1458

В последние годы все чаще для испытаний центробежных насосов применяются горизонтальные стенды. На рис. 1.163 по­ казан горизонтальный автоматизированный стенд для испыта­ ния секций центробежного насоса, разработанный фирмой «Новомет» (г. Пермь). При использовании горизонтальных стендов появляется возможность замера виброскорости или виброуско­ рения в любом сечении насоса.

Стенд управляется компьютером. Все действия выполняются в соответствии с намеченной программой, что полностью ис­ ключает субъективный фактор при испытаниях. Стенд предназ­ начен для испытания секций габаритов 4, 5 и 5А с максималь­ ной подачей до 660 мУсут и максимальным напором до 2500 м водяного столба (25 МПа).

В качестве рабочей жидкости используется вода с плотнос­ тью 1000+10 кг/м3. При обкатке и промывке секций использует­ ся автономная система водоснабжения.

На стенде можно измерять следующие величины: расход, на­ пор, КПД, виброскорость поперечных и продольных колебаний по длине секции, момент сил на валу.

Относительные ошибки измерений:

—расход ±0,1 %;

—напор ±0,5 %;

—КПД ±1 %;

—момент сил ±0,1 %;

—виброскорость ±5 %.

Стенды аналогичной конструкции выпускают и многие дру­ гие фирмы, как российские, так и зарубежные.

1.10. ОХРАНА ТРУДА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТАНОВОК СКВАЖИННЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

При монтаже и эксплуатации установок ЭЦН дол­ жны строго соблюдаться правила безопасности в нефтяной про­ мышленности, правила устройства, правила технической эксплуа­ тации и правила техники безопасности при эксплуатации электро­ установок потребителями. Кроме того, практически во всех нефтя­ ных компаниях разработаны либо Стандарты предприятия, либо Регламенты на проведение основных работ с установками ЭЦН.

Все работы с электрооборудованием установки производятся двумя работниками, причем один йз них должен иметь квали­ фикацию электрика не ниже III группы.

Включение и выключение установки нажатием кнопки или поворотом переключателя, расположенных на наружной сторо­ не двери станции управления, выполняются персоналом, имею­ щим квалификацию не ниже I группы и прошедшим специаль­ ный инструктаж.

Оборудование установки ЭЦН монтируется согласно руко­ водству по эксплуатации.

Кабель от станции управления до устья скважины проклады­ вается на металлических стойках на высоте от земли 0,5 м. Этот кабель должен иметь на своей длине открытое соединение с тем, чтобы газ из скважины не мог проходить по кабелю (например, по скрутке проволок в жиле) в помещение станции управления. Для этого делается металлическая коробка, в которой размеще­ но соединение жил кабеля, исключающее перемещение газа к станции управления.

Все наземное оборудование установки надежно заземляется. Сопротивление контура заземления должно быть не более 4 Ом.

При спуско-подъемных работах скорость движения труб с кабелем не должна быть больше 0,25 м/с. Для намотки и смотки кабеля с барабана используются установки УПК с дистанцион­ ным управлением приводом механизированного барабана.

При работах по погрузке и разгрузке оборудования установок ЭЦН с транспортных средств необходимо соблюдать правила безо­ пасности при такелажных работах. В частности, нельзя быть на пути кабельного барабана, спускаемого лебедкой с откосов машины или

саней. Нельзя находиться и сзади него. Все погрузочные и разгру­ зочные устройства должны подвергаться периодическим испытани­ ям и не реже чем раз в 3 месяца осматриваться и регулироваться.

На транспортировочном агрегате все части установки ЭЦН должны быть надежно закреплены. Насосы, гидрозащита и элек­ тродвигатель закрепляются скобами и винтами, трансформатор, станция управления — цепями, а барабан — за свою ось четырь­ мя винтовыми растяжками.

1.11. УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ ВИНТОВЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Как уже было сказано ранее, более половины за­ пасов нефти в России относится к трудноизвлекаемым, причем значительную долю составляют высоковязкие нефти (30 сП и более). Кроме того, увеличился удельный вес месторождений с низкими дебитами скважин.

При эксплуатации этих месторождений использование тра­ диционных технических средств механизированной добычи не­ фти (штанговые скважинные насосы, центробежные бесштанговые насосы, газлифт) малоэффективно.

Многолетний опыт эксплуатации насосов с погружными элек­ тродвигателями показал, что винтовые насосы являются одним из наиболее эффективных средств механизированной добычи высоковязких нефтей. В России такие насосы серийно выпуска­ ет ОАО «Ливгидромаш».

Высокая эффективность применения электропогружных вин­ товых насосов (ЭВН) подтверждена при эксплуатации место­ рождений с вязкой нефтью, таких как Нурлатское («Татнефть») и Усинское («Коминефть»).

