СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ И ПРОБЛЕМЫ ШТАНГОВЫХ ГЛУБИННОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК

Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 128 http://nauko-sfera.ru/ УДК 678:778.45 DOI 10.5281/zenodo.17394839 Научная статья СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ И ПРОБЛЕМЫ ШТАНГОВЫХ ГЛУБИННОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК CURRENT TRENDS AND PROBLEMS OF DEEP-PUMPING ROD INSTALLATIONS САМАРИН ТИМУР ВЛАДИМИРОВИЧ, Государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Альметьевский государственный технологический университет «Высшая школа нефти». SAMARIN TIMUR VLADIMIROVICH, State Autonomous Educational Institution of Higher Education Almetyevsk State Technological University Higher School of Petroleum. В статье рассматриваются современные тенденции и проблемы, связанные с эксплуатацией штанговых глубиннонасосных установок (ШГНУ). В данной работе анализируются основные аспекты, влияющие на эффективность работы данных установок, включая выбор приводов, их технические характеристики и надежность. Автором рассматриваются современные методы противоаварийной защиты, направленные на повышение надежности и безопасности работы ШГНУ. Приводятся статистические данные, показывающие, что основными причинами отказов являются разрушение пальца кривошипа, обрыв шатуна и поломка редуктора. Для решения этой проблемы авторы разработали и представили комплексное устройство противоаварийной защиты. Устройство сочетает датчик усилия для контроля нагрузки на шток и акселерометр для отслеживания положения балансира. При обнаружении отклонений система автоматически останавливает станоккачалку и отправляет уведомление диспетчеру. Внедрение данного решения позволит повысить надежность оборудования и сократить экономические потери от аварийных простоев. The article discusses current trends and problems related to the operation of rod depth pumping units (SHGNU). This article analyzes the main aspects affecting the efficiency of these installations, including the choice of drives, their technical characteristics and reliability. The author considers modern methods of emergency protection aimed at improving the reliability and safety of the SSU. Statistical data are provided showing that the main causes of failures are the destruction of the crank pin, connecting rod breakage and gearbox failure. To solve this problem, the authors have developed and presented a comprehensive emergency protection device. The device combines a force sensor to monitor the load on the rod and an accelerometer to track the position of the balance beam. If deviations are detected, the system automatically stops the rocking machine and sends a notification to the dispatcher. The implementation of this solution will improve the reliability of the equipment and reduce economic losses from emergency downtime. Ключевые слова: штанговый насос, станок-качалка, цилиндр, оборудование, механические примеси, глубинные насосы. Key words: rod pump, rocking machine, cylinder, equipment, mechanical impurities, deep pumps. Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 129 http://nauko-sfera.ru/ ля механизированной добычи нефти достаточно обширно применяется технология с глубинными штанговыми насосами. Важнейшим компонентом здесь выступает приводной механизм, который служит для инициирования возвратно-поступательного движения поршня (плунжера) насоса, размещенного глубоко в буровой скважине, посредством соединения со специальными штангами. Привод выполняет задачи по снижению скорости вращения двигателя до оптимальной частоты циклов (двойных ходов) точки подвеса штанг, при этом, исполняет мониторинг и контроль рабочих параметров, а также, и компенсацию динамических нагрузок всей системы в целом. Несмотря на внедрение передовых технологий в производстве, продолжительность функционирования насосных установок демонстрирует тенденцию к сокращению. Основным фактором, способствующим этому, является усложнение условий их использования. Таким образом, постоянное ухудшение рабочих параметров напрямую приводит к стремительному снижению долговечности устройств. Станки-качалки, на сегодня, давно стали узнаваемой визитной карточкой нефтедобывающей промышленности. Центральный