Автор: Лепеха А. И., Борисова Е. А.

Кандидат технических наук А.И. ЛЕПЕХА, генеральный директор АООТ "Московский экспериментальный завод химического машиностроения" и ЗАО "Новые насосные технологии",

Е.А. БОРИСОВА, эксперт ООО "ФиД" (Фокин и друзья)

Основной рабочий механизм при добыче нефти - насос. С его помощью не только выкачивают черное золото на поверхность земли, но и нагнетают так называемую оборотную воду в нефтеносный пласт для поддержания необходимого давления.

Еще недавно на скважинах в основном (в 60 % случаев) использовали динамические, в частности, центробежные насосы с электроприводом, в которых жидкость перемещалась под действием центробежной силы, возникающей при вращении специального колеса с профильными лопатками. Реже применяли другие агрегаты (объемные), перекачивающие нефть и воду за счет периодического изменения объема рабочей камеры.

Однако прошло время, когда нефть находилась практически на поверхности, и условия ее добычи сейчас значительно ухудшились. Количество поднимаемой на поверхность субстанции (среднесуточный дебит) из каждой скважины стал снижаться, а наличие в ней (субстанции) взвеси твердых частиц достигло 500-1000 мг/л. Кроме того, глубина залегания нефти значительно увеличилась, и у некоторой части скважин появились участки с большой кривизной ствола, что представляет значительные трудности при добыче традиционными агрегатами. И это еще не все. Интенсивное выделение из откачиваемой жидкости растворенного нефтяного газа приводит к нестационарным режимам работы насосов и отложениям солей парафинов в их проточной части.

Перечисленные факторы вызывают экстремальные нагрузки на используемые агрегаты, резко уменьшают продолжительность их надежного функционирования, составляющего при нормальных условиях эксплуатации 5-6 лет. Сейчас, когда количество высокодебитных скважин во всем мире постоянно уменьшается, появилась потребность в менее производительных и не таких громоздких механизмах. И тут свое слово сказали отечественные специалисты.

В конце 80-х годов XX в. на нашем предприятии разработали принци-

стр. 12

пиально новый тип насоса - роторно-вихревой (РВН). Это изобретение можно смело назвать российским ноу-хау. В основе его работы лежит открытый нами эффект гидромеханической резистивности (сопротивляемости), обеспечивающий высокую интенсивность передачи энергии к рабочей жидкости и низкий уровень гидравлических потерь в проточной части машины. Весь агрегат состоит из отдельных роторно-вихревых ступеней или камер, расположенных на одном валу Их количество подбирают в зависимости от конкретной задачи (глубина скважины, требуемый напор на выходе и др.). Что же представляет собой это самостоятельное звено насоса?

На первый взгляд в нем нет ничего особенного - два статора и находящийся между ними ротор. Последний установлен на шпонке и вращается вместе с валом машины, статоры же закреплены неподвижно в корпусе насоса соосно с ротором. Подвод и отвод рабочей жидкости происходит вдоль вала агрегата через всасывающий и нагнетательные каналы, расположенные в роторе.

Если все так просто, тогда в чем же секрет устройства и как проявляется эффект гидромеханической резистивности?

Оказывается, все дело в особенностях конструкции. Подробно мы их рассматривать не будем, скажем лишь о самом главном. Дело в том, что на боковых поверхностях ротора (с обеих сторон) и статоров (с внутренней) сделаны выемки или камеры в виде тора, разрезанного вдоль. Причем если у первого они гладкие, то в статорах имеются поперечные перегородки или лопасти, наклоненные под нужным углом. Жидкость, поступающая через всасывающий канал, попадает в две полукамеры ротора, где разгоняется за счет центробежных сил (с точки зрения физики, она является пространственным вихрем) и в какой-то момент сбрасывается в выемки статоров, а там захватывается лопатками. Здесь ее движение тормозится, после чего жидкость возвращается в камеры ротора с гораздо меньшей скоростью. И так происходит несколько раз. При этом часть кинетической энергии движущейся субстанции преобразуется в давление, и при достижении определенного его уровня выбрасывается в следующую ступень насоса и т.д.

Иными словами, процесс сжатия в роторно-вихревом агрегате идет интенсивно за счет многократного разгона-торможения жидкости, и напор, создаваемый одной его ступенью, в 6-10 раз превышает тот, который образует центробежный насос при равном наружном диаметре. По своему типу новый агрегат занимает промежуточное положение между насосами динамического и объемного действия, удачно сочетая лучшие свойства каждого из них.

Чтобы более полно оценить преимущества нашего изобретения, приведем краткие сравнительные характеристики роторно-вихревого (РВН 5-50-1400) и центробежного (ЭЦН 5-50-1400) насосов. Для обеспечения напора жидкости 1400 м при подъеме на поверхность земли с глубины 1100-2000 м с суточной подачей 50 м ³ можно использовать оба типа, причем с одинаковыми внешними параметрами ступеней - наружный диаметр 92 мм. Однако на этом и кончается сходство. Судите сами. В первом случае необходимо 46 рабочих ступеней, во втором - 273; длина РВН - 2,7 м, ЭЦН - 8,3, вес соответственно 85 и 270 кг, да и энергозатраты на сжатие и нагнетание жидкости в первом случае на 15-25 % меньше. Мы привели самый краткий перечень сравнительных характеристик, а на самом деле их гораздо больше и все в пользу нашего детища.

