автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование взаимодействия станков-качалок с промерзающим грунтом

На правах рукописи

СИТНИКОВ ВИКТОР ПЕТРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТАНКОВ-КАЧАЛОК С ПРОМЕРЗАЮЩИМ ГРУНТОМ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

(нефтяной и газовой отрасли)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень 2003

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ Кушнир Семен Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Грачев Сергей Иванович кандидат технических наук Жевагин Алексей Иванович

Ведущая организация: ОАО «Нижневартовск НИПИнефть»

Защита диссертации состоится 4 июля 2003г. в. 1600 час. на заседании диссертационного совета Д 212.273.08 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г.Тюмень, ул.Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ Автореферат разослан «2» июня_2003г.

Ученый секретарь ^

диссертационного совета Пономарева Т. Г.

А

Т17Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В соответствии с энергетической стратегией России до 2020года, утвержденной Правительством России, Западная Сибирь будет и впредь оставаться главным нефтедобывающим регионом страны. При этом следует отметить, что многие крупные месторождения нефти вышли на поздние стадии разработки с падающей добычей. Доля трудноизвлекаемых запасов с низкими дебитами скважин (менее Ют/сутки) составляет 55-60% и продолжает расти. В этих условиях из основных способов добычи нефти все большую значимость приобретает механизированный, включающий штанговые глубинные насосы (ШСН) и погружные центробежные электронасосы (ПЦЭН).

Штанговый насосный способ из традиционных способов добычи нефти является самым трудоемким и малопроизводительным. Широкое его применение объясняется большим числом малодебитных скважин, для которых эксплуатация скважин штанговыми насосами остается технически оправданной и экономичной по сравнению с другими способами добычи нефти.

В условиях Западно-Сибирского нефтегазового региона рамы штанговых насосов устанавливаются, как правило, на свайных фундаментах. При этом в условиях сурового резкоконтинентального климата и специфических грунтовых условий региона взаимодействие фундаментов станков-качалок с промерзающими грунтами следует отнести к сложной инженерной и научной проблеме.

Существующие в настоящее время методы проектирования фундаментов станков-качалок не учитывают тепловое и силовое взаимодействие системы «станок-качалка - массив грунта» и совместную работу талого и мерзлого грунтов. При этом сам глубинный насос передает на грунтовый массив динамические нагрузки, обуславливающие вынужденные колебания грунтового основания. .__

1 РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ | 1 БИБЛИОТЕКА

Статистический анализ объемов ремонтных работ станков-качалок (их центровка) свидетельствует о значительных расхождениях объемов в холодный и теплый периоды времени. Это подчеркивает значимость грунтового фактора в оценке надежности работы станков-качалок и обусловлено неравномерностью процесса промерзания фунта вокруг нефтяной скважины. С учетом неравномерных осадок фундамента и специфических особенностей работы массива грунта, обусловленных динамическими нагрузками глубинного насоса, передаваемых на грунтовое основание, взаимодействие фундамента станка-качалки с промерзающим массивом грунта является сложной и актуальной научной проблемой.

Цель работы - исследование теплового и силового взаимодействия свайных фундаментов станков-качалок с окружающим промерзающим грунтом, с учетом динамических нагрузок, передаваемых на массив глубинными насосами с целью повышения их эксплуатационной надежности.

Основные задачи исследования

1. Исследовать тепловое влияние одиночной нефтяной скважины на динамику промерзания грунта вокруг нее.

2. Разработать физико-математическую модель силового взаимодействия системы «станок-качалка - массив грунта» с окружающим грунтом.

3. Разработать методику определения геометрических и силовых параметров в плоскостях контакта межсвайного грунта с окружающим массивом.

4. Оценить влияние вибрации грунтового массива от свайного фундамента на контакт скважины с грунтом.

Научная новизна

- Впервые рассчитано температурное поле промерзающего грунта вокруг одиночной нефтяной скважины.

- Автором разработана силовая модель взаимодействия фундамента станка-качалки с грунтом с учетом совместной работы талого и мерзлого грунтов.

- Впервые теоретически обоснована работа различных участков свайного фундамента, находящихся на различных расстояниях от скважины, с учетом динамической нагрузки.

Практическая ценность

1. Автором впервые установлены по величине амплитуд вынужденных колебаний наиболее опасные периоды эксплуатации станков-качалок.

2. Установлены моменты времени эксплуатации станков-качалок для которых величины амплитуд вынужденных колебаний превышают (по передним сваям фундамента) допустимые для данного класса машин, регламентируемые действующими нормами. Что позволяет разработать рекомендации по проектированию фундаментов станков-качалок.

3. Результаты исследования, выполненные автором, позволяют выявить критерии оценки безопасных режимов эксплуатации станков-качалок с учетом комплекса технологических и конструктивных параметров.

На защиту выносятся

- Тепловая модель и закономерность движения во времени фронта промерзания грунта вокруг нефтяной скважины.

- Силовая модель взаимодействия фундамента станков-качалок с массивом грунта и распределение амплитуды вынужденных колебаний фундамента на его подошве.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на: научно-практической конференции по проблемам транспорта в Западно-Сибирском регионе, г.Тюмень, ТГНГУ, 2001г.; на научно-практической конференции по перспективам развития нефтегазовых объектов Западной Сибири, г.Тюмень, ТГНГУ, 2002г.; на международном научно-практическом семинаре «Геотехнические и эксплуатационные проблемы в нефтегазодобывающей отрасли» (г.Тюмень, 2002г.); на юбилейной научно-практической конференции по перспективам развития нефтегазовых объектов Западной Сибири, г.Тюмень, ТГНГУ, 2003г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 117 стр., содержит _27_рисунков и _40_таблиц. Список литературы включает 94 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность результатов исследования.

