Как поясняют ученые, на большинстве нефтяных скважин мира используются штанговые насосы. На них в качестве привода установлены станки-качалки, соединенные с насосом, погруженным в скважину, стальной штангой. В последние годы штангу стали заменять специальным стальным канатом, что позволяет размещать насос в наклоненной скважине малого диаметра.

Вместе с тем возникла проблема с эксплуатационной надежностью таких канатных штанг — из-за недостаточной прочности они приходят в негодность, а это тормозит процесс нефтедобычи. Поэтому оптимизация их конструкции — одна из практических задач, отметили в ВолгГТУ.

Традиционно стальные тросы и канаты проектируют согласно научно-технической документации и экспериментально определяют, какое усилие они способны выдержать. Но алгоритмы расчета прочности не могут учесть всех конструктивных особенностей, например размера и формы проволок в слоях или величину зазоров между проволоками.

Поэтому специалисты из ВолгГТУ разработали метод расчета необходимых параметров для сборки каната с помощью его цифрового двойника — создавая детальную компьютерную 3D-модель каната и подбирая оптимальное соотношение параметров.

«В результате исследования сделан вывод о достоверности компьютерного моделирования поведения при различных схемах нагрузки на сложную многоэлементную систему, которой является закрытый многослойный стальной канат» — рассказал заведующий кафедрой «Материаловедение и композиционные материалы» ВолгГТУ Леонид Гуревич.

По его словам, исследователям удалось выявить влияние минимальных изменений размеров элементов конструкции на распределение напряжений и деформаций по изделию.

Далее спроектированный канат изготавливают в металле и передают для натурных испытаний. Это позволяет уменьшить количество повторяющихся дорогостоящих тестов.

Цифровой двойник дает возможность проверить несколько альтернативных вариантов соотношения параметров, выявить достоинства и недостатки каждого и выбрать оптимальный, а в итоге — сэкономить не только деньги, но и время при постановке на производство новых видов конструкции, пояснил эксперт.

«Сейчас мы разрабатываем оптимальный канат, будем уточнять наиболее соответствующие диаметры проволок, зазоры между ними и сопоставлять результаты внесения различных изменений. По нашим расчетам, метод позволит повысить нагрузочную способность канатной штанги нефтедобывающих установок на 20 процентов», — продолжил Гуревич.

Он обратил внимание на то, что расчет свойств проволочных изделий методом компьютерного моделирования уже опробовали при конструировании проводов воздушных линий электропередач и грозозащитных тросов. Прочность разработанных образцов оказалась выше, чем у тех, что уже используются в промышленности.

Дальнейшей задачей научного коллектива Гуревич назвал объединение возможностей с ведущими производителями канатной продукции для выпуска высококачественных стальных компонентов нефтедобывающих установок.

Исследование проводилось в рамках стратегического проекта ВолгГТУ по программе «Приоритет-2030». Всего у вуза четыре подобных проекта, в том числе «Центр цифровых научно-образовательных проектов и разработок» и «Технологии для промышленного инновационного кластера».