Две трети фонда (66%) действующих скважин стран СНГ (примерно 16,3% всего объема добычи нефти) эксплуатируются штанговые насосные установки. Дебит скважин составляет от десятков килограммов в сутки до нескольких тонн. Насосы спускают на глубину от нескольких десятков метров до 3000 м., а в отдельных скважинах на 3200 ÷ 3400 м [2].
В процессе работы штангового насосной установки в точке подвешивания на штанг действуют, кроме статических, инерционные и динамические нагрузки [3]. Инерционные нагрузки возникают вследствие ускоренного движения колонны штанг и столба жидкости. Динамические нагрузки возникают в результате вибрации колонны штанг. Такой характер нагрузки приводит к осложнениям в работе насосных штанг и всех его механизмов, а также уменьшает их долговечность.
Наличие амортизатора в схеме подвески клоны штанг существенно улучшит условия работы оборудования штанговой насосной установки, позволит предотвратить возникновение поломок и сократить расходы на ремонт и обслуживание оборудования.
Вследствие упругих деформаций штанг и труб после начала движения точки подвеса штанг вверх плунжер насоса остается неподвижным относительно цилиндра. После того, как произойдет растяжение штанг и сокращения труб, движение от точки подвешивания штанг (канатной подвески) передается плунжеру, причем за это время точка подвеса успевает набрать определенную скорость. В результате плунжер резко сдвигается с места и нагружается столбом жидкости в трубах в виде импульса силы, то есть возникают продольные свободные колебания системы «колонна штанг – столб жидкости». В данном случае применения амортизационной подвески позволит компенсировать амплитуду колебаний штанг и уменьшить динамические нагрузки в точке подвеса штанг в момент сдвига плунжера, после чего плунжер будет набирать меньшую скорость, что позволит существенно снизить количество обрывов колонны насосных штанг через динамическую перегрузку[3].
Компенсация амплитуды колебаний происходит за счет упругих деформаций амортизирующего элемента. В качестве амортизационного элемента можно использовать амортизатор колебаний, который изготавливается из резины.
Выбор материала амортизатора объясняется тем, что резина имеет свойство значительно деформироваться при относительно незначительных напряжениях (эластичная деформация) [5]. При этом происходит изменение формы амортизирующего элемента при сохранении его постоянного объема. В процессе приложения нагрузок амортизирующий элемент деформируется, поглощая механическую энергию, а при снятии нагрузок он набирает исходную форму, рассеивая при этом поглощенную энергию. При действии кратковременных импульсов или ударов, вызванных заклиниванием плунжера скважинного насоса, поглощение энергии амортизирующим резиновым элементом позволяет существенно уменьшить нагрузку на подвеску, что значительно повысит долговечность системы «станок-качалка-скважинное оборудование». При этом поглощаемая энергия расходуется на внутреннее трение слоев резины амортизирующего элемента. Это приводит к нагреву рабочих поверхностей и требует в будущем дополнительных исследований.
При поглощении механической энергии происходит уменьшение величины нагрузки на подвеску колонны насосных штанг на величину, которая равна значению энергии, поглощенной на деформацию упругого элемента. То есть величина энергии, поглощаемая амортизирующим элементом, должна быть максимально большой для обеспечения минимальной величины динамических нагрузок на точку подвеса штанг.
Для резины как вязко-упругого материала с наследственностью, наиболее подходят теории вязкого трения Кельвина-Фохта и Максвелла, и теория наследственности Больцмана-Вольтерра. Первые две основаны на гипотезе о пропорциональности внутреннего трения скорости смены циклов приложения нагрузок и приводят к общеизвестным уравнениям колебательных систем.
