Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время эксплуатация нефтяных скважин при помощи установок погружных центробежных насосов (УЭЦН) является в РФ одним из основных способов механизированной добычи нефти. Отсюда ясно, насколько экономически целесообразно поддержание продолжительных межремонтных периодов скважин с УЭЦН.
Модульная компоновка УЭЦН – это техническая система, включающая комплексы агрегатов, устройств и инструментов, предназначенных для управления устойчивой работой УЭЦН. Комплексы работают как отдельные модули, участвующие в сложных динамических процессах, происходящих в скважине.
Одной из причин отказов типа «полет» у модульной компоновки УЭЦН является усталостное разрушение соединительных элементов модулей из-за динамических колебаний, сопровождающихся также жесткими ударами погружного агрегата об эксплуатационную колонну.
Этот вид отказа является наиболее опасным, так как падение скважинного оборудования на забой скважины сопровождается повреждением агрегатов, узлов, заклиниванием упавшего оборудования в обсадной колонне, что делает его неремонтопригодным. Ликвидация таких аварий характеризуется прямыми затратами на подъем упавшего оборудования и восстановление забоя скважины, при этом существенно возрастают и экономические потери, связанные с вынужденным простоем скважины.
Для предотвращения «полетов» УЭЦН были разработаны различные технические средства: демпферы, гасители колебаний, противополетные устройства и так далее. Основной недостаток таких устройств - небольшой ресурс работы в скважинных агрессивных средах, сохранился.
Задача разработки компоновки центробежного насоса, включающей в себя специальные технические средства борьбы с колебательными процессами и способной работать с большим ресурсом в агрессивных скважинных средах, является актуальной.
Цель работы
Повышение работоспособности электроцентробежной насосной установки за счет включения в её компоновку модуля динамического гасителя колебаний.
Основные задачи исследований:
-
Анализ характерных отказов и неисправностей УЭЦН, методов оценки их технического состояния, а также способов борьбы с отказами, вызванными вибрацией.
-
Разработать модуль динамического гасителя колебаний для УЭЦН и вибростенд для его вибрационных испытаний.
-
Выполнить качественную и количественную идентификацию динамики компоновки как механической системы: построить математические модели колебательных систем компоновок УЭЦН с динамическим гасителем и без него.
-
Провести исследования модуля динамического гасителя колебаний на вибрационном стенде и динамических характеристик материалов вязкоупругого типа, работоспособных в скважинных условиях, на машине динамического нагружения Инстрон 8801. На основе полученных результатов разработать критерии к вязкоупругим свойствам материалов демпфера динамического гасителя колебаний УЭЦН.
-
Экспериментально исследовать взаимозависимость динамических параметров модульной компоновки УЭЦН и виброзащитных свойств динамического гасителя колебаний.
Методы решения задач
В работе использован комплекс методов, включающих аналитические, численные, стендовые исследования работы модуля динамического гасителя колебаний УЭЦН, статистические обобщения, а также синтез принципиально нового технического устройства в компоновку УЭЦН и технологии его применения.
Научная новизна
-
Аналитически решена задача, связанная с синтезом динамической компоновки электроцентробежной насосной установки модульного исполнения с динамическим гасителем колебаний, путем создания математической модели и исследования ее как динамической системы с линейными коэффициентами.
-
Стендовыми исследованиями полноразмерной модели динамического гасителя выявлены и определены критерии динамической устойчивости работы предлагаемой модульной компоновки УЭЦН в зависимости от диапазона рабочей частоты вращения погружного электродвигателя. Установлено, что для получения лучших виброизоляционных свойств демпфера динамического гасителя, выполненного из вязкоупругих материалов, при работе на низких частотах (от 13,5 до 23,5 Гц) необходимо обеспечить тангенс угла механических потерь в пределах от 0,37 до 0,57, а для работы в диапазоне высоких частот (от 23,5 до 50 Гц) - в пределах от 0,07 до 0,12.
-
Установлена полиноминальная зависимость виброскорости, замеренной в точке соприкосновения опорных элементов динамического гасителя колебаний с корпусом вибрационного стенда, от частоты вынужденных колебаний, плотности материала демпфера и величины возмущающей нагрузки.
Практическая ценность и реализация
-
Разработанный динамический гаситель колебаний модульной компоновки центробежного насоса и вибростенд для его исследований используются в учебном процессе при изучении студентами Уфимского государственного нефтяного технического университета направления 130500 «Нефтегазовое дело» дисциплин «Детали машин» и «Теория механизмов и машин».
-
На основе результатов испытаний на вибростенде и на машине динамического нагружения «Инстрон 8801» разработаны методические рекомендации по выбору марки нефтестойкой резины для динамического гасителя колебаний, которые вошли в «Методику подбора марки резиновой смеси для изготовления демпфирующих устройств», внедренную в ООО НПФ «РТП» в декабре 2010 года.
Апробация результатов исследований
Основные положения диссертационной работы докладывались на 14-й международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2010), научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г. Уфа, 2010), 4-й научно-практической конференции молодых специалистов ООО «РН - УфаНИПИнефть» (г. Уфа, 2010), международной научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г. Уфа, 2011), 7-й международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт- 2011» (г. Уфа, 2011).
Публикации
Основные положения диссертации изложены в восьми печатных работах, из них три статьи в изданиях из перечня Высшей аттестационной комиссии; получен патент на изобретение. На выполнение работы в 2009 году был получен грант Республики Башкортостан молодым ученым и молодежным научным коллективам.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 109 наименований, содержит 155 страниц машинописного текста, включающего 41 рисунок, 36 таблиц и 4 приложения.