В первой главе анализируется современное состояние нефтедобывающей отрасли. Отмечается, что в условиях Западной Сибири доля трудноизвлекаемых запасов с низкими дебитами скважин (менее 10т/сут) составляет 55-60% и продолжает расти. В связи с этим

значительный объем скважин эксплуатируется с помощью глубинных штанговых насосов, более трети из которых постоянно простаивают.

В качестве объекта исследования выбрано нефтегазовое управление СНГДУ№2, в котором большее количество скважин (до 2000) оборудовано «станками-качалками», работающие в сложных климатических и инженерно-геологических условиях Западной Сибири: суровый, резкоконтинентальный климат, слабонесущие грунты и значительная (до 3,5-4,0 метра) глубина сезонного промерзания грунта.

Автором выполнен анализ работы станков-качалок, на основании которого сделан вывод о том, что, несмотря на высокую стоимость эксплуатации, из существующих способов добычи нефти в условиях падающего дебита скважин применение насосной эксплуатации является неизбежным.

Климатические и грунтовые условия эксплуатации станков-качалок с учетом специфики работы грунтового основания с динамическими нагрузками, передаваемых насосом на фундаменты основания, позволяют считать грунтовый фактор, как один из определяющих эксплуатационную надежность работы станков-качалок. Взаимодействие фундаментов станков-качалок с окружающим промерзающим фунтом практически не изучено и является сложной и актуальной научной проблемой.

Во второй главе поставлена и решена задача сезонного промерзания грунта вокруг одиночной нефтяной скважины.

Описание процесса промерзания грунта может быть осуществлено двумя способами. Первый из них связан с системой уравнений для температурных полей мерзлого и талого грунтов, дополняемой краевыми и начальными условиями, а также условием Стефана на фронте промерзания (рис.1).

открытая поверхность ФУ1"3

2г.

> о- насосно-комирсс< <К труба (НКТ)

Рис.1. Температурное поле промерзающего грунта вокруг одиночной скважины

Второй способ, выбранный в диссертации, опирается на одно

уравнение нестационарного поля 1(г;г;т) грунта, которое в выбранной

цилиндрической системе координат выглядит следующим образом:

д

Г , ^ NT 3t 1 д

[c(t) +аг- 8(t - )]■ — = - • — * ах г от

,,, 3t Wr-3r

dz

ад. |i

dz

, r„<r<R, 0<z<H (1)

где: ae - теплота замерзания (таяния) грунта;

5(t - Ц) - дельта функция Дирака для аргумента (t - Ц); ^-температура начала замерзания грунта; c(t) и X(t) — удельная объемная теплоемкость и теплопроводность грунта, определяемые

следующими соотношениями:

(Индексы «м» и «т» относятся к мерзлому и талому грунтам соответственно и носят сквозной характер).

Верхний предел изменения полярного радиуса г в уравнении определяется радиусом теплового влияния скважины Я, а величина Н соответствует глубине, на которой отсутствует влияние сезонного изменения климатических условий. Фактически уравнение (1) соответствует энтальпийной формулировке задачи Стефана, что обеспечивает такое важное (для компьютерных расчетов) свойство конечно-разностной схемы, как ее однородность, позволяющая сохранять один и тот же вид разностных уравнений для всех узлов сетки.

Первое краевое условие уравнения (1) связано с неразрывностью линейного теплого потока через многослойную цилиндрическую стенку скважины:

при г — гн = кг и(1ж -1)= -2этн • (3)

от

где: кс - линейный коэффициент теплопередачи;

1:ж - средняя температура жидкости (нефть+вода) в насосно-компрессорной трубе (НКТ);

гн - наружный радиус скважины, определяемый разбуривающим долотом.

Второе краевое условие для г записывается следующим образом:

при г = 11 — = 0 (4)

дт

и раскрывает физическую сущность понятия радиуса теплового влияния скважины 11: при г > Я температурное поле грунта (как мерзлого,

так и талого) является одномерным и зависящим от координаты z и времени т.

Третье краевое условие отражает равенство теплового потока, подводимого вследствие теплопроводности к открытой поверхности грунта и теплового потока, отводимого от этой поверхности путем конвекции:

при z = 0 Ц0- —= aH[t-tH(x)], (5)

О Z

(а„ - коэффициент конвективного теплообмена на открытой поверхности грунта;

t„(x) - температура наружного воздуха в момент времени т.

Четвертое 1раничное условие аналогично условию (4):

приг = Н — = 0 (6)

dz

и отражает тот факт, что при z>H температурное поле талого грунта вокруг скважины является одномерным и зависящим только от полярного радиуса г.

Для окончательного рассмотрения процесса промерзания грунта необходимо знание начального распределения температур t(r; z; 0) = f(r; z). Если за начало отсчета времени х принять момент наступления холодного периода (t„(x) < 0), то функция f(r; z) удовлетворяет уравнению Лапласа:

32f 1 df В2f rt

+ _ + =0 (7)

Вт1 г дт dz2

при следующих граничных условиях:

при г = гн кД1ж - f) = -2гн • Хг ■ — ; (8)

or

при г = Ы — = 0; при ъ = Н дт

при г = 0

5£ дъ

= а„

Поскольку кольцевой зазор между НКТ и колонной заполнен газовой смесью (воздух + легкие углеводороды), теплофизические характеристики которой неизвестны, то при определении кс дважды применялся метод итераций.

