Содержание к диссертации
Введение
1. Подход к решению надежности нефтепромыслового оборудования в морской нефтедобыче 8
1.1. Технологические особенности системы сбора и подготовки к транспорту продукции морской стационарной платформы с кустом скважин 8
1.2. Обзор литературных данных, посвященных вопросам надежности нефтепромыслового оборудования 13
1.3. Специфика проблемы надежности нефтепромыслового оборудования в условиях моря и влияние ее на проблему охраны окружающей среды 18
2. Методические основы оценки надежности нефтепромыслового оборудования .работающего в условиях моря 25
2.1. Классификация отказов и анализ работы технологического нефтепромыслового оборудования, эксплуатируемого в условиях моря 25
2.2. Выбор и обоснование показателей надежности блочного автоматизированного нефтепромыслового оборудования 34
2.3. Обоснование принятия экспоненциального закона распределения при оценке надежности блочного автоматизированного нефтепромыслового оборудования. 47
2.4. Исследование надежности блочных автоматизированных технологических установок 57
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 69
3. Исследование надежности технологического нефтепромыслового оборудования с точки зрения охраны окружающей срещы в процессе бурения и опробования морских скважин 70
3.1. Оценка надежности манифольдов противовыбросового оборудования 70
3.2. Подход к оценке надежности оборудования опробования морских нефтяных и газовых скважин 82
3.3. Разработка блока сжигания оборудования опробования морских нефтяных и газовых скважин 92
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 96
4. Надежность блочного технологического оборудования системы сбора и подготовки продукции морской кустовой платформы 97
4.1. Оценка надежности устройств автоматики
блочного технологического оборудования.. 97
4.2. Оценка надежности блочных автоматизированных установок морской кустовой платформы 109
4.3. Оценка надежности функционирования технологических систем сбора и подготовки продукции на морской кустовой платформе 117
Выводы по главе 4 135
Общие выводы и рекомеццации 136
Список литературы
- Обзор литературных данных, посвященных вопросам надежности нефтепромыслового оборудования
- Выбор и обоснование показателей надежности блочного автоматизированного нефтепромыслового оборудования
- Подход к оценке надежности оборудования опробования морских нефтяных и газовых скважин
- Оценка надежности блочных автоматизированных установок морской кустовой платформы
Введение к работе
В настоящее время интенсивные научно-исследовательские и промышленные работы по разведке и освоению нефтяных и газовых месторождений приобрели глобальный характер. Значительные зала -сы нефти и газа установлены на всех подводных окраинах матери -ков, кроме Антарктиды. Выявленные запасы нефти на шельфах мира, не считая СССР, достигли около 70 миллиардов тонн, что пример -но вдвое превышает текущие ее запасы на суше.
География распределения установленных нефтегазовых ресурсов на шельфе Мирового океана характеризуется исключительной нерав -номерностью, что отражает и генетические предпосылки продуктив -ности недр и состояние их текущей изученности. В акваториях мира в настоящее время уже обнаружено около 1000 нефтегазовых месторождений. Подавляющая их часть открыта в результате высо -кой активности работ нефтяных корпораций США, Англии, ФРГ, Франции, Норвегии и других развитых капиталистических стран. В значительном объеме эти работы проводились на шельфах других госу -дарств, нередко далеко за пределами собственных территориальных вод. В конце 70 годов из морских месторождений капиталистических и развивающихся стран извлекалось около 20% общемировой добы -чи.
По прогнозам ведущих специалистов к 1990 году уровень до -бычи нефти и газа на шельфовой зоне составит около 50%.
В Советском Союзе промышленная разработка нефтяных и газо -вых месторождений ведется только в акватории Каспийского моря. Полупромышленная эксплуатация ведется в акваториях Черного, Балтийского и Охотского морей.
