н А С О С А М И

В установках винтовых штанговых насосов используются на­ сосные штанги, которые применяются и в СШНУ. Однако ус­ ловия работы штанговой колонны, приводящей во вращение ротор винтового насоса существенно отличаются от условий ра­ боты штанг в составе СШНУ В отличие от СШНУ упругая ко­ лонна штанг ВШНУ подвержена действию не только продоль­ ных деформаций за счет собственного веса и гидравлической нагрузки, но и деформации кручения.

Угол закручивания верхнего сечения штанговой колонны за­ висит от крутящего момента, длины колонны штанг, модуля сдви­ га материала штанг и полярного момента инерции колонны штанг:

где к — коэффициент, учитывающий отклонение оси сква­ жины от вертикали и трение штанг в центраторах; М — крутя­ щий момент насоса (в нижнем сечении колонны штанг); L — длина колонны штанг; G — модуль сдвига материала штанг, для стали G = 0,8—105 МПа; / — полярный момент инерции сече­ ния, I = TOf/32; d — диаметр штанг.

Коэффициент трения колонны штанг может достигать зна­ чительных величин (до 5—10), однако, если пренебречь влияни­ ем сил трения и принять, что скважина вертикальная, то коэф­ фициент можно считать равным 1.

Верхнее сечение колонны штанг при начале работы ВШНУ претерпевает предварительную деформацию кручения, состав­ ляющую 10—30 оборотов (на всю длину колонны штанг) и нахо­ дится в упругодеформированном состоянии, что обусловливает необходимость оснащения привода ВШНУ тормозным устрой­

ством и повышенные требования безопасности при демонтаже установки или при подъеме полированного штока.

Деформация растяжения колонн штанг и НКТ после вывода насоса на рабочий режим учитывается при начальной установке ротора относительно статора при монтаже установки. Расчет деформации колонцы НКТ и штанг ведется аналогично расчету для соответствующих элементов СШНУ

Как уже было сказано, при эксплуатации ВШНУ колонна штанг одновременно испытывает нагрузки от растяжения, кру­ чения и изгиба.

Растягивающие нагрузки складываются от распределенной на­ грузки от силы тяжести колонны (7ШТи сосредоточенной (в сече­ нии х = L) нагрузки от осевых сил в рабочих органах насоса Fpo, которые в свою очередь складываются из гидравлической силы от перепада давления в насосе Fp и осевой составляющей силы в зацеплении рабочих органов F:

где q — масса 1 погонного метра штанг; g — ускорение свобод­ ного падения; /* — расстояние отточки подвески насоса (х= L) до рассматриваемого сечения л: (по вертикали); / — глубина подвески насоса по вертикали; / — площадь сечения штанг; ршт — плотность материала штанг; Sk — площадь проекции контактных линий ра­ бочих органов {5^ = (0,25сР + 2е2)} — для насосов с однозаходным ротором; Sk ~ 0,25(Dk — Зе)2 — для МВН); Др —потери давления на трение при движении жидкости в кольцевом пространстве; Р — давление насоса, Р = pgH + Др + ру\ ру— устьевое давление.

При Н = 1 Fp = P(Sk —/ ) .

Крутящий момент, передаваемый штангами Мшт, складывает­ ся из крутящего момента насоса М, момента трения вращения

колонны штанг в центраторах Мтр и момента внутренних потерь в штангах на искривленных участках скважины Мн:

где кы — коэффициент сопротивления вращению колонны в скважине, зависящий от координаты рассматриваемого сечения и профиля скважины. При расчетах можно принять к (0) = 1,1;

лгм- 0,5.

Изгибающие нагрузки действуют на искривленных участках профиля скважины, а также в нижней штанге, компенсирую­ щей эксцентриситет рабочих органов.

В зависимости от профиля скважины опасным может являть­ ся одно из двух сечений колонны штанг:

— верхнее сечение колонны (х = 0), где действуют макси­ мальные растягивающие ар и касательные t напряжения

стр(0) = <7ШТ(°) + ^ро / СО; т(0) = Мшт(0 )/^ р; (7.132)

— сечение, расположенное на искривленных участках про­ филя, где возникают изгибающие напряжения

где W — полярный момент сопротивления сечения штанг, Wp = nd 3/16; Е — модуль упругости материала штанг; R — радиус искривления.

Расчет колонны штанг на статическую прочность может вес­ тись с целью: 1) определения требуемого диаметра d или предела текучести (ат материала штанг; 2) коэффициента запаса прочно­ сти в заданных условиях эксплуатации насоса; 3) предельной глу­ бины спуска насоса. Условие статической прочности имеет вид:

где а экв — эквивалентные напряжения в сечении штанги; о — суммарные нормальные напряжения, о = ор + сти.

Допускаемый коэффициент запаса прочности при расчете колонны штанг принимается равным 1,3—1,5.

7.3.6. ПОДБОР ОБОРУДОВАНИЯ СКВАЖИННЫХ ШТАНГОВЫХ

ВИНТОВЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

Подбор оборудования ШВНУ начинается с определения глуби­ ны спуска насоса под динамический уровень жидкости в скважине. Этот этап подбора аналогичен первому этапу подбора других видов скважинных насосов, рассмотренных ранее. Единственным отличи­ ем здесь является величина заглубления под динамический уровень, т.к. винтовые насосы могут работать с довольно высоким содержа­ нием свободного газа на приеме. Эта величина может достигать 50%.

После определения глубины подвески насосы, т.е. длины ко­ лонны штанг и НКТ, определяют типоразмеры подходящих вин­ товых насосов и Требуемые частоты вращения колонны, исходя из заданной величины подачи насоса.

Выпускаемые винтовые насосы имеют разные рабочие объе­ мы, поэтому указанные в паспортных данных теоретические подачи насоса относятся к постоянной частоте вращения ротора насоса, равной 100 об/мин. Поэтому для заданного дебита сква­ жины могут быть приняты разные насосы с разными частотами вращения ротора. Обычно выбирается частота вращения в ин­ тервале от 150 до 350 об/мин. Меньшая частота приводит к боль­ шим потерям напора насоса, большая — к повышению потерь трения как в винтовой паре, так и в колонне штанг.

По выбранному типоразмеру насоса определяется момент вращения ротора насоса и момент трения колонны штанг, сум­ ма которых определяет необходимый момент на полированном штоке и приводной головке. По моменту и частоте вращения полированного штока проводится выбор приводной головки и приводного двигателя.

По максимальному крутящему моменту на полированном што­ ке проводится расчет колонны штанг. Так как чаще всего в ВШНУ применяются штанги диаметром 22 мм, то по величине крутя­ щего момента подбирается марка стали, обеспечивающая необ­ ходимый запас прочности по эквивалентным напряжениям, рас­ смотренным в п. 7.3.5.

Выбор приводного электродвигателя осуществляется по мощ­ ности и частоте вращения на полированном штоке, а также с учетом передаточного отношения выбранного типоразмера при­ водной головки.