image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 7-8 2017

Насосы. Компрессоры

01.7-8.2017 10:00 Анализ вероятности безотказной работы скважинных насосных установок с канатной штангой на месторождениях ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ»
В статье освещаются вопросы надежности работы скважинных насосных установок с канатной штангой (СНУ с КШ) на скважинах ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ». СНУ с КШ предназначены для эксплуатации мало- и среднедебитных скважин с боковыми стволами малого диаметра (БСМД). Канатная штанга устанавливается в месте интенсивного набора кривизны, обеспечивает кратное снижение контактных напряжений и интенсивность износа в паре трения «насосно-компрессорная труба – канатная штанга». В качестве канатной штанги используется канат закрытой конструкции диаметром 20 мм ГОСТ 10506-76 с фигурными Z- и Х-образными проволоками. Для соединения каната с плунжером и колонной штанг используются специальные заделки, обеспечивающие равномерное нагружение всех проволок каната. С 2012 г. ведется опытно-промышленное внедрение СНУ с КШ на скважинах ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ». Накоплен определенный опыт эксплуатации канатной штанги в составе СНУ в скважинах с БСМД. Всего установками СНУ с КШ оборудована 21 скважина. Для анализа надежности работы СНУ с КШ были проанализированы данные по 60 отказам на 21 скважине, оборудованной СНУ с КШ. В материалах статьи приведены результаты расчетов средней наработки и вероятности безотказной работы СНУ с КШ, показана необходимость использования теоретико-вероятностного метода последовательного анализа и вероятностной модели отказов при анализе наработок по небольшим выборкам. На основании метода цензурирования выборок дана оценка влияния на показатели надежности скважинного оборудования с канатной штангой таких факторов, как отложение асфальтенов, смол и парафинов (АСПО), угол отклонения от вертикали и длина канатной штанги.
Ключевые слова: канатная штанга, скважина, боковой ствол, показатели надежности, наработка до отказа, вероятность безотказной работы, цензурированная выборка, зарезка бокового ствола.
Ссылка для цитирования: Ивановский В.Н., Деговцов А.В., Сабиров А.А., Алиев Ш.А., Третьяков О.В., Мазеин И.И., Усенков А.В., Меркушев С.В., Красноборов Д.Н. Анализ вероятности безотказной работы скважинных насосных установок с канатной штангой на месторождениях ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 7–8. С. 74–80.
Открыть PDF


В настоящее время различные компании ведут работы по созданию оборудования для эксплуатации скважин с БСМД. Одним из видов оборудования, использующегося для эксплуатации боковых стволов, являются СНУ с КШ.

Скважинная насосная установка с канатной штангой разработана в РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности совместно с ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ». Установка включает в себя: привод в виде станка качалки или гидрофицированной установки, штангового насоса стандартной или специальной конструкции, колонну канатных штанг, которая устанавливается в месте интенсивного набора кривизны [1].

В качестве канатной штанги используется канат закрытой конструкции диаметром 20 мм ГОСТ 10506-76 с фигурными Z- и Х-образными проволоками. Для соединения каната с плунжером и колонной штанг используются специальные заделки, обеспечивающие равномерное нагружение всех проволок каната [2].

1_1_3.png

С 2012 г. ведется опытно-промышленное внедрение установок с канатом на скважинах ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ». На сегодняшний день накоплен определенный опыт эксплуатации канатной штанги в составе СНУ в БСМД. Всего установками СНУ с КШ была оборудована 21 скважина. Данные по скважинам ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» с установками с канатной штангой представлены в табл. 1.

Дебит по скважинам составляет 1–33 м3/сут, средняя обводненность продукции – 40 %, величина наработки до отказа по СНУ с КШ – 20–1691 сут, длина канатной штанги – 130–1000 м, угол отклонения скважины от вертикали в месте установки насоса – 7–55°, глубина спуска насоса – 914–1464 м.

Все эти факторы влияют на надежность оборудования в целом.

1_1.png

Канатная штанга относится к классу обслуживаемых, невосстанавливаемых и неремонтируемых объектов. Показателем использования объекта является наработка, т. е. продолжительность или объем работы объекта.

