Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2013, № 11 (спецвып.)

АКТУАЛЬНЫЕ
ВОПРОСЫ
ТРУБОПРОВОДНОГО
ТРАНСПОРТА
УГЛЕВОДОРОДОВ

УДК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

С 20 

622.2; 622.32; 532.5
С 20 
 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной 
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.12 
 

 
Саруев А.Л., Харламов С.Н., Павлов С.А., Громаков Е.И.,  
Чухарева Н.В., Ермолаева А.В., Нестеренко А.С., Шарф И.В.,  
Зайковский В.В., Шадрина А.В., Саруев Л.А., Антропова Н.А.,  
Крец В.Г., Альгинов Р.А., Терещенко Р.Е., Булгакова О.Л.,  
Рожкова Д.С., Хадкевич И.А., Былин Д.С., Лукьянов В.Г.,  
Рудаченко А.В., Дрягин С.В., Поварницын С.В., Салтымаков М.С., 
Чехлов А.Н., Кузнецова Л.П., Жданова М.П., Хижняков В.И,,  
Жендарев П.А., Цимбалюк А.Ф. 

Актуальные вопросы трубопроводного транспорта углеводо
родов: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск). — 2013. — № 11. — 120 с.— М.: издательство «Горная 
книга» 

ISSN 0236-1493 
Представлены результаты теоретических исследований по изменению ряда параметров транспортируемой среды в различных условиях с
применением математического аппарата. Смоделированы нестационарные и стационарные процессы движения жидких и газообразных сред.
Для описания параметров разрушения горных применены модели, описывающие стадии технологического процесса, определены основные 
факторы изменения напряженно-деформированного состояния используемого оборудования. Рассмотрены вопросы эксплуатации оборудования газонефтепроводов, включающие технологические, метрологические, экономические параметры и вопросы, связанные с промышленной
и экологической безопасностью указанных объектов. 

УДК 622.2; 622.32; 532.5

©  Коллектив авторов, 2013 
©  Издательство «Горная книга», 2013 
ISSN 0236-1493 

©  Дизайн книги. Издательство  
«Горная книга», 2013 

 
 

УДК 622.24.053.6 
© А.Л. Саруев, 2013 
 

РАЗРАБОТКА НОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ 
ШТАНГ ДЛЯ БУРЕНИЯ ШПУРОВ  
И СКВАЖИН ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ  
ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ 

Приведена новизна разработанной конструкции соединения буровых 
штанг соединенных между собой ниппелем с цилиндрической резьбой. 
Ключевые слова: резьба, ниппель, штанга, узел, напряжение. 
 
Используемые в мировой практике подземные газонефтехранилища и емкости для хранения нефти, нефтепродуктов и сжиженных газов по способам сооружения различны. Один из них 
создаваемый в прочных и плотных горных породах шахтным 
способом и в горных выработках отработанных рудников. 
При строительстве газонефтепроводов в гористой местности 
возникает необходимость в проходке подземных горных выработок для последующей прокладки в них трубопроводов. 
Проведение таких выработок в породах средней крепости и 
выше обычно осуществляется буровзрывным способом, а также 
используются вертикальные подземные стволы. 
В настоящее время для проходки подземных горных выработок выпускают установки, оснащенные перфораторами, которые 
способны бурить не только шпуры, но и опережающие скважины 
малого диаметра глубиной до 15 м [1]. При бурении скважин 
перфораторами энергия удара в виде волны деформации сжатия 
передается от машины по составным штангам к породоразрушающему инструменту. 
С целью повышения скорости бурения скважин в крепких 
горных породах созданы конструкции мощных ударных узлов. 
Однако повышение энергии удара ограничивается прочностью 
бурового инструмента. Недостаточная работоспособность штанг 
и соединительных узлов приводит не только к необходимости 
увеличения производства и расхода буровой стали, но и вызывает 
большие потери времени на замену вышедших из строя штанг. В 
связи с этим необходимо разработать такую конструкцию соеди

