Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Повышение эффективности эксплуатации насосных скважин оптимизацией работы штанговых колонн

ВАК РФ 25.00.17, Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности эксплуатации насосных скважин оптимизацией работы штанговых колонн"

КЛИМОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАСОСНЫХ СКВАЖИН ОПТИМИЗАЦИЕЙ РАБОТЫ ШТАНГОВЫХ КОЛОНН

25.00.17 — Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 С НОЯ

Бугульма — 2009 г.

003485000

Работа выполнена в Татарском научно-исследовательском и проектном институте нефти (ТатНИПИнефть) ОАО «Татнефть» им. В.Д. Шашина.

Научные руководители: доктор технических наук

Валовский Владимир Михайлович

доктор физико-математических наук, профессор Трусов Пётр Валентинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Уразаков Камил Рахматуллович

доктор технических наук, профессор Цаплин Алексей Иванович

Ведущее предприятие: Общество с ограниченной

ответственностью «Научно-производственный инженерный центр «КАЧЕСТВО» (г. Ижевск)

Защита диссертации состоится 10 декабря 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 222.018.01 в Татарском научно-исследовательском и проектном институте нефти (ТатНИПИнефть) ОАО «Татнефть» по адресу: 423236, г. Бугульма, ул. М.Джалиля, 32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Татарского научно-исследовательского и проектного института нефти.

Автореферат разослан /¿7 ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 222.018.01, кандидат технических наук

И.В. Львова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования.

Несмотря на то, что суммарная добыча нефти из скважин, оборудованных скважинными штанговыми насосными установками (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 СШНУ, который, в первую очередь, определяет длительность и безотказность работы установки. В Российских нефтяных компаниях по разным данным отказы штанговой колонны из-за обрывов штанг по телу составляют 30-40% всех отказов СШНУ, что определило выбор объекта исследования.

Актуальность проблемы.

Эффективность насосной добычи нефти в значительной мере определяется надёжностью ключевого элемента СШНУ— штанговой колонны, а также совершенством системы её технического обслуживания и ремонта. Вопросам увеличения сроков безаварийной эксплуатации штанговых колонн, в частности, были посвящены работы A.C. Вирновского, который исследовал зависимость частоты разрушений от условий и режимов эксплуатации для случая одноосного циклического нагруже-ния насосных штанг, и Б.Б. Крумана, обосновавшего высокую концентрацию напряжения в переходных зонах как первопричину обрывов штанг по телу. Известны современные исследования научных и производственных организаций добычи нефти в России и за рубежом.

Однако комплексного подхода к повышению эффективности эксплуатации насосных скважин оптимизацией работы штанговых колонн с учетом изменения их технического состояния до настоящего времени разработано не было.

Сказанное выше определяет актуальность выбранной темы исследования.

Предметом настоящей работы является разработка двух подходов к выполнению одновременного предъявления жёстких требований к длительности безаварийной работы и продолжительности эксплуатации штанговых колонн:

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 исследования характера изменения технического состояния штанговой колонны в нефтедобывающей скважине;

б) исследования эффективности оценки технического состояния штанговых колонн применяемыми методами и средствами неразрушающего контроля;

в) исследования 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 на-гружения. 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 при определении НДС штанговых колонн использован метод конечных элементов, реализованный в пакете прикладных программ АЫБУБ. 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 сроки безаварийной эксплуатации штанговых колонн в нефтедобывающих скважинах за счёт постоянно включенного резерва, защищенного 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.

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 упруго-пластического упрочнения штанг.

Защищаемые результаты и положения:

1. Результаты экспериментальных исследований влияния технического состояния штанг и величины приведённого напряжения в точке подвеса на интенсивность их обрывов в нефтедобывающей скважине.

2. Результаты сравнительных испытаний в нефтяных скважинах штанговых колонн с техническим состоянием, оцененным различными физическими методами неразрушающего контроля.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния эксплуатационных дефектов и остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях насосных штанг на их наработку в нефтедобывающей скважине.

4. Результаты математического моделирования эффекта восстановления технического состояния штанг до пригодного к эксплуатации в скважине механической обработкой макродефектов и метод ремонта при сервисном обслуживании.

5. Усовершенствованная теоретическая формула определения предельного напряжения усталости материала насосных штанг для несимметричного цикла с учётом искривления скважины.

6. Прогностическая модель увеличения сроков безаварийной эксплуатации резервированных штанговых колонн в нефтедобывающих скважинах и результаты математического моделирования технологического процесса их упрочнения.

Практическая ценность работы.

1. Апробирована методика испытаний штанговых колонн на надёжность в течение 26 месяцев на выборке штанг, прошедших последовательную диагностику акустико-эмиссионным, магнитным и эхо-импульсным методами в 12 скважинах НГДУ «Бавлынефть», «Джалильнефть» и «Лениногорскнефть» ОАО «Татнефть».

2. Экспериментально показана высокая вероятность достоверной оценки технического состояния эхо-импульсным дефектоскопом, подтверждена эмпирическая связь его информативных и структурных параметров дефектов, разработаны общие требования к диагностическому обеспечению насосных штанг. Исследована эффективность оценки технического состояния штанговых колонн техническими средствами на основе акустико-эмиссионного и магнитного методов альтернативным методом с применением эхо-импульсного дефектоскопа. Опытная проверка четырех выборок по 500 штанг из ремонтных партий показала в них присутствие от 30 до 40% штанг, техническое состояние которых соответствует завершающей стадии усталостного разрушения, а следовательно, способствует преждевременному обрыву колонны.

3. Теоретически обоснована технология ремонта насосных штанг механической обработкой дефектов. Опытная переборка отбракованных принятыми методами неразрушающего контроля штанг показала возможность ремонта механической обработкой до 30% объёма исследованной партии в условиях ОАО «Татнефть».

