CC BY
17ЮБИЛЕЙ
УДК 51-74:62-1/-9
В.Н. Ивановский1, e-mail: [email protected]; С.С. Пекин1, e-mail: [email protected]
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).
Использование цифровых технологий при подготовке студентов и создании инновационных видов оборудования кафедрой машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности
В статье приведена краткая историческая справка о создании и работе кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности Российского государственного университета нефти и газа (Национального исследовательского университета) имени И.М. Губкина в области подготовки высококвалифицированных кадров для нефтегазового и машиностроительного комплекса России. Проанализированы современные тенденции подготовки бакалавров и магистров, основанные на использовании в обучении цифровых технологий, математического моделирования, компьютерного конструирования и эксперимента, систем аддитивного проектирования, верификации результатов компьютерных экспериментов с работой физических моделей на испытательных стендах и серийных изделий - в промысловых условиях. Приведены данные об основных направлениях работы научно-педагогической школы «Динамические системы буровых и нефтегазопромысловых машин и оборудования», а также результаты создания ступеней электроприводных центробежных насосов, разработанных с помощью современных цифровых технологий. Дана информация о некоторых других видах оборудования, созданных на кафедре и успешно применяющихся на объектах российских нефтяных компаний: струйных насосных установках и насосах с канатными штангами - для работы в боковых стволах скважин малого диаметра, скважинных и наземных сепараторах механических примесей - для защиты оборудования и нагнетательных скважин от негативного воздействия абразива.
Ключевые слова: цифровые технологии, математическое моделирование, аддитивные технологии, подготовка студентов, создание инновационных видов оборудования
V.N. Ivanovskiy1, e-mail: [email protected]; S.S. Pekin1, e-mail: [email protected]
1 Federal State Autonomous Educational Institution for Higher Education "Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)" (Moscow, Russia).
Use of Digital Technologies in Training Students and Creating Innovative Types of Equipment by the Department of Machinery and Equipment of the Oil and Gas Industry
The article provides a brief historical background about the creation and work of the Department of machinery and equipment of the oil and gas industry of Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) in the training of personnel with higher education for the oil and gas and machine-building complex of Russia. It analyzes current trends in training bachelors and masters. It is noted that these trends are based on the use of digital technologies, mathematical modeling, computer design and computer experiment, additive design systems, verification of the results of computer experiments with the operation of physical models on test benches and serial products in field conditions. Data on the main areas of work of the scientific and pedagogical school "Dynamic Systems of Drilling and Oil and Gas Field Machines and Equipment" are presented, as well as the results of creating the steps of electrically driven centrifugal pumps that are developed using modern digital technologies. Information is given about some other types of equipment created at the Department: jet pumping units and pumps with rope rods - for working in the side shafts of small-diameter wells, well and surface separators of mechanical impurities - to protect equipment and injection wells from the negative impact of abrasive.
Keywords: digital technologies, mathematical modeling, additive technologies, training of students, development of innovative types of equipment.
38
№ 3-4 апрель 2020 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
ИСТОРИЯ КАФЕДРЫ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Кафедра машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности Российского государственного университета нефти и газа (Национального исследовательского университета) имени И.М. Губкина была создана в 1922 г. в составе нефтяного факультета Московской горной академии имени И.В. Сталина. Первым кафедру возглавил профессор Л.С. Лейбензон, ставший впоследствии академиком Российской академии наук СССР. Первоначальное название кафедры - нефтепромысловой механики - отражало задачи, которые были поставлены перед ее сотрудниками.
В 1930 г. кафедра нефтепромысловой механики, готовившая горных инженеров, вошла в состав Московского нефтяного института имени И.М. Губкина. На ее базе впоследствии были созданы такие подразделения института, как кафедра теоретической механики и гидравлики, разделившаяся в дальнейшем на отдельные кафедры, кафедра разработки нефтяных месторождений, кафедра транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов, кафедра нефтеза-водского оборудования. Да и сама кафедра нефтепромысловой механики неоднократно меняла свое название, побывав в разное время кафедрой промысловой и нефтезаводской механики, кафедрой машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов, кафедрой машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов, насосных и компрессорных станций и, наконец, в 1984 г. получив название, сохранившееся по сей день, - кафедра машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности (МОНиГП) [1].
