1.Коническое исполнение двух элементов рабочей пары;
2.Модификация торцового профиля РО;
3.Секционирование РО с различным рабочим объемом секций или модулей.
Что касается первого конструктивного подхода, то при его воплощении возникают технические трудности [11]. Кроме того требуется установка специальной подвески для осевого позиционирования ротора относительно статора с целью обеспечения расчетного натяга в паре.
Второй подход потребует уточненной методики расчета коррекции геометрических параметров в зависимости от перепада давления и свойств газожидкостной смеси.
Вместе с тем, необходимо отметить большие перспективы способов модернизации РО, связанные с изменением номинальной формы сопряженных поверхностей ротора и статора с целью улучшения эксплуатационных характеристик гидромашины. Такие разработки, известные еще с середины прошлого века применительно к насосам с однозаходным ротором, в настоящее время получили свое новое развитие в ОАО «Пермнефтемашремонт» при корригировании многозаходных циклоидальных профилей зубьев РО винтовых забойных двигателей для бурения скважин, что позволило получить выдающиеся результаты в отношении характеристики и КПД гидромашины по сравнению с базовой конструкцией РО, соответствующей типовому зацеплению в паре ротор-статор.
Третий подход с технической точки зрения без проблем осуществляется на современном технологическом оборудовании, но может способствовать увеличению осевого габарита насоса [3].
На рис. 4 представлен продольный разрез простейшего секционного насос-компрессора для использования в ГЖТ. В данной конструкции РО, имеющие общий привод, состоят из нескольких последовательно расположенных модулей с различным рабочим объемом. Это может достигаться несколькими конструктивными приемами [12]:
-изменением шага винтовых поверхностей при сохранении эксцентриситета и заходности (в этом варианте теоретически можно обойтись без дополнительных шарниров);
-изменением числа зубьев при сохранении шагов и диаметра РО;
-изменением эксцентриситета (диаметра) при сохранении числа зубьев (рис. 5);
-изменением комбинации вышеуказанных геометрических параметров.
Длина каждого модуля устанавливается из условия обеспечения равенства числа контактных линий в зацеплении ротор-статор, чем достигается относительно одинаковая долговечность модулей.
Учитывая термодинамически сложный характер сжатия рабочего агента в камерах РО, в рассматриваемой конструкции целесообразно использовать статоры с равномерной толщиной специальной обкладки. Такая конструкция, взятая на вооружение многими отечественными и зарубежными производителями винтовых гидравлических машин, позволит улучшить отвод тепла из рабочих секций, уменьшить деформацию эластомера обкладки статора и повысить давление насоса.
Кроме того, для снижения приводной мощности секционного мультифазного насоса за счет уменьшения работы сжатия (как это используется в компрессорной технике) перспективными являются схемы многоступенчатого сжатия с промежуточным контуром охлаждения [13].
При разработке конструкции предложенной схемы винтового насос-компрессора следует учесть практический опыт французский фирмы PCM, которая выпускает на нефтегазовый рынок погружные винтовые насосы Vulcain. Эта модель отличается применением металлического статора, что позволяет эксплуатировать насос при откачке высоковязких нефтей и газожидкостных смесей при содержании свободного газа на входе до 90 %. Кроме того в роторе этих насосов выполнена модификация формы зуба (как было отмечено выше), что позволяет более равномерно наращивать давление по длине РО [9, 14].
При прочих равных условиях (в данном случае при равенстве диаметральных и осевых размеров винтовых камер, а также размера щели на линии контакта) внутренние межвитковые перепады давления при перекачке газожидкостной смеси будут не одинаковыми (Дрi = var), причем максимальный перепад давления всегда будет возникать на последней контактной линии, отделяющей рабочие камеры от области нагнетания.
Для практической реализации проекта мультифазного одновинтового насоса можно рекомендовать остановиться на схеме РО с использованием внутреннего гидравлического регулятора на базе модификации торцового профиля ротора. Такой насос-компрессор в двух- трехсекционном исполнении РО в диаметральном габарите 250 - 300 мм обеспечит подачу газожидкостной смеси на уровне 1000 м3/сут и давление 10 - 15 МПа.
