Pompajul Elicoidal

capitolul 3

pompajul elicoidal

3.1. generalități

Principiul de funcționare al pompelor elicoidale a fost prezentat pentru prima dată în anul 1935 de către Rene Moineau care, în teza de doctorat susținută la Universitatea din Paris, descria invenția sa numită “un nou sistem de pompare”.

Enunțat pe scurt, principiul lui Moineau constă în formarea unor cavități prin introducerea unui rotor a cărui arie exterioară este o suprafață elicoidală simplă, în interiorul unui stator a cărui arie interioară este o suprafață elicoidală dublă. Când rotorul se rotește, cavitățile se deplasează de la un capăt (aspirație) la celălalt (refulare) conducând astfel la o curgere continuă.

În Franța pompele elicoidale se confecționează încă din anul 1936 de către firma EMIP (RODEMIP) și sunt cunoscute sub numele de pompe tip Moineau. Tot din anul 1936 sunt confecționate și în SUA de către firma ROBBINS MEYERS sub denumirea de pompe MOYNO.

Pompele elicoidale au fost și sunt folosite în diferite domenii de activitate, la vehicularea fluidelor cu vâscozitate ridicată.

Varianta constructivă de pompă elicoidală submersibilă folosită la extracția țițeiului din sonde a fost confecționată la câțiva ani după 1936, iar în timp au fost testate diferite metode de acționare a rotorului pompei. O încercare de acționare a rotorului cu ajutorul unui motor de pompă electrocentrifugală submersibilă cu turație mare a avut loc în anul 1966 și s-a considerat nereușită deoarece a condus la avarierea statorului. Cu același rezultat negativ s-a soldat și testarea în anul 1973 a unei pompe elicoidale introdusă la adâncime mare, în vederea extragerii unor țițeiuri cu vâscozitate mică, ceea ce a sugerat, în anul 1977, posibilitatea experimentării acestor pompe la extracția țițeiurilor vâscoase.

În anul 1979 s-a trecut la sistemul actual de acționare al rotorului, prin rotirea prăjinilor de pompare, prima pompă de acest tip fiind experimentată în sondă de către firma HIGHLAND/COROD din Canada.

Îmbunătățirile aduse acestui sistem de extracție au făcut ca acesta să devină, în scurt timp, o alternativă viabilă față de sistemele tradiționale de extracție a țițeiului.

Utilizarea pompelor elicoidale în extracția țițeiului prezintă următoarele avantaje:

necesită investiții mici;

sunt economice la instalare. Datorită compactității instalației costurile de instalare sunt reduse, se elimină fundația necesară unităților de pompare cu balansier, asamblarea instalației făcându-se direct pe flanșa capului de pompare;

instalarea este mai rapidă și mult mai convenabilă decât la unitățile de pompare cu balansier;

siguranță în funcționare. Prin construcția sa, instalația are toate părțile în mișcare protejate, neexistând pericolul accidentărilor;

randamentul mare. Construcția simplă a pompei elicoidale produce o frecare mică în cuplul rotor – stator, ducând la un randament mecanic ridicat. Un cuplu rotor – stator corect ales conduce la un „slipaj” mic al lichidului, respectiv la un randament volumic mare;

pompele elicoidale necesită energie numai pentru ridicarea (liftare) fluidului, nu și a prăjinilor de pompare;

durata mare de funcționare. Sistemul de pompare și construcția instalației asigură o durată mare de funcționare, ajungându-se la o durată de funcționare continuă de doi – trei ani;

nu există pericolul blocării cu gaze. Nu au supape care să se blocheze cu gaze;

deoarece nu se blochează cu gaze, pompele elicoidale sunt ideale pentru eliminarea apei din sondele de extracție a gazelor naturale;

întreținerea simplă. Întreținerea instalației în exploatare este simplă, nefiind necesare procedee complicate sau scule și dispozitive speciale;

perioadă mare de timp între intervenții;

funcționare fără zgomot. Datorită faptului că pompa debitează continuu, sarcina în instalația de suprafață este constantă și prin construcția sa, cu reductor conic, nivelul de zgomot este redus;

sunt eliminate ruperile prăjinilor de pompare cauzate de greutatea lichidului;

tipul de elastomer din care este confecționat statorul poate fi ales la cerere, astfel încât aceasta să fie compatibil cu fluidele produse de sondă;

debitul de acționare facilitează schimbarea vitezei de rotație în funcție de variația debitului produs de sondă (astfel viteza de rotație poate fi aleasă de așa natură, încât debitul pompei să fie egal cu debitul maxim pe care poate să-l producă stratul și care corespunde corelației de funcționare strat – pompă);

debitează continuu și constant, evitând astfel pulsațiile în curgere. Datorită acestui fapt se reduce posibilitatea depunerii parafinei și a solidelor;

vehiculează fluidele cu vâscozități ridicate;

cheltuieli mici pentru întreținere;

consum redus de energie electrică;

uzura mai mică a prăjinilor de pompare și a țevilor de extracție. Prăjinile de extracție sunt supuse la o solicitare constantă, în comparație cu pompajul clasic, unde sunt supuse la solicitări variabile;

pot fi utilizate cu succes la sondele care produc cu debite mici în locul pompajului intermitent. Se asigură astfel o funcționare continuă a sondei și un debit mai mare în cazul pompajului intermitent;

sunt ideale pentru exploatările din zonele urbane, echipamentul de suprafață având dimensiuni mult mai reduse decât cel utilizat în pompajul clasic.

Pe lângă avantajele prezentate mai sus, pompele elicoidale prezintă și câteva dezavantaje cum ar fi:

analiza și controlul funcționării pompei pot fi făcute numai pe baza datelor de producție și a nivelului de lichid din spațiul inelar (dinamometrele și diagramele de pompare nu pot fi utilizate);

trebuie evitată oprirea când vâscozitatea fluidului este mare și aceasta conține un procent mare de nisip;

prăjinile de pompare sunt solicitate atât la tracțiune cât și la torsiune.

3.2. instalația de pompare cu pompe elicoidale

O instalație de pompare, cum este cea prezentată în fig. 3.1, cuprinde echipamentul de fund și echipamentul de suprafață.

Echipamentul de fund se compune din pompa elicoidală submersibilă, țevile de extracție și prăjinile de pompare.

