CAPITOLUL V

POMPAJUL ELICOIDAL

5.1. Generalități

Principiul de funcţionare al pompelor elicoidale a fost prezentat pentru prima dată

în anul 1935 de către Rene Moineau care, în teza de doctorat susţinută la Universitatea din

Paris, descria invenţia sa numită “un nou sistem de pompare”.

Enunţat pe scurt, principiul lui Moineau constă în formarea unor cavităţi prin

introducerea unui rotor a cărui arie exterioară este o suprafaţă elicoidală simplă, în

interiorul unui stator a cărui arie interioară este o suprafaţă elicoidală dublă. Când rotorul

se roteşte, cavităţile se deplasează de la un capăt (aspiraţie) la celălalt (refulare) conducând

astfel la o curgere continuă.

În Franţa pompele elicoidale se confecţionează încă din anul 1936 de către firma

EMIP (RODEMIP) şi sunt cunoscute sub numele de pompe tip Moineau. Tot din anul

1936 sunt confecţionate şi în SUA de către firma ROBBINS MEYERS sub denumirea de

pompe MOYNO.

Pompele elicoidale au fost şi sunt folosite în diferite domenii de activitate, la

vehicularea fluidelor cu vâscozitate ridicată.

Varianta constructivă de pompă elicoidală submersibilă folosită la extracţia ţiţeiului

din sonde a fost confecţionată la câţiva ani după 1936, iar în timp au fost testate diferite

metode de acţionare a rotorului pompei. O încercare de acţionare a rotorului cu ajutorul

unui motor de pompă electrocentrifugală submersibilă cu turaţie mare a avut loc în anul

1966 şi s-a considerat nereuşită deoarece a condus la avarierea statorului. Cu acelaşi

rezultat negativ s-a soldat şi testarea în anul 1973 a unei pompe elicoidale introdusă la

adâncime mare, în vederea extragerii unor ţiţeiuri cu vâscozitate mică, ceea ce a sugerat, în

anul 1977, posibilitatea experimentării acestor pompe la extracţia ţiţeiurilor vâscoase.

În anul 1979 s-a trecut la sistemul actual de acţionare al rotorului, prin rotirea

prăjinilor de pompare, prima pompă de acest tip fiind experimentată în sondă de către

firma HIGHLAND/COROD din Canada.

Îmbunătăţirile aduse acestui sistem de extracţie au făcut ca acesta să devină, în scurt

timp, o alternativă viabilă faţă de sistemele tradiţionale de extracţie a ţiţeiului.

Utilizarea pompelor elicoidale în extracţia ţiţeiului prezintă următoarele avantaje:

o necesită investiţii mici;

7

o sunt economice la instalare. Datorită compactităţii instalaţiei costurile de

instalare sunt reduse, se elimină fundaţia necesară unităţilor de pompare cu

balansier, asamblarea instalaţiei făcându-se direct pe flanşa capului de pompare;

o instalarea este mai rapidă şi mult mai convenabilă decât la unităţile de pompare

cu balansier;

o siguranţă în funcţionare. Prin construcţia sa, instalaţia are toate părţile în

mişcare protejate, neexistând pericolul accidentărilor;

o randamentul mare. Construcţia 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;

o pompele elicoidale necesită energie numai pentru ridicarea (liftare) fluidului, nu

şi a prăjinilor de pompare;

o durata mare de funcţionare. Sistemul de pompare şi construcţia instalaţiei

asigură o durată mare de funcţionare, ajungându-se la o durată de funcţionare

continuă de doi – trei ani;

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

o deoarece nu se blochează cu gaze, pompele elicoidale sunt ideale pentru

eliminarea apei din sondele de extracţie a gazelor naturale;

o întreţinerea simplă. Întreţinerea instalaţiei în exploatare este simplă, nefiind

necesare procedee complicate sau scule şi dispozitive speciale;

o perioadă mare de timp între intervenţii;

o funcţionare fără zgomot. Datorită faptului că pompa debitează continuu, sarcina

în instalaţia de suprafaţă este constantă şi prin construcţia sa, cu reductor conic,

nivelul de zgomot este redus;

o sunt eliminate ruperile prăjinilor de pompare cauzate de greutatea lichidului;

o tipul de elastomer din care este confecţionat statorul poate fi ales la cerere,

astfel încât aceasta să fie compatibil cu fluidele produse de sondă;

o debitul de acţionare facilitează schimbarea vitezei de rotaţie în funcţie de

variaţia debitului produs de sondă (astfel viteza de rotaţie poate fi aleasă de aşa

natură, încât debitul pompei să fie egal cu debitul maxim pe care poate să-l

producă stratul şi care corespunde corelaţiei de funcţionare strat – pompă);

