Двухвинтовой погружной насос

На нефтяных промыслах применяется винтовой насос, состоящий из двух роторов, нагнетающих жидкость навстречу друг другу и имеющих раздельные приемы и общий выкид. Роторы соединены между собой и с погружным электродвигателем валом с эксцентриковыми муфтами; роторы вращаются в одном направлении, но один из них имеет правое направление спирали, а другой — левое. При этом верхний ротор подает жидкость сверху вниз, а нижний — снизу вверх. Такая схема уравновешивает осевую нагрузку, действующую на роторы. Эксцентриковые муфты позволяют роторам вращаться не только вокруг своей оси, но и по окружности диаметром 2е. Эксцентриковые муфты работают в откачиваемой жидкости.

Приводы винтового насоса могут быть погружными (например, погружной электрический двигатель — ПЭД) или поверхностными. При использовании ПЭД в комплект установки входит автотрансформатор, станция управления со всеми системами автоматики и защиты, устьевая арматура, электрический кабель и погружной агрегат с протектором. Как правило, ПЭД четырехполосный, маслозаполненный, с гидрозащитой.

Частота вращения вала двигателя примерно 1400 об/мин, поэтому в шифре погружных винтовых установок имеется буква «Т», что означает тихоходный. Снижение частоты вращения вала электродвигателя диктуется принципом действия насоса, у которого с увеличением частоты вращения ухудшаются эксплуатационные характеристики из-за увеличения износа, нагрева и снижения КПД.

Установка спускается в скважину на колонне НКТ. Погружной насос имеет двухсторонний прием продукции и общий выкид в пространство между нижним и верхним роторами. Далее продукция движется по кольцевому зазору между корпусом статора верхнего насоса и корпусом насоса, проходит через специальные наклонные каналы и попадает в головную часть погружного насоса. В головной части имеется многофункциональный предохранительный клапан поршеньково-золотникового типа. Продукция обходит этот клапан по специальным каналам, проходит через шламовую трубу и попадает в колонну НКТ.

В погружных винтовых насосах поршеньково-золотниковый клапан является одним из ответственных элементов и выполняет следующие функции:

—при спуске погружного агрегата в скважину сообщает затрубное пространство с колонной НКТ (переток жидкости из затрубного пространства в колонну НКТ через насос невозможен);

—при подъеме погружного агрегата из скважины сообщает полость НКТ с затрубным пространством с возможностью слива жидкости из НКТ;

—при откачке жидкости с большим содержанием свободногогаза или при недостаточном притоке из пласта сбрасывает часть продукции с выкида в затрубное пространство; при нормальной подаче сброс жидкости прекращается;

— при непредвиденном повышении давления на выкиде насоса, например, за счет закрытия задвижки на устье, клапан срабатывает и сбрасывает жидкость в затрубное пространство (винтовой насос является объемным насосом, поэтому не может работать в режиме закрытой задвижки на нагнетательной линии);

— исключает работу насоса в режиме сухого трения ротора в статоре, предотвращая поломку насоса;

— предотвращает снижение динамического уровня до приемной сетки верхнего насоса, сбрасывая часть жидкости с выкида в затрубное пространство; при этом подача установки снижается, срабатывает защита в станции управления, и установка отключается. После восстановления нормального динамического уровня, клапан закрывает спускной канал, и установка переходит в нормальный режим работы с расчетной подачей.

При неправильном подборе установки винтового насоса к условиям скважины, когда приток из пласта меньше расчетной подачи установки, погружной насос будет работать в режиме периодического сброса части жидкости из НКТ в затрубное пространство через открытый поршеньково-золотниковым клапаном спускной канал, что, в конечном счете, приведет к отключению установки защитой станции управления.

Таким образом, поршеньково-золотниковый клапан многофункционального назначения ответственен за надежную, длительную и безаварийную работу погружного насоса и всей установки в целом.

Шламовая труба предназначена для улавливания твердых частиц, которые могут появляться в колонне НКТ (окалина, стеклянная крошка или кусочки эмали при использовании остеклованных или эмалированных труб), и предотвращения их попадания в насос. В противном случае эти частицы попадают в зазор между ротором и статором, приводя к повреждению статора.

Вал погружного электродвигателя соединяется с валом протектора, который, в свою очередь, соединяется с валом насоса через пусковую муфту. Муфта производит соединение валов только после того, как электродвигатель разовьет число оборотов, соответствующее максимальному крутящему моменту. Для этого в муфте имеются выдвижные эксцентриковые кулачки, входящие в зацепление только при определенной частоте вращения вала ПЭД. Кроме того, пусковая муфта предотвращает вращение вала насоса в направлении, противоположном рабочему.

Эксцентриковые муфты, которых в погружном агрегате четыре (одна соединяет вал протектора с нижним ротором; две — роторы между собой и еще одна установлена на верхнем конце верхнего ротора), позволяют верхнему и нижнему роторам вращаться не только вокруг своей оси, но и по окружности диаметром 2е.

Погружные винтовые насосы предназначены для откачки из скважин жидкостей высокой вязкости. Кроме того, эти насосы, являясь объемными, менее чувствительны к наличию в откачиваемой жидкости свободного газа, чем центробежные насосы, допуская более высокое газосодержание на входе в насос. Наиболее слабым элементом погружного винтового насоса является статор, т.к. при откачке продукции с механическими примесями происходит повреждение поверхности статора; кроме того, статор повреждается при недостаточной его смазке.

Машиностроительная промышленность выпускает винтовые насосы на подачу от 40 до 240 м3/сут, которые показали в определенных эксплуатационных условиях очень хорошие результаты. Эти насосные установки рекомендуются для эксплуатации скважин со следующими условиями:

— вязкость нефти до 20 Пас;

— повышенное содержание свободного газа;

— большие отклонения скважины от вертикали (до 70°).

КПД винтовых насосов достигает 80 %. Отечественные винтовые насосы имеют следующий шифр, например, ЭВНТ5А-100-1000: электрический (Э) винтовой (В) насос (Н), тихоходный (Т), под обсадную колонну 5А, с подачей 100 м3/сут и напором 1000 м.

На рис. 7.3 для примера приведены характеристики насоса ЭВНТ5А-100-1000 при его работе на воде и на жидкости с вязкостью - 140мПа·с. Откачка вязкой жидкости сопровождается снижением утечек жидкости через линии контакта гребня ротора с поверхностью статора, и при одинаковом напоре Н подача жидкости Q возрастает. Характеристики винтового насоса позволяют применять его в определенном диапазоне высот подъема (напора) и подач (аналогично погружному центробежному насосу) при допустимом КПД.