компонент станков-качалок — глубинный штанговый насос — пользуется высоким признанием благодаря своей конструктивной простоте и выдающейся эффективности. Данные системы не теряют своей актуальной значимости на нефтяных месторождениях на протяжении многих десятилетий [2]. Специалисты Keystone Group выделяют следующие преимущества и возможности штанговых насосов, а именно [10]:  высокий коэффициент полезного действия;  удобство обслуживания и ремонта непосредственно на объекте;  возможность использования различных типов двигателей;  приспособленность к работе в непростых условиях, в условиях добычи из скважин с повышенным содержанием песка, перекачки нефти и т.д. К выше названному списку аналитики агентства DISCOVERY Research Group, в своём отчёте «Анализ рынка насосов для добычи нефти в России», добавляют ещё один важный фактор — их невысокую стоимость [10]. Тем не менее, как и любое техническое решение, штанговые насосы не лишены недостатков. В частности, их применение становится затруднительным в горизонтальных и наклонно-направленных скважинах, доля которых в современном бурении неуклонно растёт. Кроме того, необходимо принимать в учет и ограничения по глубине их установки и относительно небольшую производительность (дебит) [4]. Принцип действия установки для механизированной добычи нефти с балансиром основан на четырехзвенной системе «кривошип-коромысло», состоящей из редуктора, вращающегося кривошипа, соединительного шатуна, колеблющегося коромысла-балансир и подвижной головки для колонны насосных штанг. С каждым годом увеличивается количество скважин, использующих данную технологию, что требует расширения парка высокопроизводительного оборудования. Несмотря на распространение, штанговые глубинные насосные установки теряют доминирование среди оборудования российских нефтедобывающих компаний. На начало 2024 года в России было 169 806 нефтяных скважин, из которых около 43,5 тысяч использовали установки. На начало 2023 года в России насчитывалось 158 785 действующих продуктивных скважин, что на 2 % больше по сравнению с предыдущим годом. Из них 110 857 скважин использовали установки УЭЛН, увеличившись на 3 %, а количество скважин с ШГН достигло 42 276, показав прирост на 0,7 % [9]. Распределение скважин между ключевыми нефтяными компаниями выглядело следующим образом [10]: Д Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 130 http://nauko-sfera.ru/  «Роснефть»: 47 683 скважины (30 %).  «ЛУКОЙЛ»: 29 374 скважины (18 %).  «Сургутнефтегаз»: 24 940 скважин (16 %).  «Татнефть»: 20 223 скважины (13 %).  «Газпром нефть»: 8 625 скважин (5 %).  «Независимая нефтегазовая компания»: 7 226 скважин (5 %).  «Славнефть»: 3 566 скважин (2 %).  «РуссНефть»: 1 811 скважин (1 %) (рис. 1). Рис. 1. Фонд скважин, дающих продукцию по РФ, 2021-2024 гг. В 2021 году было зарегистрировано 116 359 скважин с установками УЭЦН (установки электроцентробежных насосов) и 44 690 скважин с УШГН (установки штанговых гидравлических насосов), что в сумме составило 165 017 скважин. В 2022 году количество скважин с УЭЦН снизилось до 96 925, а с УШГН — до 36 362. И, несмотря на снижение в 2022 году, в последующие годы наблюдается восстановление и рост числа продуктивных скважин в России [8]. В современных условиях, отраслевые предприятия и сервисные компании вновь оказались под многофакторным давлением. Удорожание сырья и комплектующих, кардинальная перестройка логистики, необходимость поиска новых поставщиков взамен европейских, ключевые требования заказчиков по сохранению расценок и сложности на внешних рынках неизбежно приведут к изменению структуры распределения объемов работ по скважинному фонду. В 2024 году приоритетами нефтяных компаний стали: повышение энергоэффективности, бурение и строительство скважин, разведка, цифровая трансформация и развитие управ- Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 131 http://nauko-sfera.ru/ ленческих платформ, достижение углеродной нейтральности, сокращение выбросов парниковых газов, решение экологических вопросов, производство, транспорт и использование СПГ, добыча трудноизвлекаемых запасов (ТРИЗ) и высоковязкой нефти. В текущих условиях прогресс в освоении нефтегазовых ресурсов неразрывно и очень тесно связан с повсеместным внедрением автоматизированных систем в производственные