8

o debitează continuu şi constant, evitând astfel pulsaţiile în curgere. Datorită

acestui fapt se reduce posibilitatea depunerii parafinei şi a solidelor;

o vehiculează fluidele cu vâscozităţi ridicate;

o cheltuieli mici pentru întreţinere;

o consum redus de energie electrică;

o uzura mai mică a prăjinilor de pompare şi a ţevilor de extracţie. Prăjinile de

extracţie sunt supuse la o solicitare constantă, în comparaţie cu pompajul clasic,

unde sunt supuse la solicitări variabile;

o pot fi utilizate cu succes la sondele care produc cu debite mici în locul

pompajului intermitent. Se asigură astfel o funcţionare continuă a sondei şi un

debit mai mare în cazul pompajului intermitent;

o sunt ideale pentru exploatările din zonele urbane, echipamentul de suprafaţă

având dimensiuni mult mai reduse decât cel utilizat în pompajul clasic.

Pe lângă avantajele prezentate mai sus, pompele elicoidale prezintă şi câteva

dezavantaje cum ar fi:

o analiza şi controlul funcţionării pompei pot fi făcute numai pe baza datelor de

producţie şi a nivelului de lichid din spaţiul inelar (dinamometrele şi diagramele

de pompare nu pot fi utilizate);

o trebuie evitată oprirea când vâscozitatea fluidului este mare şi aceasta conţine

un procent mare de nisip;

o prăjinile de pompare sunt solicitate atât la tracţiune cât şi la torsiune.

9

5.2. Instalația de pompare cu pompe elicoidale

O instalaţie de pompare, cum este cea prezentată în fig. 5.1, cuprinde echipamentul

de fund şi echipamentul de suprafaţă.

Echipamentul de fund se compune din pompa elicoidală submersibilă, ţevile de

extracţie şi prăjinile de pompare.

Echipamentul de suprafaţă cuprinde sistemul de acţionare al prăjinilor de pompare,

respectiv al rotorului pompei, cuplajul dintre sistemul de acţionare şi capul de antrenare,

capul de antrenare şi sistemul de susţinere al întregului echipament de fund.

10

Figura 5.1. Schema instalaţiei de pompare cu pompe elicoidale

5.3. Echipamentul de fund al sondelor echipate cu pompe elicoidale

Pompa elicoidală este cunoscută în literatura de specialitate sub diferite denumiri

ca: Moineau, Moyno, cu şurub, cu cavităţi progresive sau econolift.

Elementele principale ale pompei sunt rotorul şi statorul. Rotorul este confecţionat

din materiale rezistente la coroziune, cum ar fi oţelul înalt aliat cromat, sau oţel 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

(suprafaţa exterioară a rotorului este o suprafaţă elicoidală simplă) cu secţiunea

transversală circulară şi are un singur început. Atunci când sunt practicate două canale

elicoidale rotorul este o elice dublă (aria exterioară a rotorului este o suprafaţă elicoidală

dublă) cu secţiunea transversală formată din doi lobi şi are două începuturi.

Lungimea rotorului este mai mare decât cea a statorului şi poate ajunge până la 6 m.

Rotorul se introduce şi se fixează în stator cu ajutorul prăjinilor de pompare.

Statorul este confecţionat din cauciuc nitrilic sau dintr-un elastomer rezistent la

abraziune şi coroziune, turnat în interiorul unei ţevi de oţel cu perete gros. Ţeava de oţel

poate fi tratată prin nitrurare atunci când condiţiile din sondă impun acest lucru.

Elastomerul cu care este căptuşit 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, condiţia obligatorie este ca statorul să

aibă un canal în plus faţă de rotor.

La partea inferioară statorul este prevăzut cu un opritor care are rolul de a poziţiona

rotorul în stator şi de a nu permite căderea rotorului sub pompa în cazul unei defecţiuni. De

asemenea, cu ajutorul lui se stabileşte fereastra pompei.

Statorul se introduce în sondă cu ţevile de extracţie.

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 faţă de lungimea pasului rotorului (fig. 5.2 şi fig. 5.3).

11

În figura 5.2 este prezentată geometria unui angrenaj elicoidal, o secţiune prin

angrenajul elicoidal, precum şi elementele caracteristice. Datorită configuraţiei geometrice

a elementelor pompei, principiul de funcţionare al pompei este relativ simplu.

Astfel, când rotorul este introdus în interiorul statorului, în pompă se formează o

serie de cavităţi identice, separate şi etanşe.

Atunci când rotorul se roteşte în interiorul statorului, aceste cavităţi se deplasează

de la partea inferioară spre partea superioară a pompei (de la aspiraţie la refulare),

transportând fluidul produs de strat prin pompă şi de aici mai departe în sus prin ţevi,

realizând astfel acţiunea de pompare.

