Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ причин снижения фонтанной безопасности процесса бурения и освоения скважин вследствие выхода из строя герметизирующих элементов противовыбросового оборудования 12
1.1. Исследование некоторых геологических, технологических и технических факторов, обусловливающих фонтаноопасность при бурении, освоении и капитальном ремонте скважин 15
1.2. Основные требования к плашечным и кольцевым превенторам для обеспечения фонтанной безопасности в различных геолого-технических условиях 19
1.3. Определение параметров работоспособности и долговечности противовыбросового оборудования и методы их оценки 27
1.4. Анализ причин выхода из строя герметизирующих элементов плашечных и кольцевых превенторов 39
1.5. Цели и задачи исследования 50
2. Экспериментальные исследования технического состояния герметизирующих элементов плашечных и кольцевых превенторов с целью оценки и прогнозирования их работоспособности и долговечности 54
2.1. Разработка конструкции стенда для экспериментальных исследований работоспособности и долговечности герметизирующих элементов плашечных и кольцевых превенторов 57
2.2. Разработка комплексной программы и методики проведения экспериментальных исследований работоспособности и долговечности герметизирующих элементов плашечных и кольцевых превенторов 171
2.3. Прогнозирование работоспособности и долговечности герметизирующих элементов плашечных и кольцевых превенторов на основе результатов экспериментальных исследований 188
3. Теоретические исследования причин нарушения герметичности уплотнительных элементов плашечных и кольцевых превенторов с целью прогнозирования их технического состояния 96
3.1. Методология оценки работоспособности и долговечности герметизирующих элементов плашечных и кольцевых превенторов 96
3.2. Использование усилия расхаживания по гладкой части колонны бурильных труб в качестве критерия оценки износа герметизирующего элемента плашечного превентора 113
3.3. Экспресс-метод оценки технического состояния плашечных превенторов в промысловых условиях 132
4. Технико-экономические аспекты внедрения методов прогнозирования технического состояния противовыбросового оборудования в процессе его эксплуатации 138
Выводы и рекомендации 144
Литература 148
- Исследование некоторых геологических, технологических и технических факторов, обусловливающих фонтаноопасность при бурении, освоении и капитальном ремонте скважин
- Разработка конструкции стенда для экспериментальных исследований работоспособности и долговечности герметизирующих элементов плашечных и кольцевых превенторов
- Методология оценки работоспособности и долговечности герметизирующих элементов плашечных и кольцевых превенторов
- Экспресс-метод оценки технического состояния плашечных превенторов в промысловых условиях
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основными направлениями развития топливно-энергетического комплекса России определены главные задачи отрасли: повышение темпов и эффективности развития экономики на базе ускорения научно-технического прогресса, техническое перевооружение и реконструкция производства, интенсивное использование производственного потенциала, совершенствования системы управления. При этом предусмотрено обеспечение добычи достаточного количества нефти, газа и газового конденсата за счет развития отрасли путем ввода в разработку большого числа новых нефтегазовых месторождений. Особое внимание уделяется освоению бурения скважин на глубины 5000 - 7000 метров и более с целью ввода в разработку глубокозалегающих месторождений. Увеличение объемов добычи нефти и газа неизбежно связано с эксплуатацией новых месторождений и продуктивных горизонтов, открытие которых зависит от степени совершенства технологии бурения скважин.
Опыт показывает, что бурение до проектных глубин нередко сопровождается возрастающим воздействием возникающих в находящемся в стволе скважины буровом растворе гидродинамических, физико-химических и механических процессов на общее состояние системы «скважина-пласт». Это в конечном счете приводит к многочисленным осложнениям и авариям.
Из всех видов известных осложнений особую опасность представляют газонефтеводопроявления, переходящие при определенных условиях в открытые газовые и нефтяные фонтаны. Эти осложнения имеют место на многих месторождениях страны, но проявляются с различной интенсивностью в зависимости от конкретных технико-технологических особенностей процесса бурения и геологической ситуации района.
Обычная технология, по данным зарубежной литературы [5,15,46], пригодна для бурения нефтяных и газовых скважин глубиной не свыше 4000 метров. Чтобы дальнейшее углубление скважин было эффективным, требуется
применение специальной технологии, так как в противном случае возможны осложнения и аварии. Специальная технология бурения [7,11,12,23,28] основана на поддержании на забое скважины давления, приближающегося по своей величине к пластовому, включает в себя как важнейшую составную часть комплекс противовыбросовых мероприятий, позволяющих обнаружить, распознать и ликвидировать развивающийся выброс еще на стадии проявления с минимальными затратами [8,47,57,58,61].