С 1943 по 2015 г. кафедра выпускала инженеров-механиков, однако с 1994 г. перешла на многоступенчатую систему образования, предусматривающую три уровня подготовки специалистов: бакалавров, дипломированных инженеров
и магистров. С 2016 г. выпуск ограничен бакалаврами и магистрами по направлению «Технологические машины и оборудование».
За все время работы кафедра выпустила множество талантливых и успешных ученых и руководителей производства, лауреатов Ленинской и Государственной премий, орденоносцев, докторов и кандидатов наук [1]. Необходимо отметить, что кафедра всегда уделяла пристальное внимание не только решению практических вопросов отрасли, но и формированию научных основ создания и эксплуатации бурового и нефтегазодобывающего оборудования, насосов и компрессоров, оборудования и инструмента для проведения технологических операций в нефтегазовых производствах. Результатом этой работы стало создание на кафедре научно-педагогической школы «Динамические системы буровых и нефтега-зопромысловых машин и оборудования», основателем которой был акад. Л.С. Лейбензон.
В настоящее время кафедра выпускает 40-45 бакалавров и 20-25 магистров ежегодно. Выпускные квалификационные работы посвящены актуальным темам, согласованным с представителями промышленности. Защита выпускных работ проходит чаще всего в режиме on-line, в присутствии представителей промышленности, которые составляют более половины состава Государственной аттестационной комиссии (ГАК). В ежегодных отчетах ГАК отмечается высокий технический и научный уровень выпускных квалификационных работ, их востребованность в промышленности.
ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПОДГОТОВКЕ СПЕЦИАЛИСТОВ ДЛЯ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ
Кафедра МОНиГП готовит выпускников с учетом современных требований промышленности, студенты в ходе обучения не только изучают фундаментальные науки и специальные дисциплины,
но и получают качественные знания и умения в области самых востребованных направлений науки и техники, связанных с использованием компьютерных и цифровых технологий. Термин «цифровые технологии» на слуху уже давно. Концепцию цифровой экономики успешно реализуют Норвегия, Швеция, Дания, Южная Корея и другие страны. Россия входит в топ-5 стран с лучшим темпом роста показателя цифровизации, однако всерьез о цифровой экономике в нашей стране заговорили только в 2017 г., когда была принята программа цифровой экономики РФ.
Как известно, основными направлениями роста цифровой экономики являются:
• 1оТ (интернет вещей) и автоматизация производства;
• цифровое проектирование;
• виртуализация (например, удаленный офис, виртуальный расходомер и т. д.);
• кросс-канальные коммуникации и мобильные технологии.
Общий экономический потенциал этих технологий оценивается в триллионы долларов. Прогнозируемая стоимость только рынка 1оТ к концу 2020 г. составит 457 млрд долл. США, еще 240 млрд долл. может принести к 2022 г. автоматизация производства. Однако использовать этот потенциал можно только в случае правильной и своевременной подготовки не только производства, но и специалистов, которые смогут обеспечить качественную работу цифровой экономики. В настоящее время математические модели, используемые при обучении студентов, имеют очень мало общего с их цифровыми двойниками, востребованными современным производством. В то же время без накопления опыта создания математических моделей, организации и проведения натурных экспериментов, а также анализа полученных результатов даже лучшие цифровые прототипы не смогут стать цифровыми двойниками. Отсутствие
Ссылка для цитирования (for citation):
Ивановский В.Н., Пекин С.С. Использование цифровых технологий при подготовке студентов и создании инновационных видов оборудования кафедрой машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2020. № 3-4. С. 38-43.
