СПЕЦПРОЕКТ

Mining World Russia 2020

ПЕРЕЙТИ

Долгожитель нефтяной отрасли

Станок-качалка — металлическая конструкция, с помощью которой чёрное золото извлекают из нефтесодержащих пластов, стала непреходящим символом отрасли. С точки зрения технического прогресса этот станок является настоящим мастодонтом. Изобретённый более 80 лет назад, он до сих пор не претерпел сколько-нибудь значительных изменений. Инженеры пытаются усовершенствовать станок и периодически предлагают различные новые решения, но пока ничего кардинально нового в практике добычи нефти не появилось. Нефтедобывающие компании предпочитают использовать уже зарекомендовавшее себя оборудование, поскольку технические новинки пока не доказали своего превосходства.

станок-качалка
Фото: geolmuseum.ru

Редко в какой отрасли найдётся столь же долговечное средство, как станки-качалки, применяемые в нефтедобыче. Изобретённые много лет назад, они и сегодня являются неотъемлемой частью производства. Строго говоря, правильнее называть их приводами штанговых глубинных насосов, но аббревиатура ПШГН не особенно прижилась, чаще всего оборудование продолжают называть станками-качалками.

«Конструктивно станок-качалка является приводом штангового насоса, расположенного в скважине», — разъясняет принцип работы первый заместитель директора, главный инженер Управляющей Компании «ТМС групп» Владислав Выдренков.


По его словам, основными элементами станка-качалки являются рама, стойка с балансиром, два кривошипа с двумя шатунами, редуктор, клиноременная передача, электродвигатель и блок управления, который подключается к промысловой линии силовой электропередачи.

«Станки-качалки устанавливают непосредственно на площадке скважины на фундаменте. Железная конструкция в высоту может достигать пяти-шести метров. Наиболее изнашиваемыми узлами являются канатная подвеска (обрыв вследствие увеличения нагрузки на полированный шток), балансиры (трещины, выявленные при экспертизе промышленной безопасности и обслуживании), нижняя головка шатуна (ослабление крепления), редукторы (износ зубьев)», — подчёркивает главный инженер.

Справедливости ради отметим, что сам принцип добычи с помощью скважины человечество изобрело очень давно, но потребовались века, чтобы инженеры научились откачивать нефть с помощью насосов.

Первые скважины пробурили китайцы более двух тысяч лет назад, на Руси свидетельства о первых скважинах относятся к VIII-IX векам. Из скважин тогда добывали соль, которая на тот момент представлялась более ценным веществом, нежели нефть.

Сейчас сложно представить, но когда-то нефть можно было собирать вручную.

Зарубежные путешественники описывали, как племена, жившие у берегов реки Ухты на севере Тимано-Печорского района, собирали нефть с поверхности реки. Чёрную жидкость применяли как смазку и для медицинских целей.

станок-качалка
Фото: wikimedia.org

Спустя годы один из первых русских нефтедобытчиков Федор Прядунов построил на Ухте первую нефтяную вышку. Внешне это был четырёхугольный сруб, внутри которого помещали нефтяной ковш, который собирал нефть в специальный ушат. Нефть пытались добывать не только на Ухте, но и на юге России — первоначально из «копаней», с помощью ковшей и вёдер.


В начале 19 века российские чиновники оценили потенциал этой субстанции, поэтому пытались увеличить объёмы добычи.

Обустроить нефтяные промыслы на Кубани с помощью простейшей механизации попытался атаман Черноморского казачьего войска, генерал-майор Николай Завадовский, ту же задачу пытался решить царский чиновник обер-гиттенфервалтер Павел Фолледорф и другие.

В итоге к 1870-м годам широкое распространение получил способ добычи с помощью так называемого тартания, когда из пробуренной скважины нефть черпали с помощью длинного (до 17 м) сосуда цилиндрической формы — желонки.

Насос как шаг вперёд

Насосы для добычи нефти стали шагом вперёд, их начали применять в последней трети XIX века. Идея не черпать нефть, а качать принадлежит начальнику одной из российских горных частей, которые работали на Кавказе, инженеру Александру Иваницкому.

В 1865 году он изобрёл насос собственной конструкции и построил опытный образец. Но поскольку в то время у него не было эффективного фильтровального устройства, то насос быстро забивался песком и выходил из строя. Нефтепромышленники, заинтересованные в снижении себестоимости добычи и росте объёмов производства, были разочарованы первыми испытаниями.


