CC BY
39
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie. ru/ Том 7, №3 (2015) http://naukovedenie.ru/index.php?p=vol7-3 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/80TVN315.pdf DOI: 10.15862/80TVN315 (http://dx.doi.org/10.15862/80TVN315)
УДК 681.5.015
Пяльченков Дмитрий Владимирович
ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»
Россия, г. Тюмень1 Доцент кафедры «Бизнес-информатика и математика»
Кандидат технических наук E-mail: pyalchenkov@bk.ru РИНЦ: http ://elibrary.ru/author profile.asp?id=417528
Исследование влияния выбора критерия надежности на результаты моделирования оптимальной системы резервирования элементов скважинного оборудования
1 625000, г. Тюмень, ул. Вододарского, д. 38, к. 147
Аннотация. В работе рассматривается влияние, которое оказывает выбор показателя вероятности безотказной работы в качестве основного параметра, определяющего надежность насосной скважинной установки, на систему резервирования отдельных ее элементов для оптимизации системы обслуживания и ремонта. В качестве исходного материала для проведения исследований были использованы данные о законах распределения отказов, фактической наработки на отказ и основных причинах отказов скважинного насосного оборудования добывающих скважин Тарасовского месторождения компании Роснефть-Пурнефтегаз. В результате моделирования показателей резервирования отдельных элементов штанговых глубинных и электроцентробежных насосных установок были получены результаты, которые могут быть использованы для оптимизации системы обслуживания и ремонта добывающих скважин месторождения.
Применение критерия вероятности безотказной работы в качестве основного показало, что независимо от применяемых методов решения поставленной задачи оптимизации наиболее надежными и менее дорогостоящими в обслуживании будут скважины, оборудованные штанговыми глубинными насосами.
Таким образом, основным результатом исследования были полученные количественные значения необходимых резервных элементов насосных установок при заданных оптимальных значениях вероятности безотказной работы. При применении модели, предлагаемой в исследовании, для практического применения на предприятии реального сектора экономики, возможно проведение расчетов при установлении других требований к оптимальному значению вероятности безотказной работы.
Ключевые слова: вероятность безотказной работы; скважинное насосное оборудование; надежность насосных установок; моделирование резервных элементов; закон распределения отказов; оптимизация системы технического обслуживания; электроцентробежные глубинные насосы; штанговые насосные установки.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Пяльченков Д.В. Исследование влияния выбора критерия надежности на результаты моделирования оптимальной системы резервирования элементов скважинного оборудования // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №2 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/80TVN315.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/80ГУТО15
Том 7, №3 (май - июнь 2015)
publishing@naukovedenie.ru
На современном этапе развития нефтяной отрасли большинство крупных месторождений вступили на позднюю стадию разработки, которая характеризуется падением объемов добычи нефти, увеличением обводненности добываемой продукции, старением эксплуатационного фонда скважин и т.д. В связи с тем, что в настоящее время ввод новых месторождений не обеспечивает существенный прирост объемов добычи, а применяемые физико-химические методы интенсификации позволяют только стабилизировать объемы добычи нефти, то основным способом решения проблемы увеличения объема добычи является ввод скважин в эксплуатацию из числа простаивающего фонда [1].
Для стабилизации добычи углеводородного сырья необходим большой объем геолого-технических мероприятий. Эти мероприятия проводятся при эксплуатации добывающих скважин в условиях, осложненных процессами отложения солей, парафина, кустования наклонно-направленных скважин, повышения депрессии на пласт и т.д. При эксплуатации усиливаются коррозийные процессы в связи с появлением в продукции скважин сероводорода и увеличением обводненности добываемой продукции, что диктует необходимость принятия срочных мер по повышению коррозийной стойкости и прочности подземного оборудования. Для поддержания добывающего фонда скважин в работоспособном состоянии требуются значительные материальные и трудовые ресурсы. Все это создает проблему оценки эффективности применяемых систем технического обслуживания и ремонта (ТОР), которую следует решать способом технического перевооружения нефтегазовой отрасли на основе внедрения более совершенной техники и технологии добычи нефти и газа. А это связано с настоятельной необходимостью обеспечить их эксплуатационную надежность, которая является функцией факторов производственно-технического и эксплуатационного характера [2,3]. Состав каждой из групп факторов, их влияние на значение характеристик ремонтопригодности определяются назначением и конструктивными особенностями нефтегазопромыслового оборудования, условиями его эксплуатации, технического обслуживания и ремонта.
