Обоснование и выбор параметров и структуры спуско-подъемного комплекса установок для ремонта глубоких скважин

Развитие экономики во многом зависит от состояния и темпов роста энергетической базы.

Ввод в действие новых месторождений требует значительных капитальных затрат, ввод же бездействующих скважин путем их ремонта может обеспечить значительный эффект при минимальных затратах.

Настала экономическая необходимость применения самой современной техники и технологии строительства скважин, способной обеспечить максимальную эффективность и качество добычи на эксплуатационном и разведочном бурении [1, 2, 3].

Горизонтальное, в т. ч. бурение разветвленных горизонтальных скважин — «одно из важнейших наиболее перспективных стратегических направлений развития бурения». Этот вид бурения требует качественно иного подхода к его проектированию и технической реализации.

Важнейшим обоснованием для применения технологии горизонтального бурения считают [4]:

— экономическую необходимость;

— повышение дебита скважины;

— снижение затрат на разработку и стоимости эксплуатации;

— увеличение сроков службы старых месторождений;

— сокращение затрат на разведку и разработку месторождения.

Восстановление дебита скважин бездействующего фонда или малодебитных скважин путем бурения вторых стволов относится к службе капитального ремонта и осуществляется установками для капитального ремонта скважин. Глубины бурения вторых стволов находятся в интервале 1500 — 2500 м. Кроме того, возрастают глубины эксплуатационного бурения, а значит и скважин эксплуатационного фонда. Это влечет за собой увеличение глубин подвески насосного оборудования. Наиболее распространенная глубина подвески насосного оборудования в скважинах до 1500 м, глубина подвески насосно-компрессорных труб в фонтанных и компрессорных скважинах достигает 3600 м. Наибольшее число ремонтов приходится на скважины, оборудованные насосами, а из числа насосных скважин — на скважины, оборудованные штанговыми глубинными насосами (до 60%).

В связи с повышающимися требованиями к качеству работ, связанных с восстановлением скважин, и применением новых технологий возрастают требования к установкам для ремонта скважин грузоподъемностью 600, 800 и 1000 кН.

Изменение технологии проведения ремонта требует совершенствования буровых установок и оборудования, связанного с выполнением технологических функций.

Старение фонда скважин, тяжелые горно-геологические условия ведения работ приводят к частому выходу скважин из эксплуатации, к их простоям в ожидании ремонта, так и в процессе его проведения.

Переход на эксплуатацию более глубоких скважин влечет за собой рост трудоемкости ремонтов, а, следовательно, и увеличение времени простоев скважин в ремонте.

Капитальный ремонт скважин характеризуется значительной продолжительностью (в среднем 477 часов), сложностью механизации этого процесса в условиях Севера и заболоченных территорий, а, следовательно, его высокой трудоемкостью и наличием большого числа весьма тяжелых ручных операций [4].

В России при сложившейся технологии ремонта скважин на спуско-подъемные операции (СПО) с трубами и штангами затрачивается до 80 — 90% всего времени ремонта скважины. Выполнение основных и вспомогательных операций осуществляется спуско-подъемным комплексом (СПК). Следовательно, создание эффективных комплексов механизмов и средств механизации СПО — один из важных резервов ускорения сроков ремонта скважин и повышения технико-экономических показателей установок.

В России парк оборудования, применяемого при ремонте скважин представлен установками четырех типоразмеров: грузоподъемностью 320 400 кН (агрегаты типа Азинмаш — 37 А), 500 — 600 кН (агрегаты типа А-50), 600 — 800 кН (А60/80) и 1000 — 1250 кН (АРБ 100). Последние два типа установок созданы в последние годы и представляют незначительную долю всех установок для ремонта скважин. Установки грузоподъемностью 320 -600 кН не отвечают предъявляемым к ним требованиям и мировому уровню подобного оборудования. Основными недостатками этого оборудования являются низкий уровень механизации СПО, ограничение возможности при проведении капитального ремонта (требуется дополнительное оборудование), недостаточная монтажеспособность, низкий уровень безопасности, отсутствие технических средств контроля выполняемых операций и т. п.

Импортные установки, закупаемые или арендуемые крупными компаниями, имеют грузоподъемность 800 — 1000 кН, позволяют выполнять сложные виды капитального ремонта, применяя прогрессивные технологии, и в большинстве своем имеют возможность использования верхнего привода. Одним из основных недостатков использования импортных установок является: высокая стоимость ремонта [6] (в среднем затраты на ремонт одной скважины — 240,4 тыс. дол. США, включая стоимость оборудования со сроком амортизации пять и более лет). Необходимость закупки запчастей и недостаточная подготовленность бригад капитального ремонтаневозможность закупки импортного оборудования для большинства компаний — ограничивающие факторы для применения зарубежных установок.