циклы. Именно это выступает ключевым фактором, в первую очередь, для оптимизации функционирования основных технических комплексов, задействованных на всех этапах – от бурения скважин до добычи, транспортировки и хранения углеводородов, что, в свою очередь, приводит к значительному увеличению рентабельности производства [9]. Так, основной объем российской нефти извлекается с помощью механизированных установок, а именно насосным методом. Для этой цели широко применяются штанговые глубинные насосы. Среди наиболее часто встречающихся неисправностей станков-качалок выделяются: разрушение или выход пальца из кривошипа (41 % случаев), износ или поломка тихоходного вала редуктора (20 %), а также обрыв шатуна (17 %). Эти данные приведены в таблице 1. Таблица 1. Статистика аварийных отказов СК [3] №п/п Аварийный отказ Доля от общего числа аварийных отказов, % 1 Сход кривошипа с вала редуктора 3 2 Выход пальца из кривошипа 8 3 Разрушение пальца кривошипа 33 4 Обрыв балансира 3 5 Обрыв траверсы 5 6 Обрыв шатуна 17 7 Разрушение опоры траверсы 3 8 Обрыв головки балансира 8 9 Разрушение редуктора (обрыв тихоходного вала) 17 10 Разрушение зубчатых передач редуктора 3 Итак, наибольшее количество аварийных отказов приходится на несколько критически важных элементов. Абсолютным лидером является разрушение пальца кривошипа, составляющее 33 % всех инцидентов. За ним следуют обрыв шатуна и разрушение редуктора (обрыв тихоходного вала), составляющего порядка 17 % отказов. Существенный вклад в общую статистику аварийности вносят выход пальца из кривошипа и обрыв головки балансира, каждый из которых составляет по 8 % отказов. Главными причинами внезапных сбоев и аварийных ситуаций являются: эксплуатация оборудования с нагрузками, превышающими допустимые нормы, а также низкое качество технического обслуживания штанговых глубинных насосных установок [7]. Приведенные статистические данные необходимо рассматривать в контексте сложных условий функционирования нефтепромыслового оборудования, где присутствует многофакторное воздействие на элементы ШСНУ. Для эффективного повышения надежности и снижения аварийности станков-качалок первоочередные усилия по разработке и внедрению систем противоаварийной защиты должны быть сфокусированы на наиболее критических узлах, а именно: пальце кривошипа, шатуне и тихоходном вале редуктора. Из-за достаточно сложных условий работы оборудования на нефтяных месторождениях, многообразия воздействий, непосредственно, на систему штанговых насосов и внешнюю Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 132 http://nauko-sfera.ru/ среду, финансовых ограничений, требуется найти максимально простые и безотказные методы для защиты станков-качалок от неисправностей. При этом, все предлагаемые решения должны быть экономически обоснованными, простыми в реализации и максимально устойчивыми к сложным эксплуатационным условиям [8]. Для значительного улучшения показателей нефтедобычи в наши дни активно осваивается путь внедрения интеллектуальных решений. Суть подхода заключается в создании и последующем включении в технологические операции высокоточных вибродиагностических экспертных комплексов и приборов. На сегодняшний день, экспертные системы вибродиагностики значительно сокращают затраты на обслуживание оборудования, уменьшая количество и продолжительность ремонтов, потребность в запчастях и исключая замену исправных деталей. Данный эффект достигается благодаря анализу вибросигналов с помощью временных и частотных методов. Временные методы измеряют параметры вибрации (перемещение, скорость, ускорение) и сравнивают их с критическими значениями для принятия решения о ремонте. Частотные методы, через спектральный анализ и фильтрацию, позволяют выявить конкретные дефекты и степень износа деталей по характерным гармоническим составляющим в сигнале. Но, несмотря на преимущества, и данные системы пока не полностью эффективны, поскольку они узкоспециализированы и распознают лишь 60-70 % всех возможных дефектов. Поэтому, существующие методы промышленной диагностики сталкиваются с рядом вызовов. Вопервых, вибрационные сигналы часто неоднозначны, поскольку различные дефекты могут вызывать схожие частотные характеристики [3]. Во-вторых, построение надёжных экспертных систем затруднено: сложно формализовать опыт