Figura 5.2. Secţiune prin pompa elicoidală

12

Figura 5.3. Secţiune spaţială prin pompa elicoidală

5.3.1. Principiul de funcţionare al pompelor elicoidale

Datorită configuraţiei geometrice a elementelor pompei, principiul de funcţionare al

pompei este relativ simplu. Astfel, când rotorul este introdus în interiorul statorului, în

pompă se formează o serie de cavităţi identice, separate şi etanşe. Atunci când rotorul se

roteşte în interiorul statorului, aceste cavităţi se deplasează de la partea inferioară spre

partea superioară a pompei (de la aspiraţie la refulare), transportând fluidul produs de strat

prin pompă şi de aici mai departe în sus prin ţevi, realizând astfel acţiunea de pompare

(fig. 5.4).

Figura 5.4. Deplasarea cavităţilor pompei elicoidale

Lungimea minimă necesară unei pompe pentru ca aceasta să realizeze acţiunea 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 rotaţie completă a rotorului creează două cavităţi cu fluid. Când o cavitaţie se

deschide, simultan cavitatea opusă se închide. Aria secţiunii transversale a acestor două

cavităţi alăturate este dată de relaţia:

13

A=4⋅d⋅e

în care:

d - reprezintă diametrul rotorului;

e - excentricitatea sau distanţa dintre axa rotorului şi axa statorului, respectiv

distanţa dintre axa rotorului şi centrul secţiunii circulare prin pompă.

În figura 5.5 este prezentată aria de curgere în funcţie de poziţia rotorului într-o

secţiune a pompei. Se observă şi din figură că aria de curgere este constantă, de aici

rezultând o curgere nepulsatorie, debitul fiind constant.

Figura 5.5. Aria de curgere în funcţie de poziţia rotorului

Cilindreea pompei, V, este egală cu:

V=A⋅p=4⋅d⋅e⋅p

unde:

p - reprezintă pasul statorului.

La o înălţime de pompare zero (presiune zero) debitul Q este direct proporţional cu

cilindreea şi cu viteza de rotaţie n, a rotorului:

Q=V⋅n=4⋅d⋅e⋅p

Pentru a crea presiune de ridicare, trebuie să existe o presiune diferenţială între

cavităţile succesive. Pentru a realiza acest lucru este necesară o etanşare cu strângere între

rotor şi stator. Aceasta este obţinută prin executarea diametrului rotorului puţin mai mare

decât diametrul minim al statorului. Presiunea diferenţială se însumează de la o cavitate la

alta, astfel încât înălţimea de pompare este proporţională cu numărul de cavităţi, respectiv

14

cu numărul de etaje. Pentru a se evita o uzură excesivă a elastomerului, se recomandă ca

presiunea diferenţială să nu depăşească 7 bar/etaj.

O pompă cu mai multe etaje realizează presiuni mai mari, respectiv adâncimi mari

de pompare şi debite mici, în timp ce o pompă de acelaşi diametru şi de aceiaşi lungime cu

cea iniţială, dar cu un număr mai mic de etaje (lungimea pasului mai mare), realizează

presiuni mici, respectiv adâncimi mici de pompare şi debite mari.

Pompa elicoidală fiind o pompă volumică, presiunea este independentă de viteză,

presiuni mari putând fi generate chiar la viteze mici.

Odată cu creşterea presiunii apar pierderi volumice proporţionale cu presiunea, iar

debitul se reduce corespunzător diagramelor de funcţionare prezentate de către firmele

constructoare, în funcţie de adâncimea de fixare a pompei.

Pierderile volumice depind de:

presiunea creată de pompă (presiunea diferenţială dintre cavităţi)

numărul de etaje

gradul de comprimare al statorului datorită introducerii rotorului şi lucrului

acestuia

vâscozitatea fluidelor vehiculate

temperatura la nivelul pompei.

5.3.2. 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 şi Emip.

Pompele elicoidale produse de firma Robbins Myers sunt simbolizate astfel:

40 - N - 025

cu următoarele semnificaţii:

40 - înălţimea maximă (recomandată) de pompare x 100 feet, (40⋅100=4000 ft );

N - debit normal. Pot fi şi cu debit micşorat, notate cu L , sau cu debit mărit,

notate cu H;

15

025 - debitul, în barill pe zi, la o turaţie de 100 rot/min şi 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 semnificaţii:

120 - debitul, în m3/zi, la o turaţie de 500 rot/min şi o presiune de lucru egală cu

presiunea atmosferică

2000 - înălţimea de pompare, în metri.

5.3.3. Performanţele pompelor elicoidale

Performanţele pompelor elicoidale sunt următoarele:

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

înălţimea maximă de pompare este 3 000 m;

temperatura de lucru este în domeniul 60 - 120°C, în cazul fluidelor curate (fără

impurităţi solide), respectiv de 40 - 90°C, în cazul fluidelor cu impurităţi solide;

raţia apă – ţiţei 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 şi 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 performanţele pompei sunt:

lungimea maximă a pompei din motive de execuţie, atât pentru rotor, cât şi pentru

stator (până la 6 m);

turaţia maximă este limitată, datorită solicitărilor care apar în prăjinile de

pompare (maxim 500 rot/min);

calitatea elastomerului din care este confecţionat statorul pompei.