Сначала было найдено значение Кс на глубине г = Н, что позволило решить уравнение (1) и определить температурное поле в кольцевом зазоре. Дальнейшее уточнение значения Кс проводилось путем разбиения глубины Н на слои с шагом АН = 0,01Н и корректировкой К[ для каждого слоя.

Величина ан, входящая в краевое условие (5), определялась по СНиП И-3-79* «Строительная теплотехника» (а„ = 23 (Вт/м2-К), а среднемесячная температура наружного воздуха в холодный период апроксимировалась по Орлову параболической зависимостью:

где: тхол — продолжительность холодного периода в месяцах;

А - коэффициент, определяемый путем регрессии среднемесячных температур, взятых из СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

Для климатических условий г.Нижневартовска тхол = 200дней = 6,67мес. и А = +1,98°С/мес2.

Теплота замерзания ае, входящая в левую часть уравнения (1), определяется в соответствии со СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» по формуле

^00 = -Ат(т-тхол),

(9)

ае = 20-^0,-У/№)-Р<1> (10)

где: W,0t и Ww - суммарная влажность мерзлого грунта и его влажность за счет незамерзшей воды, в долях единицы; 7о-удельная теплота фазовых превращений вода-лед в Дж/кг;

рй - плотность скелета грунта в кг/м3. Величины и Ц, определяются видом грунта и его физико-химическими свойствами, в диссертации приняты значения = 0,05 и Ц = 0°С.

При компьютерных расчетах дельта-функция 8(г-Чф)

аппроксимировалась ступенькой с высотой 10-^- и основанием 2А = 0,2°С.

С

В качестве примера на рис.2 и 3 представлены результаты расчетов температурного поля грунта и динамики фронта промерзания в выбранный момент времени т при следующих геометрических и физико-механических характеристиках, соответствующих скважинам и окружающих их грунтам.

10 12

■

0

щ о<1»<5\:

■ -5-=ЦОС 0.5

■ -15Ч.Ч01С

■ 1,<-20Ъ 1.5

2

2.5

3

Рис.2. Температурное поле грунта при т=3,5 мес и 1Ж=40 °С

Рис.3. Положение фронта промерзания при т=6 мес и 1Ж=40 °С

Результаты расчетов положения фронта промерзания в различные моменты времени т (с дискретным шагом по времени Дт = 0,25мес) для различных геометрий и температуры представлены в главе в виде графиков и таблиц.

В третьей главе, на основе предложенной физико-механической модели, рассмотрено силовое взаимодействие свайного фундамента станка-качалки с окружающим грунтом и рассчитаны силовые характеристики такого взаимодействия (рис.4).

Рис.4.Расчетная схема динамического взаимодействия основания станка-качалки с окружающим грунтом

Вследствие кустового эффекта грунт межсвайного пространства (грунтовый массив) представляет собой усеченную пирамиду, грани которой отклонены от вертикали на угол <р/4 (<р - угол внутреннего трения грунта). Наличие динамической нагрузки на полированном штоке приводит к силовому взаимодействию системы «станок-качалка с рамой +сваи с грунтовым межсвайным массивом» с окружающим грунтом. В свою очередь, это взаимодействие распадается на 3 вида:

- взаимодействие на уровне подошвы свайного фундамента;

- взаимодействие по передней (по отношению к скважине) грани грунтового массива;

- взаимодействие по боковым граням массива (с учетом симметрии достаточно рассмотрение по одной грани).

1.Определение нормальной реакции Иосн окружающего грунта на уровне подошвы свайного фундамента (рис.5).

/!«7£(ф/3) / йа'<£(ф/4)

где: С2 - коэффициент упругого сжатия грунта;

8а - площадь подошвы свайного фундамента;

7с - среднее вертикальное перемещение свайного фундамента на уровне концов свай, равное 0,5(г1 + г2).

Для нахождения коэффициента Сг использовалась формула, приведенная в нормативном документе «Руководство по проектированию фундаментов машин с динамическими нагрузками» /НИИОСП им.Н.М.Герсеванова/:

х

Рис.5. К расчету упругой реакции И^н грунта на уровне подошвы фундамента Яосн(х) - эгаора распределенного отпора грунта

Величина К<,с„ определяется по следующей формуле:

(И)

где: в0 — коэффициент, значение которого для супесей и суглинков принимается равным 1,2(1/м);

Е - модуль деформации талого грунта в МПа; 80 = 10 м2.

Точка ЦоСН приложения силы Кос, совпадающая с центром тяжести эпюры q(x), имеет следующую координату по оси х:

Л г, + 2г2 ф

1 . С» ° А

3 г1+г2 4

(13)

(£„ ~ длина подошвы фундамента; Ьсв - глубина погружения свай). 2. Определение касательных (сдвиговых) сил на передней (задней) грани фунтового массива (рис.6).

__Ъ

В.

Рис.6. К расчету сдвиговых усилий на передней фани межсвайного фунтового массива

Фронт промерзания делит переднюю фань на области талого и мерзлого фунта. Результирующая сдвиговая сила со стороны талого фунта находится по формуле:

К1т=Сгг-81т-2„ (14)

где: Ср. - коэффициент упругого сдвига талого грунта;

Б 1т - часть площади передней грани, соответствующая талому грунту и определяемая законом движения фронта промерзания ^(т).