4. Предложены показатели эксплуатационной надёжности штанговой колонны и экспериментально подтверждена необходимость нормирования технического состояния штанговой колонны для их применения. Результаты исследований

учтены в ТУ 3665-029-00217515-06 на насосные штанги ОАО«Очёрский машиностроительный завод» для ОАО «Татнефть».

5. Разработаны конструктивная схема насосной штанги для применения на участках штанговой колонны с пониженной надёжностью с прогнозом увеличения срока безаварийной работы в два раза, расчётные формулы для проектирования технологических режимов изготовления и оптимизации её свойств.

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

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.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, отпечатанных на 159 страницах машинописного текста, включая 3 таблицы и 70 рисунков и Приложения на 11 страницах. Список литературы содержит 122 наименования.

Личный вклад соискателя в представленных к защите материалах состоит в разработке содержательных и прогностических моделей эксплуатационных параметров штанги на этапах проектирования, производства и эксплуатации, в проведении теоретических и экспериментальных исследований, обсуждении и обобщении результатов, подготовке статей, докладов, разработке новых технических и технологических решений повышения надёжности штанг и штанговых колонн.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, степень разработанности направления исследования, изложены цели и определены задачи, в виде краткой аннотации изложено общее представление о работе и то новое, что вносится автором в исследование проблемы и выносится на защиту.

Первая глава посвящена обзору и анализу существующих методов эксплуатации СШНУ, направленных на повышение работоспособности штанговых колонн, на основе работ таких авторов, как A.C. Вирновский, А.Н. Адонин,

A.M. Пирвердян, Б.Б. Круман, М.Д. Валеев, K.P. Уразаков, В.М. Валовский, М.М. Хасанов, Ю.А. Песляк, П.А. Алиевский, Н.Д. Дрэготэску, П.В. Трусов,

B.C. Евченко, A.C. Керимзаде, Б.М. Ахмедов, С.Г. Бабаев, В.Н. Ивановский, И.Т. Мищенко, В.Н. Протасов, В.В. Семёнов, X. Майер, Е.И. Бухаленко, Ш.К. Гиматудинов, И.Л. Фаерман, В.И. Щуров, научных и производственных организаций: ТатНИПИнефть, ПермНИПИнефть, УГНТУ, АНК «Башнефть», РН-УфаНИПИнефть, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, ПГТУ, Лукойл-Западная Сибирь, Новомет-Пермь, УГТУ, ПечорНИПИнефть и других.

На основе анализа 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 эксплуатации; о методах ремонта штанг и штанговых колонн, улучшающих их техническое состояние; о методах идентификации технического состояния штанг в скважине и при проведении сервисного обслуживания; о методах, увеличивающих наработку штанговых колонн в нефтедобывающих скважинах. Изложенное определило цель и задачи исследований, сформулированные в общей характеристике работы.

Во второй главе приведены основные понятия, определения и соотношения металловедения, механики разрушения, линейной теории упругости и теории

пластичности, статистики и надёжности, необходимые для описания постепенных количественных и качественных изменений технического состояния штанговых колонн на этапах сервисного обслуживания и применения в скважине.

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.

Циклическая нагрузка, передаваемая приводом СШНУ через колонну насосных штанг, неравномерно распределяется по её длине и неодинаково влияет на изменение технического состояния её элементов. В свою очередь, техническое состояние определяется состоянием их поверхностного слоя. Параметры макродефектов, развивающихся с поверхности, являются основными признаками, характеризующими приобретённое при эксплуатации техническое состояние штанговых колонн, которые подлежат идентификации средствами технического диагностирования. Проанализирована кривая усталости для циклов с различными показателями асимметричности. Обоснованы следующие предположения:

- величина приведённого напряжения в точке подвеса штанговой колонны не влияет на характер интенсивности обрывов штанг;

- изменение характера поведения интенсивности обрывов штанг с одинаковым техническим состоянием связано с двухстадийностью процесса коррозионно-усталостного разрушения.

В третьей главе рассмотрены: теоретическое решение первого комплекса задач, направленных на эффективное использование ресурса серийных насосных штанг, результаты аналитического и численного исследования НДС штанговых колонн на всех основных этапах эксплуатации и выполнен их анализ. 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 (рис. 1) 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.

Макродефекты на повершосги Механическая обработка

Тело штанги / Тело штанги

\ Допустимый параметрический отказ

В=2-3 13=1,14-1,17

а) б)

Рис. 1. а) - макродефекты в пределах показателей параметрических отказов; б) - механическая обработка дефектов.

О — относительное повышение максимальной интенсивности напряжений по отношению к новой штанге.

Предложено соотношение для определения приведённого напряжения в сечениях штанговой колонны, учитывающее геометрию скважины (1):

р

(1)

где <т'1и — максимальное напряжение цикла, а'а — средняя амплитуда цикла, Е — модуль упругости, р — радиус кривизны в скважине, Я — радиус штанги.

В четвёртой главе обоснованы: теоретическое решение второго комплекса задач, направленных на повышение ресурса штанговой колонны, прогностическая модель увеличения сроков безаварийной эксплуатации штанговых колонн резервированием (рис. 2а), 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 (рис. 26), выведены формулы для определения остаточных напряжений. Представлена постановка задач анализа устойчивости и оптимизации конструкции. Приведено краткое описание метода Нелдера-Мида. Обоснованы пути разрешения противоречия повышения надёжности и снижения стоимости насосных штанг.

