книги / Оборудование для добычи нефти и газа

по сравнению с УЭВН:

•простота конструкции насоса (отсутствуют шарнирные со­ единения, пусковые муфты, радиальные и осевые подшипники);

•наземное расположение приводного электродвигателя, что приводит к снижению его стоимости и к отсутствию дорогосто­ ящих гидрозащиты и длинного бронированного кабеля.

Рациональной областью применения ВШНУявляются вертикаль­ ные скважины или скважины с малыми темпами набора кри­ визны с пластовыми жидкостями высокой вязкости, с повышен­ ным содержанием газа и механических примесей. Чаще всего ВШНУ применяются для дебитов от 3 до 50—100 м3/сутки с напором до 1000—1500 м, однако, как уже отмечалось, некото­ рые типоразмеры ВШНУ могут иметь гораздо большие добыч­ ные возможности.

7.3.1. СОСТАВ УСТАНОВКИ И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ

ВШНУ (рис. 7.128) включат в свой состав наземное и сква­ жинное оборудование.

Наземное оборудование ВШНУ устанавливается на трубной головке скважины и предназначено для преобразования энер­ гии приводного двигателя в механическую энергию вращающейся колонны штанг.

Наземное оборудование состоит из:

—тройника для отвода пластовой жидкости;

—приводной головки;

—рамы для крепления приводного двигателя;

—трансмиссии;

—приводного двигателя с устройством управления;

—устройства для зажима (подвески) полированного штока. Приводная головка предназначена для передачи крутящего

момента колонне штанг, восприятия осевых нагрузок от веса штанг и гидравлической силы в рабочих органах насоса, уплот­ нения устья скважины. Конструктивно приводная головка вы­ полнена на базе корпуса, устанавливаемого на тройник-отвод посредством фланцевого или резьбового соединения. Внутри корпуса, заполненного маслом, на подшипниках качения распо­ лагается приводной вал, связанный с ведомым шкивом силовой передачи. В качестве упорного подшипника, воспринимающего

осевую нагрузку, используются конический или сферический роликовые подшипники. Для уплотнения вращающегося при­ водного вала или полированного штока служит одинарное или сдвоенное сальниковое устройство с использованием уплотни­ тельных колец или мягкой набивки.

Для предотвращения обратного вращения колонны штанг после остановки приводного двигателя приводная головка ос­ нащается тормозным устройством механического или гидрав­ лического типа. Это устройство необходимо для восприятия момента кручения от колонны насосных штанг и не допуска­ ет отворота резьб штанг и обратного вращения, как самой ко­ лонны штанг, так и элементов приводной головки и транс­ миссии.

В отдельных компоновках ВШНУ для удобства обслужива­ ния установки под приводной головкой устанавливается допол­ нительный сальник или плашечный превентор. Первый служит для замены основного сальника без остановки насоса, что осо­ бенно актуально в зимних условиях эксплуатации ВШНУ, вто­ рой — для герметизации устья скважины при ремонте поверхно­ стного оборудования.

В ряде моделей ВШНУ зарубежных фирм приводная головка снабжается ограничителем крутящего момента.

Рама под Приводной двигатель при использовании клиноре­ менной силовой передачи оснащается устройством натяжения ремней.

Зажим полированного штока, как правило, осуществляется двумя полухомутами, внутренняя цилиндрическая поверхность которых закрепляется со штоком с помощью четырех или шести болтов, а наружная профилированная поверхность (например, прямоугольная) вставляется в ступицу приводного вала.

Скважинное оборудование ВШНУ состоит из колонны НКТ, в нижней части которой устанавливается статор насоса и враща­ ющейся в центраторах колонны штанг, нижний конец которой соединен с ротором насоса.

Компоновка низа колонны НКТ в зависимости от условий эксплуатации скважины может включать следующие элементы: фильтр; газовый и песочный сепараторы; динамический якорь (анкер); центратор или фонарь статора; обратный и циркуляци­ онный клапаны; упорный палец насоса.

