Скважинный винтовой насос является основным элементом ВШНУ. От правильного выбора геометрических параметров рабочих органов насоса и материалов пары в значительной степени зависят эффективность использования и надежность ВШНУ.
Рабочим органом одновинтового насоса является винтовой героторный механизм — зубчатая косозубая пара внутреннего циклоидального зацепления, состоящая из Z2-заходного металлического ротора (винта) и Z1-заходного статора (обоймы с эластичной обкладкой), между винтовыми поверхностями которых образуются рабочие камеры.
Ротор ВГМ, обкатываясь по зубьям статора, совершает планетарное движение: при повороте ротора на угол φ относительно неподвижной системы координат (абсолютное движение) его ось поворачивается по круговой траектории с радиусом е в противоположном направлении (переносное движение) на угол φп = -Z2 φ.
Отличительным параметром ВГМ, во многом определяющим его характеристики, является кинематическое отношение рабочих органов:
(2.168)
В качестве рабочих органов штанговых винтовых насосов зарубежные фирмы преимущественно используют винтовые пары Муано с кинематическим отношением 1:2. Однако фирмы Netzsch, R&M и Baker Hughes выпускают и винтовые насосы по схеме с кинематическим отношением 2:3 [45—50].
Преимущества насосов с однозаходным ротором:
— относительно простая технология изготовления ротора;
— пониженная вибрация вследствие минимальной переносной угловой скорости ротора;
— повышенная допустимая частота вращения (несущественно ограниченная инерционной силой), что в определенных условиях упрощает схему привода насоса;
— минимальная скорость жидкости в каналах рабочих органов, что уменьшает их гидроабразивный износ;
— оптимальная кривизна винтовых поверхностей рабочих органов, что обеспечивает минимальные контактные напряжения.
Основной недостаток насосов с однозаходным ротором — необходимость существенного удлинения рабочих органов при пониженной частоте вращения (500 об/мин и ниже), что значительно усложняет технологию изготовления таких узлов и повышает их стоимость.
Многозаходные винтовые насосы (МВН), имеют существенные конструктивные и эксплуатационные преимущества по сравнению с традиционной схемой, обусловленные кратностью действия и повышенным числом контактных линий, отделяющих вход и выход многозаходного насоса [51]:
— увеличенную подачу (в 2—3 раза) при одинаковой частоте вращения и наружном диаметре насоса;
— уменьшенный осевой габарит при одинаковых давлениях;
— уменьшенный диаметр при одинаковых подачах и частоте вращения, что позволяет сконструировать вставной насос для НКТ диаметром 73 мм;
— пониженная скорость скольжения рабочих органов, что уменьшает фрикционный износ.
Как известно, подача винтового насоса определяется формулой
(2.169)
где V — рабочий объем насоса; η — объемный КПД насоса.
Рабочий объем насоса
(2.170)
где S — площадь живого сечения рабочих органов насоса:
S = 4 е d — для насосов с однозаходным ротором;
S =π e (Dk — 3 е) — для многозаходных роторов;
е — эксцентриситет зацепления; d — диаметр сечения ротора. Крутящий момент насоса (в нижнем сечении колонны штанг) зависит от давления Р и рабочего объема V насоса
(2.171)
где ηгм — гидромеханический КПД насоса.
Характеристики насоса, представляющие собой зависимости подачи, крутящего момента, мощности (N= 2 π п М) и КПД (η = η0η гм)от давления при заданной частоте вращения, зависят от:
1) геометрических параметров рабочих органов (i, е, Т, k, δ);
2) физических свойств жидкости (плотности, вязкости, газосодержания и т.д.);
3) физических свойств эластомера обкладки статора. Возможный диапазон изменения частоты вращения штанговых насосов:
— для насосов с однозаходным ротором — 50—600 об/мин;
— для МВН — 50—300 об/мин.