Echipamentul de suprafață cuprinde sistemul de acționare al prăjinilor de pompare, respectiv al rotorului pompei, cuplajul dintre sistemul de acționare și capul de antrenare, capul de antrenare și sistemul de susținere al întregului echipament de fund.

3.2.1. Echipamentul de fund al sondelor echipate cu pompe elicoidale

Pompa elicoidală este cunoscută în literatura de specialitate sub diferite denumiri ca: Moineau, Moyno, cu șurub, cu cavități progresive sau econolift.

Elementele principale ale pompei sunt rotorul și statorul.

Rotorul este confecționat din materiale rezistente la coroziune, cum ar fi oțelul înalt aliat cromat, sau oțel inoxidabil pentru a avea o bună comportare în cazul vehiculării unor fluide abrazive. Pe întreaga lungime a rotorului sunt practicate canale elicoidale (“filet” exterior cu unul sau mai multe începuturi). Când este practicat un singur canal elicoidal, rotorul este o elice simplă (suprafața exterioară a rotorului este o suprafață elicoidală simplă) cu secțiunea transversală circulară și are un singur început. Atunci când sunt practicate două canale elicoidale rotorul este o elice dublă (aria exterioară a rotorului este o suprafață elicoidală dublă) cu secțiunea transversală formată din doi lobi și are două începuturi.

Lungimea rotorului este mai mare decât cea a statorului și poate ajunge până la 6 m. Rotorul se introduce și se fixează în stator cu ajutorul prăjinilor de pompare.

Statorul este confecționat din cauciuc nitrilic sau dintr-un elastomer rezistent la abraziune și coroziune, turnat în interiorul unei țevi de oțel cu perete gros. Țeava de oțel poate fi tratată prin nitrurare atunci când condițiile din sondă impun acest lucru.

Figura 3.1. Schema instalației de pompare cu pompe elicoidale.

Elastomerul cu care este căptușit statorul este format de regulă dintr-o singură bucată. În interior, pe întreaga lungime a statorului sunt practicate canale elicoidale (“filet” interior cu două sau mai multe începuturi).

Deci, condiția obligatorie este ca statorul să aibă un canal în plus față de rotor.

La partea inferioară statorul este prevăzut cu un opritor care are rolul de a poziționa rotorul în stator și de a nu permite căderea rotorului sub pompa în cazul unei defecțiuni. De asemenea, cu ajutorul lui se stabilește fereastra pompei.

Statorul se introduce în sondă cu țevile de extracție.

Marea majoritate a firmelor construiesc pompe elicoidale la care rotorul este prevăzut cu un singur canal elicoidal, deci cu un singur început, iar statorul este prevăzut cu două canale elicoidale, deci cu două începuturi. La aceste pompe lungimea pasului statorului este dublă față de lungimea pasului rotorului (fig. 3.2 și fig. 3.3).

În figura 3.2 este prezentată geometria unui angrenaj elicoidal, o secțiune prin angrenajul elicoidal, precum și elementele caracteristice. Datorită configurației geometrice a elementelor pompei, principiul de funcționare al pompei este relativ simplu.

Astfel, când rotorul este introdus în interiorul statorului, în pompă se formează o serie de cavități identice, separate și etanșe.

Atunci când rotorul se rotește în interiorul statorului, aceste cavități se deplasează de la partea inferioară spre partea superioară a pompei (de la aspirație la refulare), transportând fluidul produs de strat prin pompă și de aici mai departe în sus prin țevi, realizând astfel acțiunea de pompare

Figura 3.2. Secțiune prin pompa elicoidală

A ) PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE A POMPELOR ELICOIDALE

Datorită configurației geometrice a elementelor pompei, principiul de funcționare al pompei este relativ simplu. Astfel, când rotorul este introdus în interiorul statorului, în pompă se formează o serie de cavități identice, separate și etanșe. Atunci când rotorul se rotește în interiorul statorului, aceste cavități se deplasează de la partea inferioară spre partea superioară a pompei (de la aspirație la refulare), transportând fluidul produs de strat prin pompă și de aici mai departe în sus prin țevi, realizând astfel acțiunea de pompare.

Lungimea minimă necesară unei pompe pentru ca aceasta să realizeze acțiunea de pompare este egală cu lungimea unui pas. În acest caz, pompa este cu un singur etaj (treaptă), fiecare pas suplimentar constituind un nou etaj.

O rotație completă a rotorului creează două cavități cu fluid. Când o cavitație se deschide, simultan cavitatea opusă se închide. Aria secțiunii transversale a acestor două cavități alăturate este dată de relația:

în care:

d – reprezintă diametrul rotorului;

e – excentricitatea sau distanța dintre axa rotorului și axa statorului, respectiv distanța dintre axa rotorului și centrul secțiunii circulare prin pompă.

În figura 4.5 este prezentată aria de curgere în funcție de poziția rotorului într-o secțiune a pompei. Se observă și din figură că aria de curgere este constantă, de aici rezultând o curgere nepulsatorie, debitul fiind constant.

Figura 3.3. Aria de curgere în funcție de poziția rotorului

Cilindreea pompei, V, este egală cu:

unde:

p – reprezintă pasul statorului.

La o înălțime de pompare zero (presiune zero) debitul Q este direct proporțional cu cilindreea și cu viteza de rotație n, a rotorului:

Pentru a crea presiune de ridicare, trebuie să existe o presiune diferențială între cavitățile succesive. Pentru a realiza acest lucru este necesară o etanșare cu strângere între rotor și stator. Aceasta este obținută prin executarea diametrului rotorului puțin mai mare decât diametrul minim al statorului. Presiunea diferențială se însumează de la o cavitate la alta, astfel încât înălțimea de pompare este proporțională cu numărul de cavități, respectiv cu numărul de etaje. Pentru a se evita o uzură excesivă a elastomerului, se recomandă ca presiunea diferențială să nu depășească 7 bar/etaj.

Figura 3.4. Crearea cavităților în pompa elicoidală

O pompă cu mai multe etaje realizează presiuni mai mari, respectiv adâncimi mari de pompare și debite mici, în timp ce o pompă de același diametru și de aceiași lungime cu cea inițială, dar cu un număr mai mic de etaje (lungimea pasului mai mare), realizează presiuni mici, respectiv adâncimi mici de pompare și debite mari.