В соответствии с указанным руководством значение Суг может быть найдено по формуле:

<^ = 0,7^. (15)

Выражение для касательной силы Яш со стороны мерзлого грунта аналогично формуле:

=Сум -21> (16)

причем коэффициент С^ связан с коэффициентом С^ через отношение модулей деформации Ег и Е„ для талого и мерзлого грунтов:

С^-С^Ь.. (17)

Точки приложения сил и (Ц)т и Ц1м) по вертикали совпадают с центрами тяжести равнобедренных трапеций и вычисляются по известным формулам для выбранных моментов времени т по известной величине в,(х).

Так как модуль деформации Ен существенным образом зависит от температуры мерзлого грунта, то при расчетах использовалось его усредненное (по вертикали) значение, определяемое по результатам исследований Цытовича. Для грунтов, соответствующих грунтам объекта исследований, значение Ем равняется:

Ем = [о,7 + 0,23 • ё(т)]-103 МПа, (18)

где: 0(т) - среднее значение модуля температуры грунта по вертикали, определяемое как в(т) = 0,51

= 0,5

112=0

Совершенно аналогично определяются силы Я2т И И.2м И ТОЧКИ ИХ приложения для задней грани грунтового массива.

3. Определение сдвиговых сил по боковой грани грунтового массива (рис.7).

/

Рис.7. К расчету сдвиговых усилий на боковых гранях грунтового массива

^(т) - глубина промерзания грунта по задней грани

Перемещение пары свай в этом случае меняется от ъх для передней пары до г2 для задней пары, при этом фронт промерзания Ф2Ф3 носит искривленный характер, причем точка Ф2 может находиться как на поверхности В4В3, так и на передней грани А2В4. Для области мерзлого грунта отрезок Ф2В3 (или отрезок В4В3) делился на 2К равных частей с одинаковой длиной Ах (в расчетах принято значение N = 10) и на этом отрезке выбиралось сечение с координатой

_ Гх0 +(21-1)-Ах, Ф2еВ4В3 Х2М"{(21-1)-Ах, Фг е А2В4 (19)

(1<1£И).

Для выбранного сечения находились (по результатам расчетов второй главы) глубина промерзания гмМ и вертикальное перемещение Z2M, определяемое следующим выражением:

z2i-l=zi-^=4zi-z2). (20)

Тогда для результирующей силы R3m, действующей на мерзлую область боковой грани, справедливо следующее соотношение:

N N ц

r3m = ЕС^м • z2i_i • AS3M;2i-i = ZC7M ■ z2i-l •2Дх • ^Зм 2i-l = , ч ¡=1 ¡=1 ' UU

= Сум -П1м(т)-г1 -С^ -П2М(Х)-(21 -Z2),

где: коэффициенты ni„(x) и п2м(т) равны

N 2Дх N

п1м(т) = 2Дх- и n2MW = —• 2>я-1 -§3,21-1 (т).

i=l 1 i=l

Аналогично вычисляется сила RjT, действующая в области талого грунта. На основании моментных соотношений находятся координаты точек Цзм и Цзт приложения сил R.3„ и Язт (не приведены в следствие громоздкости формул).

Для определения амплитудно-частотного воздействия динамического усилия, возникающего при штангово-насосном способе добыче нефти, динамограмма усилия на полированном штоке развернута во времени, а само усилие Р(т) разложено в ряд Фурье:

2АРДИН ( . 1 . . 1

р(т) = Рдин + Рдин М = Рдин +----®х + - • sin Згат + - • sin 5(от + ...J,

(22)

где: Р - среднее за период усилие (в Н), определяемое по формуле P = °.5(Pmax+Pmin);

ДРдИ„ - размах усилия (в.Н), равный ДРдин = Ртах - Ртш;

со - угловая частота воздействия (в 1/с), определяемая числом

2яп

двойных качании п в минуту по формуле со =

В конце главы приведены таблицы для определения геометрических и силовых характеристик по всем граням грунтового массива в момент времени т.

В четвертой главе рассматривается система дифференциальных уравнений, описывающих поступательное движение центра масс системы (точка С) и вращательное движение системы относительно горизонтальной оси, проходящей через точку С (рис.8).

М--2 = ~Косн ~ К1т ~ ~ К2т ~ К2м - 2Лзт ~ 2Я3м + Рдин (*)

(23)

1 —^ = -Мосн - М1т - М1м + М2т + М2м + 2М3м - 2М3т + Рдан (т) • етя,

где: М — полная масса системы;

гс - координата центра тяжести системы, равная т^ = 0,5(г| + г2);

I - момент инерции системы относительно оси вращения;

ср - угол поворота системы, определяемый по формуле

М с нижним индексом - момент соответствующей силы; £аин - плечо усилия Рдин. С использованием значений сил и координат точек их приложения, полученных в третьей главе, система (23) путем простых преобразований приводится (для первой гармоники) к следующему виду:

2 ё2г7 2

—■ + (¡>1, г, т- + ©21 -22 =ё1 -яп©х

аТ йт (24)

62г, ё1

2

+ ш12 •г1--'22 =8г • ят сот,

>2 " ' <к2 где: Юц, шгь ®12и °>22- собственные частоты колебаний системы;

§1 и & - параметры, имеющие размерность ускорения. Хотя собственные частоты системы зависят от времени вследствие движения фронта промерзания по свайному фундаменту, однако характерное время этого процесса на три порядка превышает время

периода колебаний Т = —, что позволяет находить решение системы в ш

квазистационарном приближении:

ъ\ = А^нмвт; = А^тсах. Поскольку для всех случаев величины собственных частот в десять и более раз превышают значение со, то амплитуды вынужденных колебаний передней и задней пары свай находятся из системы линейных уравнений:

ГА, со^ + А2 -Юя, [А, -со?2 + А2 -Ю22 =§2.

