Оцінка, прогнозування та підвищення надійності обладнання штангових свердловинних насосних установок

Abstract

В першому розділі проведено аналіз умов експлуатації обладнання штангових свердловинних насосних установок та виділені основні причини відмов, такі як корозійне руйнування; деформація і злами; зношування; відкладання на робочих поверхнях обладнання різних речовин, які містяться в експлуатаційних середовищах. На основі зібраних статистичних даних по відмовах свердловинного обладнання проведено аналіз надійності свердловинних насосів, колон насосних штанг (НШ) та насосно-компресорних труб (НКТ). Отримані рівняння регресії, які дозволяють визначити ймовірність безвідмовної роботи свердловинного обладнання. Графічні та аналітичні залежності, отримані в результаті аналізу, дозволяють оцінювати можливу глибину обриву штангової колони з певною ймовірністю для штанг різного діаметра та різних діаметрів насосів. У другому розділі розглянуто світовий досвід підвищення надійності колон насосних штанг і насосно-компресорних труб. Досвід експлуатації свердловинного обладнання штангових свердловинних насосних установок (ШСНУ) показує, що надійна робота досягається при дотриманні наступних основних вимог: правильного вибору складу конструкційної сталі чи сплаву; підбір твердості матеріалу; врахування впливу середовища на механічні властивості сталі чи сплаву; термічна обробка виробів для зняття внутрішніх напружень; контроль якості виготовлення. Значний досвід у підвищенні надійності насосних штанг набули провідні компанії National Oilwell Varco, Norris Rods, Continental Emsco, Trico, Вattenfeld, Weatherford International Ltd., Sovonex, Schoeller-Bleckmann Oilfield Equipment AG. Оригінальні конструктивні рішення для підвищення надійності насосно-компресорних труб В третьому розділіприведені методики, наведено опис обладнання та зразки для випробовувань насосних штанг з полімерно-композиційних матеріалів. Випробовування проводились на статичну міцність при дії розтягуючих навантажень; на витривалість при дії циклічних навантажень; на хімічну та корозійну стійкість при дії технологічних рідин з наступним механічними випробовуваннями; на зношування в різних середовищах. Механічні випробовування зразків при статичному навантаженні проводились на розривній машині МР-50. Для випробовувань 4 використовувались склопластикові зразки для виробництва штанг діаметром 22 мм фрезеровані з двох сторін на довжину 130 мм і товщиною 15 мм та базальтопластикові зразки довжиною 100 мм з робочою частиною довжиною 40 мм та діаметром 7 мм. Для натурних випробовувань насосних штанг на витривалість при дії циклічних навантажень використовувався стенд ЗКШ-25, який здійснює консольно-поперечний згин зразків довжиною до 500 мм з частотою навантаження 16 Гц. Для імітації нафтоводяної суміші в якості корозійного середовища використовувалась нафта Північно-Долинського родовища; пластова вода; розчини соляної кислоти (5%, 10%, 15%); мінералізована пластова вода; комбінування між собою таких середовищ, як нафта Північно-Долинського родовища, В четвертому розділі розроблено математичну модель з’єднання сталевої головки з полімерним композиційним тілом насосної штанги. В основу досліджень контактних напружень циліндричної труби ‒ склопластикової штанги покладено узагальнену теорію оболонок Тимошенка С.П., яка враховує зсувну жорсткість і анізотропію фізико-механічних властивостей матеріалу. Як показують результати моделювання, цілеспрямованою зміною пружних характеристик оболонки параметра ортотропії, параметра зсувної податливості, величини зчеплення, можна 5 істотно впливати на міцність з'єднання сталевої головки з склопластиковою штангою. На основі методики розрахунків контактних напружень при взаємодії циліндричної труби-оболонки із жорсткими бандажами запропоновано ряд конструктивних рішень, які можуть бути реалізовані в з'єднанні сталевої головки з полімерним композиційним тілом насосної штанги. В п’ятому розділі розроблений якісно новий програмний комплекс діагностування свердловин, що експлуатуються ШСНУ. Комплекс складається із двох самостійних вимірювальних систем, загальними елементами яких є персональний комп’ютер і електронний блок-перетворювач сигналів з давачів. Створення сучасних мобільних вимірювальних систем контролю для діагностування параметрів ШСНУ вимагає не просто заміни колишніх аналогових давачів, приладів і систем на цифрові, але і повинно припускати істотне підвищення точності контролю 6 шляхом використання високоефективних методів, що застосовуються в передових науковоємких галузях промисловості. Для розробленого діагностичного комп’ютерного комплексу запропонований давач зусиль, що працює на розтяг.