Pompa elicoidală fiind o pompă volumică, presiunea este independentă de viteză, presiuni mari putând fi generate chiar la viteze mici.

Odată cu creșterea presiunii apar pierderi volumice proporționale cu presiunea, iar debitul se reduce corespunzător diagramelor de funcționare prezentate de către firmele constructoare, în funcție de adâncimea de fixare a pompei.

Pierderile volumice depind de:

presiunea creată de pompă (presiunea diferențială dintre cavități);

numărul de etaje;

gradul de comprimare al statorului datorită introducerii rotorului și lucrului acestuia;

vâscozitatea fluidelor vehiculate;

temperatura la nivelul pompei.

B ) SIMBOLIZAREA POMPELOR ELICOIDALE

Simbolizarea pompelor elicoidale diferă de la firmă la firmă, fiecare firmă având propria simbolizare.

Pentru exemplificare, în continuare se vor prezenta simbolizările pompelor elicoidale produse de firmele Robbins Myers și Emip.

Pompele elicoidale produse de firma Robbins Myers sunt simbolizate astfel:

40 – N – 025

cu următoarele semnificații:

40 – înălțimea maximă (recomandată) de pompare x 100 feet,

();

N – debit normal. Pot fi și cu debit micșorat, notate cu L, sau cu debit mărit, notate cu H;

025 – debitul, în barill pe zi, la o turație de 100 rot/min și o presiune de lucru egală cu presiunea atmosferică, fără pierderi volumice.

()

Pompele elicoidale produse de firma Emip sunt simbolizate astfel:

120 TP 2000

cu următoarele semnificații:

120 – debitul, în m3/zi, la o turație de 500 rot/min și o presiune de lucru egală cu presiunea atmosferică;

2000 – înălțimea de pompare, în metri.

c ) performanțele pompelor elicoidale

Performanțele pompelor elicoidale sunt următoarele:

debitul poate varia de la 0,3 la 900 m3/zi;

înălțimea maximă de pompare este 3 000 m;

temperatura de lucru este în domeniul 60 – 120°C, în cazul fluidelor curate (fără impurități solide), respectiv de 40 – 90°C, în cazul fluidelor cu impurități solide;

rația apă – țiței poate ajunge până la 90 – 98%;

procentul de H2S trebuie să fie cuprins între 8 – 20%, în fază gazoasă, respectiv 1 000 ppm în apă;

densitatea fluidelor vehiculate cuprinsă între 815 și 1030 kg/m3;

vâscozitatea fluidelor vehiculate poate fi de maximum 20 Ns/m2, la 40°C (20 000 cP, la 40°C);

Factorii care limitează performanțele pompei sunt:

lungimea maximă a pompei din motive de execuție, atât pentru rotor, cât și pentru stator (până la 6 m);

turația maximă este limitată, datorită solicitărilor care apar în prăjinile de pompare (maxim 500 rot/min);

calitatea elastomerului din care este confecționat statorul pompei.

D ) PRĂJINILE DE POMPARE

Prăjinile de pompare au rolul de a transmite mișcarea de rotație de la capul de antrenare la rotorul pompei. De asemenea, cu ajutorul lor se introduce și se fixează rotorul în stator.

În tabelul 1 sunt prezentate dimensiunile și caracteristicile principale ale prăjinilor de pompare (fig. 3.6,a) și ale mufelor de prăjini (fig. 3.6,b) utilizate la pompajul elicoidal.

Figura 3.5. Prăjină de pompare: a – capul prăjinii, b – mufă

Garnitura de prăjini de pompare poate fi alcătuită din prăjini cu același diametru (garnitură unică) sau din tronsoane de prăjini cu diametru diferit (garnitură combinată).

În România, prăjinile de pompare se execută din trei tipuri de oțeluri, ceea ce satisface cele mai diferite condiții de exploatare la sondele în pompaj. Acestea sunt fabricate în concordanță cu API Spec.11B.

Prăjinile de pompare C – 70 (API Grad C) executate din oțel carbon-mangan sunt recomandate pentru sarcini medii, la sonde cu mediu necoroziv sau slab coroziv salin. Sunt confecționate din oțel 35M16.

Prăjinile de pompe K-65 (API Grad K) executate din oțel aliat nichel-molibden sunt recomandate pentru sarcini medii, la sonde cu mediu coroziv de CO2 și H2O. Sunt confecționate din oțel 20MoN 35 sau 20MoN18.

Prăjinile de pompare D-84 (API Grad D) executate din oțel aliat crom-molibden sunt recomandate pentru sarcini mari și foarte mari, în mediu necoroziv sau slab coroziv salin. Sunt confecționate din oțel 41 MoC 11.

În cazul pompajului cu pompe elicoidale, prăjinile de pompare nu sunt supuse la solicitări variabile ca în cazul pompajului clasic. Astfel, dacă la pompajul clasic sarcinile din garnitura de prăjini de pompare variază între un maxim și un minim în timpul unui ciclu de pompare, la pompajul cu pompe elicoidale sarcina totală odată preluată rămâne relativ constantă în timpul funcționării pompei.

Sarcinile care acționează asupra prăjinilor de pompare în cazul pompajului cu pompe elicoidale sunt date de: greutatea proprie a garniturii de prăjini scufundată în lichid, greutatea coloanei de lichid care acționează pe secțiunea transversală a rotorului pompei, momentul de torsiune necesar a fi transmis la pompă și momentul de încovoiere (după pierderea stabilității). Rezultă că, în cazul pompajului cu pompe elicoidale, prăjinile de pompare sunt supuse la întindere, torsiune și încovoiere, deci la o solicitare compusă. Întinderea rigidizează garnitura de prăjini mărind turația la care apare pierderea stabilității, în timp ce torsiunea are un efect contrar.

e) Solicitările garniturii de prăjini de pompare

Principalele solicitări ale garniturii de prăjini de pompare sunt: solicitarea la tracțiune și solicitarea la torsiune (pentru transmiterea momentului de torsiune necesar rotirii rotorului).

Solicitarea la tracțiune are loc sub acțiunea greutății proprii a garniturii de prăjini de pompare scufundată în lichid și a greutății coloanei de lichid din țevile de extracție.

