Повышение эффективности эксплуатации насосных скважин оптимизацией работы штанговых колонн

Актуальность.

Несмотря на то, что суммарная добыча нефти из скважин, оборудованных СШНУ, в России составляет в среднем около 22%, доля механизированного фонда скважин, оснащенного СШНУ, оценивается в нашей стране цифрой порядка 60% (в США — около 90%). Штанговая колонна является элементом, который в первую очередь определяет длительность безотказной работы СШНУ. По разным данным из-за обрывов штанг происходят до 30−40% всех отказов СШНУ, что и предопределило объект исследования.

Совершенствование методов эксплуатации глубиннонасосных штанговых колонн, как одного из ключевых элементов СШНУ, направлено в первую очередь на увеличение экономической эффективности первостепенных производственных процессов, в том числе, использования основных средств — скважин, оборудования и т. д. Рентабельность добычи нефти в значительной мере определяется полезной отдачей ГНО. В свою очередь полезная отдача зависит, с одной стороны, от надёжности механизированного фонда скважин, определяющей сроки безаварийной эксплуатации, с другой — от совершенства и эффективности системы технического обслуживания и ремонта нефтедобывающего оборудования, определяющей долговечность применения ГНО. Частота ПРС зависит от качества новых штанг и штанг, прошедших техническое обслуживание с целью восстановления ресурса. Высокий удельный вес расходов на ПРС вынуждает потребителя искать инструменты оптимизации эксплуатационных затрат, с одной стороны — за счёт снижения частоты ремонтов с целью обеспечения длительного и безаварийного функционирования СШНУ в процессе добычи скважинной продукции, с другой — за счёт максимального использования ресурса оборудования. Такой подход обусловлен как высокой стоимостью ПРС по сравнению со стоимостью штанговой колонны, так и высокой совокупной стоимостью восполнения оборотного фонда насосных штанг в условиях повышения цен на металл.

Обязательными условиями при этом выступают необходимость сохранения объемов добычи нефти и снижения темпов обновления основного нефтепромыслового оборудования. Выполнение требований минимизации затрат на осуществление технологического процесса добычи нефти возможно только при обеспечении необходимого технического уровня и качества на всех этапах эксплуатации. Необходимость применения системного подхода к решению задач прогнозирования остаточного ресурса и снижения частоты обрывов штанговых колонн с учётом изменений технического состояния насосных штанг приобретает решающее значение при оценке эффективности использования оборудования и для разработки мероприятий по регулированию рентабельности добычи нефти. Создание системного подхода предполагает раскрытие целостности штанговой колонны как объекта надёжности, установление факторов, обеспечивающих надёжность её элементов, сведение разнообразных данных о возможных технических состояниях насосных штанг в единую теоретическую картину на основе математических и логических, моделей, определение закономерностей изменения параметров технического состояния и опасности отказов на всех этапах эксплуатации. Таким образом, основой методов эксплуатации должны стать системно полученные опытные результаты и целенаправленные исследования, формирующие теоретическую базу знаний кинетики разрушения насосных штанг, с применением результатов математического моделирования, лабораторных экспериментов, опытной и промышленной эксплуатации.

В прогнозе ведущего Российского академического центра по проблемам надёжности в машиностроении (ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова) на ближайшие два десятилетия отмечается, что на данном этапе развития техники дальнейшее повышение надёжности оборудования может осуществляться только на основе комплексного контроля материалов и конструкций на разных стадиях их жизненного цикла. В последние полвека вопросам качественной и количественной оценки надёжности СШНУ при эксплуатации, в том числе насосных штанг, посвящено большое количество работ. Опубликовано значительное число монографий, статей и инструкций, в которых подробно рассмотрены причины, вызывающие отказы, методики расчета параметров штанговых колонн, рекомендации по выбору режимов откачки. Однако разнообразие информации затрудняет принятие качественных и количественных решений направленных на комплексное увеличение длительности безаварийной работы СТТТНУ и долговечности насосных штанг. Этим вопросам, в частности, были посвящены основополагающие работы A.C. Вирновского, который исследовал зависимость частоты разрушений от режимов и условий эксплуатации для случая одноосного циклического нагружения насосных ' штанг, и Б. Б. Крумана, обосновавшего высокую концентрацию напряжения в переходных зонах как первопричину обрывов штанг по телу. С. Г. Бабаевым сформулированы в общем виде вопросы надёжности нефтепромыслового оборудования. Вопросы работоспособности насосных штанг в большей или меньшей степени нашли также отражение в работах других авторов. Однако комплексного подхода к совершенствованию методов эксплуатации насосных штанг с учетом изменения в процессе эксплуатации их технического состояния до настоящего времени разработано, не было.

