Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор исследований в области совершенствования и повышения надежности погружных винтовых насосов 9
1.1.Преимущества погружного винтового электронаса 9
1.2.Современные конструкции погружных винтовых насосов 12
1.2.1.Штанговые винтовые насосы 13
1.2.2. Погружные винтовые электронасосы 16
1.2.3.Погружные винтовые насосы с гидравлическим приводом 20
1.3 .Анализ причин отказов погружных винтовых насосов 20
1.3.1.Влияние геометрических параметров ротора и статора на техническую характеристику одновинтовых насосов 20
1.3.2.Основные факторы, определяющие долговечность винтовых насосов 22
1.4.Возможные способы понижения частоты вращение ротора погружного винтового электронасоса 29
1.4.1 .Понижение частоты электропитания 29
1.4.2.Увеличение числа полюсов электродвигателя 29
1.4.3 .Применение редуктора 29
1.5.Выводы и задача исследования 30
2. Оптимизация вариантов редукторов для погружных винтовых насосов 32
2.1.Определение основных технических характеристик редукторов для погружных винтовых электронасосов 32
2.1.1.Мощность привода редуктора 32
2.1.2.Частота вращения и крутящий момент выходного вала редуктора 33
2.1.3. Частота вращения и крутящий момент входного вала редуктора 37
2.1 АПередаточное отношение редуктора 37
2.1.5.Диаметр редуктора з
2.2.Выбор модификаций планетарных передач редукторов для погружных винтовых электронасосов 40
2.2.1 .Модификации и особенности планетарных передач 40
2.2.2.Выбор модификации планетарных передач по КПД 43
2.2.3.Выбор модификации планетарных передач по мощности. Выбор модификации планетарных передач по мощности 44
2.3.Выбор насосов и гидромоторов для гидросистемы 53
2.3.1.Требование к гидроредуктору для погружных винтовых электро насосов 53
2.3.2.Схема гидросистемы редуктора 55
2.3.3.Определение номинальных параметров гидросистемы редуктора 56
2.3.4.Выбор типов насоса и гидромотора 58
2.3.5.Выбор типа рабочей жидкости 63
2.4.Выводы 63
3. Проектирование и исследовании конструкции гидроредуктора для погружных винтовых электронасосов 64
3.1.Разработка конструкции редуктора для погружных винтовых электронасосов 64
3.2.Проектирование конструкции насоса 66
3.2.1.Принцип работы шестеренного насоса 66
3.2.2. Определение конструкционных параметров насоса 69
3.2.3.Структурная конструкция насоса 88
3.3.Конструкция радиально-поршневых гидромоторов 91
3.3.1 .Принцип работы радиально-поршневых гидромоторов 91
3.3.2. Определение конструкционных параметров гидрамотора 98
3.3.3.Структурная конструкция гидрамотора 99
3.4.Конструкция агрегата фильтра - клапана безопасности и гибкого соединения 108
3.5.Выводы НО
4. Расчёт гидравлической характеристики и КПД гидроредуктора дляпогружного винтового насоса 112
4.1 .Основная теория гидродинамики 112
4.1.1.Термины и определения 112
4.1.2.Изотермический и адиабатический модули объемной упругости жидкости 118
4.1.3 . Факторы, влияющие на модуль упругости жидкости 121
4.2.Характеристики потока жидкости в трубопроводах 124
4.2.1.Потери давления в трубопроводах 124
4.2.2.Местная потеря давления 126
4.3.Течение между параллельными пластинками ц = var 128
4.4.Расчёт КПД гидроредуктора 132
4.4.1.Объёмный КПД 132
4.4.2.Гидровлический КПД 134
4.4.3.Механической КПД 135
4.4.4.0бщий КПД 135
4.5.Выводы 136
Основные результаты и выводы 138
Список использованных источников 139
- Погружные винтовые электронасосы
- Частота вращения и крутящий момент входного вала редуктора
- Определение конструкционных параметров насоса
- Факторы, влияющие на модуль упругости жидкости
Погружные винтовые электронасосы
Оборудование для эксплуатации скважины соответствующим способом имеет свою рациональную область применения. Границы этой области определяют на основе, прежде всего, экономической эффективности данного способа эксплуатации и оборудования для эксплуатации конкретной скважины, с учетом технической возможностей способа эксплуатации и влияния на эффективность глубин скважин, диаметров эксплуатационных колонн, геометрических особенностей ствола скважин, дебитов, состава пластовой жидкости или газа.