специалистов, учесть неполные или неточные данные, а также влияние внешних факторов и динамики производственных процессов. Помимо прочего, имеет место быть и разрыв между развитием ИИ-технологий, и их широким практическим применением. Втретьих, текущий контроль состояния очень часто ограничивается статическими параметрами вибрации и мощности и более эффективный мониторинг требует анализа динамических изменений, и это представляется возможным лишь при точной обработке временных характеристик вибросигнала. Современные станки-качалки оснащены магнитными датчиками на редукторе для фиксации крайних точек хода штока, но этот метод имеет существенные минусы, поскольку требует прокладки дополнительных кабелей, чрезвычайно сложен в точной настройке (которая часто нарушается после ремонтов) и крайне ненадежен в условиях агрессивной внешней среды, выходя из строя гораздо быстрее, чем акселерометры. Исходя из этого, внедрение акселерометров значительно повышает надежность системы, упрощая ее за счет сокращения числа датчиков и соединений. В свою очередь, разработка устройства противоаварийной защиты выступит универсальным решением для различных типов приводов. Основная сборка устройства противоаварийной защиты станка-качалки была выполнена в КОМПАС-3D V20 путем интеграции ранее созданных сборочных единиц (корпуса, кронштейна, датчика акселерометра) и отдельных деталей [1]. После завершения сборки была проведена проверка соответствия модели требованиям технического задания. Масса устройства, определенная через «свойства сборки», составила 3,58 кг, что соответствует требованию «не более 5 кг». Габаритные размеры (длина, ширина, высота), измеренные инструментом «расстояние и угол», также подтвердили выполнение установленных ограничений: длина не более 360 мм, ширина не более 150 мм, высота не более 110 мм. Таким образом, все ключевые требования технического задания были успешно выполнены (рис. 2). Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 133 http://nauko-sfera.ru/ Рис. 2. Устройство противоаварийной защиты [1] (1 – основание; 2 – корпус; 3 –крышка; 4 – кронштейн; 5 – подкладка; 6 – прокладка; 7 – хомут; 8 – гайка; 9, 10, 11 – шайба; 12 – винт; 13 – плата; 14 – датчик акселерометр; 15 – аккумуляторная батарея; 16 – модуль обработки сигналов; 17 – передающая антенна; 18 – разъем для зарядки аккумулятора) С целью регистрация усилия на шток штангового глубинного насоса и исключение случаев разрушения узлов станка-качалки, предлагаю применить датчик усилия в комплексе с устройством противоаварийной защиты станка – качалки (рис. 3). Рис. 3. Схема установки комплексного устройства датчика усилия и противоаварийной защиты на станок-качалку [1] (1 – станок-качалка; 2 – датчик усилия; 3 – устройство противоаварийной защиты; 4 – модуль сбора информации; 5 – блок питания; 6 – блок обработки сигналов; 7 – станция управления станка-качалки; 8 – передающие антенны) Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 134 http://nauko-sfera.ru/ Работа комплексного устройства (рис. 4) заключается в следующем: датчик усилия размещается между траверсами подвески станка-качалки и посредством кабеля подключается к блоку питания и модулю сбора информации, устройство с датчиком противоаварийной защиты станка-качалки жестко закрепляется на балансире в зоне близкой к оси качания [9]. Рис. 4. Схема работы комплексного устройства датчика усилия и противоаварийной защиты станка-качалки [1] В процессе эксплуатации штангового глубинного насоса (станка-качалки), датчик нагрузки измеряет компрессионное усилие, образующееся между поперечинами его подвесной системы. Более чувствительные элементы датчика, представляющие собой тензометрические датчики, интегрированы в мостовую схему [10]. Выходное напряжение с измерительной диагонали моста, которое прямо пропорционально воздействующей на чувствительные элементы нагрузке, преобразуется микропроцессорным контроллером в дискретный и широтно-импульсный сигналы. Цифровой сигнал направляется на соответствующий выход датчика нагрузки, а широтно-импульсный сигнал, после преобразования в постоянное напряжение, поступает на вход источника электропитания, а специальный модуль предназначен для сбора и интерпретации данных, поступающих от этого датчика нагрузки [7]. Помимо этого, на балансирном рычаге