V

л,

V

400

300

200

100

0,001

0.002

0,003

0.004

0,005

а)

б)

Рис. 2. а) - схема резервирования штанговой колонны; б) - схема процесса создания остаточных напряжений и нагружения разномодульной конструкции штанги в координатах «£-о». а— напряжения в сечениях элементов, МПа, £ — относительное удлинение.

1 — основной элемент (полая штанга - материал идеально упруго-пластический), 2 — резерв (внутренний стержень - материал идеально упругий), 3 — технологическое нагружение системы, 4 — интегральное напряжение в системе при нагружении.

В пятой главе дано экспериментальное обоснование первого комплекса задач, направленных на эффективное использование ресурса серийно изготавливаемых насосных штанг, приведены описание методов проведения и результаты комплексных экспериментальных исследований штанговых колонн в нефтедобывающей скважине, отдельным параграфом дана оценка результатов диссертационной работы в целом.

Экспериментально установлены:

зависимость характера изменения интенсивности обрывов от технического состояния штанговой колонны и его независимость от напряжений (рис. 3) в точке её подвеса;

рост интенсивности обрывов штанг с переходом коррозионно-усталостного разрушения в завершающую стадию;

эмпирическая зависимость характера поведения интенсивности обрывов от уровня и интервалов диагностических сигналов эхо-импульсного метода диагностики;

значительное рассеяние результатов диагностики насосных штанг в разных сервисных цехах по альтернативному признаку.

По текущим результатам эксперимента доверительная вероятность достоверной оценки технического состояния штанг эхо-импульсным дефектоскопом оценена величиной 0,861 со степенью доверия 0,95.

Надёжность работы штанг на отдельном участке колонны оценивается единичным эксплуатационным показателем— интенсивностью обрывов (2):

N.. А/- ' (2)

по

А*(0 =

где + А?) =1 — число штанг подконтрольной ступени отказавших за наработку Д*. NЯА — среднее число исправно работающих штанг на интервале наработки

Величина интенсивности обрывов на участке колонны в отдельной скважине постоянна и до перехода коррозионно-усталостного разрушения в завершающую стадию не зависит от времени предшествующей работы (рис. 3), что позволяет прогнозировать затраты на ремонты гамма-процентными показателями и эксплуатировать в период нормальной работы остальную часть штанговой колонны без замены.

¿9Г

? 7

а 26 2 с

а 5

о

§3

х

0 2

1 1 !о

6. МПа

► Приведенное напряжение в ТПШ, МПа 1 Максимальное напряжение в ТПШ. МПа

300 250 200 150

А

А А А

> Л «V # А А А

• ♦ • V ▲ А • • А >

•• V. Л • АФ • •

• /

Даты замеров

12 3

Наработка, млн.циклов

а) б)

Рис. 3. Статистика наблюдения скв. 12003 НГДУ «Джалильнефть». а) — интенсивность обрывов на экспериментальном участке (штанги одинакового технического состояния); б) — приведённое и максимальное напряжения (а, МПа) в точке подвеса штанг по результатам периодических замеров.

Приведена статистика проверки качества диагностирования насосных штанг применяемыми в ОАО «Татнефть» акустико-эмиссионным и магнитным методами неразрушающего контроля альтернативным эхо-импульсным дефектоскопом. Показано присутствие в выборках от 30 до 40% штанг с техническим состоянием соответствующим завершающей стадии усталостного разрушения.

В заключении подведены основные результаты работы, сформулированы выводы по результатам исследований. Приведены сведения об апробации, о полноте

опубликования в научной печати основного содержания диссертации, её результатов, выводов, о защищенности технических решений патентами.

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.

Автор выражает также признательность заведующему лабораторией техники и технологии добычи нефти отдела эксплуатации и ремонта скважин ТатНИПИнефть к.т.н. К.В. Ваповскому, 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

В работе экспериментальными и теоретическими методами проведён анализ изменений технического состояния насосных штанг на основных этапах эксплуатации: в скважине, а также при техническом обслуживании и ремонте.

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-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.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях (семь из которых в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ):

1. Климов, В.А. Возможные направления повышения надёжности глу-биннонасосных штанговых колонн / Климов В.А., Валовский К.В., Трусов П.В., Вильданов К.Х., Любецкий C.B. //Нефтяное хозяйство. 2007. №7. С. 82-86.

2. Климов, В.А. Возможность снижения эксплуатационных затрат на добычу нефти за счёт комплексного использования средств диагностики и нетрадиционных методов ремонта насосных штанг / Климов В.А., Валовский К.В., Валовский В.М., Ахмадиев H.A., Трусов П.В., Швейкин А.И., Дюжи-ков А.Е. // Нефтяное хозяйство.2008. № 7. С. 70-72.

3. Климов, В.А. Изучение возможности повышения надёжности глубинно-насосного оборудования (на примере насосных штанг) / Климов В.А., Валовский К.В., Валовский В.М. // Сборник докладов научно-технической конференции, посвящённой 60-летию разработки Ромашкинского нефтяного месторождения. М.: ЗАО «Издательство «Нефтяное хозяйство», 2008. С. 200-206.

4. Климов, В.А. Преимущества применения «составных» насосных штанг / Климов В.А., Валовский К.В., Валовский В.М., Ахмадиев H.A., Трусов П.В., Швейкин А.И., Дюжиков А.Е. // Нефтяное хозяйство. 2008. № 9. С. 3839.

5. Валовский, В.М. Совершенствование техники и технологии добычи нефти в осложнённых условиях в ОАО «Татнефть» / Валовский В.М., Валовский К.В., Климов В.А. // Бурение и нефть. 2009. № 2. С. 34 — 36.