Большое число факторов, влияющих на эффективность применения того или иного способа эксплуатации и соответствующего оборудования, делают весьма сложным, а по ряду причин иногда практически невозможным определить четкие границы областей их применения. Поэтому на практике границы этих областей перекрываются. На области применения оборудования для эксплуатации скважин влияют также освоенность производства данного оборудования, климатические особенности региона, навыки обслуживающего промыслового персонала и уровень его квалификации, общий технический уровень и организация производства в отрасли.
Существенным недостатком центробежных насосов является его низкая эффективность при работе в скважинах с дебитами ниже 60 м3/сут. С другой стороны, они невозможно эксплуатируются в скважинах с повышенной вязкостью нефтяной составляющей, высоким содержанием механических примесей и повышенным содержанием свободного газа в месте забора пластовой жидкости.
Схема одновинтового насоса, впервые предложенная французским инженером Рэпе И. Л. Муано, выгодно отличалась от схем других насосов простотой конструкции, принципом действия, дешевизной изготовления и рядом других особенностей при добычи нефти высокой вязкости не более 5000 мпа.с, большого газо-нефтяного отношения не более 700 м /т и с содержанием механических примесей не более 2,5 %. [4,13,16]
Одновинтовые насосы имеют все положительные качества насосов объемного типа: высокие давления, весьма малое перемешивание перекачиваемой жидкости и большую высоту всасывания. Кроме того, они обладают и рядом следующих дополнительных преимуществ, выгодно отличающих их от плунжерных и поршневых насосов: минимумом движущихся деталей (всего один винт), отсутствием клапанов (следовательно, и клапанных коробок) и сложных проходов, вследствие чего существенно снижаются гидравлические потери. Благодаря равномерной подаче жидкости одновинтовыми насосами инерционные усилия в них практически отсутствуют и поэтому улучшаются условия всасывания.
При работе на загрязненных жидкостях и растворах с включением абразивных материалов одновинтовые насосы, у которых в местах уплотнений между обоймой и винтом имеется скольжение с качением, более надежны, чем другие насосы объемного типа, в том числе и роторные.
Весьма существенным являются также меньшие размеры и веса одновинтовых насосов по сравнению с насосами объемного типа.
Применяемые одновинтовые насосы производительностью 3 500 м3/сут малогабаритны, просты в изготовлении и эксплуатации и более экономичны по сравнению с другими насосами объемного типа, работающими в одинаковых условиях. В 1991 году исследования, проведенные американские фирмы «Amoco» показаны, что одновинтовые насосы можно применять на позднем этапе разработке месторождения, а также что, они более экономичны.[33,34]
Опыт отечественных и ведущих зарубежных фирм, занимающихся проблемами принудительной (механизированной) добычи нефти показывает, что использование в этих целях винтовых насосов типа погружных винтовых электронасосов дает целый ряд преимуществ по сравнению с традиционными установками "качалками", центробежными погружными насосами и др., в особенности, в неосвоенных районах со сложной реологией (труднодоступным залеганием) нефти. Особенно эффективно применение УЭВН при эксплуатации на выработанных скважинах или скважинах с вязкостью пластовых жидкостей более 80сСт. [7,29,57,78,93]
Установка насосная винтовая скважинная предназначена для принудительной добычи нефти из скважин. Винтовой насос обеспечивает добычу жидкости различных качеств: от наименьшей вязкости до наибольшей (тяжелая нефть), от чистой нефти до нефти, загрязненной абразивными материалами, имеющимися в скважинах. Винтовой насос не реагирует на высокие значения газового фактора, успешно перекачивает двухфазные (нефть-газ) системы. Температура перекачиваемой жидкости до 90С.
