Комплекс системных решений по повышению эффективности строительства скважин за счет снижения энергоемкости

Актуальность проблемы. Поиск, обустройство и разработка месторождений полезных ископаемых могут быть обеспечены соответствующим ростом объемов проходки структурно-поискового, разведочного и эксплуатационного бурения.

В современных условиях развития газодобывающей отрасли основные особенности строительства скважин характеризуются ростом глубин бурения и перемещением больших объемов буровых работ в труднодоступные районы с неблагоприятными климатическими условиями.

Однако с увеличением глубины скважины значительно возрастает энергоемкость буровых работ. Если в 1−990 г. в себестоимости метра проходки доля топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) составляла 12 — 14% в зависимости от цели бурения, то в 2001 г. эта величина увеличилась до 28 — 30%.

С другой стороны, хронические неплатежи, инфляционные явления, опережающие темпы роста стоимости ТЭР по сравнению с другими показателями себестоимости метра проходки, а также влияние различных факторов обуславливают рост доли энергозатрат в общих инвестициях в бурение.

В то же время энергетическое хозяйство бурового предприятия представляет собой довольно сложную систему с множеством направлений расхода (технологическое, вспомогательное, производственно-бытовое) и различными видами потребляемых энергоресурсов: дизельное и котельно-печное топливо (КПТ), электрическая и тепловая энергия. Если связать эту энергосистему с относительно кратким анализом энергетических затрат в процессе строительства скважин, представленным выше, то влияние энергоемкости метра проходки на эффективность буровых работ безусловно значительно, а исследовать степень влияния и определить комплекс системных решений, направленных на рост эффективности автору необходимо в процессе работы.

Поэтому актуальность задач, решаемых в данной диссертационной работе, обосновывается в виде решений, направленных на рост эффективности строительства скважин, т. е. полным соответствием роста эффективности строительства скважин основным направлениям снижения энергоемкости буровых работ на базе стратегии научно-технического развития газовой промышленности в области бурения.

Существующие методы расчета энергетических затрат при строительстве скважин основываются на учете различных горно-геологических, технологических, технических и природно-климатических факторов, а также на обработке статистической информации по энергопотреблению в бурении, которая не в состоянии обеспечить, достаточную для практики степень точности в силу отсутствия приемлемой методики расчета и не в полной мере позволяет оптимизировать процесс бурения путем разработки мероприятий для снижения энергопотребления.

Федоровым B.C., Булатовым А. И., Аваковым В. А., Мавлютовым М Р. и другими отечественными исследователями проделана огромная работа для получения теоретических уравнений при определении энергоемкости отдельных составляющих технологического процесса. Но предлагаемая этими авторами методология расчета дает приемлемый для практики результат только для условий бурения скважин аналогичных исследуемым, разработанные ими уравнения слишком громоздки, что предопределяет возможность формирования затрат только по укрупненным характеристикам, длительное время не подвергавшимся пересмотру, вне зависимости от уровня или периода использования.

Поэтому соискателем ставится задача исследовать проблему энергоемкости процесса строительства скважин, на основе теории системного анализа, с целью принятия конкретных решений для повышения эффективности буровых работ посредством уменьшения энергетических составляющих.

Научная новизна исследования заключается в рассмотрении и разработке методологического подхода к расчету и анализу энергоемкости отдельных составляющих процесса бурения как к проблеме повышения эффективности строительства скважин путем внедрения принципиально новых методов расчета при проектировании на базе варьирования технологических и технико-экономических факторов не зависимо от типа привода буровой установки (дизельный, электрический) — обосновании энергетических требований к технологическим показателям при оптимизации режимов бурения.

Такой методический подход оптимизации энергоемкости производственного процесса используется впервые. В отличии от существующих, предлагаемая соискателем методологиярасчета энергоемкости буровых работ не связана с такими режимами силового привода как пуск, период разгона, остановка и тому подобное, а опирается на часовое потребление энергоресурса при номинальной нагрузке и количественного выражения работы при производстве технологических операций.

