Оценка характеристик надежности системы катодной защиты обсадных колонн нефтяных скважин Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 620.193

В. Э. Ткачева, С. А. Долгих, Ф. Ш. Шакиров, Р. Ф. Тазиева, И. О. Исхакова

ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ

ОБСАДНЫХ КОЛОНН НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

Ключевые слова: обсадная колонна, катодная защита, надежность, эффективность.

Приведены данные о результатах опыта эксплуатации системы катодной защиты обсадных колонн добывающих и нагнетательных скважин различных возрастных категорий, оснащенные катодной защитой и без нее. Представлены результаты расчета эффективности катодной защиты и характеристик надежности.

Keywords: well casing, cathodicprotection, reliability, efficiency.

The operation experience data of the cathodic protection system of producing and injection oil wells with different age categories equipped by cathodic protection and without it are given. The results of calculating the efficiency of cathodic protection and reliability characteristics are presented.

Введение

Решение проблемы повышения эксплуатационной надежности обсадных колонн нефтяных скважин не в последнюю очередь связано с обеспечением противокоррозионных мероприятий на объекте. Оценить основные характеристики надежности позволяет сбор и систематизация промысловой информации об объекте в процессе эксплуатации.

Одной из причин потери герметичности обсадных колонн является протекание на ее внешней поверхности электрохимической коррозии в интервалах агрессивных горизонтов, что приводит к развитию локальных очагов повреждения и как результат - разгерметизации обсадной колонны. Комплексная защита, включающая пассивный метод -создание цементного кольца за эксплуатационной колонной и применение активного метода защиты, заключающегося в смещении электродного потенциала металла обсадной колонны в катодную область за счет внешнего источника тока, позволяет обеспечить защиту от наружной коррозии.

На начало 2017 г. охват катодной защитой добывающих скважин в ПАО «Татнефть» составил 38%, нагнетательных скважин - 28% (рис. 1).

Рис. 1 - Динамика оснащения скважин катодной защитой на территории ПАО «Татнефть» за период 2000 - 2016 гг.

Цель исследований - сбор и систематизация промысловой информации согласно установленной формы, связанной с количеством скважин, находящихся в эксплуатации, их возрастом,

количеством ремонтов и частотой отказов за период 2003-2015 гг., а также статистический анализ полученных данных, позволяющих оценить эффективность проводимых защитных

мероприятий.

Объекты исследования - добывающие и нагнетательные скважины ПАО «Татнефть» в разрезе НГДУ (Азнакаевскнефть-АзН,

Альметьевнефть-АН, Бавлынефть-БН, Джалиль-нефть-ДН, Елховнефть-ЕН, Лениногорскнефть-ЛН, Нурлатнефть-НН, Прикамнефть-ПН, Ямашнефть-ЯН). Рассмотрены скважины, оснащенные катодной защитой и без нее, с разбивкой по возрастам (лет): 0 - 5; 6 - 10; 11-15, 16-20; 21-25; 26-30; > 31.

Результаты исследования

Критерием эффективности катодной защиты является уменьшение отказов обсадных колонн скважин (рис. 2, экспериментальные данные аппроксимированы соответствующими кривыми с указанием коэффициента достоверности выбранной трендовой модели исходным данным). Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод о том, что катодная защита для нагнетательных скважин оказывает существенное влияние на скважины со сроком эксплуатации до 25 лет. Уменьшение влияния защиты для данного типа скважин старше 25 лет связано, по-видимому, с усилением влияния процессов внутренней коррозии, на которую катодная защита не влияет. Для добывающих скважин критическим возрастом по отказам оказался предел в 26-30 лет, что, скорее всего, связано со старением тампонажного камня. Как и следовало ожидать, меньше всего коррозии подвержены самые молодые скважины со сроком эксплуатации до 5 лет. Эквивалентное количество отказов этой возрастной группы скважин с катодной защитой и без нее связано с подъемом цементного кольца до устья скважины и использованием современных цементных растворов.

Обратную отказам характеристику можно оценить с помощью эффективности катодной защиты (степень защищенности, характеризующая снижение скорости коррозии обсадных труб в

результате катодной защиты) и математически определяемую как разность между удельной частотой нарушений обсадных колонн скважин без п© и с катодной защитой п3®, отнесенная к удельной частоте нарушений без катодной защиты:

т 0,020 15"

I К 0,015

н Н

л (Ш

Ур 0,0

Z =

= п(1) - Пз(1)

п(1)

0,030

т

¡8 ш

ТТ К 0,025 ¡1 О

н н

Л ш0,015

у ее

0,010 0,005

0,000

а)

- без катодной защиты

- с катодной защитой

- Линейная (без катодной защиты)

- Линейная (с катодной защитой)

у = 0,0038х -0,0001 R?= 0,8122

Возраст скважины, лет

0-5 6-10 11-15 16-20 21-25 26-30 более 31

- без катодной защиты ~ с катодной защитой

— Линейная (без катодной защиты)

— Линейная (с катодной защитой)

у = 0,0043х -0,0069 Я? = 0,9

у = 0,0026х -0,0054 Я? = 0,4

б) 0£ >* 6-10 11-15 16-20 21-25 26-30 более 31

Возраст скважины, лет

Рис. 2 - Сравнительная динамика удельной частоты нарушений добывающих (а) и нагнетательных (б) скважин в зависимости от оснащения катодной защитой за период 2003 - 2015 гг.