Частота вращения и крутящий момент входного вала редуктора
Затраты на эксплуатацию таких скважин в нефтедобывающей промышленности крупнейших высокоразвитых стран составляют одну из основных статей расхода. В то же время условия эксплуатации нефтяных скважин продолжают усложняться. Этим объяснятся большой интерес, проявляемый нефтяниками к непрерывному совершенствованию существующих способов эксплуатации скважин и созданию новых, более совершенных. [75,81,103,104,111]
Необходимость новых технологических решений в эксплуатации скважин с осложненной продукцией. В первую очередь это относится к скважинам, дающим высокопарафинистую и высоковязкую нефть, а также к скважинам, продукция которых содержит песок.
Таким образом, к погружному винтовому насосу предъявляется много весьма серьезных требований: 1)передачи на забои глубоких скважин нормальных и уменьшенных диаметров весьма больших количеств энергии для привода мощных высокопроизводительных насосов с подачами, измеряемыми сотнями кубических метров жидкости в сутки; 2)гибкость, обеспечивающая простое и плавное изменение характеристиками скважин; 3)способность обеспечить оптимальные условия эксплуатации скважин в различных сложных местных условиях и при осложненной продукции их; 4)высокая надежность и долговечность оборудования, обеспечивающие многомесячные межремонтные периоды непрерывной эксплуатации скважин, и большой срок службы его; 5)возможность создания с их помощью совершенных технологических процессов эксплуатации скважин, обеспечивающих высокую производительность и облегчающих труд обеспечивающего персонала, а также достижение максимального коэффициента эксплуатации скважин; 6)Допускающие значения объемного и общего к. п. д. установок, особенно при эксплуатации глубоких скважин, требующих расходования большего количества энергии; 7)минимальные металлоемкость и стоимость оборудования установок; 8)простота автоматизации и снижение расходов на обслуживание и ремонт, способствующие снижению эксплуатационных расходов.
Одновинтовые насосы для добычи нефти значительно сложнее насосов, рассмотренных выше. Это объясняется тяжелыми условиями их эксплуатации, большими напорами, содержанием газа и механических примесей в откачиваемой жидкости, повышенной температурой и т. д. несмотря на это он представляет один из наиболее интересных объемных насосов с электроприводом для добычи нефти. Он имеет преимущества объемных насосов—относительно высокую эффективность при малых подачах жидкости, уменьшенное перемешивание жидкости по сравнению с центробежным насосом, наименьшее число движущихся деталей и отличается простотой изготовления рабочих органов насоса. Его основные недостатки—вращение вала по окружности с радиусом, равным эксцентриситету, приводит к необходимости введения в конструкцию сложных и ненадежных муфт и отражается на работе уплотнения вала у электродвигателя; изменение размеров резины обоймы в процессе работы насоса, что приводит к изменению зазора или натяга у вала; пригорание резины при значительном содержании газа в откачиваемой жидкости.
Винтовой насос подвешивается в скважине на насосно-компрессорых трубах вместе с протектором, электродвигателем и токоподводящим кабелем. Все элементы электропривода у одновинтового насоса такие же, как и у глубинного центробежного насоса. Система погружных винтовых электронасосов с гидроредуктором состоит из погружной электродвигателя, протектора, редуктора, винтового насоса и специальной кабеля, прикрепленного к колонне НКТ хомутами. Благодаря опусканию всей установки в скважине, например, расположенном 7" обсадной трубой, диаметр редуктора должен быть не выше 140мм, а длина редуктора не ограничиваема. Таким образом, все аппараты должны сериесно расположить.