Отсутствие научно аргументированной системы сбора статистической информации, сложность систематизации порождают эмпиричность их применения. Основным препятствием на пути совершенствования методов эксплуатации насосных штанг с учётом их технического состояния являлось отсутствие результатов комплексных исследований их изменений на всех этапах жизненного 1 цикла на основе методов анализа и синтеза. Совершенствование методов эксплуатация насосных штанг с учётом их технического состояния должно быть направлено на обеспечение увеличения полезной отдачи глубиннонасосного оборудования путём установления экономически оптимального соотношения свойств безотказности штанговых колонн и долговечности насосных штанг за счёт достоверных оценки их технического состояния и прогноза его изменения на последовательных этапах эксплуатации. В свою очередь методы эксплуатации должны раздельно и в совокупности учитывать влияние на частоту обрывов штанговых колонн факторов, не зависящих от изменений технического состояния штанг, и технического состояния, приобретённого в результате эксплуатации. Как правило, скважины, оборудованные СШНУ, эксплуатируют участки с так называемыми трудноизвлекаемыми запасами, которые характеризуются на последней стадии разработки месторождений осложнениями, ведущими к снижению сроков безаварийной эксплуатации. Поэтому отдельное и особое внимание заслуживают вопросы поиска и реализации новых технических и технологических решений повышения надёжности штанговых колонн, направленных на увеличение сроков безаварийной эксплуатации скважины путём улучшения их конструкции и потребительских свойств.

Повышение эффективности работы насосных скважин оптимизацией работы штанговых колонн должно быть направлено на обеспечение безаварийной эксплуатации СШНУ и увеличение полезной отдачи ГНО путём установления экономически оптимального соотношения свойств безотказности и долговечности штанговых колонн.

Сказанное выше определяет актуальность выбранной темы исследования.

Предмет исследования.

Для разрешения противоречия одновременного предъявления жёстких требований к надёжности и эффективности штанг в усложняющихся условиях эксплуатации скважин на последней стадии разработки месторождений возможны два неодинаковых подхода, разработка которых является предметом настоящей работы:

1) эффективное использование имеющегося ресурса и его оптимизация по условиям работы в нефтедобывающей скважине с учётом технического состояния штанговой колонны;

2) повышение ресурса штанговой колонны совершенствованием её свойств и приспособленности к условиям работы в нефтедобывающей скважине.

Цель работы.

Повышение межремонтного периода работы насосных скважин на основе разработки системного подхода к прогнозированию изменений технического состояния штанговых колонн и рациональных режимов технического обслуживания и ремонта, а также на основе увеличения сроков безаварийной эксплуатации штанговых колонн.

Основные задачи:

1. Экспериментальное и теоретическое исследование изменений технического состояния штанговых колонн в скважине и влияния на него технологических процессов технического обслуживания и ремонта путём: а) разработки методики и исследование характера изменения технического состояния штанговой колонны в нефтедобывающей скважинеб) исследование эффективности оценки технического состояния штанговых колонн применяемыми методами и средствами неразрушающего контроляв) исследование эффективности существующих и возможных методов ремонта штанговой колонны перед применением в нефтедобывающих скважинах.

2. Разработка технических решений, увеличивающих сроки безаварийной эксплуатации штанговых колонн в нефтедобывающих скважинах резервированием, созданием механизма остановки распространения дефектов, предварительным заданием рационального распределения напряжений в их элементах.

Методы решения поставленных задач.

1 Первый комплекс задач решён путём анализа и обобщения результатов, полученных экспериментально — по специально разработанной методике в промысловых условиях статистическими методами с применением приложений теории надёжности, и теоретически — математическим моделированием напряжённо-деформированного состояния (НДС) штанговых колонн в условиях сложного нагружения. Получение однородных статистических экспериментальных данных обеспечено: исключением влияния случайных факторов на результаты эксперимента, попарным подбором скважин и глубиннонасосного оборудования, пооперационным контролем следования методике при подготовке и проведении эксперимента. Для численного решения краевых задач теории упругости и упругопластичности при определении НДС штанговых колонн использован метод конечных элементов, реализованный в пакете прикладных программ ANS YS. Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов обеспечена количественным и качественным их согласием, однородностью испытаний в нефтедобывающих скважинах, единством измерений и оценкой точности с гарантированной доверительной вероятностью.