Сравнение рассматриваемой инновационной конструкции одновинтового насос-компрессора секционного исполнения с известными техническими средствами для перекачки мультифазной продукции показывает, что предлагаемый одновинтовой насос-компрессор отличается относительной простотой (отсутствие кривошипно-шатунного механизма, клапанной системы, синхронизирующих шестерен и др.) и не требует дополнительных эксплуатационных затрат.
Подобный способ многоступенчатой перекачки на основе мультифазной насосной станции, состоящей из последовательно установленных двухвинтовых насосов (с индивидуальным электроприводом каждого), признан одним из рациональных и экономически эффективных технологических решений проблемы транспортирования нефтегазовых смесей [15].
Выводы
Рассмотренные теоретические аспекты рабочего процесса в камерах РО с учетом сжимаемости газожидкостного агента и предложенные конструктивные пути обеспечения равномерного нарастания давления создают предпосылки для разработки одновинтовых мультифазных насос-компрессоров нового поколения с модернизированными РО и улучшенными характеристиками, предназначенных для реализации ГЖТ в нефтегазовой отрасли.
В данной статье не рассматриваются термодинамические особенности рабочего процесса насос-компрессора, а также вопросы выбора эластомера статора, чисел заходов и быстроходности РО, натяга в паре, допускаемого межвиткового перепада давления и степени сжатия в одной ступени для данных условий эксплуатации, типа и мощности привода, что должно стать темой отдельных теоретических и экспериментальных исследований.
Литература
1. Балденко Д.Ф., Бидман М.Г., Калишевский В.Л. и др. Винтовые насосы. М.: Машиностроение, 1982.?1.
2. Белей И.Г., Лопатин Ю.С. Газожидкостные смеси в технологии строительства скважин и газобустерный способ нагнетания смесей газобустерным насосом // Нефть. Газ. Новации. 2017. № 3.?2.
3. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины (в двух томах). М.: ИРЦ «Газпром», 2005 - 2007.?3.
4. Балденко Ф.Д., Дроздов А.Н., Ламбин Д.Н. Характеристики одновинтовых гидромашин на газожидкостной смеси // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2003. № 4.?4.
5. Голдобин Д.А., Коротаев Ю.А., Мялицын Н.Ю., Субботин А.Ю. Новые направления в развитии винтовых мультифазных насосов // Экспозиция Нефть Газ. 2015, № 6.?5.
6. Крючков В.И., Романов Г.В. и др. Водогазовое воздействие на пласт на основе попутного газа как альтернатива заводнению // Интеграл. 2004. №4 - 5.?6.
7. US Patent № 1892217. Gear Mechanism / R.L.J. Moineau; 27.04. 1931.?7.
8. Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение. Пермь: ООО Пресс-Мастер, 2007.?8.
9. US Patent № 7413416 Progressing cavity pump / Bratu C., 30.01.2004.?9.
10. US Patent № 5722820. Progressing cavity pump having less compressive fit near the discharge / A.G. Wild, K.Z. Mirza; 28.05.1996.?10.
11. Авт. свид. № 400689. Героторный винтовой механизм / М.Т. Гусман, Д.Ф. Балденко, А.М. Кочнев, С.С. Никомаров;?11. опубл. 05.11.1970.
12. Патент на полезную модель № 55050 РФ. Устройство для перекачивания газожидкостных смесей при технологических операциях в скважине / Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко; опубл. 12.08.2005.?12.
13. US Patent № 5820354. Cascaded progressing cavity pump system / A.G. Wild., A.G. Mirza., S.L. Chang; 11.08.1996.?13.
14. Пле Л.-Э. Повышение эффективности и ресурса систем винтовых насосов в условиях высокого содержания газа // Инженерная практика. 2017. № 11.?14.
15. Валюхов С.Г., Веселов В.Н., Ходус В.В. Новый подход к технологии транспортирования нефтегазовых смесей с высоким содержанием газа на основе многоступенчатого сжатия винтовыми насосами // Нефтегазовые технологии. 2001. № 2.?15.
16. Электронные ресурсы фирм: ВНИИБТ-Буровой инструмент, Пермнефтемашремонт, Радиус-Сервис, Ливгидромаш, Завод им. Гаджиева, Netzsch, PCM, Weatherford и др.?16.