Данный гидроредуктор имеет шестеренный насос, радиально-поршеневый гидромотор, масляный резервуар и другие вспомогательные.
Базируя предыдущие описание о требовании к гидроредуктору для погружных винтовых электронасосов, сейчас начинаемся определить схемы гидросистемы.
Передаточное отношение гидроредуктора с объемной гидропередачей зависит от объемных подач насоса и гидромотора. Поскольку установлению гидромотора в скважине, регулирования подач насоса или гидромотора совсем будет сложны. Применив насоса и гидромотора с постоянной подачей, можем облегчать конструкции редуктора, понижать стоимость производства, уменьшать интенсивность отказов и потери энергии.
Условия работа гидроредуктора вынуждает применить только замкнутую цепь в его гидросистеме. Объемный регулированный вид гидросистем обычно использует замкнутую цепь. Его преимущество выражается в хорошей способностей противозагрязнение, меньшем потерей на трубопроводе и высоким к. п. д. недостаток в плохом отводе теплоты.
Винтовой насос может эксплуатироваться в скважинах с повышенной вязкостью нефтяной составляющей, высоким содержанием механических примесей и повышенным содержанием свободного газа в месте забора пластовой жидкости. Таким образом, при спуске нагрузка насоса возможно перегружает, и рабочее давление гидроредуктора повыше нормального. Надо поставить предохранительный клапан в цепе гидросистемы, в целях охраняет гидроэлементы от отказа.
Для насоса или гидромотора есть требование чистоты масла, обязательно поставит фильтр в гидроцепе, в целях обеспечит степень фильтрации. При работе гидросистемы обязательно бывает утечка масло, должны поставить компенсационную установку в гидроцепе, в целях обеспечивает достаточный объем рабочих жидкостей и смазывание деталей. Данная схема гидросистемы редуктора показываем в рис. 2.1. Эта система состоят из насоса, гидромотора, предохранительного клапана, фильтра, аккумулятора и трубопроводов.
Определение конструкционных параметров насоса
Пределы усталости шестерни стНПт и стПт являются предельным напряжением к шестерню некоторого вида материала зуба поддерживает не без работы, после действия продолженного долгосрочных повторных нагрузок. Главные факторы влияние на аны и aFVm включают: материальный ингредиент, механические характеристики, техника обработки жары и глубина затвердевшего слоя, затверделый градиент, остаточное напряжение, очищенность и недостаток материала и так далее. jmim и тліт можно получить эксплуатационным испытанием нагрузки шестерни или статистическими данными опыты. Когда не имеет эти данные, можем выбрать из рис. 3.6 15, согласно материальной категорию и твердостью на поверхности зубьев. В рисунках значением аШт и сгліт являются пределы усталости контактной интенсивности и прочности на изгиб при вероятности отказа зуба колеса на 1%. В рисунках аНУт и тЛіт, произведено 4 линии представляет материальные качества (ML, MQ, ME, MX), значения следующим образом: ML—представляет линию предела усталости когда качества материала и обработки жары достигает самый низкий запрос; MQ—представляет линию предела усталости когда качества материала и обработки жары достигает средний запрос, который опытному индустрию изготовления шестерни можно достигать по разумной стоимости производства; ME—представляет линию предела усталости когда качества материала и обработки жары достигает очень высокий запрос, который можно достигать только в условиях наличия высокого уровня управляемой способности для процесса изготовления; MX—представляет линию предела усталости улучшенной легированной стали, которая имеет специальный запрос для закаливаемости и тонкой структуры;
Просачивание для шестерёночного насоса главным образом будет на поверхности конца, приблизительно составляет70% 80% полной утечки, также существует небалансное усилие на радиальном направлении, поэтому давление не легко увеличит. Для шестерёночного насоса с высоким давлением главным образом были цели на вышеуказанном вопросе для того чтобы принять некоторые мероприятия, например, уменьшает насколько возможно небалансное усилие на радиальном направлении и увеличивает жёсткость вала и подшипника, к зазору поверхности конца на пункте утечки большинства, использует автокомпенсационную установку и настолько дальше.[89,94,121]
Когда шестерёночный насос работает, радиальное жидкостное давление действует на шестерни и подшипнике. Как показаны в рис. 3.17, правый борт насоса составляет всасывающую полость, левый выхлопную, вдоль масла просачивания действует давление по-разному размера, это именно небалансное усилие на радиальном направлении. Когда давление более высоко, это небалансное усилие более, Оно не только ускоряет стертости подшипника, уменьшит жизнь подшипника, и даже причиняет искажение вала, создает добавление и трение между вершиной зуба и внутренней стеной тела насоса. Чтобы разрешить эту проблему, в некоторых шестерёночных насосах, использует прорез баланса давления исключить небалансное усилие на радиальном направлении, но это будет причинить увеличение утечки, уменьшение объемного КПД. Наш конструированный шестерёночный насос тогда пользует уменьшение выхлопной полости, чтобы уменьшать небалансное усилие на радиальном направлении через уменьшение зоны влияния гидравлическим давлением к вершине зуба.