6. Климов, В.А. Результаты комплексных испытаний средств технической диагностики насосных штанг в ОАО Татнефть» / Климов В.А., Валов-

ский К.В., Гаврилов В.В., Ишмурзин P.P., Воронков B.C. // Нефтяное хозяйство. 2009. № 4. С. 94-98.

7. Климов, В.А. О возможности снижения частоты обрывов насосных штанг путем совершенствования методов качественной и количественной оценки остаточной наработки / Климов В.А., Валовский К.В., Валовский В.М., Трусов П.В., Швейкин А.И. // Нефтяное хозяйство. 2009. № 7. С 60-64.

8. Климов, В.А. Обоснование диагностических признаков усталостного разрушения насосных штанг / Климов В.А., Валовский К.В., Валовский В.М., Трусов П.В., Швейкин А.И. // Нефтяное хозяйство, 2009. № 10.

9. Пат. №66440 U1, Российская Федерация, МПК F04B 47/02. Насосная штанга / Климов В.А., Валовский К.В., Валовский В.М.; заявитель и патентообладатель ОАО «Татнефть». - №2007112979/22; заявл.06.04.2007; опубл. 10.09.2007; Бюл. № 25.

10. Пат. №2336435 С1, Российская Федерация, МПК F 04 В 47/00, Е 21 В 17/00. Насосная штанга. / Климов В.А., Валовский К.В., Валовский В.М.; заявитель и патентообладатель ОАО «Татнефть». - № 2007112904/06; заявл. 06.04.2007; опубл. 20.10.2008; Бюл. № 29.

11. Пат. №2346135 С1, Российская Федерация, МПК F 21В17/00, В 23Р 6/00. Способ ремонта насосных штанг / Климов В.А., Валовский К.В., Валовский В.М., Ахмадиев H.A., Билапов М.Х.; заявитель и патентообладатель ОАО «Татнефть». - №2007122890/03; заявл. 18.06.2007; опубл. 10.02.2009; Бюл. № 4.

12. Пат. №2361058 С1, Российская Федерация, МПК F 21 В 17/00, В 23Р 6/00. Способ изготовления насосных штанг /Климов В.А., Валовский К.В., Валовский В.М., Ахмадиев H.A., БилаловМ.Х.; заявитель и патентообладатель ОАО «Татнефть». - №2007129857/03; заявл. 03.08.2007; опубл. 10.07.2009; Бюл. № 19.

13. Способ изготовления насосных штанг. Заявка на изобретение № 2008124054 от 11.06.2008 г. / Климов В.А., Валовский К.В., Валовский В.М., Ахмадиев H.A., Билалов М.Х., Трусов П.В., Швейкин А.И.//Положительное решение о выдаче патента от 05.08.2009 г.

14. ТУ 3665-029-00217515-06. Штанги насосные, штоки устьевые и муфты к ним. Технические условия / Шардаков С.Н., Бабушкин В.В., Некрасов М.В., Дюжи-ков А.Е., Климов В.А. // г. Очёр, 2007.49 с.

15. СТОТН 036- 2008. Стандарт по отбраковке и использованию НКТ, штанг, насосов ШГН при обслуживании, ремонте и эксплуатации / Махмутов И.Х., Мутин И.И., Климов В.А.//г. Бугульма, 2008. 61 с.

Отпечатано в секторе оперативной полиграфии института «ТатНИПИнефть» ОАО «Татнефть» тел.: (85594) 78-656, 78-565 Подписано в печать 05.11.2009 г. Заказ №05110901 Тираж 100 экз.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Климов, Владимир Александрович

Введение

1 Проблемы работоспособности глубиннонасосных штанг и тенденции развития методов их эксплуатации и оценки технического состояния

1.1. Обзор исследований проблем эксплуатации глубиннонасосных штанг в нефтяных скважинах и влияния технического состояния на их работоспособность

1.2. Методы технического обслуживания и ремонта насосных штанг

1.3. Неразрушающие методы и средства обнаружения дефектов и оценки технического состояния насосных штанг

1.4. Конструкторско-технологические разработки по улучшению работоспособности насосных штанг

1.5. Технико-экономическое содержание существующих методов эксплуатации насосных скважин и пути их совершенствования с учётом технического состояния насосных штанг

2 Концептуализация изменений технического состояния насосных штанг на этапах эксплуатации и численные методы решения краевых задач определения НДС

2.1. Механизмы усталостного разрушения насосных штанг

2.1.1. Природа усталостного разрушения

2.1.2. Структурная модель усталостного разрушения

2.2. Структурные диагностические параметры усталостного разрушения и их размерная идентификация

2.3. Критерии разрушения

2.4. Влияние внешних условий процесса нагружения и их изменений на усталостную долговечность

2.5. Коэффициенты концентрации и интенсивности напряжений

2.6. Постановка задачи определения напряжённо-деформированного состояния штанг на разных этапах эксплуатации

2.7. Вероятностный характер изменений технического состояния штанг при усталостном разрушении

2.8. Выводы

3 Численные исследования параметров изменения технического состояния штанговых колонн

3.1. Оценка изменений технических состояний штанги с трещинами при различных конфигурациях скважины и влиянии, эксплуатационных нагрузок

3.1.1. Модель технического состояния штанг с учётом усталостных повреждений

3.1.2. Аналитическое решение (использование известных результатов)

3.1.3. Численное решение

3.1.4. Растяжение: упругопластическая задача

3.1.5. Растяжение и изгиб

3.2. Оценка влияния технологических процессов ремонта на техническое состояние штанги с трещинами

3.2.1. Контрольное нагружение при акустико-эмиссионном методе диагностики штанг

3.2.2. Упрочнение штанг пластическим деформированием

3.2.2.1. Упрочнение штанг растяжением

3.2.2.2. Упрочнение штанг последовательным растяжением и кручением

3.3. Определение приведенного напряжения, учитывающего геометрию скважины

3.4. Устранение концентраторов напряжений на поверхности штанг механической обработкой

3.4.1. Практические цели исследования и укрупненная классификация отказов насосных штанг

3.4.2. Постановка задачи и методы решения

3.4.3. Растяжение 84 3.4.5. Растяжение и изгиб

3.5. Выводы

4 Исследование новых конструкторско-технологических решений повышения эксплуатационной надёжности насосных штанг

4.1. Прогностическая модель конструкции насосной штанги

4.1.1. Схема резервирования 98.