К научной новизне следует отнести и тот факт, когда впервые на базе положений регрессионного анализа и планируемых основных технико-экономических показателях буровых работ (коммерческая скорость и средняя глубина скважин) разрабатывается математическая модель, которая позволяет рассчитать потребность в энергетических ресурсах на перспективу и определить методологию анализа эффективности энергопотребления. На результатах анализа энергоемкости отдельных технологических операций разрабатывается комплекс решений, направленных на рост эффективности буровых работ.

Исследования проводятся в условиях неопределенности, которая рассматривает энергоемкость процесса, обусловленную совокупностью множества взаимодействующих режимных факторов количественными характеристиками массовых явлений организационно-технологического типа, что позволит установить меру, соответствующую их качественным особенностям.

В процессе работы по теме автору необходимо исследовать, обеспечить практическое применение и вынести на обсуждение следующие вопросы: оптимизация расчета потребления энергоресурсов в виде отдельных блоков энергетического паспорта бурового предприятия, характеризующих потенциальную часовую энергоемкость технологической и вспомогательной операцииэнерговооруженность бурового предприятия, степень использования энергоресурсов и потенциальные возможности совершенствования, отразив эти положения в энергетическом паспортеуравнения комплексного расчета расхода энергоресурсов, основанные на принципе «работаэквивалентна энергии" — методология расчета потребности в ТЭР на перспективу и анализа эффективности их использованияпути повышения эффективности буровых работ на основе оптимизации энергоемкости отдельных операций.

Решение задачи по разработке комплекса системных решений повышения эффективности строительства скважин, основанной на снижении энергоемкости буровых работ позволяет показать, что процесс сооружения скважины представляется многогранной иерархической системой организационно-технологического типа, в которой все производственные операции, подсистемы и их элементы связаны энергетически и информационноустановить аналитическую зависимость полезного энергетического эффекта с параметрами и характеристиками оборудованиядать расчеты зависимости, позволяющие отразить энергопотребление через интегрально необходимую энергию по операциям технологического процесса с помощью энергетических эквивалентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Подводя итоги выполненных исследований по разработке комплекса системных решений, направленных на рост эффективности строительства скважин на основе повышения энергетического критерия совершенствования процесса бурения необходимо отметить, что на современном этапе развития буровых работ в газовой промышленности, в силу объективных причин постоянно наблюдается увеличение доли энергозатрат в общих инвестициях в бурение, а показатели работы бурового предприятия напрямую зависят от степени его энерговооруженности.

В этой связи предложенная автором методика расчета отдельных составляющих энергетических затрат в соответствии с структурой энергопотребления технологического процесса, методология анализа энергопотребления направлены на возможность, роста энергетического показателя совершенства энергоемкости технологического процесса по отдельным его составляющим.

В соответствии с направлениями энергопотребления для производства технологического процесса проанализированы действующие методы расчета потребности в ТЭР при строительстве скважин. В результате анализа выявлено, что отечественными исследователями данной проблемы проделана огромная работа по определению энергоемкости операций по строительству скважин, но ряд существенных обстоятельств не позволяют осуществить практические расчеты по предлагаемым в работах /6−15 / теоретическим уравнениям.

Поэтому соискателем определены цели и задачи, решение которых позволяет восполнить имеющиеся пробелы и принять решения по разработке принципиально нового метода расчета потребности ТЭР по отдельным составляющим процесса строительства скважин, базирующегося на положение «работаэквивалентна энергии» и на этом принципе получить искомые уравнения, использованные впервые для расчета энергоемкости в бурении.

Следующий этап исследований потребовал определения целевого эффекта с различными измерителями выполняемой работы. На базе систематизации целевого эффекта по его измерителям разработаны блок-карты энергопотребления, которые отражают возможности и величину выполняемой работы буровым оборудованием при номинальной загрузке и соответствующее часовое потребление конкретного вида энергоресурса. На основе использования блок-карт сформирован энергетический паспорт бурового предприятия, характеризующего потенциальные возможности производства конкретной работы.

