Развитие нефтяной и газовой промышленности России невозможно без постоянных технологических достижений и инноваций. Важную роль в росте эффективности отрасли играет увеличение объемов балансовых запасов нефти и внедрение новых методов ее извлечения. Особое внимание уделяется грамотной разработке трудноизвлекаемых месторождений, где стандартные решения либо неэффективны, либо экономически невыгодны. В этой связи на передний план выходит применение наклонно-направленных скважин и скважин с боковыми стволами, эксплуатация которых требует высоконадежного оборудования.
Значение насосных штанг для современных скважин
Ключевым компонентом нефтедобывающих установок в подобных скважинах становятся насосные штанги, выполненные в виде закрытого каната из скрученных между собой прочных стальных проволок. Крепление каната осуществляется с помощью специальных заделок: нижняя часть соединяет его с плунжером насоса (непосредственно создающим давление для перекачки нефти), а верхняя — со станком-качалкой, установленным на поверхности скважины. При работе установки штанга постоянно совершает возвратно-поступательные движения, что приводит к ее регулярному растягиванию и сжатию.
Однако традиционная конструкция подобных канатных штанг сталкивается с серьёзными эксплуатационными трудностями. В результате активных механических воздействий между проволоками образуются зазоры, а вблизи точек крепления ухудшается структурная целостность изделия, что повышает вероятность возникновения поломок. Частые остановки насоса для замены изношенного элемента ведут к дополнительным затратам и простоям в добыче: это сказывается и на себестоимости нефти, и на рентабельности всего месторождения.
Существующие подходы и их ограничения
Для повышения срока службы таких конструкций раньше применялось дорогостоящее защитное полимерное покрытие, наносившееся на поверхность проволоки каната. Казалось бы, это решение должно было надежно предотвращать внутренние смещения слоев и появление брака. Однако на практике полимеры достаточно быстро изнашиваются из-за постоянного трения, становятся дополнительным источником загрязнения зарубежной нефти и усложняют производственный процесс как с технологической, так и с финансовой стороны.
Научный прорыв команды Пермского Политеха
Специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета под руководством доктора технических наук Геннадия Трифанова и при участии старшего преподавателя Анны Иванченко разработали инновационную модификацию для штанг. Идея заключается во включении в конструкцию специального металлического элемента — фиксатора-спирали, который устанавливается в районе нижней заделки каната. Эта деталь изготовлена из прочной коррозионностойкой стали, например, сорта 20Х13, и размещается таким образом, чтобы противодействовать основному направлению скручивания каната.
Благодаря продуманной конструкции, спираль-фиксатор значительно увеличивает жесткость наиболее слабого участка штанги и предотвращает появление изгибов, что минимизирует накопление напряжений, потенциально приводящих к дефектам. Особенность этого приема заключается в обратном направлении свивки спирали по отношению к основному канату, что способствует равномерному распределению нагрузок при эксплуатации в экстремальных условиях скважин.
Технология крепления и простота внедрения
Анна Иванченко отмечает, что крепление спирального фиксатора на штангу возможно выполнить различными способами: применяя посадку с натягом, винты или даже сварку. Такой подход позволяет легко интегрировать конструкцию не только на этапе производства новой штанги, но и уже на смонтированное оборудование, находящееся в эксплуатации. Диаметр и шаг витков спирали подбирают индивидуально согласно размеру каната, позволяя накладывать и прокручивать деталь вдоль троса в любом месте, где это требуется. В результате даже легкая модернизация способствует немедленному повышению жесткости уже используемых насосных штанг без долгих простоев и дополнительных затрат.
Экономическая и промышленная значимость изобретения
Усовершенствование, предложенное специалистами Пермского Политеха, получило патент, подтверждающий его уникальность и инновационный характер. Как свидетельствуют опыты и практические испытания, срок службы модернизированных канатных штанг значительно увеличивается, а риск разрушения или преждевременной поломки минимизируется. Существенно снижаются расходы на регулярное техническое обслуживание, сокращаются вынужденные простои насосных установок, что ведет к увеличению прибыли предприятий и устойчивости добычи в целом.
Такой подход особенно важен для наклонно-направленных скважин с повышенной нагрузкой на оборудование, а также для разработки новых месторождений с осложненными условиями. Экономия средств в масштабе отрасли проявляется как в уменьшении себестоимости добычи нефти, так и в экономии времени на текущий и срочный ремонт. Новое техническое решение, предложенное учёными университета, определяет будущие стандарты эффективности и надежности для всей нефтедобывающей отрасли.
Перспективы внедрения и дальнейшие исследования
Внедрение инновации уже вызвало интерес у ведущих компаний нефтегазовой отрасли. Простота адаптации разработанного фиксирующего элемента и его универсальность делают возможным масштабировать внедрение технологии практически на любые промышленные объекты — как в России, так и за её пределами. В будущем команда специалистов под руководством Геннадия Трифанова и Анны Иванченко планирует усовершенствовать методику, оптимизировать материалы и способы крепления, проводить дополнительные тестирования в реальных условиях крупных объектов.
Пермский Политех продолжает формировать научно-технический задел для успешного развития всей отрасли, подтверждая статус одного из ключевых инженерных вузов России и платформы для технологических инноваций. Компетентность и инжиниринговый подход сотрудников университета помогает решать задачи, имеющие стратегические масштабы и влияющие на энергобезопасность страны.
В заключение, необходимо отметить значимость прорыва для российской промышленности и подчеркнуть огромный потенциал дальнейших разработок, инициированных командой Пермского Политеха — под руководством Геннадия Трифанова и Анны Иванченко — на благо отечественного производства, науки и экономики.