нительного узла, которая позволила бы увеличить работоспособность колонны штанг и повысить производительность труда при 
бурении скважин. 
Следует также учесть, что прохождение ударного импульса 
через резьбовые соединения штанг с учетом касательных напряжений и деформаций изгиба вызывает сложную интерференцию 
волн напряжений. Теоретические расчеты не приводят к достоверным результатам ввиду сложности учета всех факторов, определяющих количественную и качественную картину волн напряжений в элементах соединительных узлов буровых штанг. Для 
выбора рациональных параметров элементов соединений штанг 
необходима методика расчета максимальных напряжений, возникающих в них при одновременном нагружении става крутящим 
моментом, осевым усилием подачи и продольными ударами. 
Для расчета на прочность элементов резьбовых соединений 
необходимо знать максимальные напряжения, действующие в соединительном узле. При нанесении ударов и постоянном действии крутящего момента происходит довинчивание штанг, в результате чего увеличиваются статические напряжения в соединительном узле [2], которые в расчетах на прочность элементов 
резьбовых соединений не учитывались. 
Такая методика была разработана на кафедре ТХНГ ИГНД 
ТПУ [3], что позволило научно обосновать параметры и предложить конструкцию нового ниппельного соединения буровых 
штанг (рис. 1), на которое получен патента РФ на полезную модель и позволяет уже на стадии проектирования бурильной колонны оценить величину наибольших эквивалентных напряжений в элементах соединений штанг. 
Новизну разработанной конструкции соединения штанг 
кратко можно сформулировать следующим образом. 
Резьбовое соединение буровых штанг, состоящее из двух 
штанг, соединенных между собой ниппелем с цилиндрической 
резьбой, отличающееся тем, что резьба выполнена по всей цилиндрической поверхности ниппеля, а конец ниппеля, обращенный к забою скважины, имеет дорезьбовую часть с внешней конической поверхностью, который жестко закреплен в буровой 
штанге посредством радиального обжатия, при этом кромка торца 
дорезьбовой части ниппеля не выступает за пределы наименьшей  

Рис. 1. Новое ниппельное соединение буровых штанг (из труб бурильных геологоразведочных): 1,2 — штанги; 3 — ниппель 
 
внутренней окружности отверстия обжатия штанги, на конической поверхности ниппеля нанесены неровности, например в виде продольных канавок, бороздок. 
Проведенные ранее производственные испытания ниппельных соединений штанг подобной конструкции, также разработанной в ТПУ, показали существенные преимущества их по 
сравнению с муфтовыми соединениями буровых штанг [4]. 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
 
1. Глоба В.М. Сооружение подземных газонефтехранилищ. – 
Львов: Вища школа. Изд-во при Львовском университете, 1982. – 148 с. 
2. Плетнев Л.Д., Алексеев В.Ф., Микитась А.П., Глущенко В.С. Новые 
шахтные бурильные установки / Горный журнал, №10, 1999. — С. 45—46. 
3. Саруев А.Л. Динамические процессы в резьбовых соединениях 
штанг при вращательно-ударном способе бурения: Автореф. дис. канд. 
техн. наук. — Томск, 2005. — 20 с. 
4. Саруев А.Л., Саруев Л.А., Лукьянов В.Г. Создание и производственные испытания ниппельного става штанг малого диаметра для вращательно-ударного бурения веера скважин из подземных выработок: Материалы докладов Шестой Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» 2627 мая 1999. — Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 1999. — С. 197–199. 

УДК 532.5:622.32  
С.Н. Харламов, С.А. Павлов, 2013 

ДИНАМИКА СТРУКТУР  
ВЯЗКОСТНО-ИНЕРЦИОННОГО  
ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА В ТРУБАХ 
 

Представлен комплексный теоретический и экспериментальный анализ 
эволюции структур двухфазных сред во внутренних системах в режимах устойчивых и переходных ламинарных и турбулентных течений. 
Детальное моделирование течений жидкостно-жидкостных сред в 
трубопроводах в широком диапазоне определяющих критериев конвективного массообмена позволяет утверждать о существовании стабильных структур с пятью границами перехода вязкостно-инерционного потока удовлетворительно предсказываемых оригинальными критериальными связями, предлагаемыми в работе. Проанализированы 
оптимальные условия транспорта сложных углеводородных сред. 
Ключевые слова: структура, гидродинамика, массообмен, режимы, фазы. 
 