Efortul unitar de tracțiune are valoare maximă la partea superioară a garniturii de prăjini de pompare și este dat de relația:

în care:

Pl – greutatea coloanei de lichid din țevile de extracție;

Pl=(A t – ap)Hpρ

At,ap – aria secțiunii interioare a fețelor de extracție respectiv a prăjinilor de pompare;

Hp – lungimea garniturii de prăjini de pompare;

b – factor de plutire (flotabilitate):

ρl, ρo – densitatea lichidului pompat, respectiv a oțelului;

Pp – greutatea prăjinilor în aer (PP= qpHp).

Solicitarea la torsiune. Transmisia momentului de torsiune necesar rotirii rotorului conduce la dezvoltarea tensiunilor tangențiale pe toată lungimea garniturii de prăjini de pompare. Valoarea medie a momentului de torsiune se determină cu relația:

Mt = 9550 N/n

în care:

N este puterea, kW;

n este viteza de rotație, rot/min.

Tensiunea tangențială (efortul unitar tangențial) se determină cu relația:

în care:

WP este modulul de rezistență polar, și este dat de relația:

unde:

dp este diametrul prăjinilor de pompare.

Cele două solicitări, la tracțiune și la torsiune, dau naștere la o solicitare compusă. Pentru determinarea efortului unitar echivalent solicitării compuse ech, se adoptă una din teoriile de rezistență:

Conform teoriei I de rezistență:

iar conform teoriei II de rezistență:

Relațiile de mai sus reprezintă condiția de verificare a rezistenței garniturii de prăjini de pompare.

Se pune condiția :

ech a

în care:

a este efortul unitar admisibil

a = c/cs

iar cs coeficientul de siguranță (cs = 1,5).

F )ȚEVILE DE EXTRACȚIE

Țevile de extracție au rolul de a susține statorul pompei elicoidale și de a asigura ascensiunea fluidelor produse de strat și pompate de pompă la suprafață.

Alegerea diametrului țevilor de extracție se face în funcție de dimensiunea pompei (filetul mufă al statorului) care urmează să fie introdusă în sondă.

Spre deosebire de sondele în erupție naturală și erupție artificială, la sondele în pompaj cu pompe elicoidale țevile de extracție sunt supuse la solicitări mult mai mari, deoarece pe lângă greutatea lor proprie și a echipamentului de fund mai intervine greutatea lichidului din interiorul țevilor, iar în cazuri accidentale de rupere a prăjinilor de pompare și greutatea acestora. Pe de altă parte, în timpul funcționării pompei datorită mișcării de rotație a rotorului în stator, țevilor de extracție le este transmis prin intermediul statorului, un moment de torsiune care conduce la apariția unor eforturi suplimentare în acestea.

Pentru a limita valoarea momentului de torsiune, sub statorul pompei se montează o ancoră antirotativă (fig.3.6) sau un packer. Ancora pe lângă că limitează torsionarea țevilor evită autodeșurubarea pompei și/sau a garniturii de țevi de extracție în momentul opririi pompei datorită momentului reactiv. De asemenea, ancora contribuie la centrarea și fixarea pompei și/sau a porțiunii inferioare a garniturii de țevi de extracție în coloana de exploatare a sondei. Ancorele folosite sunt de tip mecanic.

Ancora prezentată în figura 3.6 este proiectată de către I.P.C.U.P. Ploiești și I.C.P.T. Câmpina și este produsă de UPETROM S.A. Ploiești. Aceasta este o ancoră de tip mecanic, armarea și fixarea ei realizându-se cu ajutorul arcurilor lamelare și a celor două blocuri care se fixează în coloana de exploatare a sondei.

Un model simplu de ancoră mecanică este cel produs de firma DYNAMIC OIL TOOLS (fig. 3.8).Această ancoră utilizează blocuri de ancore cu forma efilată care se fixează în coloană atunci când ancora este rotită la dreapta, rotire generată de pompă. În momentul opririi pompei (rotației), ancora se dezarmează, blocurile de ancorare desprinzându-se de pe coloană.

În România, pentru ancorarea țevilor de extracție s-au folosit cu succes packerele mecanice tip POSI-TEST.

Uzura țevilor de extracție este accentuată și de frecările existente în punctele de contact ale țevilor cu coloana de exploatare sau cu garnitura de prăjini de pompare. O altă cauză care contribuie în mod substanțial la creșterea uzurii, respectiv la micșorarea rezistenței materialului, este mediul coroziv și abraziv în care lucrează.

Datorită cauzelor enumerate mai sus, la sondele în pompaj cu pompe elicoidale se folosesc, de regulă, țevile de extracție cu capete îngroșate (upset, ramfors) la care rezistența în zona filetată se apropie de rezistența corpului

Figura. 3.6. Ancoră antirotativă, secțiune, nearmată și armată

Figura. 3.7. Ancoră antirotativă KUDU pentru coloana de 7 in

3.2.2. Echipamentul de suprafață al sondelor echipate

cu pompe elicoidale

Sistemul de acționare asigură mișcarea de rotație a prăjinilor de pompare respectiv a rotorului pompei elicoidale. În majoritatea cazurilor, în cadrul sistemului de acționare se utilizează motoare electrice, dar pot fi utilizate și motoare termice sau hidraulice.

Transmiterea mișcării de rotație se poate face cu viteză fixă sau cu viteză variabilă astfel că sistemele de acționare sunt cu viteză fixă sau variabilă.

Sistemele de acționare cu viteză fixă sunt rigide dar permit, totuși, schimbarea vitezei de rotație în trepte de la 1 la 6 în funcție de diametrul roților de antrenare.

În cadrul sistemelor de acționare cu viteză fixă se disting următoarele variante constructive:

a) cu motor electric, roți pentru curele și curele de transmisie.

Schimbarea vitezei de rotație se realizează prin schimbarea diametrului roții de antrenare sau prin înlocuirea motorului electric cu un alt motor cu turație diferită față de a celui existent.

b) cu motor electric, reductor de turație, roți pentru curele și curele de transmisie. În acest caz, schimbarea vitezei de rotație se realizează prin schimbarea diametrului roții de antrenare, prin înlocuirea motorului electric cu un alt motor cu turație diferită față de a celui existent sau prin schimbarea raportului de reducere al reductorului;

c) cu motor electric și reductor de turație. Schimbarea vitezei de rotație se realizează prin înlocuirea motorului electric sau prin schimbarea raportului de reducere a reductorului.

Transmisia prin curele asigură pornirea elastică a motorului electric, protejându-l la suprasarcină.

