СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАТЯГА В ОДНОВИНТОВОМ НАСОСЕ
METHOD FOR DETERMINING TENSION IN A SIMPLE PUMP

Изобретение относится к технике добыче нефти, в частности к глубинным винтовым насосам, и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности.
Винтовой насос включает винтовую пару: неподвижную обойму и вращающийся винт.
При эксплуатации скважинных штанговых винтовых насосных установок одной из важнейших проблем является определение и контроль натяга в винтовой паре. От натяга зависит подача винтового насоса, поскольку от величины натяга или зазора зависит величина утечек, а также величина момента сопротивления вращению винта в обойме. Натяг определяется как разница размеров винта и обоймы с торцов обоймы.
Диаметры по выступам и впадинам зубьев обоймы и винта, осевой шаг, профиль зубьев и отклонения фактических профилей зубьев обоймы и винта от номинальных, можно измерить на трех координатной измерительной машине (КИМ) модели GLOBALCLASSIC 07.05.05 [Коротаев Ю.А. Методы и средства контроля зубчатых поверхностей героторных механизмов винтовых забойных двигателей и насосов / Коротаев Ю.А., Алпатов А.Н., Трубин А.С., Хохлов В.В., Шулепов В.А. // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. - 2011. - №1. - С. 10-14.]. Данная измерительная машина представляет собой станок с числовым программным управлением, рабочим органом которой является головка, позволяющая поточечно изменять координаты поверхности или производить активное или пассивное сканирование. Данные с КИМ с помощью программного обеспечения преобразуются в профиль сравниваемый с теоретическим. Для реализации предложенного способа необходимы сложные приборы, процесс определения натяга является трудоемким.
Известны способы измерения диаметра по выступам зубьев обоймы с использованием набора гладких цилиндрических калибров-пробок и с использованием разжимных калибров [Коротаев Ю.А. Методы и средства контроля зубчатых поверхностей героторных механизмов винтовых забойных двигателей и насосов / Коротаев Ю.А., Алпатов А.Н., Трубин А.С., Хохлов B.В., Шулепов В.А. // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. - 2011. - №1. - C. 10-14.].
В способе с использованием гладких цилиндрических калибров для каждого типоразмера обоймы изготавливается набор калибров-пробок с интервалом 0,05…0,1 мм. Диаметр обоймы измеряется на расстоянии 300…500 мм с обоих концов обоймы путем введения внутрь пробок с последовательно увеличивающимся диаметром. За действительный размер принимается наибольший диаметр пробки, которая входит в обойму с усилием 50±5 Н. Среднее значение диаметров по выступам зубьев, измеренных с обоих концов обоймы является исходной величиной для расчета диаметра по выступам зубьев винта [Коротаев Ю.А. Методы и средства контроля зубчатых поверхностей героторных механизмов винтовых забойных двигателей и насосов / Коротаев Ю.А., Алпатов А.Н., Трубин А.С., Хохлов В.В., Шулепов В.А. // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. - 2011. - №1. - С. 10-14.]. Для измерения изношенных обойм число калибров пробок значительно возрастает.
Недостатки: низкая точность измерения ввиду того, что замеры проводят не по всей длине обоймы, а на небольшом расстоянии от его концов, из-за дискретности размеров пробок в наборе и зависимости результатов от прилагаемого усилия при введении пробок в обоймы.
Способ с использованием разжимных калибров заключается в том, что устройство со сведенными пластинами вводится на любое расстояние до 2000 мм от торца обоймы, затем при помощи механического рычага пластины разводятся, и индикатор устройства показывает диаметр по выступам зубьев в измеряемом сечении обоймы с точностью 0,01 мм. При измерении диаметра по выступам зубьев обоймы раздвижными калибрами, одним калибром  проводится широкий диапазон измерений обойм разных типоразмеров [Коротаев Ю.А. Методы и средства контроля зубчатых поверхностей героторных механизмов винтовых забойных двигателей и насосов / Коротаев Ю.А., Алпатов А.Н., Трубин А.С., Хохлов В.В., Шулепов В.А. // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. - 2011. - №1. - С. 10-14.].
Недостаток: невозможность контроля обойм с диаметром выступов менее 40 мм. Для осуществления способа нужны специальные средства.
Таким образом, вышеописанные способы не дают точного результата у эксплуатируемых ранее насосов, так как вовремя протяжки калибров высока вероятность деформации зубьев обоймы винтового насоса. Невозможностью проведения замеров в средней части из-за большой длины обоймы, замеры у торцов не отображают действительной картины.
За прототип принят способ замера внутреннего диаметра резиновой обкладки обоймы на установке УКРС 02.1 основан на динамометрическом методе измерений [Коротаев Ю.А. Методы и средства контроля зубчатых поверхностей героторных механизмов винтовых забойных двигателей и насосов / Коротаев Ю.А., Алпатов А.Н., Трубин А.С., Хохлов В.В., Шулепов В.А. // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. - 2011. - №1. - С. 10-14.]. Протягиваются несколько цилиндрических калибров, диаметры которых превышают диаметр окружности выступов зубьев обкладки и рассчитываются размеры канала по данным измерения усилий. Сопротивление перемещению калибра-пробки регистрируется датчиком усилий. Привод обеспечивает постоянную скорость перемещения калибра даже при значительных деформациях резиновой обкладки (до 1,5 мм на диаметр). В процессе измерения калибр-пробка непрерывно сканирует канал обоймы, дискретность опроса датчика усилий производится через каждые 3 мм перемещения калибра. Программа пересчитывает значение усилий в диаметры сечений канала обоймы по всей его длине в графическом и числовом виде.