16

5.3.4. Prăjinile de pompare

Prăjinile de pompare au rolul de a transmite mişcarea de rotaţie de la capul de

antrenare la rotorul pompei. De asemenea, cu ajutorul lor se introduce şi se fixează rotorul

în stator.

În tabelul 1 sunt prezentate dimensiunile şi caracteristicile principale ale prăjinilor

de pompare (fig. 5.6,a) şi ale mufelor de prăjini (fig. 5.6,b) utilizate la pompajul elicoidal.

Figura 5.6. Prăjină de pompare: a – capul prăjinii, b - mufă

Garnitura de prăjini de pompare poate fi alcătuită din prăjini cu acelaşi diametru

(garnitură unică) sau din tronsoane de prăjini cu diametru diferit (garnitură combinată).

În România, prăjinile de pompare se execută din trei tipuri de oţeluri, ceea ce

satisface cele mai diferite condiţii de exploatare la sondele în pompaj. Acestea sunt

fabricate în concordanţă cu API Spec.11B.

Prăjinile de pompare C - 70 (API Grad C) executate din oţel carbon-mangan sunt

recomandate pentru sarcini medii, la sonde cu mediu necoroziv sau slab coroziv salin. Sunt

confecţionate din oţel 35M16.

Prăjinile de pompe K-65 (API Grad K) executate din oţel aliat nichel-molibden sunt

recomandate pentru sarcini medii, la sonde cu mediu coroziv de CO2 şi H2O. Sunt

confecţionate din oţel 20MoN 35 sau 20MoN18.

Prăjinile de pompare D-84 (API Grad D) executate din oţel aliat crom-molibden

sunt recomandate pentru sarcini mari şi foarte mari, în mediu necoroziv sau slab coroziv

salin. Sunt confecţionate din oţel 41MoC11.

17

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 şi un minim în timpul unui

ciclu de pompare, la pompajul cu pompe elicoidale sarcina totală odată preluată rămâne

relativ constantă în timpul funcţionării pompei.

Sarcinile care acţionează 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 acţionează pe secţiunea transversală a rotorului pompei,

momentul de torsiune necesar a fi transmis la pompă şi momentul de încovoiere (după

pierderea stabilităţii). Rezultă că, în cazul pompajului cu pompe elicoidale, prăjinile de

pompare sunt supuse la întindere, torsiune şi încovoiere, deci la o solicitare compusă.

Întinderea rigidizează garnitura de prăjini mărind turaţia la care apare pierderea stabilităţii,

în timp ce torsiunea are un efect contrar.

5.3.5. Solicitările garniturii de prăjini de pompare

Principalele solicitări ale garniturii de prăjini de pompare sunt: solicitarea la

tracţiune şi solicitarea la torsiune (pentru transmiterea momentului de torsiune necesar

rotirii rotorului).

Solicitarea la tracţiune are loc sub acţiunea greutăţii proprii a garniturii de prăjini

de pompare scufundată în lichid şi a greutăţii coloanei de lichid din ţevile de extracţie.

Efortul unitar de tracţiune are valoare maximă la partea superioară a garniturii de

prăjini de pompare şi este dat de relaţia:

σ t=Pl+b⋅P p

a p

în care:

- Pl - greutatea coloanei de lichid din ţevile de extracţie;

Pl=(A t - ap)Hpρ

- At,ap - aria secţiunii interioare a feţelor de extracţie respectiv a prăjinilor de

pompare;

- Hp - lungimea garniturii de prăjini de pompare;

- b - factor de plutire (flotabilitate):

18

b=l−ρl

ρo

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

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

Solicitarea la torsiune. Transmiterea momentului de torsiune necesar rotirii

rotorului conduce la dezvoltarea tensiunilor tangenţiale pe toată lungimea garniturii de

prăjini de pompare. Valoarea medie a momentului de torsiune se determină cu relaţia:

M t=9550⋅Nn

în care:

- N este puterea, în kW;

- n este viteza de rotaţie, în rot/min.

Tensiunea tangenţială (efortul unitar tangenţial) se determină cu relaţia:

t

în care:

- WP este modulul de rezistenţă polar, şi este dat de relaţia:

W p = π d p

3

16

dp este diametrul prăjinilor de pompare.

Cele două solicitări, la tracţiune şi la torsiune, dau naştere la o solicitare compusă.

Pentru determinarea efortului unitar echivalent solicitării compuse ech, se adoptă una din

teoriile de rezistenţă:

Conform teoriei I de rezistenţă:

iar conform teoriei II de rezistenţă:

19

Relaţiile de mai sus reprezintă condiţia de verificare a rezistenţei garniturii de

prăjini de pompare.