В решениях ХХУІ съезда КПСС перед нефтяной и газовой промыш-
ленностью поставлены грандиозные задачи в одиннадцатой пятилетке-обеспечить в 1985 году добычу нефти (с газовым конденсатом) в объеме 620 - 645 млн. тонн, а газа 600 - 640 млрд.куб.м. Это будет осуществляться за счет открытия новых месторождений и быстрейшее введение в промышленную разработку новых нефтяных месторождений на базе широкого применения индустриальных методов строитель -ства и использования блочно-комплектного оборудования высокой за -водской готовности. Более широкими темпами будут разрабатывать -ся нефтяные и газовые месторождения континентального шельфа. Освоение нефтяных и газовых ресурсов континентального шельфа выдвинуло целый ряд сложных технических проблем. Строительство боль -шого количества морских стационарных платформ и освоение значи -тельных глубин моря привело к переходу на индустриальные методы строительства и оснащение объектов нефтегазодобычи технологичес -ким оборудованием в блочном и блочно-модульном исполнении. Одновременно проектирование систем сбора, подготовки и транспорта продукции ведется по пути создания унифицированных полностью ав -томатизированных схем.
Высокая стоимость сооружений объектов обустройства морских месторождений нефти и газа и сложность проведения монтажных и ремонтных работ делает их экономически рентабельными только при достаточно высокой их долговечности. Кроме того, при эксплуатации нефтегазодобывающих систем на морских стационарных платфор -мах очень остро встает вопрос безопасности эксплуатации и охраны окружающей среды от загрязнения нефтепродуктами.
В соответствии с вышеизложенным, возникают две сложные технические проблемы:
- не допустить попадания в акватории морей и океанов нефте -продуктов в период бурения, опробования и эксплуатации скважин;
- разработать эффективные меры очистки поверхности аквато -рии морей и океанов, если по какой-либо причине произошло загрязнение.
Данная работа посвящена решению первой проблемы. Вопросы предотвращения загрязнения акватории морей самым непосредственным образом связаны с надежностью технологического оборудования и систем. Однако в настоящее время практически отсутствуют работы по надежности морских нефтегазодобывающих систем, а специфика условий, в которых работает нефтепромысловое оборудование, такова, что ныне существующие методы расчета надежности технических систем не могут быть использованы для систем нефтегазодобычи, установленных на морских стационарных платформах. Отсутствие соот -ветствующей методики не позволяет дать объективную оценку надеж -ности морских нефтегазодобывающих систем и, следовательно,обес -печить необходимое качество их функционирования.
Обзор литературных данных, посвященных вопросам надежности нефтепромыслового оборудования
Математические методы общей теории надежности, разработанные в трудах отечественных и зарубежных авторов [3.4; 3.7; ЗЛО; ЗЛІ; 3.17; 3.30 ] нашли широкое применение в специальных иссле дованиях, посвященных конкретным областям техники.
В настоящее время основные теоретические вопросы теории надежности достаточно полно разработаны и изложены в трудах совет -ских ученых Гнеденко Б.В., Беляева Ю.К., Соловьева А.Д., Коваленко И.В., Новикова О.А., Петухова СИ., Половко A.M., Прон-никова А.С. и др. [ЗЛО; ЗЛІ; 3.21; 3.27; 3.28; 3.30; 3.31; 3.32J .
Из зарубежных ученых следует отметить работы Барлоу Р., Про-шана Ф., Калабро СР., Базовского Н.В., Кокс Д., Смит В., Коф-мана А., Крюон Р., Капура К., Ламберсона Л. и др. [3.5; 3.7; 3.17; 3.18; 3.21; 3.23; 3.24].
Определенное место среди этих работ занимают труды по надежности нефтепромыслового оборудования, используемого при буре -нии, добыче, сборе, подготовке и транспорте нефти и газа.
Вопросы надежности бурового оборудования нашли отражение в трудах Бабаева С.Г., Васильева Ю.А., Замковца В.Ф. и др. [3.3; 3.4; 4.55] .