Кроме того, технологическое оборудование, осуществляющее ремонт скважин, редко соответствует условиям работы. Это связано с существующим в современной практике нерациональном подборе машин и оборудования для осуществления технологического процесса ремонта скважины.

Следовательно, актуальной задачей являются исследования, направленные на разработку методики, позволяющей выбирать рациональные машины и механизмы для конкретных видов ремонтных работ.

Разработка принципиально новых конструкций установок требует больших капиталовложений и проектирования оборудования для конкретного заказчика, а закупка дорогостоящего оборудования невозможна для большинства буровых организаций. Модернизация оборудования заключается в техническом совершенствовании действующего оборудования в соответствии с современными требованиями путем конструктивного улучшения приспособлений. Модернизация оборудования часто позволяет при относительно небольших затратах повысить эксплуатационные показатели машин и удлинить экономически целесообразный срок использования основных фондов. Она способствует интенсификации технологических режимов, повышению уровня механизации и автоматизации, улучшению экономических показателей. Поэтому одним из путей выхода из сложившейся ситуации является использование существующего парка оборудования, исследование пути его совершенствования и разработать методики выбора рациональной компоновки для конкретных условий эксплуатации.

В работе проведен анализ перспективных решений механизмов СПК, основанных на совмещении выполняемых функций в одном конструктивном элементе. Особое внимание уделено созданию унифицированных средств компоновки оборудования с совмещением функций, рассмотрена возможность применения данного оборудования в различных условиях работы.

Разработана методика выбора рациональной структуры и расчета параметров СПК, учитывающая факторы, влияющие на компоновку оборудования для спуско-подъемных операций, и основанная на системном подходе к проектированию и совершенствованию спуско-подъемного комплекса.

Диссертационная работа выполнена в рамках межотраслевой программы по Западно-Сибирскому топливно-энергетическому комплексу и является составной частью научно-исследовательских работ по созданию установок для ремонта скважин.

Целью работы являются исследования, направленные на разработку методики, позволяющей выбирать рациональные машины и механизмы для конкретных видов ремонтных работ.

Идея работы заключена в том, что рациональная структурная схема СПК может быть получена на основе совмещения функций базовых конструктивных элементов и сокращения их количества.

Для достижения поставленной цели в работе применялись следующие методы исследований: анализ литературных источников, теоретические и экспериментальные исследования, системный подход к проектированию.

Автор диссертационной работы защищает следующие научные положения:

1. Компоновка СПК установок для ремонта глубоких скважин должна осуществляться индивидуально для конкретных условий эксплуатации.

2. Состав оборудования СПК должен выбираться по критерию минимума удельных затрат на основе совмещения операций функциональными элементами.

3. Основой для составления компоновочных схем СПК установок для ремонта скважин является схема связей конструктивных и режимных параметров функциональных элементов СПК.

Научная новизна полученных автором результатов:

— компоновочная схема установки для ремонта скважин с верхним приводом СПК и совмещением операций позволяет использовать установку в широком диапазоне горно-геологических условий и повысить эффективность основных технологических процессов;

— разработан алгоритм выбора СПК установки для ремонта скважин, являющийся основой методики проектирования СПК установок;

— впервые разработана схема связи конструктивных и режимных параметров СПК, позволяющая обоснованно выбирать состав оборудования для конкретных горно-геологических условий;

— впервые разработана классификация технических средств СПК и предложена система их наглядных обозначений, что позволяет реализовать возможность изображения компоновочных схем, как в статике, так и в динамике;

— установлена зависимость массы мобильных установок от глубины ремонта, позволяющая проектирующим организациям оценить перспективы развития СПК.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждена достаточным количеством экспериментальных исследований с применением современной измерительной и регистрирующей аппаратуры, применением при обработке полученных данных законов математической статистики, воспроизводимостью полученных результатов при повторных измерениях. Достоверность полученных результатов подтверждается их высокой сходимостью с данными практики, отклонение не превышает 10%.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная математическая модель СПК позволяет:

— выполнять анализ конструктивного исполнения СПК;

— выбирать оптимальные конструктивные исполнения СПК для конкретных условий;

— создать методику выбора конструктивных и режимных параметров СПК для заданных условий.