установлен сенсор аварийной остановки, который непрерывно контролирует угловое положение балансира, чтобы оно не выходило за пределы допустимых отклонений. В аппаратном блоке управления станка-качалки располагается контроллер, осуществляющий беспроводной обмен информацией с данным сенсором через радиоканал с заданной периодичностью. В случае, если отслеживаемый параметр (угол критического положения балансира) превышает установленные границы, контроллер немедленно деактивирует электродвигатель станка-качалки. В функционал блока управления также включена возможность отправки уведомительных сообщений при аварийном отключении станка-качалки по каналу сотовой связи (GSM) на компьютер и мобильный телефон, находящиеся в диспетчерском центре обслуживающей компании. Таким образом, применение нового, передового оборудования на базе интегрированного модуля для контроля механической нагрузки и превентивной защиты, трансформирует Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 135 http://nauko-sfera.ru/ эксплуатацию нефтедобывающих установок. Данный комплекс обеспечит постоянное и точное измерение усилий, действующих на шток глубинного насоса. В свою очередь, это даст возможность своевременно предотвращать поломки и значительно продлит срок службы ключевых компонентов станка-качалки. На сегодняшний день значительная часть нефтяных скважин, в разных регионах, работает на штанговых глубинных насосах с наземным приводом. Однако оборудование во многих случаях сильно изношено и часто выходит из строя. Поэтому вопросы, связанные с автоматизацией мониторинга работы этих насосных установок, остаются очень важными. Получение оперативной информации о состоянии насоса, а также о работе погружного и наземного оборудования поможет предотвратить аварийные ситуации на скважинах и обеспечить их эффективную эксплуатацию. Повреждение балансира, опоры или шатунов может привести к отказу привода и, как следствие, к финансовым потерям из-за ремонта и простоя. Одним из предложенных решений является разработка системы противоаварийной защиты. Благодаря внедрению автоматизированной системы оповещения, существенно повышается скорость реагирования на любые сбои и неисправности, минимизируются периоды простоя и, как следствие, заметно сокращаются недоборы в объёмах добываемой нефти. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Валовский В.М., Валовский К.М., Басос Г.Ю., Ибрагимов Н.Г., Фадеев В.Г., Артюхов А.В. Эксплуатация скважин установками штанговых насосов на поздней стадии разработки нефтяных месторождений // М.: Нефтяное хозяйство, 2016. 592 с. 2. ГОСТ 5866-2014 Станки-качалки. Технические условия. 3. Зюзев А.М., Текле С. И. Динамические симуляторы в задачах диагностики штанговых глубинно-насосных установок // Известия Томского политехнического университета. 2022. Т. 333, № 1. С. 168–177. 4. Кладиев С.Н. Обзор и критический анализ современного состояния и путей совершенствования систем электропитания и автоматического управления установок электроцентробежных насосов в прерывистых режимах эксплуатации нефтяных скважин // Известия ТПУ. 2023. №9. С. 203–215. DOI 10.18799/24131830/2023/9/4351. 5. КОМПАС-3D. URL: https://kompas.ru//(дата обращения: 10.10.2025). 6. Молчанов А.Г. Станки-качалки: проблемы и перспективы совершенствования // Промышленные ведомости, 2007, № 10. 7. Накатаев A. A., Текле С. И., Зюзев А. М., Нестеров K. Е. Испытательный стенд для моделирования режимов работы электропривода штанговой глубинной насосной установки // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2022. Т. 18, № 3/4. С. 75–88. 8. Насретдинов М.Р. Повышение эффективности эксплуатации штанговых глубинных насосов за счет применения намагниченного седла клапана // Современные технологии в нефтегазовом деле — 2018: сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2018. Т. 2. C. 78–82. 9. Пат.195101 РФ, МПК Е 21 В 47/009. Устройство противоаварийной защиты станкакачалки / С.А.Алатов; Д.А. Красовитов; В.В. Сидоров заявитель и патентообладатель ООО «Погружные приводные системы». №2019128603; заявл. 11.19.2019; опубл. 15.01.2020. 10. Штанговые насосы: обзор рынка URL: https://nprom.online/market/shtangovye-nasosy-obzorrynka/ (дата обращения: 10.10.2025). Поступила в редакцию: 14.10.2025 © Самарин Т. В., 2025. Принята в печать: 17.11.2025