свидетельствуют значения коэффициента снижения отказов (4-8), определяемого как отношение удельного количества отказов без катодной защиты к удельному количеству отказов с катодной защитой. Для нагнетательных скважин значение данного показателя от 4 до 8 наблюдается в НГДУ АН, БН, АзН.

Наиболее полно надежность оборудования можно охарактеризовать вероятностью безотказной работы - вероятностью того, что в пределах заданной наработки (т.е. заданном интервале времени, соответствующем возрасту скважины) отказа не возникает, и математически определяемой отношением разности между общим количеством скважин возраста N и количеством отказов скважин п® возраста t к общему количеству скважин:

р® = "Ъп®.

N

Полученные по средним значениям, без учета крайних точек, линейные зависимости показывают, что вероятность безотказной работы снижается до 0,9 для старого фонда обоих типов скважин без катодной защиты (рис. 4). При прогнозировании данного показателя для незащищенных скважин с возрастом порядка 40 лет значение снижается на 0,1 и составляет порядка 0,8. При этом защищенные скважины сохраняют эту вероятность до 0,98 в течение всего эксплуатационного периода. При этом средняя вероятность отказов, т.е вероятность того, что в пределах заданной наработки (заданном интервале времени, соответствующем возрасту скважины) возникает хотя бы один отказ:

Q(t) = 1 - Р© =

для незащищенных скважин составляет до 0,15.

Значения эффективности для отдельно взятых НГДУ достигает 1, а среднее ее значение находится в пределах 0,5 - 0,6 (рис. 3). Для нагнетательных скважин данный показатель в среднем составляет от 0,4 до 0,5.

Рис. 3 - Эффективность технологии катодной защиты добывающих скважин различных возрастных категорий в разрезе НГДУ за период 2003-2015 гг.

Наиболее высокая эффективность катодной защиты наблюдается для добывающих скважин со сроком эксплуатации от 11 до 25 лет в отдельных НГДУ, о чем

1,02 1

0,98 | 0,96 § 0,94 £ 0,92 I 0,9 , 0,88 0,86

а)

у = -0,0004х + 1,0001 , ,

♦ доб. скв. без КЗ

Я2 = 0,4949

доб. скв. с КЗ

- Линейный (доб. скв. с КЗ)

Линейный (доб. скв. без КЗ)

у = -0,0025х + 1,0114 Я2 = 0,4788

0 10 20 30 40 Возраст скважины, лет

1,02 1

20,< •0,! 5 0,94 ! 0,92

а '

; 0,9

= 0,88 ь

0,86 0,84

у = -0,0005х + 1,0026 Я2 = 0,9167

: -0,0017х + 0,937 Я2 = 0,2251

♦ нагнскв. без КЗ

■ нагнскв. с

КЗ

-Линейный

(нагн скв. с КЗ)

-Линейный

(нагн скв. без КЗ)

0 10 20 30 40 Возраст скважины, лет

Рис. 4 - Вероятность безотказной работы добывающих и нагнетательных скважин в зависимости от их возраста и оснащения катодной защитой

0,030

0,025

0,000

0-5

у

Выводы

1. Приведены результаты сравнительной оценки удельного количества отказов обсадных колонн добывающих и нагнетательных скважин за период 2003-2015 гг. на территории ПАО «Татнефть». Показано влияние возраста скважины и оснащенности катодной защитой.

2. Представлена динамика оснащения катодной защитой скважин за период 2001-2016 гг. на территории ПАО «Татнефть».

3. Представлены результаты расчета эффективности катодной защиты и коэффициента снижения отказов на примере добывающих скважин.

4. Приведены результаты расчета характеристик надежности - вероятности безотказной работы добывающих и нагнетательных скважин.

© В. Э. Ткачева - канд. технических наук, доцент кафедры технологии электрохимических производств КНИТУ, [email protected]; С. А. Долгих - канд. технических наук, старший научный сотрудник Татарского научно-исследовательского проектного института нефти, Бугульма, [email protected]; Ф. Ш. Шакиров - заведующий лабораторией Татарского научно-исследовательского проектного института нефти, Бугульма; Р. Ф. Тазиева - канд. технических наук, доцент кафедры информатики и прикладной математики КНИТУ, И. О. Исхакова - канд. химических наук, доцент кафедры технологии электрохимических производств КНИТУ, [email protected].

© V. E. Tkacheva - phD in Technical Science, associate professor, Department of Electrochemical Engineering, KNRTU, [email protected]; S. A. Dolgih - phD in Technical Science, senior scholar, TatNIPINeft Institute, [email protected]; F. Sh. Shakirov -Head of Laboratory, TatNIPINeft Institute, Bugulma; R. F. Tazieva - phD in Technical Science, associate professor, Department of Informatics and Applied Mathematics, KNRTU, [email protected]; I O. Iskhakova - phD in Chemical Science, associate professor, Department of Electrochemical engineering, KNRTU, [email protected].