Вариант с плавающей втулкой вала (Рис. 3.18(a)), введет масло давления выхода на полость А вне плавающей втулки вала колеса, под функцией жидкостного давления причиняет втулку вала придерживаться за профильную плоскость шестерни 3. Таким образом, смогли исключить зазор и компенсировать износ между профильной плоскостью шестерни и втулкой вала. Когда насосы старт, гарантия уплотнения осевого зазора зависит от предстяжной силы пружиной 4.
Вариант с плавающим бортовым бортом (Рис. 3.18(b)), введет масло давления выхода на обратную сторону плавающего бортового борта, причиняет его придерживаться за профильную плоскость шестерни 3. Когда насосы старт, предстяжной силы зависит от уплотнительного кольца.
Вариант с изгибающимся бортовым бортом (Рис. 3.18(c)), введет масло давления выхода на обратную сторону бортового борта, под деформацией профильной плоскости компенсирует зазор поверхности конца. Толщина профильной плоскости относительно тонка, Этот вид структуры легко для того чтобы причинить распределение давления на наружной профильной плоскости бортового борта приспособиться на целом распределение давления на профильной плоскости шестерни.
Мы планируем использовать вариант с плавающей втулкой вала для того чтобы уменьшать утечку на торцевой поверхности шестерни.
Радиально-поршневые гидромоторы различают прежде всего по числу рабочих ходов за один оборот выходного вала (многоходовые и одноходовые гидромоторы) и по относительному расположению профилированной направляющей (внешняя и внутренняя). Четыре схемы, соответствующие разным сочетаниям этих признаков, показаны на рис. 3.19, а—г. Во всех случаях рабочие камеры гидромоторов образованы радиальными расточками, выполненными в блоке цилиндров 1. Замыкателями рабочих камер являются поршни 2, взаимодействующие с направляющей 3. В гидромоторах многократного действия рабочие поверхности направляющих как в случае внешнего (см. рис. 3.19, а), так и в случае внутреннего (см. рис. 3.19, б) их расположения образуются определенным образом спрофилированными участками. Направляющие гидромоторов однократного действия, как правило, выполняются в виде цилиндров, расположенных эксцентрично относительно оси блока цилиндров. При внешнем расположении (см. рис. 3.19, в) такая направляющая имеет форму кольца, а при внутреннем (см. рис. 3.19, г) — эксцентрика, связанного с валом гидромотора.
В гидромоторах многократного действия взаимодействие поршней 2 с направляющими 3 обычно достигается с помощью катков 4. В гидромоторах однократного действия с внутренним эксцентриком используются скользящие опорные башмаки, связанные с поршнем с помощью шатунов. Такой кривошипно-шатунный механизм показан на рис. 3.19, г. В радиально-поршневых гидромоторах однократного действия для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного звена используют также кривошипно-кулисные механизмы.