Динамический якорь, устанавливаемый ниже статора, фик­ сирует НКТ относительно эксплуатационной колонны в ради­ альном направлении, допуская при этом их вертикальное пере­ мещение. Включение в скважинное оборудование ВШНУ якоря обусловлено тем, что при правом (по часовой стрелке) враще­ нии штанговой колонны реактивный момент, возникающий на корпусе статора насоса, работает на отворот резьб статора и НКТ. Якорь выполняется на базе фрикционного механизма, приводя­ щего в действие плашки при возникновении крутящего момен­ та. Якорь целесообразно использовать при больших крутящих моментах, обусловленных диаметром винта или давлением на­ соса. При отсутствии якоря при монтаже ВШНУ необходимо обеспечить требуемые моменты крепления резьбовых соедине­ ний НКТ.

Упорный палец в насосе служит для правильной подгонки длины колонны штанг при монтаже винтового насоса.

Штанговые невращающиеся центраторы, выполняющие фун­ кцию промежуточных радиальных опор, могут быть представле­ ны в двух конструктивных исполнениях:

— неразборные, размещенные непосредственно на полнораз­ мерной или укороченной штанге по специальной технологии в заводских условиях;

— разборные, устанавливаемые между муфтами стандартных штанг.

Наиболее рационально применять штанговые Центраторы, обеспечивающие их неподвижность относительно колонны НКТ, что приводит к снижению расхода электроэнергии и износа НКТ. Центраторы выполняются из пластмасс или композитных мате­ риалов, работоспособных в различных средах и температурных условиях.

Несколько нижних штанг, расположенных в непосредствен­ ной близости к эксцентрично вращающемуся ротору, центрато­ рами не оснащаются.

Надежность работы ВШНУ во многом зависит от точности осевой подгонки ротора в статор, определяемой По разгрузке веса колонны штанг при помощи индикатора веса на подъем­ ном агрегате или по вращению колонны штанг при перемеще­ нии ротора в статоре. Для осевой подгонки ротора в компонов­ ку колонны штанг, также как и в СШНУ, включаются укоро-

ценные штанги длиной от 1 до 3 м. Точная подгонка, как и в СШНУ, обеспечивается за счет захвата полированного штока (в ВШНУ имеющего название полированного или приводного вала) специальными полухомутами в любом месте поверхности.

При работе установки ВШН поднимаемая пластовая жидкость движется в кольцевом зазоре между колоннами НКТ и штанг и далее через боковой отвод тройника поступает в промысловый коллектор.

В ВШНУ наибольшее распространение получили НКТ и на­ сосные штанги диаметром соответственно 73 и 22 мм. В уста­ новках используются стандартные полированные штоки диамет­ ром 31 и 36 мм.

7 . 3 . 2 . К Л А С С И Ф И К А Ц И Я В Ш Н У

В зарубежной и отечественной практике известно большое количество схем и типоразмеров ВШНУ, которые можно клас­ сифицировать следующим образом:

— по типу привода различают установки с электроприводом, объемным гидроприводом, приводом от ДВС и газового двига­ теля. Наиболее широкое применение получили ВШНУ с асинх­ ронным электроприводом переменного тока с номинальной ча­ стотой вращения 1000 об/мин. Мощность электродвигателя в зависимости от подачи и давления насоса изменяется от 3 до 100 кВт и выше;

—по кинематической схеме привода различают ВШНУ с одно-

идвуступенчатой трансмиссией.

Простейшая схема ВШНУ, исключающая силовую трансмис­ сию, в которой двигатель напрямую соединяется с валом при­ водной головки, на практике не используется, поскольку требу­ ет применения тихоходных двигателей, что неэффективно.

Одноступенчатая схема трансмиссии может быть реализова­ на на базе ременной, цепной или зубчатой (цилиндрической или конической, встроенной в опорный корпус приводной головки, которая в этом случае выполняет также функцию редуктора) передачи.

Двуступенчатая схема (первая ступень — ременная, вторая ступень — зубчатая передача) обеспечивает возможность исполь­ зования быстроходных приводных двигателей с пониженными

массогабаритными показателями, а также снижение передаточ­ ного отношения первой ступени, что позволяет осуществлять широкое регулирование частоты вращения штанг путем смены шкивов ременной передачи.

В отдельных случаях для упрощения трансмиссии в качестве приводного электродвигателя целесообразно использовать мо­ тор-редуктор.

Наибольшее распространение получили схемы приводов с одноступенчатой ременной трансмиссией;

— по типу ременной передачи различают приводы с клиноре­ менными и зубчатыми ремнями.

Наиболее часто в ВШНУ применяются обычные многоряд­ ные клиноременные передачи. В некоторых конструкциях ис­ пользуются поликлиновые и зубчатые ремни. Последние обес­ печивают передачу высоких крутящих моментов без скольже­ ния, не требуют предварительного натяжения и периодической подтяжки, отличаются компактностью и высоким КПД.

Передаточное отношение клиноременной передачи обычно не превышает 5, поэтому при использовании одноступенчатой трансмиссии с номинальной частотой вращения электродвига­ теля 1000 об/мин минимально возможная частота вращения штанг составляет 200 об/мин, что не всегда соответствует требованиям эксплуатации;

—по конструкции вала приводной головки существуют ком­ поновки с цельным и полым валом.

Компоновка с цельным валом, не требующая использования полированного штока, сложна при регулировке осевого положе­ ния ротора насоса относительно статора во время монтажа ко­ лонны штанг. В этой связи приводной вал, как правило, выпол­ няется полым, что позволяет пропускать внутри него полиро­ ванный шток и регулировать положение последнего в осевом направлении;

—по расположению приводного двигателя встречаются компо­ новки с вертикальным и горизонтальным расположением оси двигателя.

Вертикальная компоновка двигателя характерна для односту­ пенчатых ременных трансмиссий, горизонтальная (когда ось приводного двигателя располагается перпендикулярно оси сква­ жины) — для приводов с зубчатой конической передачей;

— по способу регулирования скорости приводного вала ВШНУ различают приводы с регулируемым приводным двигателем (элек­ трическим или гидравлическим) и с регулируемым передаточ­ ным отношением трансмиссии, осуществляемым сменой шки­ вов ременной или введением в кинематическую схему механи­ ческого вариатора передачи.

Наиболее перспективно использование установок с частотно­ регулируемым электроприводом переменного тока, обеспечива­ ющим полный диапазон регулирования скорости (от 0 до 100%) и возможность поддержания оптимального в заданных условиях режима работы системы пласт—насос—привод. Другая функция регулируемого электропривода — плавный пуск и останов уста­ новки, что повышает надежность ее эксплуатации. Станция уп­ равления регулируемым электроприводом включает систему кон­ троля и регистрации, что позволяет отслеживать режим работы привода и вносить необходимые управляющие воздействия;

— по кинематическому отношению рабочих органов винтового насоса различают насосы с однозаходным ротором (с кинемати­ ческим отношением 1:2) и многозаходными рабочими органами (с кинематическим отношение 2:3; 3:4; 4:5 и т.д.).

Выбор кинематического отношения рабочих органов насоса обусловливается требуемыми эксплуатационными параметрами (диаметр, расход, давление, частота вращения) и технологичес­ кими возможностями производителей винтовых пар (см. ниже);

— по схеме закрепления статора различают трубный (статор закрепляется на резьбе на конце колонны НКТ) и вставной (ста­ тор спускается на штангах в сборе с ротором и крепится в НКТ с помощью специального замка) винтовые насосы.

Области применения и эффективность схемы вставного на­ соса, позволяющая производить замену рабочих органов насоса (при их износе или в случае перехода на новых режим откачки) без подъема колонны НКТ подробно рассмотрена в разделе 7.2.11. настоящей книги;

— по схеме закрепления низа НКТ относительно обсадной ко­ лонны различают компоновки со свободным и заякоренным низом;

— по кинематической схеме насоса возможна реализация двух вариантов: с вращающимся внутренним элементом (винтом) и с вращающимся наружным элементом (обоймой).

Типовая схема с вращающимся винтом — наиболее простая и экономичная как в конструктивном плане, так и при монтаже и эксплуатации — нашла повсеместное применение в зарубежной и отечественной практике.

Схема с вращающейся обоймой, в которой поток пластовой жидкости поднимается по внутреннему каналу вращающихся полых штанг или труб, предложена с целью предотвращения отложения парафина на НКТ и снижения гидравлических по­ терь на трение за счет создания водяного кольца на стенках по­ лых штанг. Такая схема является более сложной, требует ис­ пользования полых штанг увеличенного диаметра и устьевого вертлюга для отвода жидкости из скважины и не нашла про­ мышленного применения.

7.3.3. СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ ВИНТОВОЙ НАСОС

Скважинный винтовой насос является основным элементом ВШНУ От правильного выбора геометрических параметров ра­ бочих органов насоса и материалов пары в значительной степе­ ни зависят эффективность использования и надежность ВШНУ Рабочим органом одновинтового насоса является винтовой героторный механизм — зубчатая косозубая пара внутреннего циклоидального зацепления, состоящая из Zj-заходного метал­ лического ротора (винта) и Z,-заход ного статора (обоймы с эла­ стичной обкладкой), между винтовыми поверхностями которых

образуются рабочие камеры.

Ротор ВГМ, обкатываясь по зубьям статора, совершает пла­ нетарное движение: при повороте ротора на угол <р относитель­ но неподвижной системы координат (абсолютное движение) его ось поворачивается по круговой траектории с радиусом е в противоположном направлении (переносное движение) на угол Ф„ *= -Z2 ф.

Отличительным параметром ВГМ, во многом определяющим его характеристики, является кинематическое отношение рабо­

где S — площадь живого сечения рабочих органов насоса: S = 4 е d — для насосов с однозаходным ротором;

S =>л е (/)к — 3 е) — для многозаходных роторов;

е — эксцентриситет зацепления; d — диаметр сечения ротора. Крутящий момент насоса (в нижнем сечении колонны штанг)

где т|гм— гидромеханический КПД насоса.

Характеристики насоса, представляющие собой зависимос­ ти подачи, крутящего момента, мощности ( N = 2 п п М) и КПД (Л = Ло Лгм) °т давления при заданной частоте вращения, зависят от:

1)геометрических параметров рабочих органов (/, е, Т, к, 8);

2)физических свойств жидкости (плотности, вязкости, газосодержания и т.д.);

3)физических свойств эластомера обкладки статора. Возможный диапазон изменения частоты вращения штанго­

вых насосов:

—для насосов с однозаходным ротором — 50—600 об/мин;

—для МВН — 50—300 об/мин.

В качестве материала ротора в большинстве случаев исполь­ зуется сталь (20X13 или 40X13). Наружная винтовая поверхность ротора, нарезаемая по методу обкатки циклоидальной рейки, подвергается поверхностному упрочнению или хромируется (тол­ щина слоя 0,1—0,2 мм) с последующим полированием.

Одним из резервов повышения долговечности рабочих орга­ нов является обоснованный выбор эластомеров обкладки стато­ ра для заданных условий эксплуатации насоса. Зарубежные фир­ мы предлагают потребителю широкую гамму эластомеров в за­ висимости от характеристик пластовых жидкостей (содержания песка, H2S, С 0 2, ароматических веществ), температуры и требу­ емых напоров.

При выборе натяга в паре необходимо учитывать вязкость и температуру откачиваемой жидкости на приеме насоса. Так, на­