Винтовые насосы для добычи нефти и их особенности

Благодаря проведению специалистами экономического анализа нефтяной промышленности стало известным, что рентабельность битумной отрасли будет достигнута только с помощью комплексной добычи и переработки нефтепродуктов. Данный анализ также подтверждает, что в процессе поиска и непосредственной разработки местонахождения природных залежей битума применяемые методы, обусловленные внутрипластовым горением и низкотемпературным окислением недопустимы, так как это снижает качество и соответственно, ценность добываемого сырья. В случае с паротепловым воздействием на обрабатываемые пласты может происходить процесс отбора сырья из скважины, которое еще не подверглось термическому воздействию, что также понижает качество добываемых продуктов. Все эти доводы указывают на то, что существует острая необходимость в изучении и создании технологических средств для максимально эффективной добычи и подъема, для применения более широкого диапазона обработки и увеличения разнообразия создаваемых продуктов (топливо, битум, мазут, масло, разные виды смазки). То есть, не исключить применение паротеплового оборудования, а модернизировать его для того, чтобы минимизировать подъем необработанного пласта сырья.

На сегодняшний день уже достаточно успешно используются винтовые одно- и двухэлементные насосы, которые достаточно хорошо справляются с поставленной задачей. Их конструкция достаточно проста, а технические характеристики являются уникальными, благодаря чему удается с высокой эффективностью эксплуатировать данную технику в процессе добычи нефти. Винтовые глубинные насосы набирают все большую популярность по всему миру, что провоцирует инженеров разрабатывать более совершенные и новые технологии в данной области, так как винтовые устройства очень перспективные.

Погружные винтовые насосы для добычи нефти

Это устройство являет собой механизм, который внутри своей конструкции образует напор нагнетаемой жидкости, давление в которой создается с помощью вытеснения обрабатываемого вещества винтами ротора. Эти винты изготавливаются из металла высокой прочности и вращаются вокруг оси статора определенной формы. Данный тип вакуумного оборудования является разновидностью роторно-зубчатых агрегатов, отличающихся от прототипа меньшим количеством зубьев и большим углом наклона шестеренок. За счет своей популярности, многие производители занимаются изготовлением именно такого типа насосов для нефтяных скважин, что повлекло за собой большой диапазон мощности этого оборудования, который может варьироваться от 0,5 до 1000 м^З в сутки, а также способность создавать давление в пределах 6-30 МПа.

Если заглянуть в прошлое, то история винтовых насосов для откачки жидкостей повышенной вязкости начинается в конце двадцатых годов прошлого столетия. Популярность насоса выросла практически мгновенно и его стали использовать в пищевой, химической, целлюлозной, металлообрабатывающей, текстильной и табачной промышленности. Конструктор, который первым спроектировал устройство винтового насоса является французский инженер Муано, запатентовавший инновационный принцип гидравлической машины, и назвал его «капсулизмом», что полностью вытеснило использование клапанов и золотниковых распределителей.

Впервые, применение винтового насоса на месторождении нефтепродуктов было осуществлено в семидесятых годах. Это была канадская нефтяная станция, где данное оборудование смогло успешно поднять с глубины тяжелую нефть, содержащую большое количество мелкодисперсного песка. После этого мир признал рациональность эксплуатации винтовых насосов и их стали использовать на добыче нефти по всему земному шару. На сегодняшний день, такую установку можно встретить на более чем 45.000 нефтяных скважинах, включая большую половину месторождений нефти на территории России. Вдобавок, немного модифицированные винтовые насосы с успехом добывают угольный метан и самые легкие фракции нефти.

Устройство и принцип действия

Главным элементом, который осуществляет движение жидкости внутри корпуса насоса является спиралеобразный ротор с определенным шагом, в зависимости от мощности агрегата. Данная деталь вращается между раздвоенным статором, у которого также форма спирали, но шаг между витками в два раза больше, чем у ротора. На рисунке ниже под буквой А обозначен ротор, статор находится под буквой Б, а весь насос обозначен – В.

Конструкция винта обладает однозаходным плавно нарезанным шагом, с достаточно большой разницей между отношением размера винта в длину и его глубиной. Внутри насоса расположена обойма, в которую входит винт, и она имеет соизмеримый внутренний проход для винта такой же геометрии, но шаг внутренней поверхности обоймы равняется удвоенному шагу винта агрегата.

В основе принципа действия лежит образование между винтом и обоймой на протяжении всей длины замкнутых полостей, передвигающихся от канала всасывания да отверстия нагнетания, захватывая за собой перекачиваемую жидкость. Начало процесса подкачки осуществляется с синхронизацией имеющихся полостей и области приема устройства. По мере передвижения жидкости к выходу параллельно оси насоса, ее количество нарастает, заполняя при этом все свободное пространство рабочих зазоров до получения полной замкнутости. В области нагнетательного отверстия происходит сообщение объема полостей и пространства для нагнетания, в результате чего объем уменьшается и выталкивает жидкость в отводной трубопровод.

Характеристики стандартного винтового насоса для добычи нефти состоят из следующих показателей:

• Возможность заглубления вертикально в землю до 3 км;
• Номинальное количество выкачанной жидкости достигает 800 м^З в сутки;
• Максимальная вязкость жидкости, которую способен перекачивать винтовой насос может превышать 850 г/см^З;
• Допустимый наклон скважины от центральной оси насоса – 90 м.

Существует несколько разновидностей винтовых насосов, которые имеют разное количество винтов. Наиболее распространенными являются:

• Одновинтовой агрегат;
• Двухвинтовое устройство;
• Трехвинтовой насос;
• Многовинтовой механизм в едином корпусе.

Наиболее часто используемые насосы — это устройство с одним и двумя винтами, которые могут оснащаться электродвигателями, расположенными на поверхности и мотором, погруженным вместе с насосом. Для примера можно рассмотреть наиболее простой механизм винтового насоса, который имеет однозаходное устройство, поперечное сечение которого повторяет правильный круг. На рисунке ниже указаны стадии вращения такого агрегата, где под цифрой 1 показано исходное положение, под цифрой 2 расположение винта под углом 90 градусов, 3 соответствует по расположению на 180 градусов.

После ряда специальных тестов было выявлено, что электродвигатели с малозаходными винтообразными устройствами способные развить большую скорость вращения, не используя высокой скорости передаточных оборотов. В процессе увеличения создаваемого объема ротором, происходит ускорение вращающего момента и понижение частоты оборотов. Это происходит благодаря тому, что механизм винта вместе с многозаходным ротором частично производит работу двигателя и параллельно с этим заменяет устройство типа понижающего редуктора, который имеет пропорциональное количество передаточного вращения вхождения ротора в обойму.

Что касаемо материалов для производства подобных винтов, то основным исходником является хромированная сталь либо сплавы на основе титана, что в большинстве случаев предпочтительней, так как вес титана практически в два раза меньше стали, а прочность намного выше. Благодаря меньшему весу снижается нагрузка на эластомер от воздействия центробежной силой в процессе оборотов винта. Для того чтобы геометрия детали получалась наивысшей точности, обработка винта происходит на специальном токарном станке с насадкой для вихревой нарезки.

Для максимального исключения сопротивления и трения между перекачиваемой жидкостью и поверхностью рабочих органов насоса, на последние наносится твердый слой хрома, после чего данное покрытие полируется специальным устройством, сохраняющим состояние гладкости довольно длительное время.

Штанговый винтовой насос для добычи нефти

Данный тип устройств входит в состав агрегатов объемного принципа работы. В основном их используют для поднятия жидкости с высокой вязкостью с большой глубины, за счет воздействия генерируемого напора, образующегося благодаря специальному механизму внутри штангового винтового насоса.

В состав конструкции штанговых насосов обязательно входят цилиндры, клапаны, плунжеры, разные крепления, переходники и фланцы, штоки, а также приводы для передачи вращательного момента от двигателя к ротору насоса. Большинство маленьких и средних месторождений нефти отлично подходят для установки таких агрегатов в качестве основного инструмента для выкачки сырья. Среди качеств и характеристик подобной техники, наиболее значимыми для пользователя являются следующие нюансы:

• Высокий коэффициент эффективности использования;
• Беспроблемный и легкий ремонт;
• Универсальность в плане подключения разных типов привода, в зависимости от требуемых процессов, глубины скважины и т.д.;
• В некоторых ситуациях такую установку можно монтировать даже на сложных скважинах, где откачиваемая жидкость имеет много механических включений, выделяет большое количество газа либо провоцирует форсированный процесс коррозии.

Стандартным предназначением штанговых винтовых насосов является добыча нефти механизированного типа, при условии, что жидкость имеет большую плотность и вес, увеличенную вязкость и большое содержание абразивных частиц. К преимуществам можно отнести относительно невысокую стоимость самого оборудования, исключения попадания газового концентрата в изолированное пространство насоса.

Установки погружных винтовых электронасосов УЭВН5 для добычи нефти

Данный тип насоса является сдвоенным винтовым агрегатом, рассчитаны на выкачку пластов нефтяной жидкости достаточно высокой вязкости из глубоких скважин, а также жидкостей с невысокой плотностью и большим содержанием газа.

Агрегаты УЭВН5 способны осуществлять перекачку через свой рабочий объем жидкостей с наличием таких характеристик как:

• Максимальный уровень вязкости жидкого вещества не должен превышать 110^-З м^З/см;
• Количественное содержание неактивного газа в области приема агрегата не может составлять более 50% общего объема;
• Вхождение абразивных частиц в обрабатываемую жидкость не должно превышать 0.8 г на литр;
• Максимальная температура нефти под землей в момент всасывания насосом может иметь отметку до 110 градусов;
• Вхождение H2O в откачиваемом веществе – максимум 99%.

В состав данного типа устройства входит три основных элемента: погружной насос, электрический двигатель, имеющий повышенную защиту от влаги, колонна НКТ. Снабжение электричеством погружного винтового насоса УЭВН5 осуществляется с помощью наземного трансформатора и комплектного механизма, которые подключаются к двигателю установки с помощью бронированных кабелей высокой нагрузки и фиксируются специальными зажимами.