Реализация результатов работы:

— разработанная методика выбора СПК установок для ремонта глубоких скважин принята для использования в качестве рабочих программно-методических материалов на фирме ОАО «ОМЗ — НГО» (г.Екатеринбург) (акт внедрения от 20 июня 2002 г.);

— разработано техническое задание, разработаны опытные образцы КМС-80;

— приняты к внедрению в ЗАО «Нижневартовскбурнефть» мероприятия по техническому перевооружению СПК установок для ремонта скважин (акт внедрения от 26 июля 1999 г.).

Результаты исследований используются при подготовке студентов направления 551 800 «Технологические машины и оборудование» .

5.4. Выводы.

— Разработанная методика позволяет определять рациональный вариант технических средств СПК для конкретных условий эксплуатации.

— Основанием для выбора сочетаний функциональных элементов СПК являются технологические процессы СПО, необходимые для проведения ремонта скважин.

— Разработанная на ЭВМ программа позволяет оценивать СПК по ряду показателей процесса ремонта скважины, выполнять набор оборудования и определять оптимальные конструктивные и режимные параметры. СПК установок для ремонта глубоких скважин в конкретных условиях эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной технической задачи, связанной с повышением производительности и универсальности установок для ремонта глубоких скважин за счет изменения конструктивных параметров СПК.

Выполненный анализ известных технических решений СПК и методов их расчета позволил сформулировать задачи исследования и наметить пути их решения.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Исследование качества ремонта скважин, обеспеченности техническими средствами СПК на установках, применяемых на месторождениях Западной Сибири, говорит о необходимости перевооружения установок для ремонта скважин системами верхнего привода. Проведен анализ перспективных решений механизмов СПК, основанных на совмещении выполняемых функций в одном конструктивном элементе. Особое внимание уделено созданию унифицированных средств компоновки оборудования с совмещением функций, рассмотрена возможность применения данного оборудования в различных условиях работы.

2. Разработаны новые конструктивные исполнения СПК, позволяющие повысить надежность, снизить металлоемкость и энергопотребление при осуществлении ремонта глубоких скважин.

3. Разработан метод определения продолжительности цикла и энергозатрат на осуществление ремонта с учетом конкретных условий эксплуатации, основанный на использовании имитационных математических моделей работы механизмов СПК установки для ремонта скважин.

Метод учитывает конструктивное исполнение СПК установки и условия ее эксплуатации.

Для выполнения расчетов составлен алгоритм решения и разработана программа для ЭВМ, реализующая метод.

Проведена проверка точности расчетов по разработанному методу, для чего выполнено сравнение результатов расчетов по методу и данным эксперимента. Значения погрешности менее 2%, что подтверждает адекватность моделей реальному процессу.

Проведены исследования влияния на длительность и энергозатраты при ремонте параметров скважины и схемы СПК. Доказана необходимость учета при выборе схемы СПК условий ремонта скважины.

4. Разработан метод выбора оптимального конструктивного решения и определения оптимальных параметров элементов СПК, основанный на использовании критерия минимума себестоимости ремонта скважины в конкретных условиях эксплуатации.

Для разработанного метода составлен алгоритм и программа для ЭВМ. Используя программу, проведены исследования значимости оптимизируемых переменных. В методе использованы структурные переменные (схемы СПК, конструктивные исполнения механизмов). Выявлено, что при ремонте с СПО и бурения интервала на глубине свыше 500 м предпочтительной является схема с верхним приводом массой до 1500 кг. При увеличении массы верхнего привода до 2200 кг применение нижнего привода дает экономию себестоимости. Приоритетность схемы СПК с нижним приводом возможна только при снижении затрат времени на свинчивание-развинчивание колонны труб при СПО и наращивании.

Доказано, что задание оптимальных параметров с учетом условий эксплуатации позволяет получить наибольший эффект от эксплуатации установки в конкретных условиях.

5. Выбор оптимального варианта исполнения СПК и задание оптимальных конструктивных и режимных параметров согласно расчетам дает годовой экономический эффект от внедрения мероприятий по техническому перевооружению установок для ремонта 24 скважин в размере 100, 9 тыс. руб. на одну установку (Приложение 5).

6. Методика расчета режимных и конструктивных параметров вращательно-подающего механизма, принята для использования на ОАО «Машиностроительном заводе им. В.В.Воровского» (г.Екатеринбург) — методика выбора СПК установок для ремонта глубоких скважин принята для использования в качестве рабочих программно-методических материалов на ОМЗ — Уралмаш (г.Екатеринбург).