Se pune condiţia :

ech a

în care:

- a este efortul unitar admisibil, a = c/cs

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

5.3.6. Ţevile de extracţie

Ţevile de extracţie au rolul de a susţine statorul pompei elicoidale şi de a asigura

ascensiunea fluidelor produse de strat şi pompate de pompă la suprafaţă. Alegerea

diametrului ţevilor de extracţie se face în funcţie de dimensiunea pompei (filetul mufă al

statorului) care urmează să fie introdusă în sondă.

Spre deosebire de sondele în erupţie naturală şi erupţie artificială, la sondele în

pompaj cu pompe elicoidale ţevile de extracţie sunt supuse la solicitări mult mai mari,

deoarece pe lângă greutatea lor proprie şi a echipamentului de fund mai intervine greutatea

lichidului din interiorul ţevilor, iar în cazuri accidentale de rupere a prăjinilor de pompare

şi greutatea acestora. Pe de altă parte, în timpul funcţionării pompei datorită mişcării de

rotaţie a rotorului în stator, ţevilor de extracţie le este transmis prin intermediul statorului,

un moment de torsiune care conduce la apariţia unor eforturi suplimentare în acestea.

Pentru a limita valoarea momentului de torsiune, sub statorul pompei se montează o

ancoră antirotativă (fig.5.7) sau un packer. Ancora pe lângă că limitează torsionarea ţevilor

evită autodeşurubarea pompei şi/sau a garniturii de ţevi de extracţie în momentul opririi

pompei datorită momentului reactiv. De asemenea, ancora contribuie la centrarea şi fixarea

pompei şi/sau a porţiunii inferioare a garniturii de ţevi de extracţie în coloana de

exploatare a sondei. Ancorele folosite sunt de tip mecanic.

Ancora prezentată în figura 5.7 este proiectată de către I.P.C.U.P. Ploieşti şi

I.C.P.T. Câmpina şi este produsă de UPETROM S.A. Ploieşti. Aceasta este o ancoră de tip

mecanic, armarea şi fixarea ei realizându-se cu ajutorul arcurilor lamelare şi a celor două

blocuri care se fixează în coloana de exploatare a sondei.

20

Un model simplu de ancoră mecanică este cel produs de firma DYNAMIC OIL

TOOLS (fig. 5.8). 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 (rotaţiei), ancora se dezarmează, blocurile de ancorare

desprinzându-se de pe coloană.

În România, pentru ancorarea ţevilor de extracţie s-au folosit cu succes packerele

mecanice tip POSI-TEST.

Uzura ţevilor de extracţie este accentuată şi de frecările existente în punctele de

contact ale ţevilor cu coloana de exploatare sau cu garnitura de prăjini de pompare. O altă

cauză care contribuie în mod substanţial la creşterea uzurii, respectiv la micşorarea

rezistenţei materialului, este mediul coroziv şi abraziv în care lucrează.

Datorită cauzelor enumerate mai sus, la sondele în pompaj cu pompe elicoidale se

folosesc, de regulă, ţevile de extracţie cu capete îngroşate (upset, ramfors) la care rezistenţa

în zona filetată se apropie de rezistenţa corpului.

21

σ t=pl+b⋅p p

a p

=55200+0 ,874⋅622300 , 000378

=273 . 6⋅106

Figura 5.7. Ancoră antirotativă

Figura 5.8. Ancoră.

22

5.4. Echipamentul de suprafaţă al sondelor echipate cu

pompe elicoidale

Sistemul de acţionare asigură mişcarea de rotaţie a prăjinilor de pompare respectiv

a rotorului pompei elicoidale. În majoritatea cazurilor, în cadrul sistemului de acţionare se

utilizează motoare electrice, dar pot fi utilizate şi motoare termice sau hidraulice.

Transmiterea mişcării de rotaţie se poate face cu viteză fixă sau cu viteză variabilă

astfel că sistemele de acţionare sunt cu viteză fixă sau variabilă.

Sistemele de acţionare cu viteză fixă sunt rigide dar permit, totuşi, schimbarea

vitezei de rotaţie în trepte de la 1 la 6 în funcţie de diametrul roţilor de antrenare.

În cadrul sistemelor de acţionare cu viteză fixă se disting următoarele variante

constructive:

a) cu motor electric, roţi pentru curele şi curele de transmisie. Schimbarea vitezei

de rotaţie se realizează prin schimbarea diametrului roţii de antrenare sau prin înlocuirea

motorului electric cu un alt motor cu turaţie diferită faţă de a celui existent.

b) cu motor electric, reductor de turaţie, roţi pentru curele şi curele de transmisie. În

acest caz, schimbarea vitezei de rotaţie se realizează prin schimbarea diametrului roţii de

antrenare, prin înlocuirea motorului electric cu un alt motor cu turaţie diferită faţă de a

celui existent sau prin schimbarea raportului de reducere al reductorului;

c) cu motor electric şi reductor de turaţie. Schimbarea vitezei de rotaţie 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 turaţii de 750, 1000 şi 1500 rot/min.

