0 Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя школа № 14 города Липецка Физика Винт Пифагора. Прорыв в нефтедобывающей промышленности. Тихонова Яна Алексеевна 9 класс Тихонова Юлия Владимировна учитель Липецк 1 Оглавление Введение 2 1. Основная часть 4 2. Заключение 8 Библиографический список 9 Приложение 10 2 Введение Нефтяная промышленность – отрасль экономики, которая включает в себя добычу, переработку, транспортировку, хранение и продажу нефтепродуктов. Это одна из основ современной экономики. Без различных видов топлива, которое производится из нефти, невозможна работа всех видов транспорта, машин и механизмов. Нефть является главным сырьем для химической промышленности и для тепловых электростанций. Это источник стабильности и процветания. В сравнении с углем нефть более выгодна в добыче, переработке, ее легче транспортировать на очень большие расстояния. Не зря нефть называют «черным золотом», это очень важный и полезный ресурс в современном мире. И нефть, и золото – это полезные ископаемые, залегающие в недрах земли, и для того, чтобы их найти и добыть, нужно приложить огромные усилия. И мало того, количество их ограничено. Это те полезные ископаемые, которые относятся к не возобновляемым ресурсам, и именно поэтому требует разумного, взвешенного и бережного отношения. Основными экспортерами нефти на сегодняшний день являются такие страны как: Россия, Иран, Саудовская Аравия, Катар, Норвегия, Венесуэла, Нигерия и др. Это мировые лидеры по природным запасам нефти. В нашей стране добыча нефти стала одной из приоритетных отраслей в начале 20 века, именно сейчас добыча нефти является важнейшей частью российского экспорта, а подтвержденные запасы жидких углеводородов по состоянию на 2020 год составляли 107, 2 млрд баррелей. В РФ находится порядка десяти эксплуатируемых месторождений нефти с потенциальным запасом более 1 млрд тонн каждое. Естественно, что в результате эксплуатации сырьевой потенциал указанных месторождений сокращается. Поэтому для российской нефтяной промышленности одной из основных задач является сокращение расходов на геологоразведку новых источников сырья. С учетом современных темпов добычи уже разведанные месторождения будут обеспечивать Россию нефтью на протяжении 55-60 лет, но при этом стоит учитывать более низкую рентабельность добычи. Есть понятие рентабельности открытий новых месторождений. Многие из них находятся в Арктике, поэтому освоение, установка буровых машин и добыча продукта может стать слишком затратной и не выгодной для бюджета. Поэтому способы добычи совершенствуются, С таким стремительным развитием технологий нефтяники могут добираться до более глубоких и ранее недоступных месторождений. Существует несколько видов добычи нефти: фонтанный способ (применяется при высоком пластовом давлении), газлифтный способ (продолжение фонтанного способа, но с помощью дополнительной подкачки в пласт сжатого газа) и насосные способы добычи нефти, на котором я бы и хотела остановиться подробнее. 3 Насосный способ добычи нефти, как несложно догадаться, подразумевает добычу при помощи различных насосных установок. В настоящее время для добычи нефти применяются различные скважинные насосные установки. Все они различаются производительностью, мощностью и габаритами. Но самое главное, для всех важен вопрос по снижению себестоимости добычи конечного продукта, который и зависит от долговечности и производительности нефтепромыслового оборудования. В своей работе я бы хотела описать винтовые насосы для добычи нефти, которые производит ООО «Лебедянский машиностроительный завод» и доказать, почему именно такие типы насосов более выгодны в использовании и сокращают себестоимость добычи нефти. 4 1. Основная часть Лебедянский машиностроительный завод (ООО «ЛЕМАЗ») был основан 22 июня 1946 года приказом Министерства машиностроения и приборостроения и уже в 1947 году здесь был изготовлен первый центробежный насос. Сегодня «ЛЕМАЗ» - один из лидеров российского рынка по выпуску центробежных насосов для добычи нефти. Основными потребителями продукции завода являются нефтедобывающие, судостроительные, теплоэнергетические и нефтеперерабатывающие, нефтехимические предприятия, коммунальное и сельское хозяйство, атомная энергетика. ООО «ЛЕМАЗ» входит в состав промышленной группы «Борец», которая является мировым лидером в производстве установок для добычи нефти и занимает более 10% мирового рынка. Сервисные подразделения группы расположены в России, Сербии, США, Канаде, Конго и других странах. До 2008 года завод выпускал исключительно электроцентробежные насосы. В наземной части устройство электроцентробежных насосов (УЭЦН) – включают в себя повышающий трансформатор, телеметрическую систему, станцию управления и устьевое оборудование.