Бабаев СГ. [ 3.3 ] исследовал надежность отдельных узлов буровых установок, а также физическую природу отказов деталей и узлов, разработал методику оценки эксплуатационной надежности бурового оборудования и методические указания по применению профилактического обслуживания и назначению наивыгоднейших сроков быстроизнашивающихся деталей.
В работе [ 3.4 3 Бабаева СГ. и Васильева Ю.А. проведен статический анализ отказов буровых установок в процессе бурения,по -лучены количественные оценки показателей надежности буровых механизмов в зависимости от глубины бурения. Разработаны методы оптимизации надежности основных узлов бурового оборудования.
Исследованиям надежности отдельных агрегатов нефтепромысло вого оборудования посвящены работы и других авторов /3.2; 4.87J . В [4.87J на основе системно-структурного подхода разработаны аналитические методы оценки надежности бурового насосного агрегата, отражающие специфику условий бурения. В 3.2 рассмотрены вопросы технологической надежности нефтепромысловых насосов. Описан механизм действия и изнашивания эластичных уплотнений, исследовано влияние конструкции, материала, условий работы на изнашивание уплотнений. Даются рекомендации по повышению надеж -ности насосных агрегатов путем выравнивания давления.
Значительное количество работ в отечественной литературе посвящено вопросам надежности и оптимизации систем добычи и транспорта нефти и газа.
В работах [3.24; 4.82] сделан статистический анализ надежности элементов систем газоснабжения, и разработаны методы автоматического учета отказов и простоев оборудования, с целью оп -ределения параметров потоков отказов нефтепромыслового оборудо -вания. Методам расчета надежности систем добычи газа посвящены работы Вольского Э.Л., Гарбера Г.Е., Гарляускаса А.И., Герчи-кова СВ., Журавлева И.Г., Леонтьева И.А. и др. [3.9; 4.29; 4.30; 4.35; 4.38; 4.50; 4.53; 4.56; 4.57; 4.59; 4.62 ] . В этих работах обоснован подход к оценке надежности промыслов и систем газоснабжения газодобывающего района, включающих объекты добычи, сбора и хранения продукции. Разработаны математические методы оценки надежности с учетом особенностей месторождений, дебита скважин и состава газа.
Исследованиям надежности транспортных систем нефти и газа посвящены работы Акоева Е.П., Александрова А.Б., Галиулина Э.Т., Гумерова Л.Г., Левенцова А.Н., Расщепкина К.Е., Ясина Э.М. [3.33; 4.2; 4.3; 4.4; 4.5; 4.6; 4.7; 4.8; 4.9; 4.10; 4.II; 4.31; 4.32; 4.33; 4.67; 4.68 ] . Основная направленность этих исследо -ваний распространяется на нефтегазоперекачивающие станции и магистральные нефтегазопроводы.
Строительство у нас в стране значительного количества даль -них и сверхдальних магистральных нефте- и газопроводов привлекло внимание специалистов к проблеме обеспечения надежности функционирования нефте- и газотранспортных систем. Надежность газоперекачивающих агрегатов, а также насосных и компрессорных станций рассматривается в работах [4.2; 4.3; 4.4; 4.5; 4.6; 4.79 ]. В работах [ 3.33; 4.8; 4.II; 4.31; 4.34; 4.59; 4.61; 4.65; 4.66] освещены вопросы надежной эксплуатации магистральных трубопроводов. При решении данной проблемы особое внимание уделено разработке и выбору номенклатуры нормируемых показателей надежности. В рабо -тах [4.23; 4.26; 4.41; 4.64; 4.66 ] сформулирован подход к норми -рованию показателей надежности, и разработаны методы выбора показателей надежности и их нормирования для различных элементов магистральных нефтепроводов. Сделаны попытки оценки экономического ущерба, вызываемого повреждениями и отказами оборудования магистральных нефтепроводов [4.15; 4.62; 4.68; 4.69 ], разработаны методы построения технико-экономических характеристик систем добычи и транспорта газа [ 4.7; 4,8; 4.32; 4.38 3. Все эти работы позволили перейти к решению различных задач по оптимизации надежности объектов добычи, подготовки и транспорта нефти и газа и в целом систем газоснабжения.