В качестве примера на рис.8 показаны графики изменения амплитуд А, и А2 для системы со следующими геометрическими и физико-механическими характеристиками:

1Ж =+40°С; М= 1,89-105кг; I = 3,М0-106кг-м2; ЛРдин = 4-104Н; <в = 0,5(1/с); С = 6,92м; СД1„ = 2,Зм; ё, = 0,27(м/с2); & = 0,18(м/с2).

А,мм

1.2

0.8

0,4

0,6

0.2

Т.мее

0

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

1-ая скважина |—»—1-ая амплитуда —♦—2-ая амплитуда]

Рис.8. Зависимости амплитуд А] и А2 от времени т

Зависимость амплитуды вынужденных колебаний А] как для приведенного примера (рис.8), так и для остальных случаев, разобранных в диссертации, имеет два максимума. Первый из них соответствует времени подхода фронта промерзания к передней паре свай (начало холодного периода), а второй - времени начала растепления грунта у этой пары свай (конец холодного периода). При этом амплитуда колебаний А] для второго максимума превышает допустимое значение амплитуды колебаний по СНиП И-19-79 «Фундаменты машин с динамическими нагрузками» (в качестве сравнения автором выбраны амплитуда колебаний фундамента с установленным кузнечным молотом). Наряду с максимумом амплитуды А| в конце холодного периода наблюдается минимум амплитуды А2, что приводит к наибольшему крену станка-качалки в этот период времени.

Резкое увеличение А| и, соответственно, заметное уменьшение А2 объясняется тем обстоятельством, что в этот период времени грунт около передних свай переходит в талое состояние, в то время как для задних свай характерно наличие мерзлого грунта значительной толщины.

Таким образом, примерно в течение 10 дней (в конце холодного периода) эксплуатация станка-качалки проходит в тяжелых условиях, что

может привести (сразу же или после определенного времени) к нарушению его центровки, просадке свай и т.д. Мероприятия по устранению или ослаблению этого эффекта (увеличение длин передних свай, теплоизоляция наружного грунта под задними сваями и т.д.) требуют дополнительных исследований.

Основные выводы по работе

1. На основе предложенной и доведенной до компьютерных расчетов тепловой модели получены закономерности движения фронта промерзания грунта вокруг одиночной нефтяной скважины.

2. Для нефтяных скважин, разрабатываемых с помощью станков-качалок, предложен способ расчета линейного коэффициента теплопередачи на устье скважины.

3. Разработана силовая модель взаимодействия свайного фундамента станка-качалки и окружающего грунта с учетом неравномерного характера промерзания грунта и определены все силовые и геометрические характеристики этого взаимодействия.

4. Определены амплитуды вынужденных колебаний передних и задних свай фундамента станка-качалки и получены их зависимости от времени т в холодный период года; проведено сравнение полученных амплитуд с допустимыми амплитудами, регламентированными действующими нормативными документами.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Кушнир С.Я., Ситников В.П. Проблемы эксплуатации штанговых глубинных насосов в условиях слабых водонасыщенных фунтов. -Проблемы транспорта в Западно-Сибирском регионе России: Сб.науч.тр. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2001.-С. 164-166.

2. Ситников В.П., Гербер А.Д., Пульников A.C. Сезонное промерзание фунта около одиночной скважины. — Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири: Сб.науч.тр. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002г.-С.45-48.

3. Ситников В.П., Кушнир С.Я., Гостев В.В. Расчет осадки фундамента станка-качалки с учетом неравномерного промерзания фунта основания. - Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири: Сб.науч.тр. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002г.-С.ЗЗ-35.

4. Ситников В.П. Влияние сезонного промерзания фунтов на эксплуатационную надежность станков-качалок. - Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири: Сб.науч.тр. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003г.-С.22-27.

5. Ситников В.П., Горковенко А.И. Определение линейного коэффициента теплопередачи для случая одиночной нефтяной скважины с насосным способом добычи нефти. - Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири: Сб.науч.тр. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003г.-С.39-44.

\(1 JB 11117 8

i

\

Подписано к печати ЪО. QS.Ob р. Заказ №

Формат 60x84 '/16 Отпечатано на RISO GR 3750

Бум. писч. №1 Уч. - ИЗД. Л. . пц Усл. печ. л. Тираж 100 экз.

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52

Введение.

Глава 1. Перспективы развития нефтегазовой отрасли и способы нефтедобычи в

России.

1.1. Современное состояние нефтедобывающей отрасли.

1.2.Основные способы добычи нефти и факторы, определяющие надежность станков-качалок.

1.3.Краткая характеристика объекта исследования.

1.4. Общая характеристика региона и особенности грунтовых условий эксплуатации станков-качалок.

1.5.Анализ работы станков-качалок на объекте исследования.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Тепловое взаимодействие одиночной скважины с промерзающим вокруг нее грунтом.

2.1. Описание объекта исследований.

2.2.Постановка задачи определения температурного поля промерзающего грунта вокруг одиночной скважины.

2.3.Приведение уравнений, описывающих процесс промерзания, к расчетному виду.

2.4. Результаты расчетов температурного поля промерзающего грунта.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Динамическое взаимодействие станка-качалки с промерзающим грунтом.

3.1 .Требования к условиям работы станка-качалки в холодный период времени и их анализ.

3.2. Взаимодействие свайного фундамента станка-качалки с подстилающим грунтом на уровне подошвы.

3.3. Взаимодействие грунтового массива станка-качалки с окружающим грунтом по передней и задней грани.

3.4. Взаимодействие грунтового массива станка-качалки с окружающим грунтом по боковым граням.