[2, с. 34] В погружную часть (подземную) входят следующие элементы: Кабельная линия Предвключенное устройство Гидрозащита Телеметрия Клапан обратный – предотвращает самопроизвольный излив добываемого продукта Насос лопастной Электродвигатель приводной. Такие виды насосов незаметно для себя почти вытеснили штанговые насосы, которые исторически появились первыми. Они очень долгое время доминировали на рынке, но из-за бурного темпа развития нефтяного бизнеса изжили себя. Основной их недостаток - это наличие очень длинной механической связи между станком-качалкой и насосом. Колонна штанг обладает большой прочностью, но все равно является самым слабым звеном, передавая насосу ограниченную мощность, снижает надежность и уменьшает межремонтный период. Это очень невыгодно и затратно. А вот ЭЦН уже имеют значительные преимущества: это и простота наземного оборудования, и возможность отбора жидкости из скважин до 15000 м 3 /сут, и возможность использовать их на скважинах с глубиной до 3000 метров, и высокий межремонтный период, и возможность проведения исследований в скважинах без подъема насосного оборудования, и менее трудоёмкие методы очистки оборудования. Такие насосы могут 5 применяться в очень глубоких и наклонных нефтяных скважинах (и даже в горизонтальных), в сильно обводненных скважинах. Но всё это, оказывается, можно улучшить ещё. В 2008 году ООО «ЛЕМАЗ» впервые начинает выпуск других типов насосов. Именно их и можно назвать прорывом в Российском нефтедобывающем производстве. И речь идёт о винтовых насосах, а именно насосах, в конструкции которого заложено использование винта Пифагора. [3] Запасы высоковязкой нефти значительно превышают запасы легкой и маловязкой, и в связи с истощением традиционных запасов интерес к таким месторождениям возрастает. Проблема добычи высоковязкой нефти обычно решается при помощи химических или термических методов, таких как закачка реагентов, нагрев пласта паром или технологии внутрипластового горения. Эти способы просто очень и очень затратные, поэтому и встал вопрос о поиске новых технологий, позволяющих снизить себестоимость добычи. Винт Пифагора или Архимедов винт – это механизм, исторически использовавшийся для передачи воды из низколежащих водоёмов в оросительные каналы. Он был одним из изобретений и открытий, приписываемых Архимеду. Устройство представляет собой наклоненную под углом к горизонту полую трубу с винтом внутри. Винт вращался обычно при помощи ветряного колеса или вручную. В то время, как поворачивается нижний конец трубы, он собирает некоторый объем воды, эта вода скользит вверх по спиральной трубе во время вращения вала, пока вода не выльется из вершины трубы, снабжая систему. Именно это легло в основу работы винтовых насосов для добычи нефти. Винтовые насосы ещё более удешевили добычу полезного ископаемого и заняли свою достойную нишу среди другого нефтедобывающего оборудования. Они показали очень много плюсов в своей работе. Среди них: Низкая металлоемкость Простота установки и обслуживания Меньшие экологические риски Способность работать в экстремальных условиях (низкие температуры, повышенное содержание газов и других частиц) Работа в почти отработанных скважинах, в которых уже не справляется обычное оборудование, а это ведёт за собой сокращение расходов на нефтепромысловую геологию. А самое главное – это большая всасывающая способность и высокий КПД. Это практически единственный тип насосов, обеспечивающих большую долговечность при перекачивании жидкостей, содержащих механические примеси. Винтовые насосы, за счёт винта, 6 способны прокачивать вязкие жидкости, не зависимо от напора. Напор, конечно, важен, но в меньшей степени. При недостаточном притоке жидкости из пласта