Курсовая работа (т): Установки винтовых насосов для добычи нефти

-       снижение затрат на монтажные работы в 5 раз;

-       увеличение нефтеотдачи пласта за счет непрерывного потока нефти в скважину.

Причиной достаточно широкого применения УШВН служат их технико-экономические преимущества по сравнению с другими механизированными способами добычи нефти.

По сравнению со скважинными штанговыми насосными установками (СШНУ):

-  простота конструкции и малая масса привода;
отсутствие необходимости в возведении фундаментов под
привод установки;

-       простота транспортировки, монтажа и обслуживания;

-       широкий диапазон физико-химических свойств откачиваемых пластовых жидкостей (возможность откачки жидкостей высокой вязкости и повышенного газосодержания);

-       уравновешенность привода, постоянство нагрузок, действующих на штанги, равномерность потока жидкости, снижение энергетических затрат и мощности приводного двигателя, минимальное эмульгирующее воздействие на откачиваемую жидкость;

-       отсутствие клапанов в скважинном насосе.

По сравнению с установками подземных электровинтовых насосов (УЭВН):

-  простота конструкции насоса (отсутствуют шарнирные соединения, пусковые муфты, радиальные и осевые подшипники);

-       наземное расположение приводного электродвигателя, что приводит к снижению его стоимости и к отсутствию дорогостоящих гидрозащиты и длинного бронированного кабеля.

1.3.3 Классификация УШВН

В зарубежной и отечественной практике известно большое количество схем и типоразмеров УШВН, которые можно классифицировать следующим образом:

1) По типу привода:

-  с электроприводом;

-       с объемным гидроприводом;

-       приводом от ДВС;

-       с газовым двигателем.

Наибольшее распространение получили установки с асинхронным электроприводом переменного тока с номинальной частотой вращения 1000 об/мин. Мощность электродвигателя в зависимости от подачи и давления насоса изменяется от 3 до 100 кВт и выше.

2) По кинематической схеме привода:

-  с одноступенчатой трансмиссией;

-       с двухступенчатой трансмиссией.

Простейшая схема УШВН, исключающая силовую трансмиссию, к которой двигатель напрямую соединяется с валом приводной головки, на практике не используется, поскольку требуется применение тихоходных двигателей, что неэффективно.

Одноступенчатая схема трансмиссии может быть реализована на базе ременной, цепной или зубчатой передачи.

Двухступенчатая схема (1 ступень - ременная, 2 ступень - зубчатая передача) обеспечивает возможность использования быстроходных приводных двигателей с пониженными массогабаритными параметрами, а так же снижение передаточного отношения первой ступени, что позволяет осуществлять широкое регулирование частоты вращения штанг путем смены шкивов ременной передачи.

В отдельных случаях для упрощения трансмиссии в качестве приводного электродвигателя целесообразно использовать мотор-редуктор.

Наибольшее распространение получили схемы приводов с одноступенчатой ременной трансмиссией.

3) По типу ременной передачи:

-  с клиноременными ремнями;

-       с зубчатыми ремнями.

Наиболее часто применяют обычные многорядные клиноременные передачи.

В некоторых конструкциях используются поликлиновые и зубчатые ремни. Последние обеспечивают передачу высоких крутящих моментов без скольжения, не требуют предварительного натяжения и периодической подтяжки, отличаются компактностью и высоким КПД.

)   По конструкции вала:

-  цельный вал;

-       полый вал.

Компоновка с цельным валом, не требующая использования полированного штока, сложна при регулировке осевого положения ротора насоса относительно статора во время монтажа колонны штанг. В связи с этим, приводной вал, как правило, выполняется полым, что позволяет пропускать внутри него полированный шток и регулировать положение последнего в осевом направлении.

5) По расположению приводного винта:

-  с горизонтальным расположением оси двигателя;

-       с вертикальным расположением оси двигателя.

Вертикальная компоновка двигателя характерна для одноступенчатых ременных трансмиссий, горизонтальная - для приводов с зубчатой конической передачей.