2 Второй комплекс задач решён математическим моделированием НДС и устойчивости при одноосном нагружении глубиннонасосной штанги, увеличивающей наработку штанговых колонн в нефтедобывающих скважинах за счёт постоянно включенного резерва, защищённого от активного усталостного и коррозионного разрушения механизмом остановки распространения дефектов и технологически заданным дифференцированным распределением составляющих суммарного уравновешенного напряжения: сжимающих— в наружных, растягивающих— во внутренних её элементах. Численное решение задач оптимизации для любых исходных данных и областей определения параметров проведено с помощью разработанной компьютерной программы, в которой реализован один из методов прямого поиска — метод Нелдера-Мида.

Автор выражает также признательность заведующему лабораторией техники и технологии добычи нефти отдела эксплуатации и ремонта скважин ТатНИПИнефть к.т.н. К. В. Валовскому, принимавшему непосредственное и активное участие в разработке направлений повышения надёжности глубиннонасосных штанг, старшему преподавателю кафедры математического моделирования систем и процессов ПГТУ А. И. Швейкину, производившему построение математических моделей и численные расчёты, сотрудникам лаборатории ТТДН института «ТатНИПИнефть», НГДУ ОАО «Татнефть», ООО «НКТ-Сервис», принимавшим практическое участие в исполнении комплексных испытаний средств технической диагностики. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика сравнительных промысловых испытаний штанг на надёжность. Установлено, что эффективное управление периодичностью ремонта штанговых колонн в нефтедобывающей скважине с применением показателей надёжности требует нормирования технического состояния насосных штанг до применения. Предложены эксплуатационные показатели надёжности, позволяющие оптимизировать межремонтный период скважин по техническому состоянию насосных штанг и условиям работы в скважине.

2. Разработана уточнённая формула для определения приведённого напряжения в сечениях штанговой колонны с учётом геометрии скважины, повышающая надёжность расчётов при подборе оборудования.

3. Разработаны общие требования к диагностическому обеспечению насосных штанг. Опытная проверка четырех выборок по 500 штанг из ремонтных партий показала в них наличие от 30 до 40% штанг, техническое состояние которых соответствует завершающей стадии усталостного разрушения. Экспериментально показана высокая эффективность оценки технического состояния штанговых колонн эхо-импульсным дефектоскопом АДНШ, применение которого позволяет исключить не менее 30% обрывов из- 4 за несовершенства технического состояния штанг и эффективно использовать ресурс долговечности штанговых колонн.

4. Разработаны: укрупнённая классификация отказов насосных штанг, допустимые показатели параметрических отказов, «Инструкция на производство среднего ремонта насосных штанг», «Инструкция по хранению отбракованных штанг для их последующего использования и восстановления» в составе стандарта ОАО «Татнефть» СТО ТН 036 — 2008 с целью ремонта механической обработкой и возврата в эксплуатацию до 30% отбракованных для списания штанг в условиях ОАО «Татнефть».

5. Разработаны: конструктивная схема новой составной насосной штанги с прогнозом увеличения срока безаварийной эксплуатации в два раза, технологический процесс её изготовления, расчётные инструменты проектирования технологических режимов и оптимизации конструкции.

6. Четыре технических решения, созданные в процессе выполнения работы, имеют новизну и признаны изобретениями.

7. Основное содержание диссертации отражено в 12 публикациях (семь из которых в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ).

Полученные рекомендации, технические решения и теоретические знания имеют практическую ценность в масштабах нефтедобывающих предприятий и отрасли при использовании в мероприятиях, направленных на повышение эффективности разработки месторождений с трудноизвлекаемыми запасами.

6 Заключение.

В работе экспериментальными и теоретическими методами проведён анализ изменений технического состояния насосных штанг на основных этапах эксплуатации: в скважине, при техническом обслуживании и ремонте, а также разработаны новые технические решения повышения сроков безаварийной эксплуатации штанговых колонн. На основе анализа существующих методов эксплуатации СШНУ дана характеристика межремонтного периода, оценка технико-экономического содержания существующих методов эксплуатации насосных скважин, определены пути их совершенствования с учётом технического состояния штанговых колонн. Существующие методы эксплуатации направлены на накопление производственного опыта и с помощью высококвалифицированных экспертов-технологов — его эмпирическое использование для совершенствования компонентов системы технического обслуживания. В противоположность им, повышение эффективности эксплуатации насосных скважин оптимизацией работы штанговых колонн основано на установлении и изучении количественных характеристик надёжности, их связи с показателями экономичности и эффективности, что возможно только с учётом определения их технического состояния на этапах эксплуатации и должно строиться на следующих знаниях: о механизмах и процессах эволюции технического состояния штанг и штанговых колонн в процессе эксплуатациио методах ремонта штанг и штанговых колонн, улучшающих их техническое состояниео методах идентификации технического состояния штанг в скважине и при проведении сервисного обслуживанияо методах, увеличивающих наработку штанговых колонн в нефтедобывающих скважинах.

