Одновинтовые насосы, известные за рубежом как Progressive Cavity Рumps (PCP), изобретены 90 лет назад выдающимся французским инженером Р. Муано и за прошедшее время получили распространение практически во всех отраслях промышленности.
ОВН нашли широкое применение и в нефтяной промышленности, и сейчас наметилась тенденция их дальнейшего развития, что объясняется:
– увеличением числа нефтяных месторождений с трудноизвлекаемыми запасами (тяжелая и высоковязкая нефть, битумы);
– увеличением фонда малодебитных скважин, в том числе с горизонтальным окончанием;
– техническими достижениями, способствующими улучшению характеристик и повышению эффективности применения насосов в нефтедобыче: усовершенствования технологии изготовления, позволяющие выпускать рабочие ораны (РО) длиной 3м и более; внедрение новых эластомеров обкладок статоров для условий высоких температур и агрессивных перекачиваемых сред; методы корректировки геометрических параметров РО, позволяющие уменьшить известные негативные последствия конструкции насоса данного типа; внедрение полностью металлических РО; использование частотно-регулируемого электропривода и разработка принципиально новых типов привода насоса;
– универсальностью использования традиционных конструкций РО в различных технологиях добычи и бурения (мультифазные насосы, внутрипромысловый транспорт, подготовка раствора в буровых установках и др.).
Рабочим органом ОВН является винтовой героторный механизм – косозубая пара внутреннего пространственного циклоидального зацепления, состоящая из z–заходного металлического ротора (винта) и (z+1) – заходного статора (обоймы) с эластичной обкладкой, между винтовыми поверхностями которых образуются рабочие камеры (шлюзы).
Использование циклоидального профиля зубьев по сравнению с широко распространенным в общем машиностроении эвольвентным зацеплением обеспечивает возможность получения плавного профиля с любым числом зубьев, начиная от единицы (круглого сечения), как в роторе насоса Муано, а также широкий диапазон регулирования рабочего объема за счет выбора оптимальных геометрических параметров зацепления (как в торцовом сечении, так и пространственной формы поверхности).
По кинематическому отношению различают ОВН традиционного исполнения (с однозаходным ротором) и с многозаходными РО (рис. 1).
Выбор чисел зубьев и шагов ротора и статора является определяющим этапом при разработке ОВН, что позволяет получить необходимые кинематические и энергетические характеристики гидромашины (подачу Q, давление Р) при заданной частоте вращения n, диаметральном D и осевом L габарите (рис. 2).
Винтовой героторный механизм сочетает в себе объемную гидравлическую машину с числами зубьев, отличающимися на единицу, и механический планетарный редуктор, передаточное отношение которого соответствует числу заходов внутреннего элемента (ротора). Эта композиция в случае многозаходного исполнения РО обеспечивает синергетический эффект (кратность действия) выходных показателей гидромашины.
К отличительным особенностям ОВН, благодаря которым они нашли свою нишу в насосном парке нефтегазовой и других отраслей, следует отнести:
• отсутствие быстроизнашивающихся распределительных устройств, поскольку распределение жидкости по камерам РО осуществляется автоматически за счет соотношения чисел зубьев и шагов винтовых поверхностей ротора и статора;
• кинематику РО, в относительном движении которых сочетается качение со скольжением при относительно невысоких скоростях скольжения, что снижает износ рабочей пары;
• непрерывное изменение положения контактной линии (геометрического места точек касания поверхностей ротора и статора) в пространстве, в результате чего механические примеси, находящиеся в жидкости, имеют возможность выноситься потоком из РО;
• равномерность подачи и низкие внутренние скорости сдвига, что ограничивает эмульгирование жидкостей вследствие их перемешивания.
Объемы производства ОВН в России и мире постоянно растут. По данным компании РСМ только ее заводы, расположенные на многих континентах, выпускают в год не менее 6 000 насосов.