23

Figura 4.9. Sisteme de acţionare a prăjinilor de pompare

Sistemul de acţionare cu viteză fixă şi transmisie prin curele întrucât asigură o

viteză constantă de rotaţie este indicat să se utilizeze la sondele care au un regim stabil al

parametrilor de funcţionare şi la sondele cu un aflux mare de apă.

Sistemul de acţionare cu viteză variabilă permite realizarea unui domeniu larg de

viteze de rotaţie, fie prin modificarea frecvenţei în cazul utilizării motoarelor electrice, fie

printr-un dispozitiv de control al turaţiei în cazul utilizării motoarelor hidraulice. În primul

caz sistemul de acţionare poate fi cu variator mecanic de turaţie şi cu variator electronic de

turaţie sau convertizor de frecvenţă.

Sistemul cu variator mecanic de turaţie este cel mai răspândit şi se caracterizează

prin variaţii de turaţie de la 1 la 6, de la 1 la 4 sau de la 1 la 3, realizând între 50 şi 300

rot/min. Acest domeniu larg de valori dă posibilitatea adaptării la condiţiile 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

instalaţiei de pompare la o viteză de rotaţie mică şi apoi creşterea treptată a acesteia până la

o viteză de rotaţie necesară, în special în cazul extracţiei unor fluide cu vâscozitate mare

sau abrazive.

În cazul sistemului de acţionare cu motoare hidraulice mişcarea este transmisă la

reductorul de turaţie de către un motor hidraulic. Acesta este dispus într-o schemă de

24

acţionare care conţine o pompă hidraulică, un rezervor, un filtru, un dispozitiv de control al

turaţiei, ventile, manometre etc. Sistemul este prevăzut cu o valvă acţionată termostatic

care permite pornirea pe vreme rece fără să fie nevoie de încălzirea întregului sistem.

Sistemul de acţionare hidraulic este preferat a se folosi în cazul extracţiei unor fluide cu

vâscozitate mare, a unor fluide cu un conţinut mare de nisip şi în special în cazul extracţiei

ţiţeiurilor grele.

Utilizarea sistemului de acţionare hidraulic prezintă următoarele avantaje:

randamente mai mari, viteze variabile, protecţie la rupere a prăjinilor de pompare şi la

momentul de întoarcere.

5.4.1. Capul de antrenare

Echipamentul de suprafaţă mai cuprinde: capul de antrenare, cuplajul dintre

sistemul de acţionare şi capul de antrenare (fig. 5.10) şi capul de pompare.

Capul de antrenare are rolul de :

transmitere a mişcării de rotaţie de la sistemul de antrenare la prăjinile de

pompare, respectiv la rotorul pompei, prin intermediul prăjinii lustruite;

preluare a forţei axiale de la prăjinile de pompare (forţă dată de greutatea

prăjinilor, greutatea lichidului şi greutatea rotorului).

Prăjina lustruită face legătura între arborele de ieşire al reductorului şi garnitura de

prăjini de pompare, trecând prin cutia de etanşare. De asemenea, permite manevrarea pe

verticală a echipamentului de fund.

25

Figura 5.10. Cap de antrenare

Din cele prezentate mai sus rezultă că dimensiunile de gabarit ale echipamentului

de suprafaţă în cazul folosirii sistemului de pompare cu pompe elicoidale sunt mult mai

mici faţă de dimensiunile de gabarit ale echipamentului de suprafaţă în cazul pompajului

clasic. De asemenea, unitatea de suprafaţă nu necesită o echilibrare ca în cazul unităţilor 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 funcţionarea la viteze mari permite utilizarea unor angrenaje

mai mici pentru aceiaşi sarcină utilă, ceea ce conduce la forţe de inerţie mai mici şi deci la

pierderi de energie reduse.

În figura 4.11. sunt prezentate capetele de antrenare fabricate de firma Robbins –

Myers şi caracteristicile acestora.

Prăjina lustruită face legătura între arborele de ieşire al reductorului şi garnitura de

prăjini de pompare, trecând prin cutia de etanşare. De asemenea, permite manevrarea pe

verticală a echipamentului de fund.

Din cele prezentate mai sus rezultă că dimensiunile de gabarit ale echipamentului

de suprafaţă în cazul folosirii sistemului de pompare cu pompe elicoidale sunt mult mai

mici faţă de dimensiunile de gabarit ale echipamentului de suprafaţă în cazul pompajului

26

clasic. De asemenea, unitatea de suprafaţă nu necesită o echilibrare ca în cazul unităţilor 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 funcţionarea la viteze mari permite utilizarea unor angrenaje

mai mici pentru aceiaşi sarcină utilă, ceea ce conduce la forţe de inerţie mai mici şi deci la

pierderi de energie reduse.