Во многих технических устройствах, встречающихся в нефтегазовой, химической, горнодобывающей промышленности, 
энергетическом машиностроении и теплотехники одним из основных конструктивных элементов является труба, канал. При 
исследовании процессов переноса импульса, тепла и массы в этих 
устройствах важным является понимание и управление энергетическими механизмами изменений характеристик течений в гомогенных и гетерогенных средах на участках развития процессов, в 
частности в секциях с горизонтальным и наклонным расположением. В таких условиях при движении, например двухфазных 
систем граница раздела существенно зависит от динамики и эволюции фаз. Таким образом, исследования гидродинамики, тепло- 
и массопереноса в многофазных средах на отдельных участках 
трубопровода с горизонтальной секцией и уяснение механизмов, 
определяющих стабильное существование и взаимодействия фаз, 
а также построение интегральных критериальных связей к расчету сопротивления и массообмена в данных условиях является 
актуальным. Заметим, что библиографический анализ промышленного опыта [1], экспериментальные данные в рамках методики 
[2] для систем «минеральное масло-вода» [3] по исследованию 

ламинарных, переходных и турбулентных режимов течений 
сложных по реологии двухфазных систем в горизонтальных трубах и каналах [с условиями входных параметров для Vм, Vв, геометрией x=(100÷300)·D, м, D=(0,02÷0,1), м, учет влияния свойств 
стенки трубы (пирексное стекло и оргстекло)], показывают существенное влияние на локальные и интегральные параметры течения и массообмен особенностей изменений физических свойств 
рабочей смеси, материала трубопровода, динамики структуры 
фаз. Отдельные данные эволюции рассматриваемых потоков 
приведены на рис.1. 
В практике прикладных исследований гидродинамики и массопереноса в реологически сложных средах ценной является информация о перепаде давления в трубопроводе 
P
Δ
, (где 

/
ì
ñì
P
p
p
Δ
= Δ
Δ
) в зависимости от изменения коэффициента 
средне-расходной скорости воды Св, (где Св=Vв/Vсм). Данные настоящей работы и результаты [3] показывают, что экстремальные 
значения параметра 
P
Δ
, характеризующего возникновение процесса смены динамической структуры в двухфазной среде, изменяются в достаточно широком диапазоне определяющих критериев конвективного массообмена. Это позволяет говорить о возможном проявлении ряда вихревых эффектов в вязкостноинерционном течении, осложненном массопереносом, требующих детального изучения. Наш анализ показывает, что динамика 
этих эффектов вполне удовлетворительно согласуется с данными 
моделирования [4, 8]. Это позволяет надеяться, что в указанных 
условиях эффекты и механизмы перехода в динамической и концентрационной структурах реологически сложных сред имеют 
одинаковую природу и могут успешно предсказываться методикой [2]. 
Кроме выполненных оценок учета влияния переменности 
механических, теплофизических свойств материала стенки и геометрии трубопровода полезными выступают распределения параметра Св,макс от скорости Vм (рис. 2), которые показывают, что 
максимальные значения коэффициента Св,макс не зависят от диаметра трубы и материала стенки на трубах разного диаметра в 
режиме кольцевого течения масла при малых значениях Vм=0,20,4. Об этом свидетельствует группировка данных вдоль опытной 

кривой (см. рис. 2). Кроме того, при Vм>0,8 коэффициент Св,макс 
почти всегда постоянен. Следовательно, наиболее удобным режимом объемного расхода воды транспортируемого в трубе является режим с присутствием воды в 10 %-ом отношении от общего 
объема смеси и эти данные хорошо согласуются с результатами 
исследований [8], где показано, что Св,макс≈0,08÷0,12 для турбулентного потока воды и ламинарного нефтяного ядра рассматриваемой жидкостно-жидкостной системы. 
Ниже представлены аппроксимации экспериментальных 
данных в соответствующие критериальные связи границ переходов для потока «масло – вода» в цилиндрических трубах 26мм из 
плексиглаза (см. табл. 1): 
 