ОВН В РОССИИ
История развития ОВН в мире начинается в первой трети XX века. После того как в 1930 г. Р. Муано разработал и запатентовал объемный насос нового принципа, впоследствии получившего название Рrogressive Cavity Pump, затем на протяжении 1930 гг. РСМ, Netzsсh, Mono Pumps, R&M и другие компании Европы и Америки начинают промышленное производство и применение ОВН. В сороковые годы начинается история ОВН в нашей стране, основные этапы развития которых представлены в табл.
ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНенИЯ ОВН
За последние десятилетия ОВН заняли одну из ведущих позиций в парке технических средств механизированной добычи нефти.
Многолетняя практика эксплуатации различных месторождений показывает, что технология добычи с ОВН может успешно применяться в скважинах с различными геолого-техническими характеристиками. Основные достоинства ОВН – возможность эффективно откачивать скважинные жидкости различной вязкости, обводненности, плотности и содержащие механические примеси, делают их конкурентоспособными по сравнению с традиционными технологиями с использованием ЭЦН и ШГН в определенных условиях эксплуатации.
ОВН характеризуются и другими преимуществами – малой металлоемкостью и высокой всасывающей способностью. Что касается вязкости продукта, то влияние этого показателя зависит от частоты вращения насоса и геометрии его РО. Для каждого типоразмера существуют рекомендации по выбору скорости, обеспечивающей эффективную работу насоса в заданных условиях. В каталогах различных фирм фигурирует вязкость до 10 000 сСт.
Для добычи сверхвязкой нефти типоразмер ОВН выбирается с учетом допускаемой частоты вращения, обеспечивающей нормальные условия наполнения и минимальные гидравлические сопротивления в камерах насоса.
Подбор ОВН и глубина его спуска производится технологическими службами нефтедобывающих предприятий индивидуально для каждой скважины с учетом температуры, физико-химических свойств добываемой жидкости, оптимального дебита и других факторов с использованием программных комплексов для подбора и оптимизации режима работы насосного оборудования («Автотехнолог», RN-ROSPUMP и др.).
По данным авторитетных изданий в настоящее время винтовыми установками успешно эксплуатируется более 50 000 скважин по всему миру. Наибольшее распространение они получили в Канаде, Китае, Казахстане, а в России– на месторождениях Урало-Поволжья и Коми. Насосы поставляются как с верхним приводом (рис. 3), так и бесштанговые с приводом от погружного электродвигателя.
Штанговые насосы в широком диапазоне параметров за рубежом выпускаются многими транснациональными компаниями (РСМ, Кudu, Netzsch, Weatherford, Centrlift и др). В России их производят Ливгидромаш, завод им. Гаджиева, ВНИИБТ-БИ.
Отечественные ОВН выпускаются в диаметральных габаритах от 60 до 127 мм, что позволяет их использовать в различных технологиях, включая добычу из горизонтальных скважин и дополнительных стволов в горизонтально-разветвленных скважинах.
Большинство западных производителей выпускают широкую гамму типоразмеров штанговых насосов (в трубном и вставном исполнении) с наружными диаметрами от 42 до 130 мм и давлением до 30 МПа. При больших глубинах спуска и подачах насоса длина винтовой пары может достигать 15 м (рис. 4).
Бесштанговые насосы с нижним электрическим приводом под маркой ЭВН еще с 1960-х годов в России производят компании: Борец, Ливгидромаш, завод им. Гаджиева. За рубежом такие насосы выпускают фирмы REDA, Centrilift, Netzsch. 
Помимо традиционных асинхронных ПЭД насосы ЭВН комплектуются частотно-регулируемыми приводами, а также вентильными и индукционными электродвигателями (РИТЭК, Татнефть), что позволяет расширить диапазон выходных параметров и повысить эксплуатационные показатели насосной установки.
Некоторые производители перешли на однопоточную конструктивную схему ЭВН с вынесенной осевой опорой, что обеспечивает повышенный эксплуатационный ресурс и возможность размещения сепаратора на приеме насоса.
Диаметральные габариты ЭВН 55 – 172 мм. Подача в зависимости от типоразмера насоса и типа погружного электродвигателя составляет 15–200 м3/сут. Некоторые модели способны развивать давление 20 МПа.