Motoarele electrice au turații de 750, 1000 și 1500 rot/min.

Sistemul de acționare cu viteză fixă și transmisie prin curele întrucât asigură o viteză constantă de rotație este indicat să se utilizeze la sondele care au un regim stabil al parametrilor de funcționare și la sondele cu un aflux mare de apă.

Sistemul de acționare cu viteză variabilă permite realizarea unui domeniu larg de viteze de rotație, fie prin modificarea frecvenței în cazul utilizării motoarelor electrice, fie printr-un dispozitiv de control al turației în cazul utilizării motoarelor hidraulice. În primul caz sistemul de acționare poate fi cu variator mecanic de turație și cu variator electronic de turație sau convertizor de frecvență.

Sistemul cu variator mecanic de turație este cel mai răspândit și se caracterizează prin variații de turație de la 1 la 6, de la 1 la 4 sau de la 1 la 3, realizând între 50 și 300 rot/min. Acest domeniu larg de valori dă posibilitatea adaptării la condițiile variabile ale sondei.

Sistemul cu variator electronic oferă posibilitatea realizării unui domeniu de viteze de la câteva rot/min până la numărul maxim de rot/min. De altfel se recomandă pornirea instalației de pompare la o viteză de rotație mică și apoi creșterea treptată a acesteia până la o viteză de rotație necesară, în special în cazul extracției unor fluide cu vâscozitate mare sau abrazive.

În cazul sistemului de acționare cu motoare hidraulice mișcarea este transmisă la reductorul de turație de către un motor hidraulic. Acesta este dispus într-o schemă de acționare care conține o pompă hidraulică, un rezervor, un filtru, un dispozitiv de control al turației, ventile, manometre etc. Sistemul este prevăzut cu o valvă acționată termostatic care permite pornirea pe vreme rece fără să fie nevoie de încălzirea întregului sistem. Sistemul de acționare hidraulic este preferat a se folosi în cazul extracției unor fluide cu vâscozitate mare, a unor fluide cu un conținut mare de nisip și în special în cazul extracției țițeiurilor grele.

Utilizarea sistemului de acționare hidraulic prezintă următoarele avantaje: randamente mai mari, viteze variabile, protecție la rupere a prăjinilor de pompare și la momentul de întoarcere.

a) CAPUL DE ANTRENARE

Echipamentul de suprafață mai cuprinde: capul de antrenare, cuplajul dintre sistemul de acționare și capul de antrenare (fig. 3.9) și capul de pompare.

Capul de antrenare are rolul de :

transmitere a mișcării de rotație de la sistemul de antrenare la prăjinile de pompare, respectiv la rotorul pompei, prin intermediul prăjinii lustruite;

preluare a forței axiale de la prăjinile de pompare (forță dată de greutatea prăjinilor, greutatea lichidului și greutatea rotorului).

Prăjina lustruită face legătura între arborele de ieșire al reductorului și garnitura de prăjini de pompare, trecând prin cutia de etanșare. De asemenea, permite manevrarea pe verticală a echipamentului de fund.

Din cele prezentate mai sus rezultă că dimensiunile de gabarit ale echipamentului de suprafață în cazul folosirii sistemului de pompare cu pompe elicoidale sunt mult mai mici față de dimensiunile de gabarit ale echipamentului de suprafață în cazul pompajului clasic. De asemenea, unitatea de suprafață nu necesită o echilibrare ca în cazul unităților cu balansier, unde de altfel o echilibrare perfectă nu se poate realiza.

Costurile de exploatare vor fi mai mici în cazul folosirii sistemului de pompare cu pompe elicoidale,deoarece funcționarea la viteze mari permite utilizarea unor angrenaje mai mici pentru aceiași sarcină utilă, ceea ce conduce la forțe de inerție mai mici și deci la pierderi de energie reduse.

În figura 3.11. sunt prezentate capetele de antrenare fabricate de firma Robbins –Myers și caracteristicile acestora.

Prăjina lustruită face legătura între arborele de ieșire al reductorului și garnitura de prăjini de pompare, trecând prin cutia de etanșare. De asemenea, permite manevrarea pe verticală a echipamentului de fund.

Din cele prezentate mai sus rezultă că dimensiunile de gabarit ale echipamentului de suprafață în cazul folosirii sistemului de pompare cu pompe elicoidale sunt mult mai mici față de dimensiunile de gabarit ale echipamentului de suprafață în cazul pompajului clasic. De asemenea, unitatea de suprafață nu necesită o echilibrare ca în cazul unităților cu balansier, unde de altfel o echilibrare perfectă nu se poate realiza.

Costurile de exploatare vor fi mai mici în cazul folosirii sistemului de pompare cu pompe elicoidale,deoarece funcționarea la viteze mari permite utilizarea unor angrenaje mai mici pentru aceiași sarcină utilă, ceea ce conduce la forțe de inerție mai mici și deci la pierderi de energie reduse.

Aspectele prezentate mai sus precum și avantajele utilizării pompelor elicoidale fac ca acest sistem de extracție să cunoască o dezvoltare din ce în ce mai mare.

Figura 3.8. Cap de antrenare tip KUDU VH 60 HP 8T

3.3. AVANTAJELE ȘI DEZAVANTAJELE UTILIZĂRII POMPELOR ELICOIDALE. DOMENII DE APLICABILITATE

Utilizarea pompelor elicoidale în extracția țițeiului prezintă următoarele avantaje:

necesită investiții mici;

sunt economice la instalare (datorită compactității instalației costurile de instalare sunt reduse, se elimină fundația necesară unităților de pompare cu balansier, asamblarea instalației făcându-se direct pe flanșa capului de pompare);

instalarea este mai rapidă și mult mai convenabilă decât la unitățile de pompare cu balansier;

siguranță în funcționare (prin construcția sa, instalația are toate părțile în mișcare protejate, neexistând pericolul accidentărilor);

randament mare (construcția simplă a pompei elicoidale produce o frecare mică în cuplul rotor-stator, ducând la un randament mecanic ridicat. Un cuplu rotor-stator corect ales conduce la un “slipaj” mic al lichidului, respectiv la un randament volumic mare.);

pompele elicoidale necesită energie numai pentru ridicarea (liftarea) fluidului, nu și a prăjinilor de pompare;

durata mare de funcționare (sistemul de pompare și construcția instalației asigură o durată mare de funcționare, ajungându-se la o durată de funcționare continuă de doi – trei ani);

nu există pericolul blocării cu gaze (nu au supape care să se blocheze cu gaze);

deoarece nu se blochează cu gaze, pompele elicoidale sunt ideale pentru eliminarea apei din sondele de extracție a gazelor naturale;

