Чтобы увеличить добычу нефти, сегодня используют различные технологии — например, гидравлический разрыв пласта. Он заключается в создании трещины в нефтяном пласте с помощью жидкости, которую подают под давлением. Это позволяет обеспечить приток «черного золота» к забою скважины. Но в процессе происходит изнашивание технологического оборудования. Оно может разрушаться, что приводит к аварийным ситуациям, простою скважин и снижению добычи нефти. Для упрочнения важных деталей используют электромеханическую обработку. Исследователи из Пермского Политеха определили наиболее эффективные параметры этого процесса. Это позволило в 2,5-3 раза повысить твердость поверхностного слоя детали. Работа выполнена в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
В исследовании приняли участие декан механико-технологического факультета Пермского Политеха, доктор технических наук Михаил Песин и аспирант кафедры «Инновационные технологии машиностроения» Евгений Макаренков. Результаты работы ученые опубликовали в сборнике материалов всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Химия. Экология. Урбанистика» (2022).
Наземное оборудование включает насосные и пескосмесительные агрегаты для подготовки и закачки рабочих жидкостей, автоцистерны для их доставки, специальную обвязку устья скважины с оборудованием и другие емкости. К подземным установкам относятся стальные насосно-компрессорные трубы, по которым течет жидкость для гидроразрыва, и уплотнители, разделяющие фильтровую зону скважины и ее верхнюю часть. В качестве материала для образования трещин в породе также используют песок и другие материалы.
— Разрушение оборудования при прокачивании материалов и жидкостей с механическими примесями происходит по двум причинам. Во-первых, это обусловлено высоким уровнем абразивного износа, при котором увеличиваются диаметр проходного канала трубы и технологического оборудования. Второй причиной становится коррозия из-за использования жидкостей разрыва, воды, пен, соляной кислоты, углекислоты и других веществ. Под ее действием разрушаются даже стойкие стали. Смесь закачивают в скважину в большом количестве и под высоким давлением. Поэтому чаще всего разрушаются насосы высокого давления и их поршни, а также отверстия и резьба насосно-компрессорных труб, — рассказывает руководитель проекта, декан механико-технологического факультета Пермского Политеха, профессор кафедры «Инновационные технологии машиностроения», доктор технических наук Михаил Песин.
По словам ученых, важное место в повышении долговечности деталей отводится качеству металла не всего сечения изделия, а структурному состоянию и физико-механическим свойствам поверхностного слоя. Именно поверхность определяет износостойкость, сопротивление материала разрушению, выносливость, стойкость к коррозии и другие характеристики.
Для увеличения устойчивости деталей применяют различные способы. Их поверхность можно сделать тверже с помощью химико-термической обработки, лазерного и термодиффузионного упрочнения, а также отделочно-упрочняющей обработки за счет поверхностного пластического деформирования. Одним из наиболее эффективных методов является электромеханическая обработка поверхности деталей с помощью концентрированных потоков энергии. В результате комплексного воздействия электрического тока и поверхностного пластического деформирования деталь становится более прочной. На глубине 0,2-0,3 мм ее твердость увеличивается в 3-4 раза. На отдельных материалах на глубине 1-2 мм этот показатель повышается в 2-3 раза. Это обеспечивает его сопротивление разрушению. Технологичный метод позволяет не проводить дополнительную обработку деталей, повысить их стойкость к износу в 12 раз и увеличить выносливость до 200 %.
— Мы нашли наиболее эффективные режимы электромеханической поверхностной закалки стальных деталей. Для этого наша научная группа провела серию экспериментов по упрочнению деталей. Их мы реализовали на научном стенде исследования физических параметров процесса резания материалов. Результаты экспериментов показали, что твердость поверхности образцов стала в 3-4 раза выше, по сравнению с базовыми параметрами. До экспериментов твердость материала в сердцевине составляла 18-20 HRC, а после упрочнения стала 48-68 HRC, — поясняет ученый.
Результаты работы можно использовать в сфере производства и реновации оборудования для нефтехимической, машиностроительной и других отраслей промышленности, а также в области нефтедобычи, считают разработчики.
Для справки
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % — региональные университеты.
Текст: Антон Свитек