Факторы, влияющие на модуль упругости жидкости
Потеря объема гидравлического элемента возникнет от утечки, отнесен к герметичности элементов, давлению деятельности и вяскости работой жидкости. В том чисе герметичность элементов отнесена к степени и форме герметизации, ситуацию изнашивания поверхпости уплотнения, вяскость работой жидкости отнесена к компоненту и температуре, давление деятельности отнесен к нагрузке системы. Относительно некоторой гидровлической системы, степень герметизации и компонент работой жидкости определены. Относительно некоторой скважины, температура пласта и условие радиации решили то, что температура гидравлической масла определена.
Практическая мощность и перепад работого давленияи пре разных напоров винтового насоса расположение винтового насоса, м 1000 1500 1940 2000 практическая мощность, кВт 11,3 17,0 22 22,7 перепад работого давленияи, МПа 17,5 26,2 31,5 34,9
Модем вычислить значения потери давления в каждой части гидровлической система с формулами вычитанными потери давления в трубопроводах и местный потеря давления. Можем знать от вычисленного результата, общяя потеря давления Арг =0.108Мра, в том числе потеря давления в трубопроводах занята 8,5%, местная потеря давления 91,5%, самая большая местная потеря давления на месте фильтра. После получения общой потери давления гидровлической системы, сможем высчитать гидровлический КПД гидросистема. От вычисленного результата знаем, что потеря давления к КПД нет очень большого влияния.
Механической КПД гидросистемы связан с обработанным качеством, ситуацией изнашивания, обычно определяют экспериментами. Механические КПД шестеренного насоса, гидромотора, гибкого соединения обычно равны 95%, 95% и 99%, поэтому общий механической КПД около 89,3%.
Из всего сказанного выше, можем узнать ситуацию потеря энергий гидроредуктора. Самый большой эффект к общему КПД произведутбъ оёмный и механический КПД, поэтому ключ увеличения общий КПД гидроредуктора является уменьшением утечки рабочей жидкости и трения при относительном движении компонентов.
Результаты показанны, что проектируемый гидроредуктор может работать в условиях общего КПД нахотившегося под 80%, сможет удовлетворять цель конструкции и потребность места работа.
Объёмный КПД пропорционален с перепадом работой давления системы, то есть, больше мощность передачи, больше утечка рабочей жидкости. В процессе проектирования надо направить внимание на уменьшение утечки.
В гидросистеме у шестеренного насоса и гидромотора есть ниже механический КПД, общий механической КПД около 88,4%. Потому что механической потери не позволит игнорировать, в процессе проектирования надо уменьшать трение при относительном движением компонентов.
Самый большой эффект к общему КПД произведутбъ оёмный и механический КПД, поэтому ключ увеличения общий КПД гидроредуктора является повышением уплотнения и смазки.
Проектируемый гидроредуктор может работать в условиях общего КПД нахотившегося под 80%), сможет удовлетворять цель конструкции и потребность места работа.
Анализом работы погружных электровинтовых установок для добычи нефти установлена необходимость разработки скважинных редукторов с передаточным отношением от 10 до 30.
Результаты анализа перспективных зубчатых редукторов для понижения частоты вращения от вала погружного электродвигателя к валу винтового насоса показали, что нельзя сконструировать зубчатый редуктор в габаритах скважины с требуемым передаточным отношением, обеспечивающий передачу необходимой мощности винтовому насосу.
Изучение характеристик малогабаритных насосов и гидромоторов объемного действия выявило возможность сконструировать скважинный гидромеханический редуктор по схеме насос-гидромотор, обеспечивающий требуемое передаточное отношение и передачу винтовому насосу необходимой мощности от погружного электродвигателя, на базе эвольвентного шестеренного насоса с внутренним зацеплением и радиально-поршневого гидромотора многократного действия без кривошипа-шатуна.