Одной из основных задач, решаемых в процессе эксплуатации систем, является задача обеспечения их надежной работы. Острота этой проблемы обусловлена сложностью технических устройств и высокими значениями эксплуатационных нагрузок. Поэтому под надежностью следует понимать свойство технических устройств выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки в определенных условиях эксплуатации [1,4].
На практике в числе других показателей надежности принято оперировать средней величиной межремонтного периода (МРП) независимо от вида подземного ремонта. Такой подход к оценке деятельности промыслов совершенно не верен. Понятие МРП в нормативно-технической документации, регламентирующей проведение ремонтных работ, как правило отсутствует. Его аналогом для скважин является средняя наработка на текущий ремонт, которая характеризует наработку скважины, приходящуюся в среднем на один текущий ремонт в рассматриваемом интервале суммарной наработки [3,5,7].
Особенностью этих задач является то, что показатель надежности системы выражается в виде произведения соответствующих показателей надежности отдельных участков системы:
где R(x1,...,xm) - показатель надежности системы при условии, что на 1 -м участке имеется х1 резервных элементов, ..., на m-ом участке - m резервных элементов, Ri(xi) -
т
показатель надежности 1-го участка системы при условии, что на нем находится xi резервных элементов (1=1, 2, ..., m).
Обычно в задачах оптимального резервирования предполагается, что «вес» системы в целом W(xi, ..., xm) определяем как
m
W (Xm ) = (X ) ,
i=1
где Wi(xi) - «вес» 1-го элемента системы при условии, что на нем имеется xi резервных элементов [8].
Сам «вес» i-го компонента системы определяем как
W (х ) = w x
i V i S i i 1
где wi - «вес» одного резервного элемента, используемого на i-м участке системы.
При наличии одного ограничивающего фактора возможна постановка двух задач оптимального резервирования.
Первая задача - путем раздельного резервирования системы, состоящей из m участков, добиться, чтобы показатель надежности был не менее заданного Ro при минимальном «весе» системы в целом.
Эту задачу можно записать в виде:
найти minW(X,..., Xm) при условии, что R(X ?•••? Xm ) > R .
Вторая задача - путем раздельного резервирования системы, состоящей из m участков, добиться, чтобы при максимально возможном показателе системы R «вес» этой системы не превышал заданного значения Wo.
Данная задача решалась по методике с использованием модифицированного метода динамического программирования [6,9].
Исходными данными для расчетов были законы распределения для установок штанговых скважинных насосов (ШСН) и электроцентробежных насосов (ЭЦН) Тарасовского месторождения компании «Роснефть-Пурнефтегаз» [2,3,5,7].
По результатам расчетов были построены графические зависимости, приведенные на рис. 1-8 для установок ЭЦН и на рис. 9-16 для установок ШСН.
Рис. 1. Зависимость количества запасных комплектов компенсатора
от заданной ВБР (ЭЦН)
Рис. 2. Зависимость количества запасных комплектов штепсельных разъемов
от заданной ВБР (ЭЦН)
Рис. 3. Зависимость количества запасных комплектов гидрозащиты
от заданной ВБР (ЭЦН)
Рис. 4. Зависимость количества запасных комплектов рабочих колес
от заданной ВБР (ЭЦН)
Рис. 5. Зависимость количества запасных комплектов компенсатора
от "веса" системы (ЭЦН)
Рис. 6. Зависимость количества запасных комплектов штепсельных разъемов
от "веса" системы (ЭЦН)
Рис. 7. Зависимость количества запасных комплектов гидрозащиты
от "веса" системы (ЭЦН)
Том 7, №3 (май - июнь 2015)
publishing@naukovedenie.ru
3 -
3
2 -
О
1500
1750
2000
2250
Рис. 8. Зависимость количества запасных комплектов рабочих колес
от "веса" системы (ЭЦН)
На рис. 1-4 приведены графические зависимости для расчетов задачи оптимального резервирования для достижения определенного показателя надежности нефтяного оборудования, за который была принята вероятность безотказной работы. В качестве исходных ограничений была взята ВБР от 0,8 до 0,95 и максимальный «вес» системы 2500 у.е. Как видно из графиков, наиболее надежным элементом в установке являются рабочие колеса, которых требуется от 1 до 3 комплектов для достижения ВБР от 0,8 до 0,95. Самым ненадежным элементом, согласно расчетам, будет штепсельный разъем, запасных комплектов которого требуется от 3 до 5. За ним идут компенсатор, которого требуется от 3 до 4 комплектов, и гидрозащита, которой требуется от 2 до 4 комплектов. Исходя из этих данных можно сделать некоторые выводы о том, что предприятию следует придерживаться стратегии достижения ВБР в пределах от 0,8 до 0,9, так как при изменении ее от 0,8 до 0,95 количество запасных комплектов некоторых узлов может изменяться на 2. Например, при Р(1;)=0,8 и 0,95 количество запасных комплектов штепсельных разъемов составит 3 и 5, а комплектов гидрозащиты 2 и 4. Создание больших запасов может негативно сказаться на затратах и поглотить всю прибыль от более длительной эксплуатации [2,3,7].