Ivanovskiy V.N., Pekin S.S. Use of Digital Technologies in Training Students and Creating Innovative Types of Equipment by the Department of Machinery and Equipment of the Oil and Gas Industry. Territorija "NEFTEGAS" [Oil and Gas Territory]. 2020;(3-4):38-43. (In Russ.)
ЮБИЛЕЙ
I
I
Давление, Па
Pressure, Pa
107874,86
97325,25
92050,44
86775,64
81500,83
76226,03
70951,23
65676,42
60401,62
55126,81
49852,01
44577,20
39302,40
34027,59
а) a)
б) b)
в) c)
Скорость оборота, м/с Velocity, m/s
1 21,4838 19,3381 17,1923 15,0465 12,9008 10,755 0,609923 6,46346
К— 4,31769 2,17193 0,0261574
=г £
г-о SiE \
£ о ш " = с
s 'J3 ■& ¡0
s s- Диаметре ^ Diameter о входного отверстия конуса, f the cone outlet mm
- Диаметр частиц = 100 мкм Particle diameter -100 pm
Диаметр частиц = 25 мкм Particle diameter - 25 [im
г) d)
Д) e)
е) f)
Рис. 1. Результат математического моделирования и компьютерного эксперимента при проектирования ступени центробежного насоса и сепаратора механических примесей:
а) профилирование лопасти рабочего колеса; б) трехмерная модель направляющего аппарата; в) эпюры давлений в ступени электроприводных
лопастных насосов; г) траектории движения частиц механических примесей в завихрителе сепаратора; д) траектории движения частиц
механических примесей в сепараторе; е) расчетные зависимости коэффициента сепарации от размера конуса сепаратора
Fig. 1. The result of mathematical modeling and computer experiment when designing the stage of a centrifugal pump and a separator of mechanical
impurities:
a) profiling of the impeller blade; b) 3D model of the guide apparatus; c) pressure diagrams in the stage electric-driven vane pumps; d) paths of mechanical impurity particles in the separator turbulizer; e) paths of mechanical impurity particles in the separator; f) calculated dependences of the separation coefficient on the size of the separator cone
(i; J Ir** ' m
а) a) б) b)
Рис. 2. Модели рабочих колес и направляющих аппаратов, изготовленных с помощью 3D-принтеров:
а) рабочие органы электроприводного лопастного насоса; б) рабочие органы лабиринтно-винтового насоса
Fig. 2. Models of impellers and guide apparatus made using 3D printers:
a) working elements of an electric-driven vane pump; b) working elements of a labyrinth progressive cavity pump
соответствующего опыта и знаний может при уточнении модели привести к незапланированному результату, и вместо цифрового двойника будет получен объект, который не будет никоим образом соотноситься с разрабатываемым прототипом. Для получения соответствующего опыта все студенты, обучающиеся в магистратуре на кафедре МОНиГП, участвуют в проведении виртуальных экспериментов с разрабатываемыми объектами. К этой работе также привлекаются наиболее подготовленные студенты-бакалавры. Виртуальный эксперимент -мультидисциплинарная задача, в решении которой актуальны практически все науки, от материаловедения
40
№ 3-4 апрель 2020 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
а) а) б) b) в) с)
Рис. 3. Стенды для исследования характеристик нефтегазового оборудования: а) для испытания скважинных штанговых насосов; б) для испытания скважинных сепараторов механических примесей и газа; в) для испытания ступеней лопастных насосов Fig. 3. Facilities for studying the characteristics of oil and gas equipment:
a) for testing downhole rod pumps; b) for testing downhole separators of mechanical impurities and gas; c) for testing stages of vane pumps
E -a
a- -*-о ш с от
jo ¡s
5-- /
i
3 0
C. 1
1 n
25 50 75 100 125 150 175 200 225
Подача, м3/сут Delivery, m3/day
- расчетные величины • - фактические величины calculated values actual values
Рис. 4. Напорная характеристика оборудования, полученная во время стендовых испытаний создаваемого оборудования
Fig. 4. Pressure characteristics of the equipment obtained during bench tests of the created equipment
