Введение к работе
Актуальность работы
Достижение высокого уровня добычи нефти и газа на современном этапе реализуется увеличением глубины бурящихся скважин и созданием новых сырьевых баз в отдаленных и труднодоступных регионах. Особое место в процессе бурения, ремонта и освоения скважин занимают буровые и нефтепромысловые насосы. Они являются не только основными потребителями энергии, но и центральным звеном в функциональной схеме буровой установки, которое должно сохранять работоспособность в процессе всего срока проводки ствола скважины. Выход из строя буровых насосов приводит к потери циркуляции промывочной жидкости, что является причиной возникновения аварий и осложнений, ликвидация которых связана с большими материальными и временными затратами.
Усложнение технологии бурения нефтяных и газовых скважин и их капитального ремонта способствовало существенному увеличению рабочих параметров насосов, в первую очередь давления нагнетания. Это предопределило потребность в буровых насосах мощностью до 1000 кВт при давлении на выходе свыше 50 МПа.
Увеличение объемов добычи нефти и газа требует соответственно и повышения затрат на изготовление оборудования, его ремонт и техническое обслуживание. Одним из резервов роста производительности, снижения затрат на эксплуатацию оборудования является повышение его долговечности. Особое значение имеет обеспечение необходимого уровня работоспособности буровых насосов, так как от них во многом зависит качество проведения технологических операций, а значит и эффективность последующей эксплуатации нефтяных и газовых скважин. В среднем третья часть отказов буровой установки приходится на долю буровых насосов.
Работоспособность буровых поршневых насосов в основном определяют сменные детали гидравлической части: поршни, цилиндровые втулки, клапаны, уплотнения. Использование абразивосодержащих и агрессивных рабочих сред при высоком давлении снижает и без того крайне низкий технический ресурс деталей гидравлической части насосов. В экстремальных условиях эксплуатации срок службы деталей гидравлической части иногда составляет десятки часов. Замена быстроизнашивающихся деталей требует наличия резервного насоса, значительных материальных и трудовых затрат с применением тяжелого ручного труда в экологически неблагоприятных условиях. Обеспечение требуемой долговечности узлов и деталей гидравлической части является одной из основных задач при проектировании насосов.
Одним из важных элементов гидравлической части насосов являются клапаны. Их функционирование во многом определяет степень совершенства конструкции насоса (высоту всасывания, величину объемного КПД и коэффициент подачи), динамику работы насосного агрегата (неравномерность крутящего момента на валах). Согласно нормативных требований, совершенствование конструкции и эффективность функционирования буровых насосов в основном сводится к ограничению механических и гидравлических потерь в насосе. Поэтому дальнейшие исследования в направлении поиска новых конструкторских и технологических решений, направленных на увеличение ресурса клапанов, представляются перспективными и актуальными, что позволит повысить технико-экономические показатели работы буровых насосов и процесса бурения в целом.
Цель диссертационной работы
Повышение эффективности эксплуатации буровых поршневых насосов совершенствованием конструкции тарельчатых клапанов путем уменьшения динамических нагрузок при ударной посадке тарели на седло.
Основные задачи исследований
1 Анализ условий эксплуатации буровых поршневых насосов и причин их отказов.
2 Оценка эффективности работы клапанов буровых поршневых насосов и анализ их износа.
3 Аналитические исследования динамики клапанов буровых поршневых насосов.
4 Экспериментальные исследования вибрации клапанов буровых поршневых насосов.
5 Разработка конструкции клапана бурового насоса с элементами виброзащиты.
Методы решения поставленных задач
Поставленные задачи решались путём экспериментальных и аналитических исследований с использованием апробированных методик. Обработка результатов проводилась с использованием современных математических методов, вычислительной техники.
Научная новизна работы
1 Статистическим анализом характерных отказов буровых поршневых насосов установлено, что одной из причин низкого ресурса клапанов является их низкочастотная вибрация, возникающая при ударной посадке запорного элемента и обусловленная режимом работы насоса.
2 Выполнено аналитическое решение научной задачи, связанной с разработкой и исследованием математической модели клапанной коробки поршневого насоса как динамической системы с линейными коэффициентами демпфирования при продольных колебаниях в процессе передачи усилий от тарели клапана к седлу и корпусу насоса.
3 Аналитически установлена гиперболическая зависимость усилий в клапанной системе, возникающих при посадке тарели на седло, от модуля упругости уплотнительного эластомера.
4 Предложен алгоритм подбора эластомера клапана бурового насоса с точки зрения исключения вероятности появления резонансных колебаний в насосе, возникающих при ударной посадке тарели на седло клапана.
Основные защищаемые положения
1 Результаты теоретических и экспериментальных исследований динамики тарельчатых клапанов буровых поршневых насосов.
2 Рекомендации по выбору материала эластичного элемента для виброизоляции клапанов.
3 Технические решения, направленные на уменьшение усилий, передающихся от клапана корпусу насоса.
Практическая ценность работы
1 Разработан экспериментальный стенд для исследований вибрации клапанов буровых поршневых насосов.
2 Разработаны конструкции тарельчатых клапанов для буровых поршневых насосов, уменьшающие величину максимальных ударных усилий при посадке тарели на седло.
3 Разработано учебно-методическое пособие по изучению динамики клапанов бурового поршневого насоса 9МГр, используемое в учебном процессе Филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Октябрьский при выполнении лабораторных работ по курсу «Техника и технология бурения нефтегазовых скважин» для студентов специальности 130602 «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов».
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Межвузовских научно-технических конференциях «Проблемы нефтедобычи Волго-Уральского региона» (г. Уфа, 2000 г.) и «Нефть и газ – 2001: проблемы добычи, транспорта и переработки» (г.Уфа, 2001 г.), Международной научно-практической конференции «Нефтегазовые горизонты» (г. Москва, 2011 г.), научных семинарах кафедры нефтепромысловых машин и оборудования Октябрьского филиала и кафедры нефтегазопромыслового оборудования Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Публикации по теме диссертации
Основное содержание диссертации опубликовано в 17 печатных трудах, в числе которых 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ и 2 патента РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы из 112 наименований; содержит 142 страницы машинописного текста, 27 рисунков, 13 таблиц и 3 приложения.