В теории надежности рассматриваются следующие виды наработки объектов: наработка до отказа, наработка между отказами и ресурс. В случае с канатной штангой нас интересует только наработка до отказа, или наработка объекта от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа.

В большинстве нефтяных компаний как Российской Федерации, так и за рубежом в качестве показателей надежности приняты следующие оценки: межремонтный период (МРП) и наработка на отказ (ННО), а также MTFB (Mean Time Between Failures – средняя наработка на отказ). Наиболее характерными при оценке надежности машин являются такие законы распределения наработки на отказ, как экспоненциальное распределение, распределение Вейбулла, логарифмически нормальное и нормальное распределение [3].

По результатам группировки исходных статистических данных легко вычислить основные числовые характеристики изучаемой случайной величины – среднее арифметическое значение наработки и среднее квадратичное отклонение.

За период эксплуатации 2012–2017 гг. СНУ с КШ была оборудована 21 скважина. Всего за время эксплуатации зафиксировано 60 отказов оборудования.

Для расчета надежности работы установок с канатной штангой была произведена выборка по 21 скважине, оборудованной СНУ с КШ, проведена выборка, при этом не учитывались отказы, связанные с высокой коррозионной активностью пластовой продукции (по ТУ на СНУ с КШ это является недопустимым условием применения данного оборудования) и вызванные отсутствием подачи насоса при выводе скважины на режим (некачественное проведение ПРС).

1_1_1.png

Всего для расчетов эмпирической функции плотности распределения наработки СНУ с КШ до отказа и ее числовой характеристики были взяты наработки по 49 отказам за период эксплуатации с 2012 по 2017 г.

В результате расчета по методике [3] были определены среднеарифметическое значение наработки Тср*= 294 сут и среднегеометрическое отклонение значения наработки S* = 270 сут.

Другим методом определения надежности оборудования является осреднение показателей наработки. Результаты расчета по осредненной методике приведены на рис. 1.

Из графика видно, что установка с канатом отработает с вероятностью 0,5 около 230 сут. Средняя наработка скважин составила 297 сут.

Полученные по приведенным выше методикам расчета средние значения наработки являются весьма неточными и не отражают действительность, для более точного определения показателей надежности необходимо иметь бóльшую по объему выборку. При проведении расчетов по указанной методике все остановки скважин считаются за отказ наблюдаемого объекта, а скважины, продолжающие работать на момент расчета, считаются отказавшими. Эти условия существенно влияют на результат определения показателей надежности, особенно в условиях использования небольшой по объему выборки.

К числу недостатков изложенной методики относятся следующие:

1) расчет данных показателей основан на простом осреднении, при этом при расчете МРП делается упрощение: неполные наработки считаются полными, а при расчете наработки на отказ неполные наработки просто исключаются из рассмотрения;

2) данные показатели являются функцией времени и не могут использоваться для описания временных оценок. Показатели «МРП» и «наработка на отказ» не дают единой оценки рассматриваемой выборки СНУ с КШ, оценкой является график рассчитываемых показателей в зависимости от даты расчета;

3) для повышения точности и достоверности определения наработки на отказ необходимо использовать большие по объему выборки состояния оборудования.

Поэтому для определения показателей надежности работы СНУ с КШ была использована методика определения вероятности безотказной работы, предложенная С.Д. Слепченко [4]. Методика позволяет определять показатели надежности оборудования по результатам промысловых испытаний малых партий погружного оборудования в условиях, когда износ или старение отдельных его узлов может привести к отказу. Методика обеспечивает проверку соответствия оборудования заданному уровню надежности при минимальных объемах выборки и времени испытаний. Адекватный результат достигается за счет использования теоретико-вероятностного метода последовательного анализа и предложенной автором вероятностной модели отказов.

Спецификой определения надежности СНУ с КШ по эксплуатационным данным является наличие в выборке данных не только по установкам, эксплуатация которых завершена отказом, но и по установкам, эксплуатация которых продолжается либо прекращена по причинам, не связанным с исследуемым оборудованием. Такие выборки, называемые в теории надежности цензурированными, требуют специальной методики обработки.