Выбор и обоснование показателей надежности блочного автоматизированного нефтепромыслового оборудования
Для оценки надежности нефтепромыслового оборудования, ра -ботающего в специфических условиях моря, возникает необходимость введения новых показателей надежности, отражающих эту специфи -ку. Многие элементы морской кустовой платформы, участвующие в процессе бурения, опробования и добычи продукции (манифольды противовыбросового оборудования, средства автоматизации, запор -ные устройства) относятся к типу технических устройств, которые работают только в определенных ситуациях, находясь все осталь -ное время в режиме ожидания. Поэтому применительно к таким устройствам используется понятие не отказа вообще, а отказа в срабатывании. Под отказом в срабатывании понимается событие, состоящее в невозможности выполнения устройством технологических функций при возникновении необходимости в их выполнении.
Математическая модель работы таких устройств представляет собой схему Бернулли, т.е. последовательность взаимно независимых испытаний, когда в каждом испытании вероятность наступления некоторого события ос (срабатывания устройства) равна независимо от номера и количества испытаний.
Надежность работы таких устройств наилучшим образом характеризуют такие показатели как готовность срабатывания и среднее число срабатываний. Последний хорошо отражает уровень надежно -сти запорного устройства, но может быть определен только в ла -бораторных условиях. Учитывая то обстоятельство, что отказы ра -бочих элементов системы СПП являются сравнительно редкими и даже один случай отказа в срабатывании запорного устройства может привести к весьма значительному загрязнению окружающего пространства, готовность срабатывания оценивается как вероятность отсут-ствия отказа в срабатывании запорного устройства при возникновении необходимости в таком срабатывании. Принимая вероятность р. ( ос ) неизменной (не зависящей от предшествующего числа отказов элементов), получим
Пуи. - интенсивность потока отказов в срабатывании запорных устройств в режиме ожидания; р. и - вероятность отсутствия отказа в срабатывании запорного устройства в момент срабатывания. На стадии нормальной работы устройства, т.е. при отсутствии признаков износа и старения, параметр Ь $. у. принимаем незави -еимым от интервала времени, т.е. потоки событий рассматриваем как стационарные пуассоновские (простейшие). Вероятность Р .у. принимаем независимой от количества отказов элементов системы СПП.
Готовность срабатывания Р. ( х ) определяется согласно выражению HV 9Л где Р\(t)ctt - вероятность того, что в интервале (0, t ) отсут ствуют отказы элементов системы СПП, ав интервале ( "t ; i+ л-і ) произошел такой отказ. Учитывая, что отказы элементов системы СПП представляют простейший поток и вероятность попадания отказа в элементарный интервал равна ЛэлсИ , получаем
Среднее число срабатываний запорных устройств ЛГср есть математическое ожидание порядкового номера того отказа элемента системы СПП, при котором наступает отказ в срабатывании запор -ного устройства, если при всех предыдущих отказах элементов системы устройство срабатывало.
Этот показатель носит несколько условный характер в связи с тем, что количество имеющих место на практике отказов какого-либо элемента системы СПП значительно ниже ресурса на срабатывание запорного устройства, защищающего этот элемент, но сам по себе этот показатель хорошо характеризует уровень надежности техни -ческого устройства дискретного действия, каким является запор -ное устройство. Среднее число срабатываний Жср определяется как отношение числа отказов п элементов системы СПП и матема -тическому ожиданию числа отказов запорных устройств при п отказах элементов системы. Последнее согласно формуле Бернулли составляет [ і - Р (ос) ] и. .