In the first section, an analysis of the operating conditions of well sucker rod pump equipment and the main causes of failures, such as corrosion failure, are identified; deformation and fracture; wear; postponing on the working surfaces of equipment of various substances contained in the operating environment. Based on the collected statistical data on failures of well equipment, an analysis of the reliability of standardized pumps, columns of sucker rods and tubing was conducted. The regression equations, which allow determining the probability of failure-free operation of well equipment, were obtained. The graphical and analytical dependencies as a result of the analysis allow us to estimate the possible depth of the breakage of the rod column with a certain 8 probability for a rod of different diameters and different diameters of the pumps were obtained. The second section examines the world experience in improving the reliability of columns of pump rods and tubings. The experience of the operation of the well equipment of the SRPU shows that reliable work is achieved with the following basic requirements: the correct choice of structural steel or alloy composition; selection of hardness of a material; taking into account the influence of the medium on the mechanical properties of steel or alloy; thermal treatment of products for removal of internal stresses; manufacturing quality control. The leading companies in National Oilwell Varco, Norris Rods, Continental Emsco, Trico, Wattenfeld, Weatherford International Ltd., Sovonex, SchoellerBleckmann Oilfield Equipment AG have gained considerable experience in improving the reliability of the sucker rods. The original design solutions for improving the efficiency of the tubing are used by the companies Atlas Bradford, Mannesman, Valourec. In the third section,a methodology is developed; a description of equipment and samples for tests of sucker rods made of polymer-composite materials is given. Tests were conducted on static strength under the action of tensile loads; on endurance under the action of cyclic loads; to chemical and corrosion resistance 9 under the influence of technological fluids with subsequent mechanical tests; to wear in various environments. Mechanical tests of samples under static load are carried out on a discontinuous machine МР-50. For field tests of sucker rod on endurance under the action of cyclic loads, a unit ZKSH-25 is used. For tests, glass-plastic samples are used for the production of a 22 mm diameter sucker rod, milling on both sides, 130 mm in length and 15 mm in thickness, and basalt-plastic specimens in length of 100 mm with a working part in length of 40 mm and a diameter of 7 mm. To simulate the oil-and-gas mixture as a corrosive medium, the oil of the North-Dolyna deposit is used; formation water; solutions of hydrochloric acid (5%, 10%, 15%); mineralized reservoir water; combining among such environments such as oil of the North Dolyna deposit, reservoir water, hydrochloric acid solutions, mineralized reservoir water. The purpose of testing for wear is to determine the intensity of linear and mass wear when friction of steel samples and samples with PCM determine the nature of deterioration of samples from steels and PCM with dry friction and friction in corrosive and aggressive environments.In the fourth section a mathematical model of connection of a steel head with a polymer composite body of a sucker rod was developed. The basis of research on the contact stresses of a cylindrical tube - a fiberglass rod - is the generalized theory of shells of Tymoshenko, which takes into account the shear rigidity and anisotropy of the physical and mechanical properties of the material. As the results of simulation show, the purposeful change in the elastic characteristics of the shell of the parameter of orthotropy, the shear flexibility parameter, and the size of the bandage, can significantly affect the strength of the 10 connection of the steel head with a fiberglass rod. On the basis of the method of calculation of contact stresses in the interaction of a cylindrical shell-shell with rigid bandages, a number of constructive solutions are proposed that can be implemented in the connection of a steel head with a polymeric compositional body of a pump rod. Experimental studies of sucker rods made of PCM on static strength showed that the breaking strength of fiberglass plastics of ordinary strength reaches 445 MPa, an increased strength of 555 MPa. In the fifth section a qualitatively new software complex for diagnosing wells, operated by the SRPU, was developed. The complex consists of two independent measuring systems, the common elements of which are personal computer and electronic block converter of signals from the sensors. The creation of modern mobile measurement control systems to diagnose SRPU parameters requires not just the replacement of former analogue sensors, devices and systems on a digital basis, but also requires a significant increase in the accuracy of control through the use of high-performance methods used in advanced scientificintensive industries. For a developed diagnostic computer complex, a sensor for tension is proposed. For oilfield equipment, there are currently not sufficiently substantiated quantities of workpiece details between failures, as well as methodological approaches to their determination, which holds back the widespread and effective use of the system of planned repairs, leads to significant downtime of production facilities due to equipment failure. The application of the proposed method for determining the optimal use of parts and assemblies of SRPU allows for more efficient repair of equipment, counting the required number of spare parts, increasing the efficiency of the system of planned repairs, the quality of the manufacture of equipment and repair, which ultimately leads to a decrease in downtime for oil production facilities. The use of computer technology in the organization of the planning of repair works of the SRPU will enable to store in the memory of the computer data on the characteristics and parameters of the equipment, the state of the assemplies and parts; quickly and accurately calculate the work of the site or component and compare it with the limit values; to calculate the reliability parameters of SRPU and its parts; develop schedules for replacing worn assemblies and parts.