На базе новой технологии на нашем предприятии разработали семейство агрегатов различного назначения. Одним из основных является бесштанговая роторно-вихревая насосная установка (УРВН) для добычи нефти. В ее состав, кроме насоса, входит погружной электродвигатель с протектором, трансформаторная подстанция, выносное подключающее устройство (пункт управления) и ряд вспомогательных модулей, поставляемых в случае необходимости.

Пока создано 16 модификаций УРВН, обладающих широчайшими возможностями. Среди них можно выбрать и такие, которые качают как минимальное количество нефти в сутки - 10 м ³ , так и максималь-

стр. 13

ное - 40 м ³ при достигаемом напоре до 3000 м и потребляемой мощности до 32 кВт.

Перечисленные установки практически не имеют альтернативы при работе в искривленных и наклонных скважинах, ибо длина насоса у них составляет всего 1,1-3,4 м. Кроме того, они незаменимы для эффективной эксплуатации низкодебитных скважин, а также при повышенном содержании газа и механических примесей в пластовой жидкости. Низкое удельное потребление электроэнергии (экономия по сравнению с традиционными достигает 40%), небольшие затраты на ремонт узлов и механизмов за счет их унификации, а также простоты конструкции и высокой износостойкости деталей, выполненных из соответствующих материалов, дополняют положительные качества наших установок.

Еще одной новинкой, так необходимой нефтяникам, стал горизонтальный роторно-вихревой агрегат АРВНП. Здесь следует сделать небольшое отступление. Дело в том, что когда открывают месторождение нефти, последняя находится под определенным давлением (пластовым), которое способствует ее подъему по скважине и, в конечном счете, обеспечивает добычу. По мере уменьшения количества черного золота давление падает и его нужно каким-то способом постоянно увеличивать. Для этого в пласт с помощью различных установок закачивают воду. До сих пор предпочтение отдавали коллекторным системам или так называемым кустовым насосным станциям, но наш агрегат оказался гораздо более эффективным. В чем секрет?

Помимо того, что АРВНП существенно экономичнее (удельное потребление электроэнергии у них ниже на 20 %), они могут обслуживать не только несколько скважин (до 10), но даже одну, что для других систем просто не реализуемо. И еще. Благодаря тому, что детали его проточной части выполнены из высокохромистых чугунов, кольца для двухопорной подвески роторов и опорные диски пяты - из реакционноспеченного карбида кремния, а втулки радиальных и осевых опор вала - из оксида алюминия, он способен перекачивать "вредные" жидкости с содержанием свободного газа до 60%, а песка - 1 г/л. Причем их кинематическая вязкость может достигать 10-20 мм ² /с, температура - 90 ^о С.

Приведем характеристики, делающие наши установки в ряде случаев просто незаменимыми. Упоминавшиеся кустовые рабочие станции рассчитаны на очень большой объем работ - от 180 м ³ /ч и выше, в то время как сейчас более востребованы устройства, обеспечивающие перекачивание жидкости всего от 10 до 120 м ³ /ч. Именно таковыми снабжаем промышленность пока только мы. Более того, конструктивные особенности установок позволяют создавать передвижные варианты, обеспечивающие мобильность. На сегодняшний день это единственный пример использования таких агрегатов в мировой практике.

И еще. С развитием средних и малых предприятий, расширением дачного строительства резко вырос спрос на насосы коммунального и бытового назначения для извлечения из-под земли неагрессивной технической и питьевой воды. Для этого мы разработали погружные роторно-вихревые насосные агрегаты РВНВ. Они затрачивают электроэнергии на 15-20% меньше ранее применяемых центробежных аналогов, хотя обеспечивают напор жидкости в 2-3 раза больше. Да и масса установки снижена на 50-70%, и стоит она дешевле.

В свою очередь, новая насосная техника предъявляет специфические требования к питающим ее устройствам, поскольку подавляющее большинство отечественных электроприводов переменного тока "разгоняют" ротор не выше 3000 об/мин. Мало того, они очень громоздки, малонадежны, неэкономичны, дороги. Поэтому нам пришлось думать об улучшении электромеханизмов. В результате был создан унифицированный электропривод (ПЭДПС) и преобразователь частоты, обеспечивающий скорость вращения ротора до 9000 об/мин и возможность плавного ее изменения. Поскольку в этом преобразователе нет трансформаторов и дросселей, то все устройство очень несложно и надежно в эксплуатации. Этому также способствует его компактность (объем управляющей части - не более 150 м ³ , а масса - около 100 г) и очень высокий кпд - 95.

В заключение следует сказать: выявленный нами эффект гидромеханической резистивности открывает широкие возможности для разработки турбин, компрессоров, пневмоинструмента нового поколения. А пока созданные на базе этого эффекта роторно-вихревые насосы различного назначения мощностью до 500 кВт не имеют себе равных как на отечественном, так и зарубежных рынках ни по рабочим характеристикам, ни по срокам службы, ни по стоимости. Свидетельством признания их достоинств является бронзовая медаль, которой они удостоены в 1993 г. на Брюссельской международной выставке "Эврика", Диплом и серебряная медаль, полученные на Первом международном салоне инноваций и инвестиций, проходившем в 2001 г. в Москве, а также Диплом и золотая медаль Торгово-промышленной палаты Российской Федерации. На наши разработки получено 10 патентов РФ.

Записал А.К. МАЛЬЦЕВ

Permanent link to this publication: