Установка погружного винтового насоса УЭВН5-100-1000. Курсовая работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

В данном курсовом проекте рассмотрены геологические условия Восточно-Прибрежной площади, где производится добыча высоковязкой нефти установкой скважинного винто-вого электронасоса. Так же мною было составлено техническое задание на эту установку, описано ее назначение, состав оборудования, описано устройство и работа установки.
Установка погружного многозаходного винтового насоса с приводом от электродвигателя и планетарным редуктором представляет собой оригиналь-ное оборудование для добычи нефти. В России подобная компоновка серийно не производится.
Установка обладает относительной простотой конструкции по сравнению с установками центробежных и гидропоршневых насосов и является компро-миссным решением, заключая в себе большинство преимуществ и лишения множества недостатков. Технические характеристики данной установки позво-ляют эффективно использовать ее при добыче нефти в осложненных условиях эксплуатации.
В проекте произведен обзор технологий, послуживших прообразом но-вых разработок и обосновано применение оригинальной установки для ослож-ненных условий эксплуатации промыслового оборудования.
В расчетной части обоснована возможность создания данной установки, а также рассчитаны основные элементы и параметры скважинного агрегата.
При оценке технического уровня и качества определены основные пока-затели надежности и требования к проектируемому объекту.
В разделе эксплуатации основное внимание уделено технической эксплу-атации с применением прогрессивной системы ППР, предложены графики про-ведения планово-предупредительных ремонтов, определена трудоемкость ре-монтных работ и штат ремонтного персонала. Составлена карта смазки на ос-новные узлы и элементы установки, рассчитана потребность в смазочных ма-териалах и предложена система хранения и использования смазочных матери-алов.
В разделе БЖД описаны вредные и опасные факторы, предложены меро-приятия по снижению влияния этих факторов на окружающую среду и обслу-живающий и эксплуатационный персонал.
В разделе экономика приведен расчет себестоимости ремонтных работ, рассчитан экономический эффект от внедрения новой установки.

2 КРАТКИЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕ-НИЙ В РАССМАТРИВАЕМОЙ ОБЛАСТИ
2.1 Классификация установок винтовых насосов
Установки погружных винтовых насосов классифицируют:
а) по конструкции насоса:
- в зависимости от числа заходов винта:
- однозаходные (i = 1:2);
- многозаходные (i = 2:3, 3:4, 4:5,…);
- в зависимости от числа винтов:
- одновинтовые;
- двухвинтовые;
б) по кинематике рабочих органов:
- неподвижная обойма, вращающийся винт;
- неподвижный винт, вращающаяся обойма;
в) по расположению и типу привода:
- поверхностный привод:
- механический, через колонну штанг;
- гидравлический;
- погружной привод:
- электродвигатель;
- гидравлический винтовой двигатель;
Для выбора прототипа разрабатываемой установки необходимо проана-лизировать ее аналоги в соответствии с представленной выше классификацией.




2.2 Сравнительная характеристика технического совершенства, техноло-гических и эксплуатационных преимуществ
2.2.1 Конструктивные особенности
Винтовой насос представленный на рис. .1 и состоит из ротора (рис. 6 а) в виде простой спирали (винта) с шагом lр и статора (рис. 6 б) в виде двойной спирали с шагом lс, в два раза превышающим шаг ротора, т.е.