 
Рис. 1. Шаблон карты существования устойчивых режимов течения двухфазных сред «жидкость-жидкость» в узких трубах из оргстекла (масловода, D=0,026 м), ♦ – данные измерений настоящей работы [3], другие символы – данные работ E. Stalio, Brauner N., Lovick J. etc. Сравнение результатов с предсказанием по моделям для условий перехода «кольцо – стратификация»: A – Arney и др. (1993) [5]; Б – Brauner (1992) [6]; В – Bannwart и др. 
(2004) [7] – черные штриховые линии 

Рис. 2. Распределения коэффициента Св,макс, учитывающего скорость подачи 
воды на входе в трубопровод (Vв) и смену динамической структуры через коэффициент Св,макс при различных значениях среднерасходной скорости масла (Vм). Значки (к, к). — настоящие измерения [3], другие символы – данные 
измерений E. Stalio, Brauner N., Lovick J. etc., выполненных для труб из пирекса и плексиглаза с диаметрами: D=(0,02-0,04), м. 
 
Таблица 1 

Критериальные связи границ перехода структур 

№ линии 
Данные областей (рис.1) 

1 
(Cв)1=0,1880+0,1161·(См)–0,5305·(См)2 

2 
(Cв)2= –0.1255+1.22568·(См)–0.9999·(См)2 

3 
(Cв)3= 0.51771–0.20295См+0.36463·(См)2 

4 
(Cв)4= 0.6791+0.1289См+ 0.1097·(См)2 

5 
при См≤0,078 к диапозону (Cв)5= 0,13÷0,29: 
(Cв)5= 0,17735+6,23336·(См)2 
при См≤0,078 к диапозону (Cв)5= 0,29÷0,36: (Cв)5= 0,5052–
525767,98·(См)9 

 
Отметим, что существенная экономия мощности может быть 
достигнута в режиме, когда вязкая фаза окружена «кольцом» воды. Такая технология в трубопроводном транспорте достаточно 

эффективна, т.к. использует положительные гидродинамические 
эффекты и механизмы, связанные с явлениями в двухфазных водонефтяных потоках. Наши исследования связаны с поверхностной скоростью двух фаз и их конфигурацией, поведением падения давления жидкостей, и сравнением результатов с эмпирическими и теоретическими моделями в литературе. Исходя из вышеизложенного, мы можем сказать, что важным для применения является точное и надежное предсказание переходных границ между кольцевой и стратифицированной конфигурацией 
потока. Так, нами показано (рис. 1) в качестве сравнения к 
критерию текучести для кольца наших данных (см. таблицу): 
(Cв)1>0,1880+0,1161·(См)–0,5305·(См)2, с проведенными расчетами 
по предлагаемым моделям и модифицированным связям Arney и 
др. [5], Brauner и др. [6], Bannwart и др. [7] (при условии, что такой переход будет действительно происходить), где видно, что 
такое предсказание может применяться на практике, однако мы 
рекомендуем проведение предварительной проверки, которая 
должна выполняться с той же парой жидкости для обеспечения 
наиболее точного представления подходящей комбинации расхода воды в качестве смазки для транспортировки высоко – вязкой 
жидкости. 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
 
1. Харламов С.Н., Павлов С.А. Анализ промышленного опыта исследования течений высоковязкой сырой нефти в трубопроводах. // Научное издание. Проблемы геологии и освоения недр. Труды XVI Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых. Издательство ТПУ. 2012. Том II, c. 469–472. 
2. Харламов С.Н., Павлов С.А. Методология экспериментального 
исследования режимов течения двухфазного потока. // Научное издание. 
Проблемы геологии и освоения недр. Труды XVI Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых. 
Издательство ТПУ. 2012. Том II, c. 472–476. 
3. Харламов С.Н., Павлов С.А. Исследование течений гетерогенных 
сред на горизонтальных участках трубопроводов. ГИАБ. Изд. «ГОРНАЯ 
КНИГА». 2012. №8, c. 94-103. 
4. Angeli, P., Hewitt, G.F. Flow structure in horizontal oil–water flow. 
Int. J. Multiphase Flow 2000. Vol. 26, p. 1117–1140.