Специалисты отечественных машиностроительных и нефтяных компаний разработали и внедрили ряд оригинальных технологических схем применения ОВН, в частности, компоновки для одновременно-раздельной эксплуатации (ОРЭ) с применением винтового и плунжерного насосов, для добычи нефти и закачки воды в поглощающий горизонт с применением двух винтовых насосов (рис. 5).
Серьезное усовершенствование получили эластомеры, применяемые в обкладках статоров. Использование модифицированных нитрильных каучуков позволило поднять термостойкость до 160–180 град. Заслуживает внимания и т.н. скользкая резина, предложенная РЕАМ-РТИ и обеспечивающая заметное снижение коэффициента трения в резинометаллической паре.
Обрезинивание статоров для нефтяных ОВН в отечественной практике производится на Чайковском заводе РТД и других предприятиях.
Опыт эксплуатации насосов во многих странах показал, что современные погружные ОВН могут эффективно применяться в самых разнообразных технологиях механизированной добычи нефти. Так, например, в России имеется положительный опыт эксплуатации ЭВН с вентильным приводом ПК «Борец» на малодебитном фонде скважин ОАО «Сургутнефтегаз», позволивший решить задачу сверхнормативного энергопотребления ЭЦН и перевести скважины на непрерывный режим добычи.
На западном рынке появились инновационные технические решения для ОВН. Французская компания РСМ предложила модификацию рабочих органов для добычи нефти с высоким газосодержанием (до 90% свободного газа), что достигается установкой в серийных РО гидравлического регулятора, обеспечивающего равномерное распределение давления по длине за счет выполнения лысок или прорезей для внутренней рециркуляции жидкости.
Эта же фирма внедрила технологию изготовления полностью металлических РО без использования эластомеров в качестве обкладки статора. Такие насосы (торговая марка Vulcain) выпускаются с верхним приводом в габаритах 60–127 мм (9 моделей с подачами 60–500 м3/сут. и давлением до 12 МПа). Появление на рынке таких насосов открыло новые горизонты их применения, прежде всего, с использованием термических методов при эксплуатации месторождений с трудноизвлекаемыми запасами (рис. 6).
Прообразом такой модификации ОВН можно считать разработанный в СССР в 1970-е годы насос с чугунным статором для перекачки химически агрессивных жидкостей, а также технология производства гидроштампованных роторов, освоенная в ООО «ВНИИБТ-БИ».
Технологическим достижением также является разработка высоконапорного насоса, оснащенного статором с равномерной толщиной эластичной обкладки, используемого, например, фирмой Netzsch в различных технологических процессах.
Насосы для транспортирования нефти и газожидкостных сред. Внутрипромысловый транспорт является важной составляющей наземного технологического оборудования в бурении и добыче.
Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации и литературных источников дает основание считать, что одним из наиболее эффективных для перекачки нефти и газожидкостных смесей наряду с двухвинтовым насосом и поршневым насосом специального исполнения с бустерной приставкой является ОВН. 
В некоторых технологических процессах ОВН, обладая рядом серьезных эксплуатационных преимуществ, вытесняют применяющиеся центробежные насосы.
Многие компании (Netzsch, PCM, Robbins & Myers) изготавливают модельные ряды ОВН такого назначения (с подачей от 10 до 250 м3/ч и давлением до 7 МПа), получивших название мультифазных.
Мультифазные насосы также выпускаются в России, в частности, ООО «ВНИИБТ–Буровой инструмент» изготавливает насосы с многозаходными РО и различной компоновкой привода, оснащенные устройством защиты от сухого трения при кратковременном отсутствии жидкой фазы. Гамма таких насосов обеспечивает подачу до 350м3/ч и давление до 4 МПа (рис. 7).
ДРУГИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОВН
ОВН, обладая уникальными эксплуатационными характеристиками, успешно применяются в экологических проектах как средство откачки нефтей и эмульсий из цистерн и водоемов. Интерес представляют плавучие понтонные насосные установки (рис. 8) для сбора остаточных нефтепродуктов с целью увеличения обьемов добычи и улучшения экологической ситуации на месторождении.