Недостатком способа является высокая погрешность измерений т.к. вовремя протяжки калибров высока вероятность деформации обоймы винтового насоса. Кроме того, для осуществления способа нужны специальные измерительные приборы.
Поэтому необходим способ для замера натяга (зазора), который позволит проводить замеры с небольшой погрешностью и без использования специальных средств.
Технической задачей изобретения является повышение точности замеров, а также упрощение и удешевление способа.
Ж
В
Указанная задача решается тем, что способ определения натяга в одновинтовом насосе включает измерение параметров пары винта и обоймы и определение натяга. Новым является то, что замеряют фактический внутренний объем полости обоймы V путем ее заполнения жидкостью, рассчитывают теоретический объем полости обоймы по параметрам винта V и натяг Δ определяют по формуле
В
где V - теоретический объем внутренней полости обоймы,
Ж
V - фактический объем внутренней полости обоймы (объем жидкости),
L - длина винтовой линии,
е - эксцентриситет,
В
D - диаметр винта.
Положительный эффект заключается в повышении точности замера натяга, а также в упрощении и удешевлении способа, ввиду отсутствия необходимости применения специального оборудования для осуществления способа.
B
B
На фигурах изображены: фиг. 1 - осевое сечение винтовой пары, фиг. 2 - радиальное сечение винтовой пары, фиг. 3 - осевое сечение обоймы заполненной жидкостью, фиг. 4 - радиальное сечение обоймы заполненной жидкостью, фиг. 5 - осевое сечение обоймы с шириной полости Но равной диаметру винта D, фиг. 6 - радиальное сечение обоймы с шириной полости Но равной диаметру винта D.
О
O
В
B
Винтовой насос включает винтовую пару: неподвижную обойму 1, установленную в корпусе 2 и вращающийся винт 3 (фиг. 1, 2). Обойма 1 имеет ширину полости Н и длину L. Винт 3 имеет диаметр D и длину L. Винт 3 устанавливается в обойме 1 с натягом Δ. На одном конце обоймы устанавливается заглушка (крышка) 4 (фиг. 1). Длина винтовой линии L представляв собой спираль и может быть определена расчетным способом.
Суть предлагаемого способа заключается в следующем.
Ж
Перед спуском винтового насоса производится замер фактического объема полости обоймы 1 (фиг. 3, 4)путем ее заполнения жидкостью. Для этого один конец обоймы 1 закрывается заглушкой 4, а в другой заливается жидкость. При этом обойма должна находиться в вертикальном положении. Объем залитой жидкости принимается за объем обоймы V.
В
О
B
Полученный объем вычитается из теоретического объема внутренней полости обоймы, вычисленного по параметрам винта V (ширины полости обоймы Н и диаметра винта D) (фиг. 5, 6).
В
Для расчета теоретического объема V можно воспользоваться, например, формулами из [Крылов А.В. Одновинтовые насосы. М.: Гостоптехиздат. - 1962. - 156 с., С. 37-45] или определить его с помощью программного обеспечения (программы для 3D-моделирования) для построенной 3D модели внутренней полости обоймы насоса [Большаков В.П. Основы 3D-моделирования: учебный курс / В.П. Большаков, А.Л. Бочков. - СПб.: Питер, 2013. - 304 с., С. 55].
В
B
Объем внутренней полости обоймы V построенный по параметрам винта определяется как произведение площади сечения внутренней полости обоймы на длину винтовой линии при условии, что ширина полости обоймы Но равна диаметру винта D фиг. 6 [Крылов А.В. Одновинтовые насосы. М.: Гостоптехиздат. - 1962. - 156 с., С. 45]:
где L - длина винтовой линии,
В
D - диаметр винта (фиг. 6).
B
Диаметр винта D определяется среднеарифметическим значением замеренных в нескольких точках диаметра винта.
Длина винтовой линии L определяется по формуле [2, с. 44]:
О
где Т - величина шага обоймы (фиг 1);
О
L - длина обоймы (фиг 1).
O
Величина шага То обоймы определяется как расстояние между двумя выступами на обойме или как удвоенная величина шага винта, которую можно замерить линейкой. Длина обоймы равняется L и определяется как расстояние между торцевыми поверхностями обоймы насоса.
B
Ж
В
O
Зная величину разности (V - V) объема обоймы, определенного по параметрам винта и объема жидкости, можно определить разницу площадей сечений обоймы определенной по параметрам винта S и реальной обоймы S:
О
где Н - ширина полости обоймы.
Поскольку величина натяга Δ есть разность между диаметром винта и шириной полости обоймы, то:
Поскольку величина  значительно меньше, чем величина , то для приближенного расчета можно принять:
B
Ж
B
Для определения натяга по предложенной формуле, необходимо замерить диаметр винта D, фактический объем обоймы V и рассчитать его теоретический объем V.
Во всех известных вышеописанных способах определения натяга [Коротаев Ю.А. Методы и средства контроля зубчатых поверхностей героторных механизмов винтовых забойных двигателей и насосов / Коротаев Ю.А., Алпатов А.Н., Трубин А.С., Хохлов В.В., Шулепов В.А. // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. - 2011. - №1. - С. 10-14.] для определения параметров обоймы использовали прием протаскивания калибра по обойме насоса, при этом происходит деформация зубьев, что в конечном итоге снижает точность замера натяга. В предложенном способе параметры обоймы, а именно фактический объем полости обоймы замеряют путем заполнения его жидкостью. При этом не происходит деформации обоймы. За счет этого повышается точность определения натяга.