3.5. Спектральный анализ динамического усилия на полированном штоке станка-качалки.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Влияние динамических процессов на пространственное положение станка-качалки и на окружающий скважину грунт.

4.1. Расчетная модель взаимодействия грунтового массива станка-качалки с окружающим грунтом.

4 4.2. Определение амплитуд вынужденных колебаний свай.

4.3. Анализ полученных результатов.

4.5. Влияние вибраций на сцепление скважины с грунтом.

Выводы по главе 4.

В соответствии с энергетической стратегией России до 2020года, утвержденной Правительством России, Западная Сибирь будет и впредь оставаться главным нефтедобывающим регионом страны. При этом следует отметить, что многие крупные месторождения нефти вышли на поздние стадии разработки с падающей добычей. Доля трудноизвлекаемых запасов с низкими дебитами скважин (менее Ют/сутки) составляет 55-60% и продолжает расти. В этих условиях из основных способов добычи нефти все большую значимость приобретает механизированный, включающий штанговые глубинные насосы (ШСН) и погружные центробежные электронасосы (ГТЦЭН).

Штанговый насосный способ из традиционных способов добычи нефти является самым трудоемким и малопроизводительным. Широкое его применение объясняется большим числом малодебитных скважин, для которых эксплуатация скважин штанговыми насосами остается технически оправданной и экономичной по сравнению с другими способами добычи нефти.

В условиях Западно-Сибирского нефтегазового региона рамы штанговых насосов устанавливаются, как правило, на свайных фундаментах. При этом в условиях сурового резкоконтинентального климата и специфических грунтовых условий региона взаимодействие фундаментов станков-качалок с промерзающими грунтами следует отнести к сложной инженерной и научной проблеме.

Существующие в настоящее время методы проектирования фундаментов станков-качалок не учитывают тепловое и силовое взаимодействие системы «станок-качалка - массив грунта» и совместную работу талого и мерзлого грунтов. При этом сам глубинный насос передает на грунтовый массив динамические нагрузки, обуславливающие вынужденные колебания грунтового основания.

Актуальность работы

Статистический анализ объемов ремонтных работ станков-качалок (их центровка) свидетельствует о значительных расхождениях объемов в холодный и теплый периоды времени. Это подчеркивает значимость грунтового фактора в оценке надежности работы станков-качалок и обусловлено неравномерностью процесса промерзания грунта вокруг нефтяной скважины. С учетом неравномерных осадок фундамента и специфических особенностей работы массива грунта, обусловленных динамическими нагрузками глубинного насоса, передаваемых на грунтовое основание, взаимодействие фундамента станка-качалки с промерзающим массивом грунта является сложной и актуальной научной проблемой.

Научная новизна

- Впервые рассчитано температурное поле промерзающего грунта вокруг одиночной нефтяной скважины.

- Автором разработана силовая модель взаимодействия фундамента станка-качалки с грунтом с учетом совместной работы талого и мерзлого грунтов.

- Впервые теоретически обоснована работа различных участков свайного фундамента, находящихся на различных расстояниях от скважины, с учетом динамической нагрузки.

Практическая ценность

1. Автором впервые установлены по величине амплитуд вынужденных колебаний наиболее опасные периоды эксплуатации станков-качалок.

2. Установлены моменты времени эксплуатации станков-качалок для которых величины амплитуд вынужденных колебаний превышают (по передним сваям фундамента) допустимые для данного класса машин, регламентируемые действующими нормами. Что позволяет разработать рекомендации по проектированию фундаментов станков-качалок.

3. Результаты исследования, выполненные автором, позволяют выявить критерии оценки безопасных режимов эксплуатации станков-качалок с учетом комплекса технологических и конструктивных параметров.

На защиту выносятся

- Тепловая модель и закономерность движения во времени фронта промерзания грунта вокруг нефтяной скважины.

- Силовая модель взаимодействия фундамента станков-качалок с массивом грунта и распределение амплитуды вынужденных колебаний фундамента на его подошве.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на:

- научно-практической конференции по проблемам транспорта в ЗападноСибирском регионе, г.Тюмень, ТГНГУ, 2001г.;

- на научно-практической конференции по перспективам развития нефтегазовых объектов Западной Сибири, г.Тюмень, ТГНГУ, 2002г.;

- на международном научно-практическом семинаре «Геотехнические и эксплуатационные проблемы в нефтегазодобывающей отрасли» (г.Тюмень, 2002г.);

- на юбилейной научно-практической конференции по перспективам развития нефтегазовых объектов Западной Сибири, г.Тюмень, ТГНГУ, 2003г.

По результатам выполненных исследований опубликовано 5 работ. Диссертация выполнена на кафедре механики грунтов, оснований фундаментов НТО Тюменского государственного нефтегазового университета.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе предложенной и доведенной до компьютерных расчетов * тепловой модели получены закономерности движения фронта промерзания грунта вокруг одиночной нефтяной скважины.

2. Для нефтяных скважин, разрабатываемых с помощью станков-качалок, предложен способ расчета линейного коэффициента теплопередачи на устье скважины.

3. Разработана силовая модель взаимодействия свайного фундамента станка-качалки и окружающего грунта с учетом неравномерного характера промерзания грунта и определены все силовые и геометрические характеристики этого взаимодействия.

4. Определены амплитуды вынужденных колебаний передних и задних свай фундамента станка-качалки и получены их зависимости от времени т в холодный период года; проведено сравнение полученных амплитуд с допустимыми амплитудами, регламентированными действующими нормативными документами. Л

1. Агапкин В.М., Кривошеин Б.Л., Юфин В.А. Тепловой и гидравлический расчеты трубопроводов для нефти и нефтепродуктов. - М.: Недра, 1981г.

2. Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С .Я. Теория колебаний. М.: Физматгиз, 1981г.

3. Бабаев С.Г. Надежность нефтепромыслового оборудования.- М.: Недра, 1987.-264с.

4. Баркан Д.Д. Динамика оснований и фундаментов. М.: Стройвоенмориздат, 1948.-410с.

5. Бартоломей А.А., Омельчак И.М., Юшков Б.С. Прогноз осадок свайных фундаментов. М.: Стройиздат, 1994. -384с.

6. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы нестационарной теплопроводности. М.: Высшая школа, 1978г. - 328с.

7. Бондарев Э.А., Красовицкий Б.А. Температурный режим нефтяных и газовых скважин. Новосибирск: Наука, 1974г. - 83с.

8. Бранин В.Н., Далматов Б.И., Федоров В.Г. Расчет осадок свайных фундаментов во времени. Рига: ЛатНИИНТИ, 1982г.

9. Браунли К.А. Статистическая теория и методология в науке и технике. -М.: Мир, 1977г.

10. Ю.Бродская А.Г. Сжимаемость мерзлых грунтов. М.: Изд-во АН СССР, 1962г.-112с.

11. П.Бухаленко Е.И. и др. Нефтепромысловое оборудование. Справочник. М.: Недра, 1990.-5 59с.

12. Бухаленко Е.И. и др. Справочник по нефтепромысловому оборудованию. -М.: Недра, 1983г. 199с.

13. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Физматгиз, 1963г.

14. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978.-447с.

15. Гербер Г., Эрк С., Григуль У. Основы учения о теплообмене. М.: Изд-во иностр.лит., 1985г.

16. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Высшая школа, 1998г. 479с.

17. Гнеденко В.В., Беляев Ю.Н., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности.- М.: Наука, 1983.- 524 с.

18. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. М.: Стройиздат, 1973.-375с.

19. Гольдштейн М.Н., Кушнер С.Г., Шевченко М.И. Расчет осадок и прочности оснований зданий и сооружений. Киев: «Будивельник», 1977.-208с.

20. Гольдштейн М.Н., Царьков А.А., Черкасов И.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: Транспорт, 1981.-320с.

21. Долматов Б.И. Воздействие морозного пучения грунтов на фундаменты сооружения. Д.: Госстройиздат, 1957г.- 58с.

22. Дубина М.М., Красовицкий Б.А. Теплообмен и механика взаимодействия трубопроводов и скважин с грунтами. Новосибирск: наука, 1983г.-133с.

23. Есьман Б.И. Термогидравлика при бурении скважин. М.: Недра, 1982г.

24. Инженерная подготовка скважин №2198, 2216, 2227. Институт Сибнефтегазпроект. - Нижневартовск, 2000. - 102с.

25. Инженерное мерзлотоведение / материалы к III Международной конференции по мерзлотоведению. Новосибирск: наука, 1979г. - 299с.

26. Инструкция по определению температурного режима вечномерзлых грунтов и сезонномерзлых грунтов и прогнозированию последствий изменения тепловых условий на поверхности. Тюмень: Гипротюменнефтегза, 1991г.-46с.

27. Инструкция по расчету несущих конструкций промышленных зданий и сооружений на динамические нагрузки. М.: Стройиздат, 1970. -287с.

28. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукошел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969.-440с.

29. Казак А.С., Росин И.Н., Чичеров Л.Г. Бесштанговые насосы для добычи нефти. М.: Недра, 1973.- 232 с.

30. Карнаухов Н.Н., Моисеев Б.В., Степанов О.А., Малюшин Н.А., Лещев Н.Н. Инженерные коммуникации в нефтегазодобывающих районах Западной Сибири. Красноярск: Стройиздат, Красноярск. Отд., 1993. - 160с.: ил.32.

31. Карслоу Г., Егер Д. теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964г.

32. Коновалов А.А. К теории прочности мерзлых грунтов / Материалы 2-ой конференции геокриологов России. Том 1. М.: Изд-во МГУ, 2001г. -С.114-120.

33. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. -М.: наука, 1968г.

34. Кушнир С.Я., Ситников В.П. Проблемы эксплуатации штанговых глубинных насосов в условиях слабых водонасыщенных грунтов. -Проблемы транспорта в Западно-Сибирском регионе России: Сб.науч.тр. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2001.-329с.

35. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.Н. механика. М.:Наука, 1965г.

36. Ланцош К. Практические методы прикладного анализа. М.: Госуд.изд-во.физико-мат.литер., 1961г. - 524с.

37. Лыков А.В. Тепломассообмен. -М.: Энергия, 1971г. 560с.

38. Мазуров Г.П. Физико-механические свойства мерзлых грунтов. Л.: Стройиздат, 1975г.-215с.

39. Малышев М.В. Прочность грунтов и устойчивость оснований и сооружений. -М.: Стройиздат, 1980г.

40. Мандельштам Л.И. лекции по теории колебаний. М.: Наука, 1977г.

41. Махмудов С.J1. Монтаж, эксплуатация и ремонт скважинных штанговых насосных установок. М.: Недра, 1987.- 208 с.

42. Меламед В.Г. Тепло- и массообмен в горных породах при фазовых переходах. М.:Наука, 1980г. - 228с.

43. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973г.-329с.

44. Молчанов А.Г. Гидроприводные штанговые скважинные насосные установки. М.: Недра, 1982.- 245 с.

45. Молчанов Г.В., Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа. М.: Недра, 1984.-464с.