в скважину или при содержании в жидкости большого количества газов конструкция насоса обеспечивает стабильную прокачку. Устройство погружено в скважину, первая часть всасывает жидкость внутрь корпуса, винт вращается, лопасти винта нагнетают нефть внутрь и направляют вдоль корпуса ко второй части – выпускной, а уже через клапан выполняется выход продукта. Конструкция предусматривает самостоятельное всасывание жидкости, вплоть до образования глубокого вакуума, создаёт повышенное давление, выход жидкости осуществляется равномерно, без пульсаций в отличие от центробежных моделей, также устройство винтового насоса исключает нарушение структуры перемещаемого вещества, бесшумно работают, показывают качественную и слаженную работу по добыче нефтепродуктов. Конструкция винтового насоса приведена в приложении. [4] Сейчас винтовые насосы используются на более чем 40000 скважин по всему миру. Добыча вязких и высоковязких нефтей стала более рентабельной для нефтяной промышленности. Основные элементы винтового насоса – это статор (неподвижный рабочий орган, имеющий по концам приемную и отдающую камеры, ротор – вращающийся вокруг неподвижной оси рабочий орган, замыкатель – рабочий орган, герметично соприкасающийся со статором и ротором и разделяющий камеры. Для работы таких насосов необходимо взаимодействие его рабочих органов – винта и обоймы, т. е. для выполнения рабочего процесса необходимо, чтобы при вращении приводного вала в каждом поперечном сечении совершались циклические перемещения винта относительно обоймы. Винт – самый точный и тяжелый в изготовлении элемент винтового насоса, но именно благодаря ему такие насосы способны работать в суровых климатических условиях, перекачивать самую вязкую, абразивную среду, работать на реверс. Они просто незаменимы в тех случаях, когда нет возможности применить центробежные. [1, с. 15] На ООО «ЛЕМАЗ» выполняется полный цикл по изготовлению такого оборудования, начиная от отливки рабочих органов и заканчивая сборкой насосов и их обкаткой. Завод оснащён собственными лабораториями и искусственными скважинами, где проходят испытания насосы. Имеется полный комплект оборудования для изготовления отдельных составных частей насосов. Имеется специальный станок DUS 800 для обработки винтов винтовых насосов. Винт делается с нуля из гладкого вала. Вал проходит токарную обработку на данном станке специальным инструментом. Его обтачивают, нарезают винтовую поверхность, шлифуют и покрывают износостойким покрытием. Это очень трудоёмкий процесс. Одна шлифовка винта занимает до нескольких часов. Винты достигают в длину до 5 метров. Соответственно, и станок для их 7 обработки имеет приличные габариты. Под нанесением износостойкого покрытия имеется ввиду азотирование или хромирование винта. Это вид упрочнения основного материала, применяют для получения высокотвердого верхнего слоя детали (винта) для способности работать в агрессивной среде. Этот процесс представляет собой насыщение поверхностного слоя легирующими элементами при высокой температуре и длительной выдержки. После этого винты ещё раз шлифуют и начинают сборку. Процесс изготовления одного винтового насоса занимает около трёх недель. В месяц завод изготавливает до тридцати таких насосов. Спрос на них только растёт. «ЛЕМАЗ» – это единственный в России завод, который изготавливает винтовые насосы для добычи нефти и имеет уникальное оборудование для этого. Помимо насосов с одним винтом существуют также и с двумя, и с тремя винтами. Такой тип ещё более сложен в изготовлении, но наши лебедянские машиностроители готовы и к такому. Всё успешно отлажено, отработано и обкатано. Несмотря на трудность в представлении и теории на практике оказалось, что конструкция таких насосов достаточно проста, а характеристики уникальны, благодаря чему удаётся с высокой эффективностью эксплуатировать такую технику в процессе добычи нефти. Винтовые глубинные насосы набирают всё большую популярность по всему миру. Винтовые насосы работают на мощностях до 1000 м3 и создают давление до 30 мПа. Специалисты по экономическому анализу оценили новые разработки в нефтедобывающем сегменте и пришли к выводам, что снизились затраты на освоение новых скважин, добыча стала максимально эффективной и минимизировались затраты на подъём необработанного пласта сырья. Также, судя по нарастающему спросу на винтовые насосы на ЛЕМАЗе, можно сделать выводы, что непосредственные потребители данного вида оборудования тоже довольны. Я провела сравнительную характеристику ЭЦН и винтовых насосов по параметрам, взятым на заводе. Таблица с основными параметрами приведена в приложении. Процессы изготовления винта и других элементов винтового насоса на ООО «ЛЕМАЗ» также приведены в приложении. 