На (рис. 6 в) схематично показана часть винтового насоса в сборе. Ос-новными параметрами винтового насоса являются диаметр ротора D, длина шага статора lс и эксцентриситет е. Полости, сформированные между ротором и статором, разделены. При вращении ротора эти полости перемещаются как по радиусу, так и по оси. Перемещение полостей приводит к проталкиванию жидкости снизу вверх, поэтому иногда этот насос называют насосом с переме-щающейся полостью.
Ротор представляет собой однозаходный винт с плавной нарезкой и изго-тавливается из высокопрочной стали с хромированным или иным покрытием против истирания. Статор представляет собой двухзаходную винтовую по-верхность с шагом в два раза большим, чем шаг винта ротора, изготавливается из резины или пластического материала и устанавливается в корпусе насоса. К материалу для статора предъявляются достаточно жесткие требования.
В любом поперечном сечении статора лежит круг, а центры этих кругов лежат на винтовой линии, ось которой является осью вращения ротора. В лю-бом поперечном сечении ротора круговое сечение смещено от оси вращения на расстояние «е», называемое эксцентриситетом.
Поперечные сечения внутренней полости статор, а вдоль оси одинаковы, но повернуты относительно друг друга; через расстояние, равное шагу статора lс, эти сечения совпадают. Сечение внутренней полости статора представляет собой две полуокружности с радиусом, равным радиусу сечения ротора, цен-тры которых (полуокружностей) раздвинуты на расстояние 4е. При вращении ротора он вращается вокруг собственной оси; одновременно сама ось ротора совершает вращательное движение по окружности диаметром 2е (см. рисунок 2.2).
Спиральный гребень ротора по всей его длине находится в непрерывном контакте со статором; при этом между ротором и статором образуется полость, площадь сечения которой равна произведению диаметра ротора D на расстоя-ние 4е, а осевая длина этой полости равна шагу статора lс. Эта полость запол-нена откачиваемой продукцией скважины, и при повороте ротора на один обо-рот продукция перемещается вдоль его оси на расстояние lс.
В настоящее время винтовые насосы выпускаются в однозаходном и мно-гозаходном исполнении.
Наиболее перспективным является применение винтовых насосов с мно-гозаходными рабочими органами. Многозаходные винтовые насосы обладают повышенными значениями критериев эффективности, чем определяются пре-имущества использования насосов с многозаходными рабочими органами по сравнению со стандартными насосами Муано с однозаходным ротором.
Винтовые насосы с многозаходными рабочими органами предназначены для эксплуатации скважин (штанговой и бесштанговой) в широком диапазоне
свойств пластовой жидкости, в том числе нефти высокой вязкости и по-вышенного газосодержания.


Многозаходные насосы имеют существенные конструктивные и эксплуа-тационные преимущества по сравнению с традиционными винтовыми насосами с однозаходным ротором:
- увеличенную (в 2...3 раза) подачу при одинаковой частоте вращения и наружном диаметре насоса;
- уменьшенный осевой габарит (до 3.. .5 раз) при одинаковых давлениях;
- увеличенное давление при одинаковых осевых габаритах;
- высокие значения коэффициента полезного действия (КПД) при пере-качки жидкостей высокой вязкости.
Все перечисленные выше преимущества говорят о том, что применение в разрабатываемой конструкции рабочих органов, выполненных по многоза-ходной схеме, будет наиболее перспективным решением, отвечающим совре-менным требованиям к нефтедобывающему оборудованию.
2.2.2 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 элек-тродвигателем валом с эксцентриковыми муфтами; роторы вращаются в одном направлении, но один из них имеет правое направление спирали, а другой - ле-вое. При этом верхний ротор подает жидкость сверху вниз, а нижний - снизу вверх. Такая схема уравновешивает осевую нагрузку, действующую на рото-ры. Эксцентриковые муфты позволяют роторам вращаться не только вокруг своей оси, но и по окружности диаметром 2е.
Приводы винтового насоса могут быть погружными (например, погруж-ной электрический двигатель — ПЭД) или поверхностными. При использова-нии ПЭД в комплект установки входит автотрансформатор, станция управле-ния со всеми системами автоматики и защиты, устьевая арматура, электриче-ский кабель и погружной агрегат с протектором. Как правило, ПЭД четырех-полосный, маслозаполненный, с гидрозащитой.
Частота вращения вала двигателя примерно 1400 об/мин, поэтому в шифре погружных винтовых установок имеется буква «Т», что означает тихо-ходный. Снижение частоты вращения вала электродвигателя диктуется прин-ципом действия насоса, у которого с увеличением частоты вращения ухудша-ются эксплуатационные характеристики из-за увеличения износа, нагрева и снижения КПД.
Установка спускается в скважину на колонне НКТ. Погружной насос име-ет 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.
1. Одновинтовой насос характеризуется непостоянной ориентацией рабо-чего винта. При работе насоса под действием инерционных и гидравлических сил происходит радиальная деформация упругой обоймы и смещение винта в поперечном направлении.
2. Деформация обоймы предопределяет возникновение зазора с одной стороны, диаметрального сечения винта и натяга между винтом и обоймой с другой, величина и протяженность которых непостоянны.