до технологии изготовления, а также все процессы, связанные с гидродинамикой, вибрацией, кинематикой и динамикой, статической и динамической прочностью, усталостью и коррозией материалов, геометрическими, физическими, контактными взаимодействиями, локальными разрушениями и т. д. При проведении виртуальных экспериментов студенты кафедры используют наукоемкие и мультидисциплинарные компьютерные технологии (computer aided design (CAD), computer-aided engineering (CAE), computational fluid dynamic ^FD)). Поскольку в современных условиях считается, что основная доля изменений конструкции и временных затрат должна быть сосредоточена на стадии проектирования, это должно способствовать минимизации затрат при проведении лабораторных и стендовых экспериментов. Осваивая такой подход к созданию новой техники, студенты получают навыки создания конкурентоспособных высокотехнологичных изделий нового поколения в кратчайшие сроки. Для получения таких компетенций студенты кафедры изучают дисциплины:
• математическое моделирование нефтегазового оборудования;
• автоматизация проектирования и конструирования;
• компьютерные технологии создания бурового и нефтедобывающего оборудования;
• компьютерные технологии bD-проек-тирования с использованием аддитивных технологий;
• компьютерные технологии проведения физического эксперимента. Компьютерным технологиям отведено много времени и при изучении дисциплин:
• машины и оборудование для бурения скважин;
• машины и оборудование для добычи и подготовки нефти и газа;
• расчет и конструирование нефтегазового оборудования;
• основы эксплуатации нефтегазового и бурового оборудования;
• техническая диагностика нефтегазового оборудования.
При этом в курсе «Техническая диагностика нефтегазового оборудования»
для бакалавров рассматриваются вопросы испытания различного нефтепромыслового оборудования,которое затем более глубоко изучается в курсе «Компьютерные технологии проведения физического эксперимента» для магистрантов.
При изучении указанных дисциплин используются как общеизвестные программные комплексы (AutoCAD, MatLab, MathCAD, SolidWorks, ANSYS, Star), так и созданные на кафедре МОНиГП прикладные программы «Автотехнолог»,
«Автотехнолог + Соль», «Струйный насос», «Струйный компрессор» и т. д. Объекты, рассчитываемые в прикладных программах, уже с высокой долей достоверности можно считать цифровыми двойниками, поскольку их рабочие параметры получили за время использования программных продуктов огромное количество поправок и дополнений на основе опыта применения данного программного обеспечения в нефтегазовой и машиностроительной отраслях России и СНГ.
ЮБИЛЕЙ
а) a)
б) b)
Щ t? =С <=
E-S
т Ч) (U О
с; и
£ 5>
I- с X <и
о "С
i-E
X ш
-в-
-В-
80 70 60 50 40 30 10 10
КПД, % N, кВт Efficiency N, kW coefficient %
0,6 80
0,5 70
60
0А 50
0,3 40
0,2 30
20
0,1
10
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Подача, м3/сут Delivery of pump, m3/day
Пок азатель ступеь ни НЦК 5А-700
Measi ires of the NTs К5А-70 0 stage еЗ
е?
- -
A el
1
100 200 300 400 500 600 700 800 Подача, м3/сут Delivery of pump, m3/day
Рис. 5. Характеристика ступени НЦК5А-700 (а) и показатели (классы) энергоэффективности ступеней c условным диаметром корпуса 103 мм (б)
Fig. 5. Characteristics of the NTsK5A-700 stage (a) and indicators (classes) of energy efficiency of stages with a nominal body diameter of 103 mm (b)
К числу практических результатов обучения по указанным дисциплинам относятся математические модели, цифровые прототипы, результаты математических (компьютерных)экспериментов (рис. 1), физические модели разрабатываемых студентами видов оборудования, изготовленные с помощью 3D-принтеров (рис. 2). Для проверки правильности математической модели и цифрового прототипа студенты продолжают уточнять характеристики создаваемого оборудования. Для этого на кафедре созданы стенды (рис. 3), на которых студенты проводят физические эксперименты и получают
фактические характеристики оборудования (рис. 4). Лучшие, наиболее подготовленные студенты выполняют работы с оформлением трудовых договоров, что дает возможность сделать записи в трудовые книжки и обеспечивает получение начального трудового стажа. Это, наряду с удостоверениями о получении рабочих специальностей, позволяет выпускникам кафедры быстрее найти перспективное место работы. При этом повышается конкурентоспособность выпускников, обеспечивается комфортное вхождение в новые трудовые коллективы, вырабатываются навыки исследовательской, конструк-
торской и практической работы с современными образцами нефтегазового оборудования.