В отдельных случаях ОВН могут найти применение в системах поддержания пластового давления и выполняться по двум схемам (вертикального и горизонтального исполнения).
В последние годы ОВН широко применяются в циркуляционных системах буровых установок и зарекомендовали себя как надежные и эффективные насосы для питания центрифуг в ступени тонкой очистки бурового раствора, а также дозирования химических реагентов.
ПУТИ РАЗВИТИЯ
Будущее ОВН, вероятно, будет определяться совершенствованием их рабочих органов и применением инновационных конструкционных материалов и технологий изготовления.
Следует отметить, что потенциальные возможности РО насосов еще полностью не использованы. Так, не получили широкого применения многозаходные винтовые пары, впервые предложенные в отечественной практике еще в 1980-х годах, и нетрадиционные кинематические схемы с дополнительной подвижностью РО. Использование многозаходных ОВН особенно эффективно при реализации целей увеличения подачи и давления при сохранение длины и диаметрального габарита насоса, а также при пониженных частотах вращения приводного вала.
Дальнейшее развитие нефтяных 
ОВН будет идти по пути расширения номенклатуры насосов для технологий механизированной добычи нефти:
– малогабаритных малодебитных насосов как альтернатива ЭЦН и ШГН;
– насосов для добычи нефти с использованием метода закачки в пласт теплового агента, а также комплексных технологий применения катализаторов и растворителей;
– мультифазных насосов для внутрипромыслового транспорта и освоения скважин;
– внутрискважинных технологических компоновок с использованием ОВН;
– эффективных приводов для штанговых и бесштанговых ОВН с цифровыми системами управления.
Потенциальные возможности ОВН не ограничиваются приведенными выше конструкциями и технологическими схемами. Вниманию читателей предлагаются два проекта, разработанные еще в прошлые годы и не утратившие свою актуальность на современном этапе:
1) Погружной одновинтовой насос с нижним гидравлическим винтовым приводом.
Впервые эта идея была обнародована и запатентована в нашей стране еще в 1972 г. В качестве привода был предложен винтовой гидромотор по принципу действия и конструкции аналогичный применяемому в бурении забойному двигателю.
Эксплуатационные преимущества такого насоса – отсутствие клапанно-золотниковых распределителей потока; возможность применения воды в качестве рабочей жидкости; возможность эксплуатировать скважины практически любого сложного профиля, плавное регулирование подачи; отсутствие силового кабеля и гидрозащиты.
Можно предположить, что целесообразность реализации такого проекта будет возрастать по мере необходимости эксплуатации наклонно-направленных и горизонтальных скважин, в том числе, на шельфе и море. Известны несколько технологических схем размещения гидроприводного насоса в скважине. На рис. 9 представлена простейшая схема установки.
2) Силовой буровой насос для мобильных установок, в том числе, с использованием колтюбинга.
Мобильные установки широко применяются при освоении и капитальном ремонте нефтяных и газовых скважин. В их составе в качестве силового циркуляционного насоса применяются плунжерные насосы, которые размещаются на шасси и приводятся в действие от коробки скоростей автомобиля.
В установках, предназначенных для обслуживания скважин с давлением нагнетания до 15 МПа будет целесообразно использовать специальный горизонтальный многозаходный ОВН (рис. 10). Такая замена позволит снизить массу и стоимость насоса и обеспечит равномерность потока жидкости.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Одновинтовые насосы получили широкое применение в нефтяной промышленности мира, являясь незаменимым элементом многих технологических процессов, их производством и эксплуатацией занимаются всемирно известные машиностроительные компании.
В нашей стране специалистами конструкторских, научно-исследовательских и производственных предприятий создана гамма ОВН для нефтяной промышленности.
Отечественные ученые, инженеры и конструкторы внесли существенный вклад в практику конструирования, создания теории рабочего процесса и проектирования этих насосов. Ими разработаны и внедрены десятки новых технических решений, защищенных патентами.
Потенциальные возможности ОВН далеко не исчерпаны. Значимость ОВН в нефтяной промышленности будет возрастать по мере реализации существующих проектов и появления инновационных технологий нефтедобычи.