Aspectele prezentate mai sus precum şi avantajele utilizării pompelor elicoidale fac

ca acest sistem de extracţie să cunoască o dezvoltare din ce în ce mai mare.

27

Figura 5.11. Capete de antrenare tip Robbins-Myers

5.5. 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

distanţa 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 impurităţi

raţia gaze - ţiţei

caracteristicile fluidelor extrase

posibilităţile de alimentare cu energie electrică.

Alegerea unei instalaţii de pompare cu pompe elicoidale reclamă următoarele:

alegerea tipului de pompă

alegerea materialului din care este confecţionată pompa

alegerea tipului de cap de antrenare

alegerea prăjinilor de pompare

determinarea puterii totale de acţionare

alegerea motorului electric, a roţilor de curea şi a curelelor.

În cele ce urmează se va prezenta o metodologie simplificată de alegere a unei

instalaţii 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 şi ale substanţelor chimice de tratare cu

caracteristicile diferitelor materiale de construcţie a pompelor. Pe baza acestor informaţii

se determină materialul de construcţie al pompei din tabel.

2. Cunoscând nivelul dinamic al fluidului din sondă şi debitul estimat a fi extras

se alege pompa, capul de antrenare şi dimensiunea motorului electric. Această alegere este

28

doar orientativă, urmând ca alegerea finală să fie făcută pe baza caracteristicilor pompei,

caracteristici prezentate în fişa pompei.

3. Se verifică dacă pompa aleasă poate fi introdusă în coloana de exploatare a

sondei. Utilizând apoi curbele de performanţă ale pompei, se determină viteza de rotaţie

necesară pentru extragerea debitului de lichid estimat, înălţimea de pompare fiind

cunoscută. De asemenea, se determină puterea de antrenare necesară la suprafaţă.

4. Cunoscând caracterul abraziv al fluidului extras, precum şi 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 rotaţie

este prea mare comparativ cu abrazivitatea fluidului , se alege pompa imediat următoare ca

dimensiune şi se repetă punctul 3. Se alege o pompă cu un debit mai mare, sau una

capabilă să suporte o presiune mai mare.

5. Cunoscând înălţimea dinamică totală de ridicare, se determină puterea totală de

acţionare a instalaţiei cu ajutorul diagramei care reprezintă curbele de performanţă ale

pompei. Se procedează astfel: din punctul corespunzător înălţimii dinamice totale se ridică

o verticală până intersectează curba corespunzătoare vitezei de rotaţie determinată la

punctul 4. Din punctul de intersecţie se trasează o orizontală spre dreapta şi se citeşte

puterea de acţionare.

6. În funcţie de puterea de acţionare determinată la punctul 5 se determină

dimensiunea minimă a motorului electric de acţionare. Această dimensiune minimă va fi

utilizată pentru determinarea momentului minim necesar pornirii precum şi a vitezei de

rotaţie. Se presupune că momentul minim necesar pornirii, reprezintă 167% din momentul

maxim de funcţionare.

7. În funcţie de adâncimea de fixare a pompei şi de viteza de rotaţie, se aleg capul

de antrenare şi prăjinile de pompare.

8. Se alege viteza de rotaţie a motorului electric, dimensiunile roţilor de curea,

tipul curelelor precum şi numărul şi dimensiunile acestora.

29

5.6. Metodologia de calcul a unei instalații de pompare elicoidale

Proiectarea unei instalaţii de pompare cu pompe elicoidale cuprinde următoarea

metodologie:

o se stabileşte adâncimea de fixare a pompei în sondă, Hp, ţinând seama de

nivelul dinamic de lichid din sondă, corespunzător presiunii de fund care să

asigure debitul Q preconizat de a fi extras;

o se calculează nivelul dinamic Hd, din sondă;

o se calculează pierderea de presiune prin frecare în ţevile de extracţie H frtevi,

exprimată în metri coloană de lichid;

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

o se calculează înălţimea dinamică totală de ridicare, H;

o din diagramele de alegere a pompelor în funcţie de H determinat anterior şi Q

estimat a fi extras se alege tipul de pompă;

o cunoscând tipul pompei, cu ajutorul curbelor de performanţă ale pompei se

determină viteza de rotaţie şi puterea de antrenare funcţie de H şi Q;

o se calculează raportul de reducere a turaţiei:

i=nmotor

npompa

o din fişa pompei se aleg caracteristicile acesteia:

- numărul de etaje

- lungimea rotorului

- lungimea statorului

- filetul rotorului

- filetul statorului

- diametrul exterior al pompei

- se efectuează calculul de rezistenţă al garniturii de prăjini de pompare.