întreținerea simplă (întreținerea instalației în exploatare este simplă, nefiind necesare procedee complicate sau scule și dispozitive speciale);

perioadă mare de timp între intervenții;

funcționare fără zgomot (datorită faptului că pompa debitează continuu, sarcina în instalația de suprafață este constantă și prin construcția sa, cu reductor conic, nivelul de zgomot este redus);

sunt eliminate ruperile prăjinilor de pompare cauzate de greutatea lichidului;

tipul de elastomer din care este confecționat statorul poate fi ales la cerere, astfel încât acesta să fie compatibil cu fluidele produse de sondă;

debitul pompei ușor de ajustat;

sistemul de acționare facilitează schimbarea vitezei de rotație în funcție de variația debitului produs de sondă (astfel viteza de rotație poate fi aleasă de așa natură, încât debitul pompei să fie egal cu debitul maxim pe care poate să-l producă stratul și care corespunde corelației de funcționare strat – pompă);

pot fi folosite pentru irigații;

sunt capabile să pompeze țiței cu procente mari de apă și gaze;

reduc emulsionarea fluidelor;

nu sunt sensibile la solidele existente în fluidele vehiculate;

sensibilitate mică la coroziune;

debitează continuu și constant, evitând astfel pulsațiile în curgere (datorită acestui fapt se reduce posibilitatea depunerii parafinei și a solidelor);

vehiculează fluide cu viscozități ridicate;

cheltuieli mici pentru întreținere;

consum redus de energie electrică;

uzura mai mică a prăjinilor de pompare și a țevilor de extracție (prăjinile de extracție sunt supuse la o solicitare constantă, în comparație cu pompajul clasic, unde sunt supuse la solicitări variabile);

pot fi utilizate cu succes la sondele care produc cu debite mici în locul pompajului intermitent (se asigură astfel o funcționare continuă a sondei și un debit mai mare decât în cazul pompajului intermitent);

sunt ideale pentru exploatările din zonele urbane, echipamentul de suprafață având dimensiuni mult mai reduse decât cel utilizat în pompajul clasic.

3.4. Metodă energetică pentru determinarea numărului

de stabilizatori ai garniturii de prăjini de pompare

Se consideră o garnitură de prăjini de pompare cu lungimea Hp, prevăzută cu k stabilizatori situați la distanța h unul față de altul, aflată în mișcare de rotație cu viteza unghiulară (fig.3.12). Primul stabilizator se montează la distanța l față de flanșa capului de antrenare. Această distanță trebuie să fie mai mică decât lungimea critică lcr la care garnitura își pierde stabilitatea exclusiv sub acțiunea forțelor centrifuge, adică:

Figura 3.9. Stabilizatori

Figura 3.10. Garnitură de prăjini cu stabilizatori

Lungimea critică de pierdere a stabilității garniturii de prăjini de pompare este dată de relația:

în care : qp – greutatea unitară a prăjinilor de pompare;

E – modulul de elasticitate al materialului;

I – momentul de inerție geometric al secțiunii transversale a prăjinilor.

Din considerente de montaj, primul stabilizator se montează sub capul de antrenare la distanță de 10m.

Pentru determinarea numărului necesar de stabilizatori se utilizează o metodă energetică, considerându-se că lucrul mecanic al forțelor care acționează asupra prăjinilor L, se transformă integral în energie potențială de deformație U, adică:

L = U.

Pentru analiză se consideră numai lungimea l+h de la partea superioară a garniturii de prăjini de pompare, zonă pe care forma deformată se aproximează prin funcția:

în care y0 este săgeata maximă admisibilă acceptată pe forma deformată (egală cu jocul radial maxim al garniturii de prăjini de pompare în interiorul țevilor de extracție).

Lucrul mecanic al forțelor care acționează asupra prăjinilor de pompare este dat de relația:

iar energia potențială de deformație de relația:

în care:

P0 este forța axială datorată funcționării pompei;

g – accelerația gravitațională.

Rezultă:

EI4 (rk2+1) / (H-l)3r)] k2 – P0 [(2/(H-l)] (r+1) – qp [2/(2k)] (r+1)2 –

– (qp/g) 2 [(H-l) / k4] (k2r3+1) = 0

unde: r = l/h iar k= Hp / h.

Rezolvând ecuația rezultă numărul de stabilizatori k, care trebuie montați pe garnitura cu lungimea Hp atunci când acesta se rotește cu viteza unghiulară .

3.5. ALEGEREA POMPELOR ELICOIDALE

Pentru o alegere cât mai corectă a unei pompe elicoidale cu care urmează să fie echipată o sondă, trebuie cunoscute următoarele date:

– diametrul coloanei de exploatare;

– intervalul perforat;

– distanța până la nivelul de lichid din sondă;

– adâncimea de fixare a pompei ;

– presiunea în linia de amestec ;

– debitul de lichid estimat a fi extras ;

– procentul de impurități ;

– rația gaze – țiței ;

– caracteristicile fluidelor extrase ;

– posibilitățile de alimentare cu energie electrică.

Alegerea unei instalații de pompare cu pompe elicoidale reclamă următoarele:

– alegerea tipului de pompă;

-alegerea materialului din care este confecționată pompa;

– alegerea tipului de cap de antrenare;

– alegerea prăjinilor de pompare;

– determinarea puterii totale de acționare;

-alegerea motorului electric, a roților de curea și a curelelor.

În cele ce urmează se va prezenta o metodologie simplificată de alegere a unei instalații de pompare cu pompe elicoidale tip Moyno.

Metodologia de alegere cuprinde următoarele etape:

1. Se determină toate caracteristicile sondei, prezentate mai sus. Se compară caracteristicile fluidelor de zăcământ și ale substanțelor chimice de tratare cu caracteristicile diferitelor materiale de construcție a pompelor. Pe baza acestor informații se determină materialul de construcție al pompei din tabelul 11.