4.1.2. Механизм остановки распространения трещин и коррозии

4.1.3. Упругое упрочнение конструкции 99;

4.1.4. Анализ надёжности составной штанги : 100.

4.2. Структурная геометрическая модель конструкции и описание' механизма упрочнения насосной штанги

4.3. Математическое моделирование технологического процесса упругого упрочнения

4.3.1. Детализация технологического процесса упрочнения ЮЗ

4.3.2. Определение остаточных напряжений и выявление их зависимости от механических свойств материала

4.4. Анализ устойчивости конструкции

4.5. Постановка задачи оптимизации

4.6. Решение задачи оптимизации конструкции

4.7. Результаты теоретических расчётов

4.8. Пути разрешения противоречия повышения надёжности и снижения стоимости насосных штанг

4.9. Выводы

5 Экспериментальное исследование изменения технического состояния насосных штанг при сервисном обслуживании и в скважине

5.1. Методика и планирование эксплуатационных испытаний

5.2. Краткое описание принципов работы СТД, используемых в ОАО «Татнефть», и анализ их приспособленности к контролю насосных штанг

5.2.1. Акустический дефектоскоп насосных штанг АДНШ

5.2.2. Система контроля насосных штанг «УРАН-2000 ШМ» в составе технических средств KLLI-02.00.00.000 М

5.2.3. Инспекционное оборудование Tuboscope Veteo

5.2.4. Технология АЭ контроля с применением АПК «Раскат М»

5.2.5. Анализ приспособленности диагностического оборудования, используемого в ОАО «Татнефть», для контроля насосных штанг

5.3. Результаты эксплуатационных испытаний

5.4. Лабораторные исследования

5.5. Анализ полученных результатов 139 Заключение 142 Список использованной литературы 148 ПриложениеА

Ключевые слова: межремонтный период скважин, глубиннонасосное оборудование, насосная штанга, штанговая колонна, напряжённо-деформированное состояние, остаточные напряжения, жёсткость, устойчивость, неразрушающий контроль, диагностика, надёжность, интенсивность отказов, наработка, долговечность, доверительная вероятность, однородные испытания. Сокращения и обозначения ГНО — глубиннонасосное оборудование ЛТУ — линейная теория упругости МРП — межремонтный период скважины НДС — напряжённо-деформированное состояние НТД — нормативная техническая документация НК — неразрушающий контроль

АЭ, ЭИ, МК — соответственно акустико-эмиссионный, эхо-импульсный, магнитный методы НК

ПРС — подземный ремонт скважины

СЛАУ — система линейных алгебраических уравнений

СТД — средства технической диагностики

СШНУ — скважинные штанговые насосные установки

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "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 скважине; б) исследование эффективности оценки технического состояния штанговых колонн применяемыми методами и средствами неразрушающего контроля; в) 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.

Заключение Диссертация по теме "Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений", Климов, Владимир Александрович

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 эксплуатации; о методах ремонта штанг и штанговых колонн, улучшающих их техническое состояние; о методах идентификации технического состояния штанг в скважине и при проведении сервисного обслуживания; о 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 подвеса; рост интенсивности обрывов штанг с переходом коррозионно-усталостного разрушения в завершающую стадию; эмпирическая зависимость характера поведения интенсивности обрывов от уровня и интервалов диагностических сигналов эхо-импульсного метода диагностики; значительное 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.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Климов, Владимир Александрович, Бугульма

1. Авдуевский B.C. и др. Надёжность и эффективность в технике. Справочник в Ют. Т. 2: Математические методы в теории надёжности и эффективности / Под ред. Б.В. Гнеденко. М.: Машиностроение, 1987. 280 с.

2. Адонин А.Н. Добыча нефти штанговыми насосами. М.: Недра, 1979.213 с.

3. Адонин А.Н. Процессы глубиннонасосной нефтедобычи. М.: Недра, 1964. 264 с.

4. Адонин А.Н., Белов И .Г. Работа насосной установки на больших глубинах. Тр. АзНИИ ДН, вып. I. Азнефтеиздат, 1954. с. 80-112.

5. Алиевский П.А., Арутюнов И.А., Бикчентаев P.M., Оганесов В.А., Калюжный В.И., Шакин И.С. Насосные штанги из стеклопластика.//Нефтяное хозяйство., 2003. №12. С. 62-66.

6. Андронов И.Н., Богданов Н.П. и др. Энергомеханический метод оценки остаточного ресурса прочности насосных штанг//Нефтепромысловое дело. 2008. № 7. С. 47-49.

7. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. и др. Материаловедение: учеб. для вузов /Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 648 с.

8. Ахметвалиев Р.Н. Механизированный фонд «Татнефти»: тотальная технологическая экономия// «Нефтегазовая вертикаль». 2007. № 10-11.стр.111-114.

9. Ашихмин В.Н., Гитман М.Б., Келлер И.Э. и др. Введение в математическое моделирование: учеб. пособие / Под ред. ТрусоваП.В. М.: Логос, 2005. 440 с.

