Почему не внедряются плунжерные насосы при добыче нефти и газа?

Казалось бы, плунжерные насосы давно должны прийти на смену поршневым насосам при цементировании и бурении скважин, а также центробежным - при поддержании пластового давления. В действительности же этого не происходит. Наш завод на протяжении 25 лет занимается разработкой и производством всей гаммы плунжерных насосов. И мы прекрасно понимаем преимущества данных насосов.

Сравним рабочую пару: в поршневых «цилиндр – поршень», у плунжерных «плунжер - пакет уплотнений».
Пакет уплотнения плунжера неподвижен в отличие от поршня, и поэтому подвести к пакету смазку не представляет труда (рис.1).

Рисунок 1. Уплотнение поршневого и плунжерного насосов.

Подведенная смазка к паре «пакет-плунжер» дает возможность увеличить скорость перемещения плунжера или, другими словами, увеличить число оборотов насоса. Увеличивая число оборотов насоса, мы имеем возможность, не меняя его размеров увеличить мощность.

Это следует из формулы: N  = M х n, где  N – мощность,  М – крутящий момент,  n – число оборотов

Таким образом, переходя на плунжерные насосы и увеличивая обороты, снижаем габариты и вес насосов, одновременно снижая передаточное отношение трансмиссии.

Необходимо обратить внимание еще на одно преимущество плунжерных насосов, вытекающее из высоких оборотов. Высокие обороты позволяют иметь меньший диаметр плунжера.
Таким образом, уменьшаются внутренние размеры камеры клапанной коробки, что уменьшает напряжение при одном и том же требуемом давлении. Это очень существенное преимущество, так как поршневые насосы большой производительности очень часто выходят из строя по причине разрушения клапанных коробок.

Следующие преимущества плунжерных насосов завода «Синергия» - трансмиссия. Мы отказались от традиционных решений в существующих поршневых насосах: цилиндрические, червячные и клиноременные передачи заменили на планетарные передачи.

Основные преимущества планетарных передач: высокий коэффициент полезного действия более 0,9. Для сравнения КПД традиционной трансмиссии разнесенных шевронов  плюс клиноременная передача не более 0,7, а у червячной передачи и того меньше. Планетарные передачи отличает также высокий ресурс и надежность. Не приходит никому в голову, например, на вертолете или танке, где требуется высокая надежность, применять цилиндрическую или клиноременную передачу.

Еще одно преимущество насосов нашего завода – использование подшипников скольжения. Это также ведет к уменьшению габаритов и к увеличению ресурса.

Что касается использования центробежных насосов при поддержании пластового давления, где требуется давление более 10 МПа, то их применение абсолютно бесперспективно. При увеличении требуемого давления у них резко снижается КПД и ресурс одновременно, а стоимость растет. При ППД, как правило, требуется менять расход, сохраняя при этом давление. А так как центробежные насосы не позволяют этого делать, приходится поток дросселировать, что приводит к дополнительным потерям.

В конце 2015 года наш завод установил в ПАО «Татнефть» две насосные установки СИН50.3.12 мощностью 250 кВт взамен одного Воткинского центробежного насоса ЦНС 63-1400 и Канадского REDA 1500-1500. В обоих случаях расход электроэнергии снизился вдвое. А что касается долговечности насосов, то ресурс центробежных насосов для ППД - 12000 часов[1], плунжерных насосов - 30000 часов. Таким образом, плунжерные насосы превосходят по всем статьям поршневые насосы при цементировании и бурении скважин, а также центробежные насосы при ППД, следовательно должны прийти им на замену. В действительности этого не происходит.

Возьмем для примера цементировочные агрегаты на базе КАМАЗов, УРАЛов и МАЗов, которые мы выпускаем уже более 20 лет. Нет к ним никаких претензий. В тоже время, по нашим оценкам, весь парк цементировочных агрегатов России на 60–70% состоит из цементировочников с поршневыми насосами типа 9Т и всего 30–40% с плунжерными. И, что удивительно, заказывая новые цементировочники, в 50% случаев хотят именно поршневые насосы. Доводы в пользу поршневых насосов: у нас есть запасные части, мы знаем эту технику, мы можем ее ремонтировать. А то, что поршневые насосы затратны, во внимание не принимается.
КПД насоса 9Т не более 0,6; КПД же насоса СИН32 более 0,8. А это говорит о том, что насос 9Т выполняет ту же самую работу, что и насос СИН32, только тратит топлива, как минимум, на 30% больше, перегружает маршевый  дизель и развивает меньшую гидравлическую мощность.
И то, что ресурс у наших несравненно больше, говорит тот факт, что, выпустив более 2000 машин с насосами СИН32, у нас никто не запрашивает запасных частей для ремонта насосов, за исключением быстроизнашиваемых частей: клапанов, плунжеров, пакетов уплотнений и седел. Наши насосы не ремонтируют, на них работают.

Так почему же плунжерные насосы до сих пор не вытеснили поршневые? Объяснение это феномену одно – слишком велика разница между себестоимостью добычи нефти и газа и их рыночной ценой. Это позволяет не напрягаться переходом на новую технику и работать по старинке.

Если в машиностроении обороты металлообрабатывающих станков с 70-х годов прошлого века повысились к настоящему времени с 2,5 до 10 тыс. об/мин, то при добыче нефти и газа поршневые насосы как работали, так и работают на 100 об/мин.

Надеемся, что сегодняшнее резкое снижение цены на углеводороды заставит сделать шаг на встречу плунжерным насосам!

Главный конструктор
ООО «Завод «Синергия» 
Назаров В.И.