6) По способу регулирования скорости приводного вала УШВН:

-  с регулируемым приводным двигателем (электрическим или гидравлическим);

-       с регулируемым передаточным отношением (за счет смены шкивов ременной и введением вариатора передачи).

Наиболее перспективно использование установок с частотно-регулируемым электроприводом переменного тока, обеспечивающим полный диапазон регулирования скорости (от 0 до 100 %) и возможность поддержания оптимального в заданных условиях режима работы системы пласт-насос-привод. Другая функция регулируемого электропривода - плавный пуск и остановка установки, что повышает надежность ее эксплуатации. Станция управления, регулируемым электроприводом включает систему контроля и регистрации, что позволяет отслеживать режим работы привода и вносить необходимые управляющие воздействия.

)   По кинематическому отношению рабочих органов:

-  с однозаходным ротором (кинематическое отношение 1:2);

-       с многозаходными рабочими органами (кинематическое отношение 2:3, 3:4, 4:5 и т.д.).

Выбор кинематического отношения обуславливается требуемыми эксплуатационными параметрами (диаметр, расход, давление, частота вращения) и технологическими возможностями при производстве.

)   По схеме закрепления статора:

-  трубный (статор закрепляется на резьбе ко конце НКТ);

-       вставной (статор спускается на штангах в сборе с ротором и крепится на НКТ с помощью специального замка).

9) По схеме закрепления низа НКТ:

-  со свободным концом;

-       с заякоренным концом.

10) По кинематической схеме насоса:

-  с вращающимся внутренним элементом (винтом);

-       с вращающимся наружным элементом (обоймой).

Типовая схема с вращающимся винтом - наиболее распространенная, простая и экономичная как в конструктивном плане, так и при монтаже и эксплуатации.

Схема со вращающейся обоймой, в которой поток пластовой жидкости поднимается по внутреннему каналу вращающихся полых колонн штанг или труб, предложена с целью предотвращения отложений парафина на стенки НКТ и снижению гидравлических потерь на трение за счет создания водяного кольца на стенках полых штанг. Такая система является более сложной, требует использования полых штанг увеличенного диаметра и устьевого вертлюга для отвода жидкости из скважины, и не нашла промышленного применения.

.3.4   Привод скважинных штанговых насосных установок

Привод винтовых штанговых насосов может иметь разное исполнение. Наиболее часть используется механический привод с одноступенчатой клиноременной трансмиссией (рисунок 12 в). Такой привод имеет минимальную стоимость и массу, а для изменения частоты вращения колонны штанг (для изменения величины подачи насоса) необходимо произвести замену шкивов клиноременной передачи.

а - с планетарной трансмиссией; б - с зубчатой трансмиссией; в - с клиноременной трансмиссией; - электродвигатель; 2 - планетарный редуктор; 3 - муфтовое соединение вала привода и полированного штока; 4 - корпус уплотнения полированного штока

Рисунок 12 - Схемы приводов винтового штангового насоса

Приводы с зубчатыми редукторами (рисунок 12 а и б) имеют меньшее распространение из-за необходимости соединения тихоходного вала с полированным штоком, что приводит к сложности подгонки длины колонны штанг. Кроме того, изменение частоты вращения привода возможно только за счет изменения скорости вращения вала электродвигателя [4].

        
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВИНТОВОГО НАСОСА

.1      Расчет действующих сил

Для расчета примем одновинтовой насос. Зададимся исходными данными:

-  радиус поперечного сечения винта: 12,5 мм;

-       удельный вес материала винта: 3,9 Н/м3;

-       шаг винта: 24 мм;

-       угловая скорость: 157 об/с;

-       эксцентриситет винта: 13 мм;

-       давление нагнетания: 2 МПа;

-       давления всасывания: 0,6 Мпа;

-       плотность нефти: 950 кг/м3;

-       напор насоса: 1000 м;

-       диаметр поршня: 36 мм;

-       диаметр золотника: 18 мм.