10. Бабаев С.Г. Надёжность нефтепромыслового оборудования. -М.: Недра, 1987. 264 с

11. БасосГ.Ю., Валовский К.В., ИбрагимовН.Г., Фадеев В.Г, Ахметвалиев Р.Н. Результаты испытаний устройств для поочерёдной подачи нефти и воды на приём насоса. НХ-08-2003 с. 85-87.

12. Берман А.Ф., Николайчук O.A., Юрин А.Ю. Автоматизация прогнозирования технического состояния и остаточного ресурса деталей уникальных машин и аппаратуры / Заводская лаборатория: диагностика материалов. 2009. № 3. С. 48-56

13. Буденков Г. А., Недзвецкая О. В., Лебедева Т. Н. Новая прогрессивная технология дефектоскопии протяженных объектов металлургической и нефтедобывающей промышленности. — Тяжелое машиностроение. 2004. № 11. С. 18-23.

14. Буденков Г.А., Коробейникова О.В., и др. Опыт приёмочного акустического контроля и упрочнения насосных штанг при сервисном обслуживании // В мире неразрушающего контроля. 2007. № 4. С. 14-18.

15. Валеев М.Д., Хасанов М.М. Глубиннонасосная добыча вязкой нефти. Уфа: Башкирское кн. изд-во. 1992. 150 с.

16. Валовский В.М., Валовский К.В. Цепные приводы скважинных штанговых насосов. М: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2004. 492 с.

17. Валовский В.М., Валовский К.В., Климов В.А. Совершенствование техники и технологии добычи нефти в осложнённых условиях в ОАО «Татнефть» // Бурение и нефть. 2009. № 2. С. 34 — 36.

18. Вассерман H.H. и др. Технология восстановления прямолинейности и упрочнения насосных штанг // Наука — производству. 5(30)/2000. С. 49 — 51.

19. Вирновский A.C. Переменные напряжения в глубиннонасосных штангах и их связь с разрушением. «Труды ВНИИИ»: вып. 17. 1971. С. 56-112.

20. Гальнерин М.Я., Ровинский Б.М., Синайский В.М. О влиянии предварительной пластической деформации растяжением на усталостную прочность стали // АН СССР. Механика и машиностроение. 1961. № 3. С. 22 -25.

21. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьёв А.Д. Математические методы в теории надёжности. М.: Серия: «Физико-математическая библиотека инженера», 1965. 524 с.

22. ГОСТ 25.506 85 Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.

23. ГОСТ 13877 — 96 Штанги насосные и муфты штанговые.

24. ГОСТ 18353 79 Контроль неразрушающий.

25. ГОСТ 27.002 89 Надёжность в технике.

26. ГОСТ 27518 — 87 Диагностирование изделий.

27. ГОСТ Р 51161 — 2002 Штанги насосные, устьевые штоки и муфты кним.

28. ГОСТ Р 51161 98 Штанги насосные стеклопластиковые.

29. Гурин С.А., Жуков B.C., Копица H.H. Сканеры-дефектоскопы серии «Комплекс-2». Новые модели.// В мире неразрушающего контроля. 2004. №2(24). С. 31-33.

30. Дрэготэску Н.Д. Глубиннонасосная добыча нефти. Перевод с румынского Петрова П.А. / Под ред. М.А. Геймана. М.: Недра, 1966. 418 с.

31. Евченко B.C., Захарченко Н.П., Каган Я.М. и др. Разработка нефтяных месторождений наклонно-направленными скважинами. М.: Недра, 1986.278 с.

32. Ефимова М.Р., Рябцев В.М. Общая теория статистики: Учебник. М.: Финансы и статистика, 1991. 304 с.

33. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.542 с.

34. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. — М.: Мир, 1986. 318 с.

35. Зубаиров С.Г., Токарев М.А. и др. Эксплуатация штанговых колонн с шарнирными муфтами//Нефтяное хозяйство. 2003. - № 1. - С. 54-56.

36. Иванов В.И. Особенности непрерывного мониторинга оборудования опасных производственных объектов // В мире неразрушаюнДего контроля. 2008. № 3. С. 4-6.

37. Ивановский В.Н. СШНУ и УЭЦН: Состояние и перспективы. //Нефтегазовая вертикаль. № 2, 2007.С. 64 — 65.

38. Ивановский В.Н., Сабиров A.A., Каштанов B.C., Донской ТО .А., Маляревский A.B. Почему рвутся штанговые колонны? // Территорияt Нефтегаз. 2007. № 3. С. 34-37.

39. Керимзаде A.C., Ахмедов Б.М. Упрочнение глубиннонасосных штанг пластическим скручиванием. // Труды АзИНМАШ. 1965, вып. 3, С. 260— 270.

40. Климов В.А., Валовский К.В., Валовский В.М., Ахмадиев ЕГ--А-> Трусов П.В., Швейкин А.И., Дюжиков А.Е. Преимущества применеьз^ия «составных» насосных штанг// Нефтяное хозяйство. 2008. № 9. С. 38-39.

41. Климов В.А., Валовский K.B., Валовский В.М., Трусов П.В., Швейкин А.И. Обоснование диагностических признаков усталостного разрушения насосных штанг // Нефтяное хозяйство, 2009. №11. — С. 126-129.

42. Климов В.А., Валовский К.В., Гаврилов В.В., Ишмурзин P.P., Воронков B.C. Результаты комплексных испытаний средств технической диагностики насосных штанг в ОАО Татнефть» // Нефтяное хозяйство. 2009. № 4. С. 94-98.

43. Климов В.А., Валовский К.В., Трусов П.В., Вильданов К.Х., Любецкий C.B. Возможные направления повышения надёжности глубиннонасосных штанговых колонн//Нефтяное хозяйство. 2007. №7. С. 82-86.

44. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях: анализ, предсказание, предотвращение. М: Мир, 1984. 624 с.

45. Круман Б.Б. Методика расчета колонн насосных штанг // Нефтяное хозяйство. 1976. № 2. С. 51-54.

46. Круман Б.Б. Глубиннонасоные штанги. М.: «Недра», 1977. 181 с.

47. Круман Б.Б. Методика расчёта колонн насосных штанг // Нефтяное хозяйство. 1976. № 9. С. 44-46.

48. Круман Б.Б. О конструировании колонн насосных штанг//Нефтяное хозяйство. 1975. № 2. С.55-58.

49. Круман Б.Б. Практика эксплуатации и исследования глубиннонасосных скважин / М.: Недра.-204 с.

50. Лурье А.И. Теория упругости. М.: Наука, 1970. 940 с.

51. Маляревский A.B. Анализ методов диагностики насосных штанг// Территория Нефтегаз. 2007. № 9. С. 52-55.

52. МахутовН.А. Контроль и диагностика материалов и конструкций//Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. № 19. С. 3.

53. Металловедение и термическая обработка стали:Справ. изд. В 3-х т./Под ред. Бернштейна M.JL, Рахштадта А.Г. Т. 1 Методы испытаний и исследования. В 2-х кн.: Кн. 2. М., Металлургия, 1991. 462 с.

54. Мищенко И.Т. и др. Сборник задач по технологии и технике нефтедобычи: учеб. пособие для ВУЗов. М.: Недра, 1984.

55. Мищенко И.Т. Расчёты при добыче нефти и газа. М.: Изд-во «НЕФТЬ и ГАЗ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2008. 296 с.

56. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти: учебное пособие для ВУЗов. М.: Изд-во «НЕФТЬ и ГАЗ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. 816 с.

57. Морозов Н.Ф. Математические вопросы теории трещин. М.: Наука, 1984. 255 с.

58. Мусин Р. Организация системы диагностирования технического состояния насосных штанг//Нефтегазовая вертикаль. 2009. № 12. С. 48-50.

59. ОдингИ.А. Теория пределов усталости при несимметричных циклах и сложно-напряжённом состоянии. «Заводская лаборатория». № 4. 1937.

60. Одинг И.А. Усталость металлов и задачи машиностроения. Машгиз.1941.

61. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в трёх книгах: кн. 1. М.: Машиностроение, 1977. 623 с.

62. Пат. №2336435 С1, Российская Федерация, МПК F 04 В 47/00, Е21 В 17/00. Насосная штанга. Климов В.А., Валовский К.В., Валовский В.М.; заявитель и патентообладатель ОАО «Татнефть». № 2007112904/06; заявл. 06.04.2007; опубл. 20.10.2008; Бюл. № 29.

63. Пат. №66440 U1, Российская Федерация, МПК F04B 47/02. Насосная штанга /Климов В.А., Валовский К.В., Валовский В.М.; заявитель и патентообладатель ОАО «Татнефть». №2007112979/22; заявл.06.04.2007; опубл. 10.09.2007; Бюл. № 25.

64. Пат. 2117138, РФ, Е 21В 43/00, F 04 D 13/12, 1998. Способ добычи нефти и устройство для его осуществления / Тахаутдинов Ш.Ф, Ганиев Г.Г., ШагаповГ.Ш., Иванов А.И., Валеев М.Х., СивухинА.А. Заяв. 30.03.98. Опубл. 10.08.98.-Бюл. №22.

65. Патент RU 2 123 613 C1 F04 В47/00, D 13/12. Входное устройство скважинного насоса / Гибадуллин И.Р., ЗалятовМ.М.; заявитель и патентообладатель ОАО «Татнефть». № 96114881/06; заявл. 23.07.1996. - Б.И. - 1998. -№35.

66. Патент RU 2 186 842 C1 С21 D 7/00. Способ упрочнения Длинномерных цилиндрических изделий / В.В. Семёнов, Н.П. Надымов; заявитель и патентообладатель ОАО «ПермьНИПИнефть». № 97102972/02; заявл. 28.02.1997. - Б.И. - 1999. - № 6.

67. Песляк Ю.А., Уразаков K.P. Приближённый расчёт гидродинамического трения сопротивления движению колонны насосных штанг в накл. напр. скважинах // Сб. научных тр. ВНИИ «Эксплуатация скважин механизированным способом». 1985. (Вып. 93).

68. Песляк Ю.А., Уразаков K.P. Расчёт прижимающих сил муфт и штанг в накл. напр. скважинах // Тр. БашНИПИнефти. 1985 г. (Вып.72)

69. Пирвердян A.M. Гидромеханика глубиннонасосной эксплуатации. М.: Недра, 1965. 192 с.

70. Поздеев A.A., Няшин Ю.И., Трусов П.В. Остаточные напряжения: теория и приложения. М.: Наука, 1982. 112 с.

71. Половко A.M., Гуров С.В. Основы теории надежности. СПб.: БХВ — Петербург. 2006. 704 с.

72. Протасов В.Н. Повышение надёжности оборудования при насосном' способе добычи нефти. М.: ВНИИОЭНГ, 1986. (Машины и нефтяное оборудование: Обз. информация).

73. Протасов В.Н. Состояние и перспективы применения противокоррозионной защиты насосных штанг полимерными покрытиями. М.: ВНИИОЭНГ, 1983. (Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности: Обз. информация).

74. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968. 288 с.

75. Решетов Д.Н. и др. Надёжность машин: Учеб. пособие для машиностроительных специальностей вузов. М.: Высшая школа, 1988. 238 с.

76. Ришмюллер Г., МайерХ. Добыча нефти глубинными штанговыми насосами. Терниц, Австрия: Шеллер-Блекманн ГМБХ, 1988. 150 с.