Все погружные установки ЭВН выполнены по одной конструктивной схеме с двумя рабочими органами, соединенными параллельно (рис. 8).
Преимущество такой сдвоенной схемы расположения рабочих органов заключается в том, что в данном случае при одном и том же поперечном габа-рите достигается удвоенная подача насоса. Другим преимуществом такой схе-мы является то, что здесь рабочие органы взаимно гидравлически уравнове-шены. Это исключает передачу значительных осевых усилий на опорные под-шипники насосов или пяты электродвигателей.
В основном все узлы и детали унифицированы и применяются, за некото-рым исключением, во всех типоразмерах насосов. Все насосы имеют две при-емные сетки, по одной для каждого рабочего органа, и общий выход, благода-ря чему подача насоса равна сумме подач обоих рабочих органов, а напор насоса равен напору каждого рабочего органа.
На основании вышесказанного можно сделать вывод, что двухвинтовой насос не имеет таких неприятных явлений и с точки зрения эксплуатации наиболее удобен.





2.2.3 Установки погружных винтовых насосов с погружным приводом
Наиболее перспективной выглядит разработка российских инженеров ОКБ БН, в которой в качестве привода применен многозаходный винтовой двигатель.
Данная установка имеет следующие преимущества:
1. Она обладает повышенной эксплуатационной надежностью и просто-той конструкции. В связи с отсутствием клапанов и золотниковых устройств имеется возможность использовать техническую воду в качестве рабочей жид-кости для гидродвигателя;
2. Имеется возможность эксплуатации в скважинах со сложным профи-лем;
3. Отсутствие штанг;
4. Простым способом (изменением расхода рабочей жидкости) плавно регулируется частота вращения насоса;
5. По сравнению с винтовыми насосами с приводом от ПЭД отсутствует кабель (один из самых ненадежных компонентов установки).
Агрегат диаметром 85 мм имеет следующие технические характеристики:
- расход жидкости - 2... 10 л/с;
- давление — 3,0 МПа;
- подача насоса - 0,2.. 1,0 л/с;
- развиваемое давление - 10,0 МПа;
- частота вращения - 45...220 мин'1;
- длина агрегата -5м
2.2.4 Установки с погружным механическим приводом
В России первые погружные установки винтового насоса по принципу Муано для добычи нефти были разработаны в ОКБ БН в 60-х годах. Это были одновинтовые насосы с частотой вращения 3000 мин-1 в комплекте с двигате-лями типа ПЭД, применяемые в установках типа УЭЦН.
Однако промысловые испытания показали низкую надежность резиноме-таллической обоймы насосов из-за большой частоты вращения и значительных осевых усилий, возникающих при напоре 1000 м и более.
В 1974 году были разработаны установки с двигателями на частоту вращения 1500 мин-1 при радиальном габарите 123 мм, выпуск которых освоило ПО «Ливгидро-маш».
В 1984 году ПО «Ливгидромаш» выпускает широкий ряд типоразмеров установок погружных винтовых сдвоенных электронасосов УЭВН5 (рисунок 3.7) с подачей от 16 до 200 м3/сутки и напором 900... 1200 м. Преимущество такой сдвоенной схемы расположения рабочих органов заключается в удвое-нии подачи при одном и том же поперечном габарите.