Во второй группе рисунков (5-8) приведены результаты, полученные при решении задачи по второму методу - методу ограничения «веса» системы. Под «весом» системы была принята стоимость всей установки в целом, а под «весом» элемента - его стоимость. Минимальная величина ВБР - 0,7. Как видно из полученных зависимостей, наиболее надежным элементом в системе по этой методике является гидрозащита, при любом допустимом «весе» системы ее требуется 1 запасной комплект. За ней идут штепсельный разъем и рабочие колеса их необходимо от 1 до 3 комплектов при изменении «веса» от 1500 до 2250. Самым ненадежным элементом в системе, согласно данному методу, является компенсатор - его требуется также от 1 до 3 комплектов, но в отличие от предыдущих элементов при W=1750 показатель составит 2 единицы.
Ниже приведены аналогичные зависимости, полученные для установок ШСН.
2 --
О
1 ^^
1 1
-■—
0,3 0,35 0,4 0,45
P(t)
Рис. 9. Зависимость количества запасных комплектов седла клапана
от заданной ВБР (ШСН)
Рис. 10. Зависимость количества запасных комплектов шарика от заданной ВБР (ШСН)
т 3
2 --
0
2 2
1
1 I--
0,3 0,35 0,4 0,45
P(t)
Рис. 11. Зависимость количества запасных комплектов клапана-отсекателя
от заданной ВБР (ШСН)
Рис. 12. Зависимость количества запасных комплектов плунжерной пары
от заданной ВБР (ШСН)
Рис. 13. Зависимость количества запасных комплектов седла клапана от максимального "веса" системы (ШСН)
Рис. 14. Зависимость количества запасных комплектов шарика от максимального "веса" системы (ШСН)
Рис. 15. Зависимость количества запасных комплектов клапана-отсекателя от максимального "веса" системы (ШСН)
Рис. 16. Зависимость количества запасных комплектов плунжерной пары от максимального "веса" системы (ШСН)
Как видно из графиков, наиболее надежным элементом установки по первому методу является плунжерная пара - ее требуется от 1 до 2 комплектов для обеспечения требуемого уровня ВБР, а самым ненадежным - седло клапана, которого требуется от 2 до 4 запасных комплектов. Самым оптимальным уровнем ВБР можно считать ее значение 0,85, так как при нем количество запасных комплектов седла клапана, шарика и клапана-отсекателя составит 2, а плунжерной пары - 1. При величине Р(1;)=0,9 происходит рост числа требуемых запасных комплектов для всех элементов кроме шарика.
Рассматривая результаты расчетов по второй модели, можно сказать, что наиболее надежной также будет плунжерная пара, а самой ненадежной частью установки - седло клапана. Различия с результатами первого метода лишь в количественных показателях, уровень которых ниже во втором методе, а общие тенденции останутся те же.
Сравнивая результаты расчетов по обеим моделям, можно сделать вывод - установки ШСН обладают большей долговечностью, чем установки ЭЦН. Во-первых, уровень оптимальной ВБР для ШСН составит 0,85, а для ЭЦН - 0,8. Во-вторых, в установках ШСН не
было выявлено ни одного компонента, резервных комплектов которого требуется больше чем 4, тогда как в установках ЭЦН штепсельных разъемов необходимо 5.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рациональная разработка нефтяных месторождений [Текст] / Лысенко В.Д., Грайфер В.И. М.: Недра -Бизнесцентр. 2005. 607 с.
2. Методы обеспечения надежности эксплуатации скважинного оборудования [Текст] / Р.Я. Кучумов, В.А. Пяльченков, Д.В. Пяльченков; ТюмГНГУ. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. - 148 с.
3. Организация ремонтных работ на скважинах в осложненных условиях разработки нефтяных месторождений [Текст] / Р.Я. Кучумов, В.А. Пяльченков, Р.Р. Кучумов; ТюмГНГУ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. - 154 с.
4. Пяльченков Д.В. Моделирование показателей надежности нефтяных насосных установок с применением резервирования // Интернет-журнал «Науковедение». 2013. №5(18) [Электронный ресурс].-М. 2013. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/59tvn513.pdf, свободный - Загл. с экрана.