Время, в течение которого проводятся наблюдения за работой установок, разбивается на m интервалов. Для определения числа m используется широко применяемая полуэмпирическая зависимость:

 

m = 3,21lg n + 1                                  (1)

 

с округлением до ближайшего целого, где n – объем выборки. Левая граница первого интервала равняется 0, правая граница m-го интервала – бесконечности. Для каждого интервала вычисляется число ni объектов, не отказавших в начале рассматриваемого интервала, число ri объектов, отказавших в данном интервале, и число сi объектов, изъятых или цензурированных в данном интервале. Далее определяется число изучаемых объектов в интервале:

 

si = ni – 0,5*сi.                                      (2)

 

При этом предполагается, что каждый цензурированный объект с вероятностью 0,5 может как продолжить эксплуатацию, так и отказать в данном временном интервале.

Доля «выживших» (продолжающих работать) установок

 

1_1_2.png                                                               (3)

 

является оценкой вероятности безотказной работы установок в течение данного интервала времени. Вероятность безотказной работы для момента tk находится как произведение вероятностей безотказной работы на первом интервале, втором и т. д. до k-го интервала:

 

1_1_4.png,                              (4)

 

где 1_1_5.png– оценка P(t) в момент времени tk, ri – число отказов, а si – число изучаемых объектов в интервале от ti-1 до ti.

Для определения надежности канатной штанги по предложенной методике была проведена верификация отказов, полученных в ходе опытно-промысловых испытаний.

Выборка объектов для проведения расчетов по методике [4] проводилась следующим образом.

Отказы по скважинам, которые были остановлены из-за АСПО, из-за проведения геолого-технических работ, а также по причинам, не связанным с отказом насоса и канатной штанги, были переведены в цензурированные согласно методике.

Данные по одной скважине не были приняты в расчет вследствие высокой коррозионной активности пластовой жидкости. Также в расчете не учитываются три СПО по причине отсутствия подачи насоса в момент ввода в эксплуатацию (некачественный ПРС).

Результаты выборки объектов для проведения расчетов по методике [4] приведены в табл. 2.

На рис. 2 представлены результаты вероятностной оценки надежности работы СНУ с КШ, где в цензурированные отказы переведены данные только по скважинам, продолжающим работать.

По результатам расчетов средняя наработка СНУ с КШ составила 525 сут, при этом примерно 26 % скважин могут достичь наработки более 900 сут.

1_1_6.png

При анализе надежности работы СНУ с КШ важно попытаться выявить влияние таких факторов, как отложение АСПО, угол отклонения от вертикали и длины канатной штанги на надежность оборудования.

На рис. 3 показаны результаты анализа влияния АСПО на надежность оборудования, где все отказы, связанные с отложением парафинов, переведены в цензурированные. На рисунке видно, что отложение АСПО значительно влияет на надежность оборудования. Если исключить отложение парафинов в скважине, средняя наработка СНУ с КШ составит 900 сут, при этом 40 % скважин могут проработать около 1050 сут.

Для анализа влияния угла отклонения скважины от вертикали и длины канатной штанги на надежность работы оборудования рассчитывалась средняя наработка в соответствующих выборках.

Влияние угла отклонения скважины от вертикали в интервале установки насоса на наработку оборудования до отказа показано на рис. 4. Как видно из графика, с увеличением угла отклонения оси скважины от вертикали наработка оборудования снижается. Так, при угле отклонения скважины от вертикали до 30° средняя наработка составит 400 сут, при увеличении угла отклонения скважины от вертикали до 50° средняя наработка снижается до 300 сут, или на 25 %, при увеличении угла отклонения от вертикали скважины до 60° наработка снижается на 50 %.

1_1_7.png

На рис. 5 представлены результаты расчетов средней наработки СНУ с КШ в зависимости от длины канатной штанги. Из графика видно, что наибольшая средняя наработка на скважинах
ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» наблюдается при длине канатной штанги 300–500 м. Уменьшение длины канатной штанги приводит к невозможности использования этого оборудования при повреждениях каната в процессе эксплуатации или ремонта. В некоторых случаях требуется применение длины канатной штанги, значительно большей, чем оптимальная, – например, при эксплуатации скважин, обсаженных трубами малого диаметра (102 мм) по всей длине.