2. Cunoscând nivelul dinamic al fluidului din sondă și debitul estimat a fi extras se alege pompa, capul de antrenare și dimensiunea motorului electric. Această alegere este doar orientativă, urmând ca alegerea finală să fie făcută pe baza caracteristicilor pompei, caracteristici prezentate în fișa pompei.

3. Se verifică dacă pompa aleasă poate fi introdusă în coloana de exploatare a sondei. Utilizând apoi curbele de performanță ale pompei, se determină viteza de rotație necesară pentru extragerea debitului de lichid estimat, înălțimea de pompare fiind cunoscută. De asemenea, se determină puterea de antrenare necesară la suprafață.

4. Cunoscând caracterul abraziv al fluidului extras, precum și densitatea acestuia se determină intervalul de viteze disponibile în vederea corectării vitezei determinate la punctul 3 atunci când acesta nu se încadrează în intervalul respectiv. Dacă viteza de rotație este prea mare comparativ cu abrazivitatea fluidului , se alege pompa imediat următoare ca dimensiune și se repetă punctul 3. Se alege o pompă cu un debit mai mare, sau una capabilă să suporte o presiune mai mare.

5. Cunoscând înălțimea dinamică totală de ridicare, se determină puterea totală de acționare a instalației cu ajutorul diagramei care reprezintă curbele de performanță ale pompei. Se procedează astfel: din punctul corespunzător înălțimii dinamice totale se ridică o verticală până intersectează curba corespunzătoare vitezei de rotație determinată la punctul 4. Din punctul de intersecție se trasează o orizontală spre dreapta și se citește puterea de acționare.

6. În funcție de puterea de acționare determinată la punctul 5 se determină dimensiunea minimă a motorului electric de acționare. Această dimensiune minimă va fi utilizată pentru determinarea momentului minim necesar pornirii precum și a vitezei de rotație. Se presupune că momentul minim necesar pornirii, reprezintă 167% din momentul maxim de funcționare.

7. În funcție de adâncimea de fixare a pompei și de viteza de rotație, se aleg capul de antrenare și prăjinile de pompare.

8. Se alege viteza de rotație a motorului electric, dimensiunile roților de curea, tipul curelelor precum și numărul și dimensiunile acestora.

Echiparea sondelor se va face cu pompe tip KUDU.

3.6. METODOLOGIA DE calcul A UNEI INSTALAȚII DE

POMPARE ELICOIDALE

Proiectarea unei instalații de pompare cu pompe elicoidale cuprinde următoarea metodologie:

se stabilește adâncimea de fixare a pompei în sondă, Hp, ținând seama de nivelul dinamic de lichid din sondă, corespunzător presiunii de fund care să asigure debitul Q preconizat de a fi extras;

se calculează nivelul dinamic Hd, din sondă;

se calculează pierderea de presiune prin frecare în țevile de extracție Hfrtevi, exprimată în metri coloană de lichid;

se calculează presiunea din capul de pompare Hcp, în metri coloană de lichid;

se calculează înălțimea dinamică totală de ridicare, H;

din diagramele de alegere a pompelor în funcție de H determinat anterior și Q estimat a fi extras se alege tipul de pompă;

cunoscând tipul pompei, cu ajutorul curbelor de performanță ale pompei se determină viteza de rotație și puterea de antrenare funcție de H și Q;

se calculează raportul de reducere a turației:

din fișa pompei se aleg caracteristicile acesteia:

numărul de etaje;

lungimea rotorului;

lungimea statorului;

filetul rotorului;

filetul statorului

diametrul exterior al pompei

se efectuează calculul de rezistență al garniturii de prăjini de pompare.

Datele inițiale pentru cele două sonde sunt:

Din măsuratori făcute cu ecometrul rezultă urmatoarele adâncimi la care găsim oglinda de lichid în cele două sonde:

3.6.1. SONDA S1

Nivelul dinamic în sondă măsurat cu ecometrul:

Adâncimea de fixare a pompei:

– submergența pompei

Se calculează înălțimea de pompare:

Presiunea în capul de pompare, m coloană de lichid:

Densitatea lichidului:

Pierderea de presiune prin frecare cu țevile de extractie, m coloană de lichid:

Coeficientul pierderilor hidraulice:

Viteza de curgere a lichidului în țevile de extracție:

3. Se alege pompa KUDU 160 TP2000

– viteza de rotație ;

– puterea de antrenare ;

Din fișa pompei se aleg caracteristicile acesteia:

– numărul de etaje 43 etaje;

– lungimea rotorului 5,7 m= 18’ 2,5’’;

– lungimea statorului 5,55 m= 18’ 2,5’’;

– filetul rotorului 1 9/16 in;

– diametrul exterior al pompei 50mm

Pentru efectuarea calculului de rezistență al garniturii de prăjini se procedează astfel:

4. Se calculează greutatea coloanei de lichid din țevile de extracție:

N

5. Se calculează factorul de flotabilitate:

6. Se calculează greutatea prăjinilor de pompare în aer:

7. Se calculează efortul unitar de tracțiune cu relația:

8. Se calculează momentul de torsiune:

N·m

9. Se calculează modulul de rezistență polar:

10. Se calculează efortul unitar:

11. Se calculează efortul unitar echivalent solicitării compuse conform celor două teorii:

12. Se calculează efortul unitar admisibil corespunzător oțelului 41 Mo Cr 11:

Se observă că este îndeplinită condiția de rezistență, deci dimensionarea este corectă.

Figura 3.13. Curbele de comportare ale pompei KUDU 60 TP2000

3.6.2. SONDA S2

Nivelul dinamic în sondă măsurat cu ecometrul:

Adâncimea de fixare a pompei:

– submergența pompei

Se calculează înălțimea de pompare:

Presiunea în capul de pompare, m coloană de lichid:

Densitatea lichidului:

Pierderea de presiune prin frecare cu țevile de extractie, m coloană de lichid:

Coeficientul pierderilor hidraulice:

Viteza de curgere a lichidului în țevile de extracție:

3. Se alege pompa KUDU 180TP3000

– viteza de rotație ;

– puterea de antrenare ;

Din fișa pompei se aleg caracteristicile acesteia:

– numărul de etaje 47,4 etaje;

– lungimea rotorului 9,25 m= 30’ 4,2’’;

– lungimea statorului 8,73 m= 28’ 7,7’’;

– filetul rotorului 1 9/16 in;

– diametrul exterior al pompei 120mm

Pentru efectuarea calculului de rezistență al garniturii de prăjini se procedează astfel:

4. Se calculează greutatea coloanei de lichid din țevile de extracție:

N

5. Se calculează factorul de flotabilitate:

6. Se calculează greutatea prăjinilor de pompare în aer:

7. Se calculează efortul unitar de tracțiune cu relația:

8. Se calculează momentul de torsiune:

N·m

9. Se calculează modulul de rezistență polar:

10. Se calculează efortul unitar:

11. Se calculează efortul unitar echivalent solicitării compuse conform celor două teorii:

12. Se calculează efortul unitar admisibil corespunzător oțelului 41 Mo Cr 11:

Se observă că este îndeplinită condiția de rezistență, deci dimensionarea este corectă.

