Исследование взаимодействия станков-качалок с промерзающим грунтом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Ситников, Виктор Петрович

• Ситников, Виктор Петрович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ситников, Виктор Петрович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование взаимодействия станков-качалок с промерзающим грунтом»

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.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Ситников, Виктор Петрович

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ситников, Виктор Петрович, 2003 год

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.