46. Мочалин А.И. Применение 5-функции Дирака к решению дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа. Сб.»Тепло- и массообмен в процессах испарения». М.: Изд-во АН СССР, 1958г.

47. Основание под станок-качалку СДК-8, Куст 110 Аганского месторождения, Проектно-сметное бюро, Мегион, 2000.-200с.

48. Основания и фундаменты. Часть 2: Основы геотехники/ Под ред. Б.И.Далматова. М-Санкт-Петербург: Изд-во АСВ, 2002г. - 392с.

49. Основания, фундаменты и подземные сооружения / Под общей редакцией Е.А.Сорогана и Ю.Г.Трофименкова. М.:Стройиздат, 1985. - 480с.

50. Основы геокриологии. Часть 5. Инженерная геокриология. М.: Изд-во МГУ, 1999г. - 526с.

51. Пеказская Н.К. Прочность мерзлых грунтов при сдвиге и ее зависимость от температуры. М.: Изд-во АН СССР, 1963г. - 108с.

52. Порхаев Г.В., Фельдман Г.М., Федорович Д.Н. Теплофизика промерзающих и протаивающих грунтов. М.: Наука, 1964г. - 197с.

53. Поршаков Б.П., Бикгентай Р.Н., романов Б.А. Термодинамика и теплопередача. М.: Недра, 1987г. - 349с.

54. Проселков Ю.М. Теплопередача в скважинах. М.: недра, 1975г.

55. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введению в теорию колебаний и волн. М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000г. - 560с.

56. Работнов Ю.Н. механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988г.-771с.

57. Рабочие чертежи оснований под станки-качалки различных модификаций. Проектно-сметное бюро. - Нижневартовск.

58. Реология грунтов и инженерное мерзлотоведение / Под ред. Ю.К. Зарецкого. М.: Наука, 1982г. - 224с.

59. Роман JI.T. Механика мерзлых грунтов. М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002г.- 426с.

60. Романовский П.И. ряды Фурье. Теория поля. М.: Наука, 1973г.334с.

61. Рубинштейн Л.И. Проблема Стефана. Рига.: Звайгзне, 1967г.

62. Руководство по применению математической теории эксперимента при исследовании свойств горных пород и процесса их разрушения. М.: Недра, 1973г.-95с.

63. Руководство по проектированию виброизоляции машин и оборудования. -М.: Изд-во лит.по стр-ву, 1972г.

64. Руководство по проектированию фундаментов машин с динамическими нагрузками/ НИОСП им.Герсеванова. М.: Стройиздат, 1982.-207С.

65. Савинов О.А. Современные конструкции фундаментов под машины и их расчет. М.: Стройиздат, 1979г.

66. Самарский А.А. теория разностных схем. М.: наука, 1989г. - 616с.

67. Сивухин Д.В. Механика. М.: Наука, 1974г. - 520с.

68. Ситников В.П. Влияние сезонного промерзания грунтов на эксплуатационную надежность станков-качалок. Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири: Сб.науч.тр. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003г.

69. Ситников В.П., Гербер А.Д., Пульников А.С. Сезонное промерзание грунта около одиночной скважины. Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири: Сб.науч.тр. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002г.

70. Ситников В.П., Кушнир С.Я., Гостев В.В. Расчет осадки фундамента станка-качалки с учетом неравномерного промерзания грунта основания. -Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири: Сб.науч.тр. Тюмень: ТюмГНГУ, 2002г.

71. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. М.: Стройиздат, 1986г.-51с.

72. СНиП II-19-79. Фундаменты машин с динамическими нагрузками. -М.: Стройиздат, 1980.

73. СНЙП II-7-81. Строительство в сейсмических районах. М.: Стройиздат, 1996г.

74. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. М.: ГП ЦПП, 1995г.-48с.

75. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грнтах. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. - 56с.

76. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. М.: ГУП ЦПП, 2000г.

77. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. М.: ГУП ЦПП, 2001 г,29с.

78. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. JL: Стройиздат, 1977.-5 52с.

79. Справочник по динамике сооружений/ По ред. Коренева Б.Г., Рабиновича И.М. -М.:Стройиздат, 1972. 510с.

80. Статистические данные по отказам и ремонтам станков-качалок НГДУ 2 ОАО «Самотлорнефтегаз». - Нижневартовск, 2000.-120с.

81. Тимошенко С.П. Теория колебаний в инженерном деле. — J1-M.: стройиздат, 1962г.

82. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, Гл.редфиз-мат.литер., 1977. - 736с.

83. Тугунов П.И. Нестационарные режимы перекачки нефти и нефтепродуктов. М.: Недра, 1984. - 224с.

84. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. Международный транслятор. / Под науч. ред. Алекперова В.Ю., Кершенбаума В.Я. М., 1999.- 615с.

85. Хардле В. Прикладная непараметрическая регрессия. М.: Мир, 1993г.-349с.

86. Цытович Н.А. Механика грунтов. -М.: Стройиздат, 1963г.

87. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа,1973г.

88. Чекалюк Э.Б. термодинамика нефтяного пласта. М.: Недра, 1965г.

89. Чичеров Л.Г. и др. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования. М.: Недра, 19871. - 422 с.

90. Чичеров Л.Г., Молчанов Г.В., Рабинович А.В. и др. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования. М.: Недра, 1987.- 422 с.

91. Швецов Г.И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты. -М.: Высшая школа, 1977.-319с.

92. Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти. Учебник для вузов. М.: Недра, 1983. 510с.

93. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена. M-JL: Госэнергоиздат, 1961г.-680с.