Определим силы, вызывающие трение, винта и регламентирующие положение винта в обойме (рисунок 13). Таких сил две: сила инерции и радиальная гидравлическая сила.

Сила инерции, существование которой обусловлено кинематикой движения винта, на длине шага винта.

Сила инерции, существование которой обусловлено кинематикой движения винта, на длине шага винта:

 (1)

где r - радиус поперечного сечения винта, м;- шаг винта, м;

е - эксцентриситет винта, м;

γ - удельный вес материала винта, Н/м3;

ω0 - угловая скорость перемещения оси винта относительно оси обоймы, с-1;- ускорение силы тяжести, м3/с;

а - коэффициент, учитывающий силу инерции от вращения эксцентриковой муфты и той части тела винта, которая выступает из обоймы.

Радиальная гидравлическая сила, определенная Д.Д. Саввиным:

 (2)

где Pk - межвитковый перепад давления:

 (3)

где Рн - давление нагнетания, МПа;

Рвс - давление всасывания, МПа;- количество шлюзов в каждой нарезке обоймы.

Равнодействующая этих двух сил равна:

 (4)

Суммарная нормальная сила на контактной линии на длине шага винта:

 (5)

Из рисунка 12 видно, что угол φ=500 является углом поворота оси сечения обоймы относительно оси z, a γ = 650 - угол между силами .

Рисунок 13 - Схема действия сил в насосе

Таким образом, устанавливаем, что нормальная сила, прижимающая винт к обойме, является функцией обеих радиальных сил, а также соотношением их значений.

Приведенная нормальная сила с учетом влияния первоначального натяга:

 (6)

где сила Pδ является функцией первоначального натяга, толщины и механических свойств резины рабочей поверхности обоймы и определяется экспериментально.

Деформация внутренней поверхности обоймы происходит в направлении равнодействующей силы PJP, под действием которой винт смещается в обойме. Предположим, что смещение это (ОО1) будет равно m (рисунок 14) изменится и натяг (радиальная деформация резины) на контактной поверхности рабочих органов.

Рисунок 14 - Деформация обоймы

Суммарный натяг представим в виде:

 (7)

С целью создания смазки на контактной поверхности геометрические размеры рабочих органов выбираются таким образом, чтобы обеспечить при работе насоса появление зазора.

Значения зазора определяются:

 (8)

Уравнения (7) и (8) справедливы для всех положений винта в обойме, за исключением момента φ=0±(π/2)n, когда сечение винта занимает крайнее положение в сечении обоймы. Анализ деформации резины в этих сечениях показывает, что образующийся после деформации зазор весьма мал и для практических расчетов им можно пренебречь [8].

Графики изменения зазора и натяга на развертке рабочих органов насоса на длине шага обоймы показаны на рисунке 15.

а - нарезка 1; б - нарезка 2

- первоначальный натяг; 2 - радиальная деформация резины в направлении равнодействующей PJP; 3 - действительное значение зазора с натяга; 4 - усредненные значения зазора; 5 - усредненные значения натяга

Рисунок 15 - Схема развертки контактных линий рабочих органов

Исследование зависимостей (7) и (8) показывает, что ввиду малой амплитуды кривых справедливо, при сохранении постоянства гидравлического радиуса, заменить действительные значения зазора и натяга средними, пользуясь следующими выражениями:

 (9)

где χ - коэффициент,

 (10)

 (11)

 (12)

Длина проекции проточной части контактной линии на ось обоймы на длине шага винта:

 (13)

где t - шаг обоймы, мм.

Длина проекции поверхности трения винта в обойме по длине шага винта:

 (14)

На основании проведенных исследований были сделаны следующие выводы:

1) Одновинтовой насос характеризуется непостоянной ориентацией рабочего 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 [6].

.2      Расчет золотника предохранительного клапана на прочность и устойчивость

Рабочее давление, при котором работает золотник:

 (15)

где ρ - плотность нефти, кг/м3;- ускорение свободного падения, м/с2;- напор создаваемый насосом, м.