Figura 3.13. Curbele de comportare ale pompei KUDU 180 TP3000

3.7. FACTORII CARE INFLUENȚEAZĂ PROIECTAREA

ȘI FUNCȚIONAREA POMPELOR ELICOIDALE

Viteza de rotație

Funcționarea instalației de pompare cu pompe elicoidale este optimă atunci când nu se depășește debitul optim programat sau presiunea de liftare a pompei. Debitul pompei elicoidale este în funcție de viteza de rotație a garniturii de prăjini. Pentru a schimba debitul în sensul măririi sau micșorării lui se modifică viteza de rotație. Viteza de rotație însă, influențează direct durata de funcționare a pompei. Astfel, dacă pentru extragerea unui debit este aleasă o pompă care trebuie să funcționeze cu o viteză de rotație mare în locul alteia care pentru extragerea aceluiași debit ar putea funcționa cu o viteză de rotație mică, atunci durata de funcționare a primei pompe va fi simțitor redusă. De aceea, se recomandă ca pompa să producă debitul estimat a fi extras cu viteze de rotație cuprinse între 100 – 300 rot / min.

Presiunea diferențială pe etaj

Se recomandă ca presiunea diferențială pe etaj să nu depășească 7 bar din următoarele motive:

– crește fenomenul de oboseală al elastomerului statorului, ceea ce conduce la avarierea prematură a acestuia;

– cresc pierderile de lichid în pompă (printre rotor și stator), ceea ce conduce la reducerea debitului respectiv a randamentului volumetric.

Pentru a asigura o ungere corespunzătoare a rotorului în interiorul statorului, pierderile de lichid în pompă trebuie să fie minim 5%. Dacă pierderile de lichid ar fi nule sau aproape nule randamentul volumetric va fi maxim, dar vom avea de-a face cu o funcționare uscată a pompei, fapt care va conduce la creșterea puterii consumate și la scăderea duratei de funcționare a pompei.

Particulele solide

Pompele elicoidale pot vehicula fluide cu impurități solide mult mai eficient decât pompele cu piston. Mișcarea de rotație a rotorului dur și neted în interiorul statorului moale si elastic conduce la o toleranță foarte bună a pompei la nisip și particule abrazive. Orice particulă de nisip prinsă între rotor și stator este presată în interiorul elastomerului elastic fără a deteriora pompa, eliminând astfel orice problemă legată de griparea și uzura excesivă ca în cazul pompei cu piston.

Totuși, particulele solide prezente în fluidele extrase pot reduce durata de funcționare a pompei prin uzura rotorului și a statorului atunci când funcționarea este necorespunzătoare. Este foarte greu de a caracteriza natura abrazivă a particulelor solide din fluidele extrase, deoarece abrazivitatea depinde de dimensiunea, forma, procentul sau concentrația acestora, precum și de natura fluidului care le transportă.

Pentru a micșora efectele abraziunii pompa trebuie să lucreze la viteze cât mai mici posibile. De asemenea, presiunea trebuie să fie suficient de mare, astfel încât pompa să producă cu o eficiență volumetrică mare și să antreneze o cantitate cât mai mică de solide.

Antrenarea particulelor solide în fluidele extrase poate fi redusă prin scăderea presiunii pe fiecare etaj (creșterea numărului de etaje) sau printr-o comprimare adecvată între stator și rotor.

Prin scăderea vitezei de rotație la jumătate crește de patru ori durata de funcționare a unei pompe elicoidale.

Viscozitatea

În cazul pompei elicoidale, în momentul în care rotorul începe mișcarea de rotație, cavitatea inferioară se deschide și fluidul intră în aceasta. Când rotorul a efectuat o rotație completă cavitatea se închide și fluidul este transferat cavității superioare. Cantitatea de fluid care intră în cavitate este dependentă de vâscozitatea acestuia, de forma și dimensiunea cavității și de diferența de presiune. În cazul țițeiurilor vâscoase există o pierdere însemnată de fluid la intrarea în prima cavitate, fiind necesar un timp mare pentru umplerea întregii cavități. Dacă viteza de rotație a rotorului este mare, cavitatea este parțial umplută cu fluid, rezultând un randament volumetric scăzut. Din această cauză există o viteză de rotație critică asociată vâscozității fluidului vehiculat, la care este obținut un randament volumetric maxim.

În cazul extracției unui fluid vâscos este de preferat să se aleagă o pompă care este capabilă să pompeze fluide vâscoase la viteze mai mari decât viteza critică asociată vâscozității fluidului.

Gazele

Prezența gazelor în fluidul aspirat conduce la pătrunderea unei cantități mai mici de fluid în interiorul unei cavități, ceea ce are ca efect scăderea randamentului volumetric. Dacă cantitatea de fluid este suficientă pentru a asigura ungerea corespunzătoare a rotorului în interiorul statorului, pompa poate pompa gaze fără a cauza deteriorări majore.

Lipsa însă a unei cantități adecvate de lichid poate conduce la funcționarea uscată a pompei care are ca efect arderea elastomerului statorului. Pentru a preveni acest fenomen pompa trebuie să fie amplasată sub zona de separare a gazelor.

De asemenea, trebuie evitată funcționarea pompei cu viteze mari de rotație. O viteză mare de rotație nu dă posibilitatea aspirării fluidului de către pompă, ceea ce conduce la funcționarea uscată a acesteia, respectiv la distrugerea elastomerului.

Spre deosebire de pompele cu piston, pompele elicoidale nu se blochează cu gaze datorită lipsei supapelor.