Как показывает промысловый опыт, установки ЭВН следует внедрять преимущественно в таких районах, где эксплуатация другого оборудования малоэффективна или совсем невозможна. Это в основном относится к месторождениям со сложными ус­ ловиями эксплуатации, такими, например, как с вязкой нефтью, с большим содержанием газа при высоком давлении насыще­ ния, с низким коэффициентом продуктивности и др.

Принята следующая структура условною обозначения установок:

Установка укомплектована гидрозащитой 1Г51

Установка

Э-привод от погружного дви­ гателя, В-винтовой, Н-насос

Диаметр обсадной колонны, дюймы Подача, м3/сут

Напор, м

М о д и ф и к а ц и и по температуре

Рис. 1.164. Структура обозначения УЭВН

Главное преимущество погружных винтовых насосов по срав­ нению с погружными центробежными состоит в том, что с по­ вышением вязкости до определенных пределов (200 сП) пара­ метры насоса остаются практически неизменными, в то время как параметры центробежного насоса с увеличением вязкости резко снижаются. А при вязкости более 200 сП эксплуатация погружных центробежных насосов становится невозможной.

Следует отметить, что одним из осложняющих факторов до­ бычи нефти является повышенное газосодержание пластовой жидкости. В данных условиях эффективно применять винтовые насосы, так как наличие 50 % свободного газа на приеме насоса не вызывает снижения его рабочих характеристик.

Винтовые насосы также эффективно применять в искрив­ ленных скважинах. Во-первых, угол наклона ствола скважины в месте установки винтового насоса не влияет на его рабочие параметры.

Во-вторых, установки ЭВН имеют незначительную длину, что облегчает прохождение скважинного агрегата по наклонно-на- правленной скважине.

Винтовые насосы приспособлены к перекачке пластовой жидкости с повышенным содержанием механических примесей (до 400 мг/л).

Все выше перечисленные преимущества установок электропогружных винтовых насосов указывают на актуальность прове­ дения научно-исследовательских и конструкторских работ по усовершенствованию существующих и разработки новых видов

иконструкций винтовых насосов.

1.11.1.Принцип действия винтовых насосов

В объемном насосе рабочий процесс основан на вытеснении жидкости из рабочей камеры, герметично отделен­ ной от полости всасывания и нагнетания. Насосы этого типа имеют большую жесткость характеристик при изменении параметров, возможность перекачивания небольших объемов жидкостей при высоких давлениях, а также жидкостей с широким диапазоном значений вязкости и жидкости с газовой составляющей.

Надежность и долговечность работы в заданных условиях слу­ жат одними из решающих факторов при выборе типа насоса.

Отличительная особенность одновинтового насоса как насоса роторного типа заключается в наличии развитых поверхностей тре­ ния, мест со щелевым уплотнением. Отсюда вывод, что обеспечение режима жидкостного трения между ротором и статором является необходимым и достаточным условием высокого ресурса насоса.

Рассмотрим условия работы насоса при установившемся ре­ жиме (п —const).

На обеспечение режима жидкостного трения будут влиять геометрические параметры винтовых поверхностей ротора и статора и в конечном итоге зазор между ними, свойства мате­ риалов и чистота обработки поверхностей ротора и статора, скорость перемещения ротора в статоре; свойства перекачи­ ваемой среды; обеспечение теплового баланса поверхностей скольжения в пределах, допускаемых выбранными материа­ лами. Наиболее часто используется максимально простое кон­ структивное и технологическое решение одновинтового насо­ са: ротором служит винт, а статором — обойма насоса. Винт металлический, а обойма — резино-металлическая с внутрен­ ней поверхностью из синтетического каучука или другого эла­ стомера.

Кинематическая схема одновинтового механизма показана на рис. 1.165.

Рис. 1.165. Кинематическая схема движения винта в обойме:

О, — ось обоймы; 0 2— ось вин­ та; К — образующая поперечно­ го сечения винта диаметром D; е — эксцентриситет

Винт в обойме совершает сложное планетарное движение. Он вращается не только вокруг своей оси 0 2, его ось одновре­ менно перемещается по окружности диаметром, равным двум эксцентриситетам (2е) в обратном направлении. Это второе дви­ жение винта вызывается его качением на отрезке 2—3 и сколь­ жением на отрезке 5—6 стенок обоймы. Неподвижное зубчатое колесо т с внутренним зацеплением и центром Ov являющимся осью обоймы, имеет диаметр D = 4е. По нему без скольжения катится колесо п диаметром d]= 2е, которое принадлежит винту и вращается вокруг своей оси в обратном направлении. Во вре­ мя вращения винта центр любого его поперечного сечения не­ прерывно перемещается по прямой от верхнего положения А до нижнего положения В и обратно. Это перемещение сверху вниз совершается за один оборот винта, причем точка на окружности п, перемещаясь внутри неподвижной окружности w, описывает гипоциклоиду. Если диаметр перемещающейся окружности ра­ вен половине диаметра неподвижной окружности, то гипоцик­ лоида преобразуется в прямую линию АВ длиной, равной диа­ метру неподвижной окружности т.