Исходные данные для расчета потребности в ТЭР на технологические операции определяются по техническому проекту на строительство скважин и нормативной карте на производство буровых работ. Поэтому впервые в практических расчетах появилась врзможность определения энергетических затрат под каждое долбление с дальнейшей интеграцией под конкретную спускаемую колонну и в целом по скважине.

Результаты апробации разработанных уравнений по Кубаньбургазу и Калининградморнефтегазпрому подробно представлены в Отчете о НИР /44/ и выполнены по эксплуатационному и разведочному бурению, скважины пробурены роторным и турбинным способом, станками с дизельным и электрическим приводом.

На базе обработки статистической информации автором диссертации была разработана методология потребности в ТЭР на перспективу. Теоретические формулы построены на принципе многофакторной модели в виде уравнений регрессии. Были заданы определенные условия достоверности функционирования многофакторной модели. В результате решения задачи все условия соответствовали нормативным. Ошибка аппроксимации не превышает 2,0%. Предложенные уравнения для расчета потребности в ТЭР на перспективу, в основе которых находятся планируемые ТЭП буровых работ для предприятий ОАО «Газпром» разработаны впервые.

По результатам выполненных расчетов на основе предложенной автором методологии (приложения табл. 1−30) проанализирован состав энергопотребления при различных операциях технологического процесса строительства скважин. Анализ составляющих энергопотребления в технологическом и производственно-вспомогательном направлениях расхода и показатели уравнения регрессии расчета планируемой потребности в ТЭР позволили разработать критерии энергетического совершенства технологического процесса бурения и исследовать наиболее перспективные направления снижения энергоемкости буровых работ. Данная методология анализа энергопотребления учитывает весь производственный цикл в строгом соответствии с данными технического проекта на строительство скважины и использована впервые.

На завершающем этапе исследований соискателем разработан комплекс системных решений, обеспечивающих повышение эффективности буровых работ на основе роста критерия энергетического совершенства производства и перспективных направлений снижения энергоемкости в бурении, а также систематизированы эти решения по периоду действия и требуемых инвестиций на внедрение, что нашло свое отражение в Программе энергосбережения ОАО «Газпром» на период с2001 г. по 2010 г. в бурении скважин.

Предложенный соискателем комплекс технических решений, направленных на рост эффективности буровых работ на основе снижения их энергоемкости позволяет внедрить минимальные нормативы энергопотребления в бурении и определить наиболее эффективные направления работ в условиях конкретного уровня развития технологии буровых работ.

На базе исследований разработаны и утверждены на уровне руководства ОАО «Газпром» три методики по расчету энергопотребления в бурении (соответствуют уровню РД). Экономический эффект от внедрения разработанных соискателем составил 5756,6 тыс. руб.

ПЕРЕЧЕНЬ обозначений, символов, единиц, терминов.

БПО — база производственного обслуживания.

БТ — бурильные трубы.

БУ — буровая установка.

ДВС — двигатель внутреннего сгорания.

ДЭС — дизель-электрическая станция.

ЕНВ — единые нормы времени.

КПД — коэффициент полезного действия.

КПТ — котельно-печное топливо.

ЛЭП — линия электропередачи.

НИР — научно-исследовательская работа.

НТП — научно-технический прогресс.

СПО — спуск-подъемные операции.

ТУТ — тонна условного топлива.

ТЭП — технико-экономические показатели.

ТЭР — топливно-энергетические ресурсы.

УБТ — утяжеленные бурильные трубы.

ЦА — цементировочный агрегат.

ЦСМ — цементно-смесительная машина, а — энергоемкость единицы мощности инструмента, кг м/квт ч, кг м/л.с. ч.

Др5о — объем Р-го вида работ по 5-му производственному предприятию на о-ый перспективный период, а — коэффициент, учитывающий гидравлические сопротивления в циркуляционной системе, а — коэффициент гидравлических сопротивлений для труб, затрубного пространства и замков.

Ocm — коэффициент гидравлических сопротивлений для манифольда, насадок долота и пяты турбобура Ь0 и fy и Ь2 — коэффициенты регрессии, соответственно к-го энергоресурса, (3- го вида работ по 8-му производственному предприятию.

С — коэффициент, учитывающий искривление скважины.

