Исследователи из Московского политехнического университета, Томского политеха и Казахского национального исследовательского технического университета имени К. И. Сатпаева разработали техническое решение для повышения надежности глубинных штанговых насосов (ГШН) — ключевого оборудования на зрелых нефтяных месторождениях. Их работа позволяет устранить основную причину поломок насосов — протечки в клапанах.
Глубинные штанговые насосы остаются самым распространенным типом оборудования для механизированной добычи нефти. Например, на казахстанском месторождении Узень из 927 действующих скважин 917 оборудованы именно такими установками. При этом только в 2022 году в этих скважинах было проведено 2794 ремонта, то есть в среднем по три на каждую скважину. Одной из основных причин отказов становился износ клапанных пар (шарика и седла), приводивший к утрате герметичности и остановке насосов.
Инженерная задача состояла в том, чтобы устранить износ, возникающий из-за того, что шарик клапана при каждом такте попадает в одно и то же место седла. В этом узле со временем накапливаются песок, ржавчина и парафиновые отложения, усиливающие износ по типу абразива.
Чтобы решить задачу, ученые из России и Казахстана предложили установить под седло специальную вставку — турбулизатор, который создает закрученный поток и заставляет шарик вращаться. За счет этого контакт между шариком и седлом становится более равномерным, и износ распределяется по всей поверхности.
Для отработки решения ученые изготовили несколько прототипов турбулизаторов, отличающихся друг от друга углом отклонения оси (0°, 5°, 10°, 15°) и шириной винтовой пластины (5, 7,5 и 10 мм). Прототипы они напечатали на 3D-принтере по технологии FDM. Испытания проводились на лабораторной установке с визуализацией движения шарика с помощью высокоскоростной камеры (до 4800 кадров в секунду). Лучшие результаты показала конфигурация с вертикальной осью и спиральной пластиной шириной 7,5 мм: шарик вращался стабильно — до 30 оборотов за 7 секунд, без существенного увеличения пульсаций и потерь давления.
Ключевым этапом стали полевые испытания на Узенском месторождении. Десять турбулизаторов, изготовленных из алюминиевого сплава Al-Si-Mg (алюминий-кремний-магний), были установлены в клапаны пяти насосов, работавших на глубине от 400 до 912 метров в условиях высокой обводненности (до 98%) и значительного содержания механических примесей. В четырех из пяти случаев модернизированные клапаны проработали значительно дольше — от 77 до 101 дня, в то время как стандартные отказывали в среднем через 52 дня.
Тем не менее в одном из насосов (в скважине № 6356) турбулизатор из алюминиевого сплава разрушился раньше срока из-за абразивного износа: песок, ржавчина и твердые примеси быстро повредили винтовую пластину. Это показало, что для работы в агрессивной среде необходимо использовать более стойкие материалы. В качестве альтернативы ученые предложили перейти на нержавеющую сталь марки 316L, обладающую высокой прочностью, коррозионной устойчивостью и доказанной износостойкостью. По прочности она превосходит использованный алюминиевый сплав почти в полтора раза, а ее долговечность подтверждена в ряде отраслей, включая медицину и атомную энергетику.