На рис. 1.166 показаны восемь положений винта в обойме, сменяющих друг друга в течение одного оборота вала привода.

При качении окружности п по окружности т в направлении по часовой стрелке из положения 1 в положение 5 круг К (сече­ ние винта) движется вниз, причем он вращается против часовой стрелки и скользит но стенке 6—5 обоймы. Прямая АВ повора-

Рис. 1.166. Ряд последовательных положений поперечного сечения винта К в обойме

чивается на определенный угол, отвечающий форме и шагу вин­ товой линии обоймы.

Геликоидальная поверхность винта (рис. 1.167) образуется пе­ ремещением окружности К, вдоль оси винта 0 —0 при условии, что центр окружности перемещается по винтовой линии М—М. отстоящей от оси 0 —0 на величину эксцентриситета е винта.

Внутренняя поверхность обоймы образуется винтообразным движением плоскости поперечного сечения 1— 2 — 3 — 4 — 5 — 6 (см. рис. 1.165), которая вращается вокруг оси О, обоймы и со­ размерно перемещается вдоль этой оси. Полный поворот этой плоскости на 360° при равномерном перемещении ее вдоль оси обоймы составит длину шага обоймы Т = 2 t, где t — шаг винта.

я

Между винтом и обоймой образуются замкнутые полости (см. рис. 1.166), которые заполняются перекачиваемой жидкостью. Сечение этих полостей имеет форму полумесяца.

Вместе с вращением винта полости или камеры, наполнен­ ные жидкостью, перемещаются вдоль оси обоймы из приемной полости в полость нагнетания, причем за каждый оборот винта жидкость в камере переместится в осевом направлении на длину шага обоймы Т.

Сечение, заполняемое жидкостью, постоянно по длине обой­ мы и определяется площадью прямоугольника со сторонами 4е и D или F = 4eZ>, где D — диаметр винта.

При частоте вращения п оборотов теоретическая подача, на­ соса Q = 4cDTn, а действительная подача Qg= Q,f]o6 = 4сDTnt]o6,

где т}о6 — объемный КПД одновинтового насоса. Оптимальным законом распределения давления по дли­

не обоймы должна быть эпюра 1 в форме треугольника ОАБ (рис. 1.168), где ОБ — длина обоймы, ар — заданное давление. На практике могут быть нежелательные отклонения. Так, гипо­ тенуза 2 треугольника ВАБ показывает, что рабочее давление р насоса распределяется не на всю длину насоса ОБ, а лишь на

Рис. 1.168. График распределения давления по длине обоймы:

1 — теоретическая оптимальная эпюра; 2 — неравномерная нагрузка на первые несколько камер обоймы; 3 — насос не развивает заданного давле­ ния; 4 — эпюра давления в обойме длиной 37; 5 — эпюра давления в обойме длиной 5Т, 6 — то же, в обойме длиной 871, 7 - то же, в обойме длиной 13Г

крайние витки ВБ. Это значит, что натяг в рабочих органах ве­ лик и эластомер будет интенсивно разрушаться.

Гипотенуза 3 треугольника Л'ОБ показывает, что насос со­ бран с зазором и не развивает заданного давления р, что также неприемлемо. Оптимален вариант, когда давление р распреде­ ляется по всей длине обоймы равномерно.

Экспериментальные кривые 4, 5, 6 и 7 (см. рис. 1.168) сняты на идентичных по натягу насосах с различной длиной обоймы. Фактические данные хорошо корреспондируются с теоретичес­ кой эпюрой 1 и подтверждают возможность получения пропор­ ционального нарастания давления по длине обоймы. Учитывая, что на максимальном достигнутом давлении в 250 кгс/см2 насос не будет иметь достаточного ресурса, на основании многолетне­ го опыта рекомендуется брать в расчет перепад давления между соседними камерами: Д р = 45—50 м.

Длина обоймы L связана с напором насоса Н, шагом винта и перепадом давления между соседними камерами следующей за­ висимостью:

Под натягом понимается разность между диаметром попе­ речного сечения винта и внутренним диаметром обоймы. Если эта разность отрицательна, имеется зазор в этой рабочей паре.

1.11.2. Рабочие органы и конструкции винтовых насосов

Все погружные установки ЭВН выполнены по одной конструктивной схеме с двумя рабочими органами, со­ единенными параллельно (рис. 1.169).

Преимущество такой сдвоенной схемы расположения рабочих органов заключается в том, что в данном случае при одном и том же поперечном габарите достигается удвоенная подача насоса, что весьма существенно, учитывая ограниченные диаметральные габариты нефтяных скважин. Другим преимуществом такой схе­ мы является то, что здесь рабочие органы взаимно гидравличес­