В качестве материала ротора в большинстве случаев используется сталь (20X13 или 40X13). Наружная винтовая поверхность ротора, нарезаемая по методу обкатки циклоидальной рейки, подвергается поверхностному упрочнению или хромируется (толщина слоя 0,1—0,2 мм) с последующим полированием.
Одним из резервов повышения долговечности рабочих органов является обоснованный выбор эластомеров обкладки статора для заданных условий эксплуатации насоса. Зарубежные фирмы предлагают потребителю широкую гамму эластомеров в зависимости от характеристик пластовых жидкостей (содержания песка, H2S, CO2, ароматических веществ), температуры и требуемых напоров.
При выборе натяга в паре необходимо учитывать вязкость и температуру откачиваемой жидкости на приеме насоса. Так, например, фирма Baker Hughes при температурах выше 100 "С комплектует насосы рабочими парами с зазором, и, наоборот, при температурах до 60 ºС рабочие органы выполняются с натягом. В интервале температур 60—100 °С натяги в паре близки к нулю.
Эффективным способом повышения надежности насосной пары является переход на конструкцию статора с постоянной толщиной эластичной обкладки. Однако такая конструкция является довольно сложной и требует специальной технологии изготовления.
Винтовые насосы вследствие эластичности обкладки статора и действия радиальных сил и перекашивающих моментов имеют переменные зазоры по длине контактной линии, через которые происходят утечки жидкости. В результате этого винтовые насосы обладают нетипичными для объемных гидромашин «нежесткими» напорными характеристиками (рис. 2.129).
Предельное давление насоса при прочих равных условиях зависит от межвиткового перепада давления
(2.172)
где λ — число контактных линий, отделяющих вход и выход рабочих органов: λ = (к - 1) Z1 + 1.
Рис. 2.129. Характеристика винтовых насосов с поверхностным приводом фирмы Emip (Франция)
Зарубежные фирмы выпускают винтовые штанговые насосы (табл. 2.47) 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 поверхностей. 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.
Таблица 2.47
Технические характеристики винтовых штанговых насосов зарубежных фирм
Фирма-изготовитель | Наружный диаметр, мм | Длина статора, мм | Диапазон подач, м3/сут | Максимальное давление, МПа |
Baker Hughes (США) | 60-127 | 1100-15600 | 4-1000 | |
BPMF (Китай) | 89-116 | 1700-9000 | 5-40 | |
Griffin (Канада) | 89-114 | 1500-9500 | 4-100 | |
Kudu (Канада) | 60-127 | — | 3-200 | |
Mono Pump (Великобритания) | 1-540 | |||
R&M (США) | 60-89 | 1120-12200 | 1-500 | |
Netzsch (ФРГ) | 60-102 | 1200-12000 | 20-700 | |
РСМ (Франция) | 60-102 | 1300-5500 | 15-900 | |
Schoeller — Bleckmann (Австрия) | 73-114 | 1120-5000 | 0,5-420 | |
Weatherford (США) | 60-102 | 800-10300 | 4-400 |
Кроме того, в шифре есть сведения о конструкции насоса.
Например, фирма Netzsch выпускает насосы с шифром NTZ 278-650ST10, NTZ 350-120DT33, NTZ 350120D1T33 в которых 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 вращения винта, равной 100 об/мин.
Отечественными разработчиками создано несколько параметрических рядов МВН (Q = 1 — 100 м3/сут), в основу которых положено 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, спроектированной ВНИИБТ и РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина;
— серии НВП в габарите 90—106 мм Пермского филиала ВНИИБТ. Длина рабочих органов не превышает 2 м. КПД МВН находится в пределах 40—60%; объемный КПД — 70—85%.
Рабочие органы МВН производятся ПФ ВНИИБТ НПО «Буровая техника» и Павловским машиностроительным заводом.
Фирмы «Ливгидромаш» и ПКНМ освоили производство винтовых штанговых насосов с однозаходным винтом с подачами от 1 до 50 м3/сут.