Неудача Иваницкого не остановила развитие инженерной мысли. В 1886 году Владимир Шухов создал «шнуровой» насос, а в 1891 году представил инерционное поршневое устройство. В 1899 году свой скважинный насос явил миру Николай Соколовский. Последующие годы российские исследователи неоднократно возвращались к проблеме использования насосов.

Наиболее технически совершенным стало изобретение электроцентробежного погружного насоса для добычи нефти конструкции выпускника Петербургского лесного института Армаиса Арутюнова. В начале 20 века он создал в Екатеринославле фирму «Российское электрическое динамо компании Арутюнова», где наряду с электрификацией местных предприятий начал работу над проектом погружного насоса. Особенностью устройства было использование электричества.


Нефтепромышленники, которым различные технические новинки демонстрировали довольно часто, отнеслись к изобретениям довольно прохладно. Насосы показались им слишком ненадёжными.

станок-качалка
Фото: wikimedia.org

В 1924 году первые советские наркомы обратили внимание на повышение эффективности нефтедобычи в США после доклада вернувшегося из командировки инженера Александра Серебровского. Американцы применяли плунжерный насос, который функционировал через колонну штанг, соединённую с установленным на поверхности силовым приводом.

Уже через год отечественные аналоги, правда с конструктивными изменениями, начали выпускать на заводе в Баку. Более совершенные редукторные станки-качалки с клиноременной и закрытой зубчатой передачей, глубинными насосами конструкции того же Арутюнова появились в СССР в начале 1950-х годов.

«Нужно признать, что ещё не создано другого более надёжного и простого в обслуживании оборудования», — констатирует Владислав Выдренков.

По его словам, конструкция станков-качалок не предъявляет особых требований к инструментальному хозяйству, все узлы оборудования взаимозаменяемы. Тем не менее, в условиях постоянного повышения добычи нефти на скважинах параметры работы глубинно-насосного оборудования изменяются, что сказывается на верхнем оборудовании и приводит к отказам станков-качалок.

Эксперт уверен, что простой даже одного станка-качалки влечёт ощутимые экономические потери, и для снижения отказов совершенствуются узлы станков-качалок (например, усиливаются крепления головок и траверс балансиров), ведётся работа с более надёжными поставщиками ТМЦ.

Ремонт или замена?

В процессе эксплуатации на элементы конструкции станка-качалки воздействует целый ряд негативных факторов.

В частности, это «низкие температуры, снег, дождь, ветер, некачественный монтаж, дефекты крепления составных частей металлоконструкций, удары зубчатой передачи в неисправных редукторах и удары штока об отложения в скважинном оборудовании, многократные циклические знакопеременные нагрузки», — перечисляют в своей работе «Оценка остаточного ресурса станка-качалки» молодые учёные Дмитрий Лосев, Александр Миронов, Александр Садилов, Сергей Хмелёв.

По их данным, все вышеперечисленные факторы в итоге приводят к постепенной деградации прочностных характеристик материала, накоплению усталостных повреждений и появлению развивающихся макроскопических трещин в наиболее нагруженных зонах металлоконструкций.

По данным Владислава Выдренкова, значительная часть (более 85%) станков-качалок отечественного и импортного производства предполагает срок эксплуатации около 14 лет, но средний возраст станков-качалок, которые сейчас используются в отрасли, уже превышает 25 лет.

Правда, надёжная эксплуатация существующего фонда станков обеспечивается благодаря планомерной работе высококвалифицированного персонала, своевременному обслуживанию и ремонту оборудования. Обновление фонда станков происходит как за счёт модернизации (в том числе, усиления конструкции привода ШГН и изменения технических характеристик), так и за счёт капитального ремонта.

станок-качалка
Фото: twitter.com/arsagera

«Как правило, модернизация оборудования включает в себя изготовление и замену новыми узлами более 80% металлоконструкции. В связи с увеличением глубины подвески в скважине часто возникает потребность в станках-качалках большей грузоподъёмности. В данном направлении также ведётся совместная работа с заказчиком по подбору и предоставлению станков-качалок, в т. ч. собственной разработки и производства грузоподъёмностью 10 и 12 тонн.
Правильно установленный станок-качалка, верно подобранные параметры работы скважины, вовремя проведённое техническое обслуживание, а также экспертиза промышленной безопасности снижают риски поломки оборудования», — утверждает Владислав Выдренков.


По его мнению, все узлы оборудования ремонтопригодны, детали взаимозаменяемы.

