CC BY
6DOI: 10.31660/0445-0108-2019-1-97-100
УДК 621.86.065.4-531
О повышении виброустойчивости конструкции устьевого соединения газовых и нефтяных скважин по патенту RU 2416751С1 с захватами, выполненными по логарифмической спирали
С. В. Марфицын1*, А. В. Марфицын2, В. П. Марфицын1
'ПК «Уралец», г. Курган, Россия 2ООО «Энерготехстрой», г. Курган, Россия *e-mail: delta-kurgan@yandex. ru
Аннотация. В работе рассмотрен вопрос о повышении виброустойчивости механизма устьевой заслонки для нефтяных и газовых скважин с использованием патента RU 2416751С1.
Ключевые слова: устьевая заслонка; самоторможение; логарифмическая спираль
Increasing the vibration resistance of the gas and oil wells wellhead compound construction according to the patent RU 2416751C1 with the holders executed by a logarithmic spiral
Sergey V. Marfitsyn1*, Andrey V. Marfitsyn2, Vladimir P. Marfitsyn1
'СС «Uralec», Kurgan, Russia 2LLC «Energotechstroy», Kurgan, Russia *e-mail: delta-kurgan@yandex. ru
Abstract. The article deals with the issue of increasing the vibration resistance of the wellhead valve mechanism for oil and gas wells using the patent RU 2416751С1.
Key words: wellhead valve; self-braking; logarithmic spiral
Введение
«Под спиралью мы понимаем плоскую кривую, которую опишет точка, совершая круги и одновременно удаляясь от некоторой неподвижной точки, называемой полюсом... Равноугольную спираль можно определить как геометрическое место точек Р, движущихся в плоскости так, что касательная в точке Р образует постоянный угол X с радиус-вектором ОР, проведенным в точку Р из неподвижного полюса О» [1]. Внешний вид равноугольной спирали представлен на рисунке 1.
Расчет угла самоторможения на примере сосудов и аппаратов по патентам ВД 2268428С1, ВД 2346197С1, ВД 2416751С1
Уравнение логарифмической спирали имеет вид [2]
р = ает<р, (1)
№ 1, 2019
Нефть и газ
97
где а — окружность в центре координат, р = а = const; m-ctgQ — угол между полярным радиусом р и касательной к спирали; ф — текущий угол от 0 до ф.
Угол между касательной и полярным радиусом точки касания логарифмической спирали можно вычислить по формуле [3]
ц = arctg-
(2)
Рис. 1. Равноугольная спираль
где К = с/£©.
Угол самоторможения можно определить, рассмотрев тело на наклонной плоскости. Если тело находится в равновесии и не скатывается с плоскости, значит, оно находится в состоянии самоторможения.
Трение в механизмах и машинах играет отрицательную роль. Задача конструктора — уменьшить трение за счет улучшения поверхности, смазки и т. д. Есть устройства, где трение играет положительную роль. Например, сосуды под давлением, в которых используется явление самоторможения, препятствующее самопроизвольному открыванию сосуда. Примером таких сосудов являются сосуды и аппараты по патентам ЯИ 2268428С1, ЯИ 2346197С1, ЯИ 2416751С1. В них применены клиновые устройства, использующие положительный эффект самоторможения [4]. Это особенно важно при больших давлениях в сосуде, когда может произойти отрыв крышки от корпуса сосуда, и вырвавшийся из сосуда газ может произвести огромную разрушительную работу, а токсичный газ может произвести отравление персонала.
Принимаем с/£© = 0,0524, = 870.
Угол между касательной к логарифмической спирали и 900 будет составлять 900 - 870 = 30.
Угол самоторможения будет 30.
Запас самоторможения будет
51 =
Угол самоторможения
30 < 5,10.
Самоторможение обеспечено.
При обтекании тела с большими скоростями всегда возникает вибрация. При переходе нефти и газа из скважины возникают колебания самогорайзера и последующих конструкций — устьевой заслонки на выходе из напорного трубопровода — райзера. Такие колебательные явления схожи с явлениями, происходящими в авиации при сверхзвуковых скоростях. В авиации есть такое понятие: флаттер. Это колебание корпуса, крыльев самолета. Оно возникает при прохождении среды с большей скоростью. Так и в скважине при прохождении газа происходят явления колебания среды. Они передаются составляющим элементам — резьбе, захватам.