Таким образом, проведенный анализ надежности скважинных насосных установок с канатной штангой при работе на скважинах ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» показал, что оптимальная длина канатной штанги должна составлять 300–500 м, средняя наработка установок составила 525 сут, при этом на наработку существенное влияние оказывает наличие в скважинной продукции АСПО. При отсутствии АСПО в скважинной продукции средняя наработка увеличивается до 900 сут.

Угол отклонения скважины от вертикали оказывает сильное влияние на наработку СНУ с КШ. Так, при увеличении угла отклонения от вертикали с 30 до 50° наработка может снизиться на 25 %.

Выполненные анализ и расчеты позволили определить оптимальные области применения СНУ с КШ в скважинах с боковыми стволами малого диаметра.

 

Таблица 1. Данные по эксплуатации скважин ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» установками с канатной штангой

Table 1. Data on the well operation at LUKOIL-PERM LLC with DPU with CR

№п/п    

No.

Наработка, сут, min/max 

Running time, days, min/max

Количество отложений смол и парафинов, ед. 

Number of resin and paraffin deposits, units

Глубина спуска насоса, м, min/max 

Pump running depth, m, min/max

Длина канатной штанги, м, min/max 

Cable rod' length, m, min/max

Обводненность, % 

Water content, %

Угол отклонения от вертикали в месте установки насоса, град., min/max 

Angle of hade at the pump installation place, degrees, min/max

Динамический уровень, м,
min/max 

Dynamic level, m, min/max

1

28/1042

6

914/1325

250/1000

32–58

13/40

818/890

2

110/945

3

946/1217

140/350

59–79

9/44

614/682

3

965

1

1237

130

48

10

1047

4

83/943

3

1257/1320

140

2–3

44/50

896/937

5

9/575

5

1183

350

33–63

47

583–866

6

107/384

4

1456/1464

310/350

49–63

16

1083–1260

7

89/409

4

1299/1350

250/400

1–4

39/52

829/930

8

21/490

2

1111

150

3–11

54

659/984

9

787

1

1386

400

45

50

499

10

2/116

8

1241/1460

350/461

74–87

11/18

737–1081

11

273/435

2

1255/1390

350

22–40

17/40

894/904

12

153/506

2

1512

360/500

1–2

15

1199/1223

13

166/417

4

1148/1396

400

23–30

18/24

1109/1132

14

135419

2

1210/1216

400

9–18

51

905/1014

15

20

1

1300

880

90

18

1071

16

88/596

2

1350

1000

14

21

1340

17

141/243

2

954

350

32–36

53

852/569

18

116/252

2

1433/1440

485

24–60

44

436/599

19

300

1

1467

300

3

50

953

20

153/184

2

1341/1355

300

21–27

56

983/1051

21

102

1

1345

350

14

23

896


Таблица 2. Результаты выборки объектов для проведения расчетов по методике [4]

Table 2. Object sampling results for the calculations with the use of the method [4]

Количество интервалов, m=11 

Number of intervals, m=11

Число установок, не отказавших в начале рассматриваемого интервала n1, шт. 

Number of units which did not fail at the beginning of the interval under study, n1, units

Число установок, которые отказали в данном интервале r1, шт. 

Number of units which failed in the said interval, r1, units

Число установок, изъятых или цензурированных
в данном
интервале c1, шт. 

Number of units withdrawn or censured in the said interval, c1, units

Число изучаемых объектов si
в интервале 

Number of objects under study si in the interval

Доля «выживших» установок 

Share of survivor units 

ВБР в tk 

Drilling-mud viscosimeter at tk

Наработка, сут 

Running time, days

1

49

6

6

46

0,87

0,870

95

2

38

6

7

34,5

0,83

0,718

190

3

29

1

5

26,5

0,96

0,691

285

4

25

1

2

24

0,96

0,662

380

5

23

2

3

21,5

0,91

0,601

475

6

21

3

0

21

0,86

0,515

570

7

18

2

0

18

0,89

0,458

665

8

16

0

0

16

1,00

0,458

760

9

16

0

1

15,5

1,00

0,458

885

10

16

1

1

15,5

0,94

0,428

950

11

14

0

2

13

1,00

0,428

1042



← Назад к списку


im - научные статьи.