4.5.4. Привод скважинных штанговых винтовых насосов

Как указывалось выше, привод винтовых штанговых насосов может иметь разное исполнение. Наиболее часто используется механический привод с одноступенчатой кпиноременной трансмиссией (рис. 4.132, в). Такой привод имеет минимальную стоимость и массу, а для изменение частоты вращения колонны штанг (для изменения величины подачи винтового насоса) необходимо провести замену шкивов кпиноременной передачи. 

Представленные на рис. 4.132 а и б схемы приводов с зубчатыми редукторами имеют меньшее распространение из-за необходимости соединения тихоходного вала редуктора 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

Конструктивная схема привода с клиноременной трансмиссией и вертикальным расположением вала приводного электродвигателя показана на рисунке 4.133.

На рисунке 4.134 приведена конструктивная схема привода с Двухступенчатой трансмиссией (клиноременная передача + коническая зубчатая передача) и горизонтальным расположением электродвигателя. Данная схема привода обеспечивает большое передаточное отношение, что позволяет использовать быстроходные электродвигатели с малой массой или обеспечивать малые скорости вращения ротора насоса.

Приводы винтовых штанговых насосов с объемными гидродвигателями имеют самый широкий диапазон регулирования частоты вращения колонны штанг и возможность оперативного управления добывными возможностями установки. Однако такой привод является достаточно дорогим и требует высокой квалификации обслуживающего персонала и применения высококачественных рабочих жидкостей, особенно при низких температурах окружающей среды.

4.5.5. Особенности работы и расчета штанг с винтовыми насосами

В установках винтовых штанговых насосов используются насос-ные штанги, которые применяются и в СШНУ. Однако условия ра¬боты штанговой колонны, приводящей во вращение ротор винтового насоса существенно отличаются от условий работы штанг в составе СШНУ. В отличие от СШНУ упругая колонна штанг ВШНУ подвержена действию не только продольных деформаций за счет собственного веса и гидравлической нагрузки, но и деформации кручения.

Угол закручивания верхнего сечения штанговой колонны зависит от крутящего момента, длины колонны штанг, модуля сдвига материала штанг и полярного момента инерции колонны штанг:

 = к ML/GI_p (4.114)

где к - коэффициент, учитывающий отклонение оси скважины от вертикали и трение штанг в центраторах; М - крутящий момент насоса (в нижнем сечении колонны штанг); L - длина колонны штанг; G - модуль сдвига материала штанг, для стали G = 0,8 - 105 МПа; I_p - полярный момент инерции сечения, I_p = d⁴/32; d - диаметр штанг.

Коэффициент трения колонны штанг может достигать значительных величин (до 5-10), однако, если пренебречь влиянием сил трения и принять, что скважина вертикальная, то коэффициент можно считать равным 1.

Верхнее сечение колонны штанг при начале работы ВШНУ претерпевает предварительную деформацию кручения, составляющую 10-30 оборотов (на всю длину колонны штанг) и находится в упругодеформированном состоянии, что обусловливает необходимость оснащения привода ВШНУ тормозным устройством и повышенные требования безопасности при демонтаже установки или при подъеме полированного штока.

Деформация растяжения колонн штанг и НКТ после вывода насоса на рабочий режим учитывается при начальной установке ротора относительно статора при монтаже установки. Расчет деформации колонны НКТ и штанг ведется аналогично расчету для соответствующих элементов СШНУ.

Как уже было сказано, при эксплуатации ВШНУ колонна штанг одновременно испытывает нагрузки от растяжения, кручения и изгиба.

Растягивающие нагрузки складываются отраспределенной нагрузки от силы тяжести колонны Gшт и сосредоточенной (в сечении х = L) нагрузки от осевых сил в рабочих органах насоса Fpo, которые в свою очередь складываются из гидравлической силы от перепада давления в насосе Fp и осевой составляющей силы в зацеплении рабочих органов Fz:

G„m (х)= q gl* *fg ршт /* (4.115)

FPa=Fp+Fv (4.116)

FP =Pg(HSk -10 + (Apmp +Py) (Sk -J) (4.117)

Fz=PSZ2/TirM (4.118)

где q - масса 1 погонного метра штанг; g - ускорение свободного падения; I* - расстояние от точки подвески насоса (x-L) до рассматриваемого сечения х (по вертикали); I - глубина подвески насоса по вертикали; f - площадь сечения штанг; Рщт - плотность материала штанг; Sk - площадь проекции контактных линий рабочих органов {Sk = (0,25d² + 2е²)} - для насосов с однозаходным ротором; Sk = 0.25 (Dk - 3 е )² - для МВН); Δр_тр - потери давления на трение при движении жидкости в кольцевом пространстве; Р - давление насоса, Р = pgH + Δр_тр + ру.

При Н=l Fp = P(Sk-f)

Крутящий момент, передаваемый штангами Мщт, складывается из крутящего момента насоса М, момента трения вращения колонны штанг в центраторах Мтр, и момента внутренних потерь в штангах на искривленных участках скважины Ми:

Мшт(х)=М+Мтр + Ми = kм*М, (4.119)

где kм - коэффициент сопротивления вращению колонны в скважине, зависящий от координаты рассматриваемого сечения и профиля скважины. При расчетах можно принять k м (0)=1,1; гм = 0.5.

Изгибающие нагрузки действуют на искривленных участках профиля скважины, а также в нижней штанге, компенсирующей эксцентриситет рабочих органов.

В зависимости от профиля скважины опасным может являться одно из двух сечений колонны штанг:

верхнее сечение колонны (х = 0), где действуют максимальные растягивающие ар и касательные т напряжения

сечение, расположенное на искривленных участках профиля, где возникают изгибающие напряжения

где Wp - полярный момент сопротивления сечения штанг, W р =  d 3/16; Ешт - модуль упругости материала штанг; R - радиус искривления.

Расчет колонны штанг на статическую прочность может вестись с целью: 1) определения требуемого диаметра d или предела текучести (Т материала штанг; 2) коэффициента запаса прочности в заданных условиях эксплуатации насоса; 3) предельной глубины спуска насоса. Условие статической прочности имеет вид:

где экв - эквивалентные напряжения в сечении штанги; а - суммар-ные нормальные напряжения, = р + и

Допускаемый коэффициент запаса прочности при расчете ко-лонны штанг принимается равным 1,3-1,5.