30

5.7. Proeictarea unei instalații de pompare cu pompe elicoidale

Datele iniţiale pentru cele două sonde sunt prezentate în tabelul 5.1.

Date Sonda 2

Debitul sondei, m3/zi 11,3

Densitatea ţiţeiului, kg/m3 830

Densitatea apei, kg/m3 1066

Vâscozitatea ţiţeiului, cP 3

Vâscozitatea apei, cP 1

Procentul de impurităţi, % 66

Diametrul nominal al ţevilor de extracţie, in 27/8

Tabelul 5.1. Datele inițiale pentru sondele propuse aplicării pompajului elicoidal

În tabelul 5.2 sunt prezentate cateva tipuri de pompe elicoidale de la firma Kudu Industries

Inc. Pompele se împart în 4 serii, funcție de diametrul său exterior.

31

32

Tabelul 5.2. Caracteristicile de bază ale pompelor PCP

5.7.1. Calculul de proiectare pentru Sonda 1

- Pompa se fixează la adâncimea: Hfix =2088 m- Adâncimea de scufundare a pompei (submergenţa pompei): Hsub = 100 m- Pierderile prin frecare în ţevile de extracţie:

v= 4 ∙ Q

86400∙ π ∙d i2= 4 ∙ 11.3

86400 ∙ π ∙0,0622=0.043 m/ s

33

1. Se calculează înălţimea de pompare:

H=H d+ H fr+H cp=1988+0 , 234+51 , 705=2040 m

Funcție de această înălțime, se alege pompa.

2. Se alege pompa 60TP2000 din seria 27/8 in :

o viteza de rotaţie n = 100 rot/mino puterea de antrenare N = 10 CP

Din fişa pompei (figura 5.12) se aleg caracteristicile acesteia : numărul de etaje 43 etaje lungimea rotorului 5.7 m lungimea statorului 5.223 m filetul rotorului 13/8 in diametrul exterior al pompei 94 mm

34

Re=ρam⋅ν⋅d i

μ=985 ,76⋅0 , 043⋅62⋅10−3

3⋅10−3=883 ,537

λ=64Re

=64883 ,537

=0 ,073

H fr=λ⋅H p⋅ν2

2⋅g⋅d i

=0 .073⋅2088⋅0 ,0432

2⋅9 , 81⋅62⋅10−3=0 ,234 m

H cp=pcp

ρam⋅g= 5⋅105

985 ,76⋅9 , 81=51 ,705m

Figura 5.12. Fișa pompei elicoidale de tip 60 TP 2000

35

Figura 5.13. Graficul de performanță a pompei 60 TP 2000

Pentru efectuarea calcului de rezistenţă al garniturii se procedează astfel :

3. Se calculează greutatea coloanei de lichid din ţevile de extracţie :

pl=( At−ap )⋅H fix⋅g⋅ρam=(0 ,003019−0 ,000282 )⋅2088⋅9 ,81⋅985 ,76=55200 N

36

4. Se calculează factorul de flotabilitate :

5. Se calculează greutatea prăjinilor de pompare în aer :

N

6. Se calculează efortul unitar de tracţiune cu relaţia :

7. Se calculează momentul de torsiune cu relaţia :

Nm

8. Se calculează modulul de rezistenţă polar cu relaţia :

m 3

9. Se calculează efortul unitar cu relaţia :

10. Se calculează efortul unitar echivalent solicitării compuse conform celor două teorii de rezistenţă :

37

b=1−ρam

ρOL

=1−985 . ,67850

=0 ,874

pp=∑ qpi⋅lpi=(2 . 42⋅1097+3 , 22⋅503+4 .24⋅488)⋅9. 81=62230 N

N

m2σ t=

pl+b⋅p p

a p

=55200+0 ,874⋅622300 , 000378

=273 . 6⋅106

M t=9550⋅Nn

=9550⋅12190

=427 . 237

W p=π⋅d p

3

16=π⋅0 , 0223

16=2 , 09⋅10−6

N

m2τ t=M t

W p

=427 .2372 , 09⋅10−6

=204 . 348⋅106

σ ech1=12⋅( σ t+√σ t

2+4⋅τ t2 )=

12

(2614 .2+√2614 .22+4⋅2043 .42 )⋅105=

¿373 .287⋅106 N /m2

σ ech2=0 ,35⋅σ t+0 , 65⋅√σ t2+4⋅τ t

2=

¿(0 ,35⋅2614 .2+0 ,65⋅√2614 .22+4⋅2043 . 42)⋅105=406 . 847⋅106 N /m2

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

Se observă că este îndeplinită condiţia de rezistenţă, deci dimensionarea este corectă.

38

σ a=σc

cs

=7440⋅105

1 . 8=413 . 333⋅106 N /m2