На основе известных работ проанализированы критерии разрушения, влияние внешних условий нагружения, концентрации и интенсивности напряжений на усталость, сформулированы математическая постановка квазистатической краевой задачи механики деформируемого твердого тела и механики разрушения при определении и сравнении НДС штанговых колонн на разных этапах эксплуатации, а также математическая постановка задачи линейной изотропной теории упругости в случае квазистатического нагружения, соотношение для определения НДС штанг при совместном действии растягивающей силы и изгиба, дано краткое описание метода конечных элементов для численного решения задач определения НДС насосной штанги. Показано возникновение сложного НДС с концентрацией напряжений вблизи макродефектов и значительное увеличение максимальной интенсивности напряжений по сравнению с новой штангой. Обоснована укрупнённая классификация и допустимые показатели параметрических отказов насосных штанг. Показано, что механическая обработка дефектов в пределах показателей параметрических отказов позволяет снизить уровень максимальной интенсивности напряжений до величин меньших, чем конструктивно определённые в элементах штанги, при этом несущая способность снижается незначительно. Предложено соотношение для определения приведённого напряжения в сечениях штанговой колонны, учитывающее геометрию.

Обоснована прогностическая модель увеличения сроков безаварийной эксплуатации штанговых колонн резервированием, созданием механизма остановки распространения трещин, заданием рационального распределения предварительных напряжений в их элементах. Разработана математическая модель технологического процесса упрочнения и задания дифференцированного распределения напряжений в сечении насосных штанг.

Экспериментально установлены: зависимость характера изменения интенсивности обрывов от технического состояния штанговой колонны и его независимость от напряжений в точке её подвесарост интенсивности обрывов штанг с переходом коррозионно-усталостного разрушения в завершающую стадиюэмпирическая зависимость характера поведения интенсивности обрывов от уровня и интервалов диагностических сигналов эхо-импульсного метода диагностикизначительное рассеяние результатов диагностики насосных штанг в разных сервисных цехах по альтернативному признаку.

Научная новизна:

1. Экспериментально подтверждены постоянство интенсивности обрывов насосных штанг равного качества в одинаковых условиях в скважине в период нормальной работы и повышение интенсивности — в последней стадии коррозионно-усталостного разрушения.

2. Уточнены предельные напряжения усталости материала насосных штанг для несимметричного цикла с учётом искривления скважины.

3. Методами математического моделирования установлено возникновение сложного НДС в местах поверхностных дефектов штанговых колонн, превышение в зоне концентрации напряжений предела текучести материала и их снижение при технологическом воздействии на структурные параметры.

4. Разработаны прогностическая модель увеличения сроков безаварийной эксплуатации штанговых колонн в нефтедобывающих скважинах (резервированием и защитой резерва с помощью механизма остановки распространения эксплуатационных дефектов, заданием дифференцированного распределения напряжений в элементах штанговой колонны) и математическая модель технологического процесса упругопластического упрочнения штанг.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции, посвящённой 60-летию разработки Ромашкинского нефтяного месторождения в г. Лениногорске, 2008 г., на семинаре — совещании «Итоги работы службы главного механика ОАО «Татнефть» 29 апреля 2009 г. в г. Альметьевск, научно-практической конференции НГДУ «Джалильнефть» в 2007 г. в р.п. Джалиль, на межведомственном научно-техническом семинаре, посвященном проблемам повышения надёжности глубиннонасосного оборудования 27 ноября 2007 г. в г. Бугульма, на расширенном семинаре кафедры математического моделирования систем и процессов Пермского государственного технического университета 16 октября 2009 г, на заседании методического совета отдела эксплуатации и ремонта скважин института ТатНИПИнефть 20 октября 2009 г.

Публикации. Основные результаты работы содержатся в двенадцати опубликованных работах, семь из которых в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Четыре патента опубликованы в бюллетене изобретений.

Научное руководство при выполнении диссертации осуществляли доктор технических наук В. М Валовский и доктор физико-математических наук профессор П. В. Трусов, которым автор благодарен за ценные замечания, консультации и практический вклад в исследования.