Д — диаметр долота д — диаметр скважины i-ro интервала бурения d — диаметр бурильных труб.

Fg — нагрузка на долото q^ - вес породы подлежащей выносу из забоя у — содержание перемещаемой породы в 1 м" промывочной жидкости Ь — высота подъема элемента колонны.

— КПД энергопотребителей блока.

— ц — КПД инструмента в i-ом интервале бурения.

— КПД системы.

Tj — КПД насоса.

Г|дн — КПД передачи в звене «двигатель-насос» тг ту- - коэффициент использования энергопотребителей.

1Ч в и^м блока соответственно по времени и мощности тг — коэффициент использования электробура по мощномэ сти в интервале бурения Кс — коэффициент страгивания колонны.

К — коэффициент уменьшения веса бурильной колонны за счет промывочной жидкости.

Кэ — коэффициент, характеризующий эффективность долота.

Кцс и Кцд — интегральные коэффициенты использования по мощности и времени соответственно цементно-смесительной машины и цементировочного агрегата Кмв и Квв коэффициенты использования стационарной ДЭС соответственно по времени и мощности К — коэффициент включения.

К — количество однотипных элементов в колонне.

L — интервал бурения.

L — длина колонны бурильных труб.

Lc — длина бурильной свечи.

L — глубина забоя в конце i-ro интервала бурения.

СК.

L — длина колонны (глубина скважины) в начале интерваН ла бурения ЬУБХ — длина УБТ.

LB — длина ведущей трубы.

L — длина наращиваемой трубы г.

LTH и Lxk «длина колонны бурильных труб соответственно в начале и в конце зоны работы турбобура LpH и LpK «Длина колонны бурильных труб соответственно в начале и в конце зоны работы ротора L^ - проектная глубина скважины.

Lcp р§ о — средняя глубина скважины, (3-го вида работ 8-го производственного предприятия на о-ый перспективный период.

LCpP8o ^ «Фактическая средняя глубина скважин, законченных бурением, (3-го вида работ по 5-му производственному предприятию за 0−2-ой отчетный период.

— масса элементов колонны.

— масса бурильной свечи шн — масса неизменяемой части инструмента, включающая долото, турбобур, УБТ, элементы талевой системы (крюко-блок, трос, штропы и др.).

ШУБТ — масса УБТ щ’убт «ма°са одного погонного метра УБТ.

Штс — масса подвижных частей талевой системы и элеватора.

N^ - установленная мощность оборудования.

Nyc и Nya «установленная мощность соответственно цементносмесительных машин и цементировочных агрегатов.

Nfl3 — установленная мощность ДЭС.

NB3 — суммарная установленная мощность вспомогательного оборудования БУ с электроприводом.

— число оборотов ротора.

N^ - количество циклов промывки п — количество долблений (рейсов подъема).

N — установленная мощность энергопотребителей блока.

NH — мощность инструмента при бурении i-ro интервала.

N3 — номинальная мощность электробура.

Рт — период давления на турбобуре.

Рпот. — потери давления в циркуляционной системе.

Q — производительность насоса.

QT — расход жидкости через турбобур д0 — удельный расход топлива на работу единицы оборудования дц — удельный расход топлива на работу цементносмесительных машин и цементировочных агрегатов доВ — удельный расход дизельного топлива ДЭС рэ — плотность материала элемента колонны рж — плотность промывочной жидкости рп — плотность породы в i-ом интервале бурения t — продолжительность работы рассматриваемого блока tg — время роторного бурения.

I — время работы турбобура, t — время циркуляции t — нормативное время выполнения энергопотребляющих операций по креплению скважины t — общее время крепления скважины в соответствии с нормативной картой t Ht — время работы соответственно цементировочного агрегата и цементировочной машины у — механическая скорость в i-ом интервале бурения j — коммерческая скорость бурения К.

— коммерческая скорость, j-ro вида работ i-ro производственного предприятия на о-ый перспективный период.

Up§ 0 2 — фактическая коммерческая скорость j-ro вида работ по i-му производственному предприятию за 0−2-ой отчетный период.

Ill.