8 Заключение Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что в настоящее время нефтедобывающая промышленность во всём мире находится на пике. Нефтяники ищут всё новые и новые способы для усовершенствования процесса добычи нефти. Нефть – это основная составляющая экономического развития государства. По всем мировым рейтингам наша страна входит в тройку лидеров по добыче нефти. История российского нефтепромысла началась в далёком 1847 году на Апшерском полуострове, где была пробурена первая скважина, а через 17 лет – вторая, на кубанской реке Кудако. А первая солидная организация открылась в 1879 году, это было «Товарищество производства нефти братьев Нобель». Предприятие быстро начало процветать, но и сил и затрат было вложено не мало. Это и ж/д пути, и танкеры, и трубопроводы и была освоена переработка нефтепродуктов. И вот с тех самых пор люди поняли, что нефть – это действительно «чёрное золото». В планах присутствует открытие нескольких сотен, а то ты и тысяч новых месторождений в малоизученных районах. Нефть – наше всё, и вкладывать в нефтедобычу предполагается огромные деньги. Это и новые технологии, и разработки, и оттачивание того, что уже есть. Нефтедобывающее оборудование также претерпевает изменения, подстраивается под новые условия. Ранее было сказано, что более половины запасов нефти в РФ, относится к трудноизвлекаемым, вязким, и ещё, увеличился удельный вес месторождений с низкими дебитами скважин. На помощь в снижении себестоимости добычи нефти и пришли винтовые насосы. Они показали себя «на отлично». Оказалось, что использование давно забытого старого – винта Пифагора, в новом качестве способно творить чудеса. Винтовые насосы стали спасением для нефтяников, они стали массово использоваться и успешно конкурируют с традиционными технологиями, а работа с высоковязкими эмульсиями, большим содержанием механических примесей и свободного газа в пластовой жидкости, простота конструкции, способность работать в местах с экстремально низкими температурами напрочь лишают конкуренции другое оборудование. И я очень горжусь, что в нашей Липецкой области есть такое предприятие, где производят такие машины. Ведь нефтяной насос – это тоже машина. Многие даже не знают о существовании этого завода. А ведь это лидер российского рынка по нефтедобывающему оборудованию и единственный в РФ завод, который изготавливает с нуля винтовые скважинные насосы для добычи нефти. [5] 9 Библиографический список 1. Балденко Д. Ф. Винтовые насосы/ Д. Ф. Балденко, М. Г. Бидман, - Москва: Машиностроение, 1982, - 224 с. 2. Молчанов А. Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа/ А. Г. Молчанов, – Москва: Альянс, 2013, - 588 с. 3. ООО «ПК «Борец»: официальный https://www.borets.ru/products/nasosy/pcp/ сайт. (дата – Москва, обращения 2023. – URL: 18.11.2023). – Текст: электронный. 4. ООО «ПК «Борец». Нефтедобывающее оборудование, - Москва: ООО «ПК «Борец», 2021, - 396 с. 5. Ибатуллин Р. Применение винтовых насосов для добычи нефти/ Р. Ибатуллин, Инженерный вестник. – 2013. – ноябрь. – 1 стр. 10 Приложение Рисунок 1. Схема центробежного насоса для добычи нефти (ЦН) 11 Рисунок 2 . Винт Пифагора или Архимедов винт Рисунок 3. Винт Пифагора в работе 12 Рисунок 3. Схема установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) 13 Рисунок 4. Станок для токарной обработки винта – VDF DUC 800 Рисунок 5. Винт для винтового насоса, изготовленный на ООО «ЛеМаЗ» Рисунок 6. Обкатка и испытания готовых насосов на ООО «ЛеМаЗ» 14 Рисунок 7. Образцы винтов винтовых насосов. Характеристики Винтовые насосы Центробежные Мощность 2500 Вт 2000 Вт Абразив да нет Максимальный напор 340 м 250 м Давление 24 бар 60 бар Рисунок 8. Сравнительные характеристики. 15 Рисунок 9. Запасы вязких нефтей