Физическая суть наследственной теории Больцмана-Вольтерра следующая. Пусть в момент времени t действующее напряжение имеет значение σ. Деформация упругого элемента в это время равна сумме нескольких составляющих. Первая составляющая – это мгновенная деформация, которая зависит от действующего в данный момент времени напряжение, которое определяется согласно закону Гука. В случае амортизатора устьевого штока эта составляющая равна величине нагрузки на шток и для станка – качалки она меняется от величины нагрузки, которая создается весом скважинного оборудования при неработающем станке –качалке, гири, которая равна нагрузке от веса скважинного оборудования и веса столба пластовой жидкости, которая поднимается. Это значение не должно превышать грузоподъемность станка – качалки, установленного паспортной характеристикой. Вторая составляющая – это собственная деформация упругого элемента. В нашем случае – это предварительное затягивание амортизирующих элементов в системе. По сравнению с величиной нагрузки эта величина незначительна и составляет около 0,5-0,8 кН. Третья составляющая – накопленная деформация, которая зависит от всех нагрузок, которые ранее действовали на амортизатор. Если в некоторый момент времени τ <t напряжение составляло σ (τ), то до момента времени t от напряжения остались наследственные деформации незначительных величин. Если напряжение действовало некоторый момент времени dτ, то соответствующая наследственная деформация ε (τ) пропорциональна σ (τ) и времени dτ. Но эта наследственная деформация ослабится со временем, причем закон ее ослабления описывается функцией в зависимости от времени (t -τ). За начало отсчета времени принято брать время начала приложения нагрузок. Для того, чтобы получить полную величину деформации, необходимо добавить все составляющие мгновенных деформаций за все промежутки времени t -τ. Данное уравнение приведено [1].
Итак, резина – это материал, который при приложении циклической нагрузки подвергается постоянным деформациям. При этом наблюдается перемещение материала в поперечных сечениях и при накоплении усталостных процессов происходит ее усталостное разрушение.
Уравнения теории вязкого трения Кельвина-Фохта и Максвелла, и теории наследственности Больцмана-Вольтерра свидетельствуют о следующем [1]: внутреннее трение практически не меняет свою частоту колебаний амортизирующей системы; наблюдается влияние на величину амплитуды колебаний и положений резонансного пика относительно вертикальной оси; при построении математических моделей колебаний амортизаторов нет возможности учета внутреннего трения, его влияние видно только в резонансных точках. То есть расчеты упругих колебательных систем амортизаторов не поддаются точным расчетам с помощью математических методов, но можно воспользоваться компьютерным моделированием, которое дает возможность отображения состояния внутренних перемещений и деформаций во всех точках колебательной системы.
В последнее время ведущие зарубежные фирмы-производители предлагают новые модели станков-качалок с канатными подвесками устьевых штоков, которые оборудованы амортизаторами на основе полимерных упругих элементов, способные ощутимо снизить влияние нагрузок, особенно в пиковых точках, на штанговые колонны, редукторы, витые канаты, втулки и другие нагруженные детали, работающие с номинальной нагрузкой на устьевого шток [4].
С целью установления оптимальной формы амортизирующих элементов стоит провести исследования для амортизирующих элементов в таких конструктивных исполнениях: сплошной прямоугольного сечения, полусферический сплошного сечения, а также полусферический пустотелого сечения.
Литература
- Булат А.Ф. Прикладная механика упруго-наследственных сред. В 3-х томах / А.Ф. Булат, В.И. Дырда, Е.Л. Звягильский, А.С. Кобец. – К.: Наук. думка – Т. 1. Механика деформирования и разрушения эластомеров. – 2011.
- Крец В.Г., Шадрина А.В. Основы нефтегазового дела. Учебное пособие / В.Г. Крец, А.В. Шадрина. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 200 с.
- Методы обеспечения надежности эксплуатации скважинного оборудования / Р.Я. Кучумов, В.А. Пяльченков, Д.В. Пяльченков. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. – 148 с.
- Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа. Издание 2-ое исправленное и дополненное / А.Г. Молчанов. – М.: Альянс, 2010. – 588 с
- Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. Добыча нефти. / Ш.К. Гиматудинов, Р. С. Андриасов, И. Т. Мищенко, А. И. Петров и др. – 3-е изд. – М.: Альянс, 2007. – 455 с.