5. Пяльченков В.А. Исследование распределения нагрузки между подшипниками опоры шарошечного долота с использованием фотоупругой модели // Известия вузов. Нефть и газ. - 2014. - №1. - С. 57-61.
6. Пяльченков В.А. Методы исследования нагруженности вооружения и подшипников опоры шарошечных долот // Известия вузов. Нефть и газ. - 2015, №1, - С. 88-95.
7. Пяльченков Д.В., Пяльченков В.А., Кучумов Р.Я. Упрощенный алгоритм задачи численного моделирования показателей надежности скважинного оборудования по схеме "гибели и размножения" // Известия вузов. Нефть и газ.- 2005, №3, - С. 50-55.
Рецензент: Медведев Андрей Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техносферная безопасность», ТюмГНГУ.
Pyalchenkov Dmitry Vladimirovich
Federal State Government-financed Educational High Professional Institution
«Tyumen State Oil and Gas University» Russian Federation, Tyumen E-mail: d_v_pial@tsogu.ru
Investigation of the effect the choice criterion reliability of the results of modeling the optimal backup system elements
downhole equipment
Abstract. This paper considers the impact that the choice for the probability of failure-free operation as the main parameter determining the reliability of a pumping well installation, a system backup of its individual elements to optimize the system maintenance and repair. The starting material for research used data about the laws of distribution of refusals, the actual time between failures and the root causes of failures of downhole pumping equipment production wells Tarasovskoye field Rosneft-Purneftegaz. The simulation parameters backup individual elements of electric and sucker rod pumping units were obtained the results that can be used to optimize the system maintenance and repair of wells field.
Application of the criterion of the probability of failure-free operation as the primary showed that, regardless of the methods used to solve this problem of optimization of the most reliable and less expensive to maintain are well equipped with sucker rod pumps.
Thus, the main result of the study were obtained quantitative values required elements of reserve pumping systems for given values of the optimal probability of failure-free operation. In applying the model proposed in the study for practical application in the real sector of the economy, possible to carry out calculations for establishing other requirements for the optimal value of probability of failure-free operation.
Keywords: the probability of failure-free operation; downhole pumps; pumping systems reliability; modeling of reserve elements; the distribution law of failures; optimization of maintenance of electric submersible pumps; sucker-rod pumping units.
REFERENCES
1. Ratsional'naya razrabotka neftyanykh mestorozhdeniy [Tekst] / Lysenko V.D., Grayfer V.I. M.: Nedra -Biznestsentr. 2005. 607 s.
2. Metody obespecheniya nadezhnosti ekspluatatsii skvazhinnogo oborudovaniya [Tekst] / R.Ya. Kuchumov, V.A. Pyal'chenkov, D.V. Pyal'chenkov; TyumGNGU. -Tyumen': TyumGNGU, 2005. - 148 s.
3. Organizatsiya remontnykh rabot na skvazhinakh v oslozhnennykh usloviyakh razrabotki neftyanykh mestorozhdeniy [Tekst] / R.Ya. Kuchumov, V.A. Pyal'chenkov, R.R. Kuchumov; TyumGNGU. - Tyumen': TyumGNGU, 2004. - 154 s.
4. Pyal'chenkov D.V. Modelirovanie pokazateley nadezhnosti neftyanykh nasosnykh ustanovok s primeneniem rezervirovaniya // Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2013. №5(18) [Elektronnyy resurs].-M. 2013. - Rezhim dostupa: http://naukovedenie.ru/PDF/59tvn513.pdf, svobodnyy - Zagl. s ekrana.
5. Pyal'chenkov V.A. Issledovanie raspredeleniya nagruzki mezhdu podshipnikami opory sharoshechnogo dolota s ispol'zovaniem fotouprugoy modeli // Izvestiya vuzov. Neft' i gaz. - 2014. - №1. - S. 57-61.
6. Pyal'chenkov V.A. Metody issledovaniya nagruzhennosti vooruzheniya i podshipnikov opory sharoshechnykh dolot // Izvestiya vuzov. Neft' i gaz. - 2015, №1, - S. 88-95.
7. Pyal'chenkov D.V., Pyal'chenkov V.A., Kuchumov R.Ya. Uproshchennyy algoritm zadachi chislennogo modelirovaniya pokazateley nadezhnosti skvazhinnogo oborudovaniya po skheme "gibeli i razmnozheniya" // Izvestiya vuzov. Neft' i gaz.-2005, №3, - S. 50-55.