98
Нефть и газ
№ 1, 2019
Чем выше самоторможение этих элементов, тем надежнее работа устья. Изготовление этих элементов (захватов) по логарифмической спирали уменьшает их вибрацию за счет их заклинивания. Поэтому надо уменьшать угол клина для увеличения явления самоторможения. В этом случае на соединения действуют явления, происходящие внутри газовых и нефтяных скважин, они хорошо описаны в журнале «Наука и жизнь» № 10 за 2010 год: «Пройдя в горных породах (гораздо более тяжелых чем вода и еще около пяти километров, буровой став вспорол нефте-пласт, находящийся под давлением свыше 1 000 атм. Распространяясь со скоростью звука вверх по стволу скважины, это давление всего за несколько секунд достигло трубопровода, или (на языке нефтяников) райзера, по которому нефть вслед почти за семикилометровой водной пробкой устремилась на поверхность к наливным танкерам.
Проблема в том, что вместе с нефтью к райзеру со скоростью звука устремляется и это пластовое давление в тысячу с лишним атмосфер.
Но есть и другая, наиболее вероятная причина возникновения газовых пузырей... Это та самая турбулентность...» [5].
Благодаря клиновым соединениям взаимодействие между элементами заслонки возросло, а следовательно, возросла и виброустойчивость устьевого соединения, то есть все промежуточные подвижные соединения устья скважины превратились как бы в один монолит. Благодаря чему колеблющаяся масса соединения увеличится, а частота колебаний уменьшится. Конструктивное исполнение логарифмической спирали представлено на рисунке 2.
Расчет для насосно-компрессорной трубы (НКТ) диаметром 300 мм
Для НКТ = 300 мм. Усилие, действующее со стороны захватов, ^ = 7,065 Мн.
Примем количество захватов — 44.
Усилие, передаваемое на один захват:
Рис. 2. Конструктивное исполнение логарифмической спирали
7,065 Мн 44
= 0,160568 мН.
Момент, действующий на один захват:
0,160568 мН • 0,133 м = 0,02135 мНм,
ц =
Ък 2 0,015 м • 0,133 м2
= 0,00004422 м3
№ 1, 2019
Нефть и газ
99
. 0,02135 мН м
б = '_____ „„ 2 = 724,2198 МПа.
0,00004428 м2
Берем
в = 0,015м, б = 481,9933 МПа, 481,9933 МПа < 567 МПа. Условие прочности выполнено.
Выводы
Повышение виброустойчивости конструкции заслонки может быть достигнуто за счет самой логарифмической спирали путем уменьшения параметра спирали К = е/^© до значения обеспечения самоторможения механизма заслонки, £ = 30.
Библиографический список
1. Пидоу Д. Геометрия и искусство / Пер. с англ. Ю. А. Данилова; под ред. И. М. Яг-лома. - М.: Мир, 1979. - 291 с.
2. Бермант А. Ф. Курс математического анализа. Часть 1. - М.: Государственное изд-во технико-теоретической литературы, 1956. - 179 с.
3. Задачи и упражнения по математическому анализу для вузов / Под ред. Б. П. Демидовича. 3-е изд., стереотип. - М., 1962. - 388 с.
4. Марфицын В. П., Марфицын А. В., Марфицын С. В. Изобретение к патенту ЯИ 2346197С1. Затвор повышенной герметичности и вибрационной стойкости с усиленным стопорением для сосудов и аппаратов, работающих под внутренним или наружным давлением. - заявл. 19.04.04; опубл. 20.01.06.
5. Осадчий А. Катастрофа в Мексиканском заливе // Наука и жизнь. - 2010. - № 10. -С. 46-50.
Сведения об авторах
Марфицын Сергей Владимирович,
председатель ПК «Уралец», г. Курган, е-mail: delta-kurgan@yandex.ru
Марфицын Андрей Владимирович, директор ООО «Энерготехстрой», г. Курган, е-mail: entechstroy@mail.ru
Марфицын Владимир Петрович, заместитель директора по научным исследованиям и конструированию, ПК «Уралец», г. Курган, е-mail: delta-kurgan@yandex.ru
Information about the authors
Sergey V. Marfitsyn, ^airman of ^ «Uralec», Kurgan, е-mail: delta-kurgan@yandex.ru
Andrey V. Marfitsyn, Director, LLC «Energotechstroy», Kurgan, е-mail: entechstroy@mail. ru
Vladimir P. Marfitsyn, Deputy Director for Scientific Research and Design, CC «Uralec», Kurgan, е-mail: delta-kurgan@yandex.ru
100
Нефть и газ
№ 1, 2019