«В случае выхода из строя производится замена узла и отправка его на ремонт в ремонтный цех с дальнейшим пополнением оборотного фонда запасных частей. В зависимости от типа узла оборудования применяются соответствующие технологии ремонта», — излагает существующую практику эксперт.


Главный инженер отмечает, что эксплуатационники с опаской приобретают новое, малораспространённое оборудование.
«Станки-качалки хорошо изучены, высоконадёжны, способны длительное время работать под открытым небом без присутствия людей.

Замену станков-качалок проводят в случае полного износа оборудования, при невозможности продлить срок эксплуатации по результатам экспертизы промышленной безопасности, при консервации скважины, а также в случае смены параметров работы скважины (например, замена насоса на другой типоразмер). При появлении посторонних шумов, нагреве подшипников следует остановить станок», — говорит Владислав Выдренков.

Действительно, оценить техническое состояние станка–качалки и принять решение о продлении срока службы — не столь простая задача, как может показаться.

По данным исследователей Лосева, Миронова, Садилова и Хмелёва, не редкость, когда в процессе эксплуатации станки-качалки перемещаются с одной скважины на другую, также «часто имеет место некачественный ремонт, отсутствует правильно заполненная эксплуатационная и ремонтная документация на отдельные узлы и станок-качалку в целом, что заставляет предположить возможность трещин в сварных швах и основном металле нагруженных узлов непосредственно через малый промежуток времени после проведения неразрушающего контроля».

Исходя из многолетнего опыта в обследовании станков-качалок, исследователи пришли к выводу, что наиболее часто ломаются такие узлы, как поворотная головка балансира, втулка поворотной головки балансира, сварные швы шатунов, пальцы кривошипов, подвесной подшипник траверсы, рама.

«Все вышеперечисленные, кроме рамы, части станка-качалки являются труднодоступными для осмотра и проведения неразрушающего контроля и требуют установки монтажных лесов и лестниц или применения специальных приспособлений для работы на высоте, производства работ в ограниченном пространстве, установки дополнительного (кроме естественного) освещения, различных дополнительных мероприятий, не предусмотренных в основном объёме обследования оборудования», — подчёркивают они.

Лучшее — враг хорошего

Идея усовершенствовать станки–качалки не покидает инженеров. Но кардинальные изменения существующих вариантов пока не вошли в практику. Это значит, что схема, ставшая основой механизма, оказалась очень удачной и не имеет существенных недостатков.


Главное ограничение на инновационные разработки, которые могли бы заменить станки-качалки, это надёжность в тяжелейших условиях эксплуатации. Если проанализировать любую отрасль машиностроения, то сложно найти механизм, который работал бы круглые сутки круглый год в различных климатических условиях при периодическом осмотре с интервалом до 3-4 суток. Новые разработки появляются регулярно, но по совокупности параметров, а именно — себестоимости добычи, надёжности и другим — найти полноценную альтернативу пока не удаётся.

Основное направление их развития должно заключаться в увеличении надёжности, облегчении обслуживания и снижении металлоёмкости в рамках существующих отработанных схем, отмечают нефтяники. Немалую роль в этом играет и высокая цена станка-качалки. Большей частью обновляются лишь отдельные узлы станков, устаревшие физически или морально.

Высокая производительность станков-качалок определяется ходом штока и его интенсивностью.

«Также следует учитывать эксплуатационные качества, такие, как ремонтопригодность, размеры, общую массу и сложность обслуживания. В случае смены параметров работы глубинно-насосного оборудования необходимо своевременно подбирать и параметры верхнего привода — уравновешивание, изменение числа качаний, изменение длины хода штока. Всё это необходимо для того, чтобы подобрать оптимальные параметры и режимы работы насосного оборудования», — советует Владислав Выдренков.


Впрочем, добавляет он, в разное время производители уже пытались внести изменения в конструкцию станка-качалки с целью улучшения его работы, но со временем всё-таки остановились на стандартном его исполнении.

Справка

Несущие конструкции и балансиры первых станков-качалок в СССР делали из дерева, а не из металла, как в США. А электромотор станка работал при помощи плоского камня и открытой зубчатой передачи.

Текст: Яна Янушкевич

Понравился материал? Подпишитесь
на отраслевой дайджест и получайте подборку статей каждый месяц
.

Статья опубликована в журнале Добывающая промышленность №2, 2018

Подпишитесь
на ежемесячный дайджест актуальных тем
для специалистов отрасли.

Исключительно отраслевая тематика. Никакого спама 100%.