Подход к оценке надежности оборудования опробования морских нефтяных и газовых скважин
Все способы повышения надежности оборудования принципиально могут быть сведены к следующим основным: - уменьшение интенсивности отказов оборудования; - резервирование и ускорение ликвидации последствий отка -зов оборудования; - уменьшение среднего времени восстановления; - сокращение времени непрерывной работы; - обязательное выполнение технического обслуживания оборудования по завершении каждого цикла опробования.
Уменьшение интенсивности отказов оборудования достигается использованием наиболее надежных деталей узлов, их стандарти -задней и унификацией, а также рациональной организацией меро -приятия в условиях эксплуатации.
Все оборудование опробования морских скважин является восстанавливаемым и требует проведения периодического техничес -кого обслуживания восстанавливаемых работ во время эксплуата -ции.
Под восстановительной работой понимается единовременное воздействие на техническую систему, целью которого является либо определение состояния системы и ликвидация отказа (внеплановое обслуживание), либо улучшение характеристик безотказно -сти (профилактическое обслуживание). Восстановительная работа считается завершенной, если система приведена в определенное состояние, зависящее от характера восстановления.
Профилактическое обслуживание проводится в первую очередь, для механизмов с быстроизнашивающимися деталями таких, как на сосы, компрессоры, а также устройств автоматики.
Особое внимание следует обращать на подготовку оборудова -нин опробования скважин к работе в зимнее время, для чего следует провести профилактическое обслуживание дозирования химреагентов (ЕДХ) и устьевого нагрева (БУЮ.
Резервирование как средство повышения надежности функцио -нирования комплекса опробования морских нефтяных и газовых скважин может быть реализовано при наличии резервного технологического оборудования и достаточно эффективной работе устройств и систем автоматизации.
С целью повышения уровня защищенности окружающей среды от загрязнения предусматривается установка двух горелочных устройств (для различных направлений ветров) и двух емкостей, выполняющих кроме своего основного назначения еще и функцию резерва технологического оборудования (насосов для перекачки жидкости,коллекторов и т.д.).
В случае отказа любого из вышеупомянутых элементов системы, подача продукции осуществляется в емкости. Причем суммарный объем емкостей должен быть таков, чтобы при максимальной производительности скважины емкость могла обеспечивать прием продукции в течение времени, необходимого для замены или ремонта отказавшего оборудования.
Особые требования по надежности предъявляются к устрой -ствам автоматики и управляемым ими запорным устройствам, предназначенным для ускорения процесса ликвидации аварии и устра -нения последствий отказов технического оборудования.
В комплексе опробования скважин на устройства автоматики возлагаются следующие задачи: - обеспечение безопасности эксплуатации оборудования; - отключение отказавшего элемента и включение резервного элемента в работу; - охрана окружающей среды от загрязнения нефтепродуктами.
Учитывая то обстоятельство, что устройства автоматики и управляемые ими запорные устройства не обладают абсолютной надежностью, следует предусмотреть систему телесигнализации для извещения дежурного персонала о всех случаях отказов и неправильной работы устройств автоматики с целью принятия им срочных мер по ликвидации аварии.
Сокращение времени непрерывной работы оборудования более рациональной его эксплуатацией и за счет своевременного обслуживания способствует поддержанию его в исправном и работоспо -собном состоянии в течение длительного времени. Это обстоя -тельство особенно важно для оборудования с быстроизнашивающимися деталями (перекачивающие насосы, компрессоры и т.д.). Ус -танавливая агрегаты большой мощности и производительности, можно достигнуть уменьшения времени нахождения их в работе.
Время пребывания оборудования опробования скважин в непрерывной работе может быть сокращено и путем проведения органи -зационных мероприятий.
Использование технологического оборудования точно по назначению и четкое проведение работ по опробованию и освоению морских разведочных скважин обеспечивает эксплуатацию этого оборудования в оптимальном режиме и способствует повышению его долговечности. Оценка надежности комплекса оборудования опро -бования осуществляется по аналогии с оценкой надежности систем сбора и подготовки продукции на морской кустовой платформе.