УЧАСТИЕ КАФЕДРЫ В РЕШЕНИИ РЕАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗАДАЧ
В ходе обучения студенты порой участвуют в решении реальных производственных задач, что происходит при самом тесном взаимодействии с машиностроительными, сервисными и нефтедобывающими компаниями, такими как Группа компаний «Римера», Группа компаний «Алмаз», АО «Новомет-Пермь», ПК «Борец», ООО «ИПП «Новые технологии», ООО «Ойлпамп Сервис», ПАО «НК «Роснефть», ПАО «ЛУКОЙЛ», ПАО «Татнефть» и др. Например, для ООО «ЛУКОЙЛ ЭПУ Сервис» с участием студентов-магистрантов были созданы ступени лопастных электроприводных насосов для добычи нефти [2], напорно-расходная и энергетическая характеристики которых соответствуют лучшим мировым образцам и классу энергоэффективности е3 ГОСТ Р 56624-2015 [3].
Другим примером практического применения разработок кафедры МОНиГП, от математической модели до серийных образцов, выпускаемых несколькими заводами Российской Федерации, являются устьевые и скважинные сепараторы, обеспечивающие защиту оборудования от негативного воздействия механических примесей [4]. Большой объем работ в части математического моделирования, компьютерного конструирования и компьютерного эксперимента пришлось провести на кафедре в начале широкого внедрения скважинных насосов с канатной штангой, которые используются для добычи нефти из сложных по инклинометрии боковых стволов малого диаметра
[5]. Модернизация канатных заделок на основе результатов моделирования и численного эксперимента (рис. 6) позволила существенно снизить на-груженность этих элементов и увеличить наработку до отказа скважинных насосных установок с канатной штангой
[6]. Для эксплуатации боковых стволов на кафедре также были исследованы и отработаны конструкции струйных
42
№ 3-4 апрель 2020 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
ANNIVERSARY
насосов и схемы их обвязки. Созданное оборудование выпускается на заводах фирмы ГК «ЭЛКАМ», успешно прошло опытно-промышленные испытания на объектах ПАО «ЛУКОЙЛ» и используется в осложненных условиях эксплуатации нефтяных скважин [7]. Необходимо также отметить, что процесс обучения дополняется данными проведенных экспериментов и испытаний, результатов внедрения новых разработок, данными, полученными в ходе участия в конференциях и практических семинарах. Проекты кафедры МОНиГП в области компьютерных и цифровых технологий, с помощью которых были созданы работоспособные и эффективные виды нефтегазового оборудования, в 2018-2019 гг. получили высокие оценки конференции «Синергия», проводимой под эгидой Министерства образования и науки России и ПАО «Газпром». Так на кафедре развиваются традиции, заложенные создателями кафедры и научно-педагогической школы «Динамические системы буровых и нефтегазо-промысловых машин и оборудования».