77. Романенко C.B., Климченко A.A. Возможность правки деформированных труб и штанг//Нефтяное хозяйство. 2009. - № 3. - С. 76-78

78. Романов В.В. Влияние коррозионной среды на циклическую прочность металлов. М.: Наука, 1969. 220 с.

79. Салюков В.В., Харионовский В.В., Силкин В.М./ Планирование ремонтных работ на магистральных газопроводах с учётом показателей риска//Газовая промышленность, 2009. № 3. С

80. Семёнов В.В., Пепеляев В.В. Работоспособность штанг насосных во взаимосвязи со структурой материала длинномерного изделия//Нефтепромысловое дело. 2008. № 12. С. 37-45.

81. Солнцев Ю.П., Пирайнен В.Ю., Вологжанина С.А. Материаловедение специальных отраслей машиностроения: учебное пособие. СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. 784 с.

82. Справочник металлиста. В 5-ти т. Т. 2/Под ред. А.Г. Рахштадта и В.А. Брострема. М.: Машиностроение, 1976. 720 с.

83. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. В 2-х томах: Т. 2. / Под ред. Ю. Мураками. М.: Мир, 1990.

84. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. В 2-х томах: Т. 1. / Под ред. Ю. Мураками. М.: Мир, 1990.

85. Справочник по прикладной статистике. В 2-х т. Т. 1: Пер. с англ./Под ред. Э. Ллойда, Ю.Н. Тюрина и др. М.: Финансы и статистика, 1989. 510 с.

86. Справочник: Нефтепромысловое оборудование / Под ред. Е.И. Бухаленко. М.: Недра, 1990. 559 с.

87. Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. Добыча нефти. / Под ред. Ш.К. Гиматудинова. М.: Недра, 1983. 449 с.

88. СТО ТН 036- 2008. Стандарт по отбраковке и использованию НКТ, штанг, насосов ШГН при обслуживании, ремонте и эксплуатации. Бугульма: ТатНИПИнефть, 2008. 61 с.

89. Тимошенко С. П., Гере Дж. Механика материалов. М.: Мир. 1976.672 с.

90. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Т.2.: Более сложные вопросы теории и задачи. М: Наука, 1965. 465 с.

91. Трусов П.В. Механика сплошной среды: курс лекций. Часть 3: Классические среды. Пермь: Изд-во ПГТУ, 1996. 142 с.

92. Трусов П.В., Швейкин А.И. Теория определяющих соотношений: учеб. пособие. Ч. 2. Теория пластичности. Пермь: Изд-во ПГТУ, 2008. 243 с.

93. ТУ 3665-029-00217515-06. Штанги насосные, штоки устьевые и муфты к ним. Технические условия. Очёр: ОМЗ, 2007. 49 с.

94. Уразаков K.P. Эксплуатация наклонно направленных насосных скважин. М.: Недра, 1993 г. 169 с.

95. Уразаков K.P., Богомольный Е.И., Сейтпагамбетов Ж.С., Газаров А.Г. Насосная добыча высоковязкой нефти из наклонных и обводнённых скважин./Под ред. М.Д. Валеева М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003 г. 303 с.

96. Уразаков K.P. Эксплуатация наклонно-направленных насосных скважин. М.: Недра, 1993. 196 с.

97. Уразаков К.Р., Дашевский А.В., Здольник С.Е. и др. Справочник по добыче нефти / Под ред. К.Р. Уразакова. СПб: ООО «Недра», 2006. 448 с.

98. Уразаков К.Р., Топольников А.С., АгамаловГ.Б. Комплексный показатель надёжности насосного оборудования // Нефтяное хозяйство. 2009. № 1.С. 78-81.

99. Фаерман И.Л. Штанги для глубинных насосов. Баку: Азнефтеиздат, 1955. 321 с.

100. Файн Г.М., Снарев А.И., Опарин В.Б. К оценке перспектив применения алюминиевых сплавов в качестве материалов для глубиннонасосных штанг//Бурение и нефть. 2009. № 4. С. 14-16.

101. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Физматгиз, 1960.536 с.

102. ИЗ. ХаребовВ.Г. О некоторых проблемах в области неразрушающего контроля и путях их решения//В мире неразрушающего контроля. 2008. №3. С. 8-9.

103. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975. 534 с.

104. Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти: учебник для ВУЗов. М.: Недра, 1983.510 с.

105. ЯнтуринР.А., Шаисламов Ш.Г., Янтурин А.Ш. О методах расчёта штанг на прочность и соответствии их условиям эксплуатации./ЛНГефтяноехозяйство. 2008 г. № 4. С. 80-82.

106. HaighB.P. Experiments on the fatigue jf Brasses, Journ. Of Institute of Metals, vol. XVIII, 1917.

107. HaighB.P. Report of British Association for the Advancement of Science. Com. on Stress Distribution, 1915.

108. Moore and Jasper. An Inversti ation on the fatigue of Metals. Univ. Illinois, EngineeringExper. Station. Bull., 136, 1923.

109. Paris, P. С., and Sih, G. C., "Stress Analysis of Cracks", Fracture Toughness and Testing and its Applications, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, STP 381, pp. 30-83 (1965). (Описание ППП ANSYS)

110. Petroleum Engineering Handbook / Editor-in-Chief Howard B. Bradley; Assciate Editor Fred W. Gipson (et al.)/-Richardson, TX, USA.: Society of Petroleum Engineers, 2003, 2005. pp.9-1 -9-14.

111. РД 153 39.1 — 252 — 02. Руководство по эксплуатации скважин установками скважинных штанговых насосов в ОАО «Татнефть».тз