Оценка надежности блочных автоматизированных установок морской кустовой платформы
Морская кустовая платформа (МКП) представляет собой техническую систему, укомплектованную технологическими установками, выполненными в виде унифицированных блоков. Ниже дана краткая характеристика основных технологических блоков, установленных на МКП, а также дано описание отказов, приводящих к загрязне -нию окружающей среды.
I. Блок фонтанной арматуры. Предназначен для герметизации устья, а также контроля и регулирования режима эксплуатации фонтанирующих нефтяных и газовых, а также газоконденсатних скважин. Основными узлами фонтанной арматуры являются трубная головка и елка. Нарушение герметичности фонтанной арматуры,вы -званное отказами запорных устройств или фланцевых соединений труб, может привести к выбросу продукции, причем интенсивность выброса будет зависеть от характера отказа и пластового давления. В самых тяжелых случаях возможны выбросы значительных количеств продукции в окружающую среду.
2. Блок устьевого манифольда. Предназначен для обвязки арматуры с трубопроводом, подающим продукцию скважины на замерную установку. Выброс продукции может наступить в результате нару -шения герметичности соединений. Кроме того, возможны такие отказы запорных устройств, при которых задвижки в закрытом состоянии перекрывают проходящие через них потоки продукции не полностью, в результате чего возможна утечка продукции в количествах, составляющих (5 10) % общей производительности скважины.
3. Технологический блок. Предназначен для разрядки скважин, продувки подводных трубопроводов, разрядки газосепараторов, может также служить для замера продукции скважин. Блок состоит из стандартного газосепаратора, сборной емкости и насоса. Продук -ция скважин поступает в газосепаратор, где происходит отделение газа от жидкости. Газ после замера направляется на стояк или в сборную емкость. Разрядка выкидных линий осуществляется непо -средственно в емкость. Газ низкого давления подается на сжига -ние, а жидкость на прием насоса - для подачи ее в нефтяной коллектор. Кроме того, прием насоса может быть подключен к емко -сти для сбора промстоков с целью откачки скопившейся в ней жид -кости. Для предотвращения разлива нефтепродуктов в море под рамой сооружается поддон с выводом стекающей жидкости в блок промстоков. Выброс продукции в окружающую среду может быть вызван: а) отказом регулятора уровня сепаратора, вызывающим пере -полнение сепаратора и выброс газа в атмосферу вследствие сраба -тывания предохранительного клапана; б) отказом площадочных коллекторов и выбросом нефтепродук тов; в) отказом сигнализатора уровня и переполнением сборной ем кости, приводящим к выбросу продукции; г) отказом насоса, осуществляющего откачку жидкости из сбор ной емкости, вследствие переполнения последней.
4. Блок топлива и метанола. Предназначен для приема и хра нения метанола и дизельного топлива, а также для дозировки и впрыскивания метанола в газопровод. Устанавливается на газокон денсатных платформах, где образуются твердые гидратообразования.
Блок состоит из 2-х горизонтальных емкостей, четырех дозировоч ных насосов (3-х рабочих и одного резервного), общей рамы-пье дестала, запорно-регулирующей арматуры, обвязочных трубопрово дов. Блок метанола является весьма ответственным блоком, от на дежности которого существенно зависит нормальное функционирование почти всех остальных блоков МКП, особенно в зимний период экс плуатации. Прекращение подачи метанола приводит к образованию гидратов в трубопроводах, что ухудшает их проходимость и может привести к разрыву коммуникаций и выбросу продукции в окружаю щее пространство..Выброс нефтепродуктов возможен в случае: а) выхода из строя приборов, контролирующих подачу насоса ми реагента; б) выхода из строя устройств, обеспечивающих дозировку реа гента; в) выхода из строя электропривода насосов или самих насосов, осуществляющих подачу реагента.