а) a)
б) b)
—is
Макс. 935,0 Max
Напряжение
по фон
Мизесу, МПа
von Mises, MPa
m 935,0
857,1
779,2
701,2
623,3
545,4
467,5
389,6
311,7
233,7
155,8
77,9
1 0,0
2
8
Рис. 6. Заделка канатной штанги скважинной насосной установки для добычи нефти (а) и результаты численного эксперимента нагружения (б):
1 - первая коническая втулка; 2 - клиновые вкладыши; 3 - бандаж каната; 4 - стопорная гайка; 5 - иглы; 6 - корпус; 7 - переводник; 8 - вторая коническая втулка; 9 - канат; 10 - фиксирующая втулка
Fig. 6. Sealing of the cable rod of a well pumping unit for oil production (a) and the results of a numerical loading experiment (b):
1 - the first cone sleeve; 2 - wedge liners; 3 - rope bandage; 4 - lock nut; 5 - needles; 6 - case; 7 - sub; 8 - the second cone sleeve; 9 - rope; 10 - retainer sleeve
Литература:
1. Кафедра машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности / Под редакцией проф. Ю.В. Зайцева. (Серия «Биография кафедры»). Вып. 11. М.: Нефть и газ, 1999. 76 с.
2. Шабля В.В. Перспективы применения инновационных технологий производства ООО «ЛУКОЙЛ ЭПУ Сервис» // Инженерная практика. 2019. № 11-12. С. 56-61.
3. ГОСТ Р 56624-2015. Энергетическая эффективность. Погружные лопастные насосы и электродвигатели для добычи нефти. Классы энергоэффективности [Электронный источник]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200126001 (дата обращения: 21.04.2020).
4. Воробьева Л.В., Пятов И.С., Булат А.В., Ивановский В.Н. Малогабаритные блочные системы промысловой очистки воды от механических примесей и остаточной нефти // Инженерная практика. 2016. № 12. С. 24-29.
5. Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Деговцов А.В. и др. Опыт эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра насосными установками с канатной штангой в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 3. С. 78-88.
6. Ивановский В.Н., Орлова Е.А., Деговцов А.В. и др. Исследования напряженного состояния конструктивных элементов заделки канатной штанги в программном комплексе SolidWorks // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2019. № 5 (113). С. 5-11.
7. Третьяков О.В., Мазеин И.И., Усенков А.В. и др. Опыт эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра с помощью струйного насоса // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2014. № 5. С. 66-70.
References:
1. Department of Machinery and Equipment of Oil And Gas Industry. Edited by prof. Yu.V. Zaitsev. Series "Biography of the Department". Vol. 11. Moscow: Neft' i gaz [Oil and gas]; 1999. (In Russ.)
2. Shablya V.V. Prospects for Applying Innovative Production Technologies of LUKOIL EPU Service LLC. Inzhenernaya praktika [Engineering Practice]. 2019;(11-12):56-61. (In Russ.)
3. National Standard (GOST R) 56624-2015. Energy Efficiency. Submersible Bladed Pumps and Electric Motors for Oil Production. Energy Efficiency Classes. Weblog. Available from: http://docs.cntd.ru/document/1200126001 [Accessed 21st April 2020]. (In Russ.)
4. Vorobyova L.V., Pyatov I.S., Bulat A.V., Ivanovsky V.N. Small-Sized Block Systems for Field Water Purification from Mechanical Impurities and Residual Oil. Inzhenernaya praktika [Engineering Practice]. 2016;(12):24-29. (In Russ.)
5. Ivanovskiy V.N., Sabirov A.A., Degovtsov A.V. et al. Experience in the Operation of Wells with Side Holes of Small Diameter Pumping Units with the Cable Rod in LUKOIL-Perm LLC. Territorija "NEFTEGAS" [Oil and Gas Territory]. 2015;(3):78-87. (In Russ.)
6. Ivanovskiy V.N., Orlova E.A., Degovtsov A.V. et al. Studies of the Stress State of Structural Elements of Cable Rod Sealing in the SolidWorks Software Package. Oborudovanie i tekhnologii dlya neftegazovogo kompleksa [Equipment and Technology for the Oil and Gas Industry]. 2019;5(113):5-11. (In Russ.)
7. Tretyakov O.V., Mazein I.I., Usenkov A.V. et al. The Experience of Operation of Wells with Sidetracks Small Diameter with the Help of Jet Pump. Territorija "NEFTEGAS" [Oil and Gas Territory]. 2014;(5):66-70. (In Russ.)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 3-4 April 2020
43