Другим преимуществом такой схемы является то, что в данном случае рабочие органы взаимно гидравлически уравновешены. Это исключает пере-дачу значительных осевых усилий на опорные подшипники насосов или пяты электродвигателей.
Установки типа УЭВН5 выпускаются в модификациях А, Б, В и Г:
А - для жидкости с температурой до 30°С;
Б - для жидкости с температурой от 30 до 50°С;
В - для жидкости с температурой от 50 до 70°С;
Г - для жидкости с температурой от 50 до 70°С или вязкостью до 10-3 м2/с.
Кроме того, установки УЭВН5-25-1000 и УЭВН5-100-1000 выпускаются в модификациях А1 и К:
A1 - для жидкости с вязкостью до 10-3 м2/с (комплектуются двигателем повышенной мощности и отличаются от остальных отсутствием золотникового устройства в насосе).
К - для жидкости с вязкостью до 10-3 м2/с (с узлом-приставкой, в котором пусковая муфта помещена в область чистого масла).
Анализируя вышеописанное, можно сделать вывод о том, что установки погружных винтовых насосов обладают достаточно высокими показателями напора (до 2400 м - с поверхностным приводом и до 1200 м - с приводом от ПЭД) и подачи (до 200 м3/сутки), способны работать в среде повышенной вяз-кости (до 10-3 м /с) и при высоких значениях обводненности (до 99%).
Газовая составляющая в перекачиваемой среде незначительно влияет на работоспособность винтовых насосов, если она не снижает механических ха-рактеристик эластомера. Наличие по крайней мере 60% свободного газа на приеме насоса не вызывает заметного снижения ресурса насосов.
Особенностью всех погружных винтовых насосов с резинометаллически-ми рабочими органами является зависимость параметров насоса от температу-ры перекачиваемой жидкости. Поэтому для жидкостей с различной температу-рой предусмотрены разные исполнения насосов. Например, при температурах выше 50°С рабочие органы выполняются с зазором для компенсации темпера-турных расширений резины и, наоборот, при температуре до 30°С рабочие органы должны быть выполнены с натягом. Для температур 30...50°С натяги в насосах близки к нулю. Натяг или зазор в рабочей паре определяется разно-стью поперечного сечения винта и обоймы. Таким образом, заказывая обору-дование необходимо оговаривать температурное исполнение насоса. При тем-пературах выше 90°С многие сорта резины теряют эластичность, поэтому их применение для перекачки нефти с высокой температурой недопустимо.
На основании проведенного анализа технических решений в рассматри-ваемой области в следствие преимущества сдвоенной системы, я выбираю вин-товой насос.
2.3 Обоснование выбора прототипа установки погружного винтового насоса
На основании выше приведенного наиболее перспективной представляет-ся разработка новой модели погружного многозаходного винтового насоса с приводом от погружного электродвигателя через понижающий планетарный редуктор. Данная схема выгодно отличается сочетанием относительной про-стоты конструкции и высоких эксплуатационных характеристик.
Данная установка способна перекачивать жидкость с содержанием воды до 99%, свободного газа на приеме - до 60%. Содержание механических при-месей при надлежащем подборе материалов и посадок может доходить до 2,5 г/л. Наиболее перспективно применение подобных установок для перекачки высоковязких жидкостей с вязкостью до 600 мм2/с. Поле их подач может ле-жать в пределах от нескольких литров в час до сотен кубометров в час, а поле давлений - от 0,1 до 10 и более МПа. При этом установка обладает сравни-тельно высоким КПД, который составляет 55..60%, что выше, чем у центро-бежных и плунжерных насосов при работе в перечисленных выше условиях.
В качестве прототипа наиболее рационально принять установку погруж-ного винтового насоса УЭВН5-100-1000. Такой выбор обоснован тем, что дан-ная установка обладает рядом положительных качеств:
- унифицированная база запасных частей и комплектующих изделий оте-чественного производства;
- наличие встроенного в насос переливного клапана, обеспечивающего нормальный спуск, подъем и эксплуатацию насоса, таким образом, отпадает необходимость установки таких клапанов в колонне НКТ;
- значительный опыт эксплуатации установок на месторождениях нашей страны;
- относительная простота и дешевизна конструкции по сравнению с зару-бежными аналогами.
Установки выпускают для скважин с минимальным диаметром эксплуата-ционной колонны 121,7 мм, диаметр поперечного сечения погружного агрега-та 117 мм. Основные параметры установки винтового насоса УЭВН5-100-1000 приведены в таблице 2.1:
Таблица 2.1
Подача, м3 /сут 100
Напор, м 1000
Частота вращения насоса, мин-1 200
Двигатель ПЭДБ32-117В5
Длина установки 10823