Чтобы повысить в этих условиях рентабельность буровых работ, необходимо всемерно снижать затраты времени и средств на борьбу с газонефтеводопроявлениями и создавать условия для нормального процесса углубления скважины путем ликвидации вышеупомянутых осложнений. Эта задача приобретает особую актуальность с возрастанием глубин бурения скважин, так как при этом интенсивность таких осложнений резко повышается.
Газонефтеводопроявления (ГНВП) вызывают целый ряд вредных последствий. Это такие осложнения, при которых существует реальная угроза их перехода в тяжелые аварии (открытое фонтанирование или выброс), часто приобретающие характер стихийных бедствий, для ликвидации которых требуются большие материальные ресурсы. Как правило, при этом существенно осложняется деятельность всех прилегающих к району аварии объектов промышленности, транспорта, сельского хозяйства и населенных пунктов.
Основными потенциальными загрязнителями окружающей природной среды при газонефтеводопроявлениях в процессе бурения нефтяных и газовых скважин являются:
технологические буровые растворы (задавочные, промывочные, герметизирующие);
загрязненные технологическими буровыми растворами сточные воды;
продукты сжигания пластовых флюидов на факеле при технологической обработке скважины;
химические реагенты и материалы, используемые для
приготовления технологических буровых растворов.
Почва, природные воды, в том числе и подземные, могут быть загрязнены:
при разгерметизации системы циркуляции технологических буровых растворов;
при порывах трубопроводов и емкостей;
при аварийных ситуациях, связанных с выбросами пластовых флюидов;
в процессе погрузки, транспортирования, разгрузки и хранения химических реагентов и материалов, используемых для приготовления технологических буровых растворов;
в результате перетоков пластовых флюидов из-за ненадежной конструкции скважины, некачественного цементирования и негерметичности обсадных колонн.
Атмосферный воздух также может быть загрязнен:
технологическими отработками скважины на факел;
испарениями токсичных соединений из емкостей или других мест хранения;
в случае аварийных ситуаций, связанных с выбросом пластовых флюидов и их возгоранием.
Анализ аварийности по буровым предприятиям нефтегазового комплекса
страны с целью оценки доли аварий, связанных с газонефтеводопроявлениями,
* показал, что в общем балансе аварий за последние пять лет эта категория
составляет в среднем приблизительно 40%. Время, затраченное на ликвидацию рассматриваемых аварий, по отношению ко времени ликвидации аварий в целом составляет примерно 15%.
В свою очередь, анализ аварийности на Астраханском газоконденсатном
месторождении показывает, что доля осложнений, связанных с ГНВП,
< составляет более 53% от общего числа фиксируемых осложнений, при этом в
годовом балансе непроизводственных затрат доля затрат на их устранение составляет от 15 до 22%.
В Российской Федерации в 1985-1994 годах произошло 113 открытых нефтяных и газовых фонтанов, 48 из которых сопровождались пожарами, взрывами, сильным загрязнением окружающей среды, имелись даже человеческие жертвы. Экономике страны нанесен громадный материальный ущерб. Потери нефти и газового конденсата составили свыше 13 млн. тонн, газа - 1240 млрд. куб. м. Пришли в негодность 38 комплектов буровых установок, ликвидировано 25 скважин, выведено из оборота 3000 га земли, причинен невосполнимый ущерб недрам [29].
Такие огромные затраты времени и средств соответственно делают весьма актуальной задачу снижения количества газонефтеводопроявлений за счет совершенствования существующих и разработки новых технологических решений для их предупреждения и ликвидации.
Научно обоснованный подход к вопросам предупреждения и ликвидации осложнений и аварий в процессе бурения, связанных с газонефтеводопроявлениями, является важнейшим резервом сокращения сроков строительства скважин и снижения их стоимости.
В настоящее время основным способом, позволяющим управлять состоянием скважины в случае начинающегося газонефтеводопроявления и предотвращать нерегулируемый выброс бурового раствора, является герметизация устья скважины надежным противовыбросовым оборудованием.
Выбор наиболее эффективного управления технологическими процессами предотвращения и ликвидации газонефтеводопроявлений базируется на установлении и степени изученности надежности, работоспособности и долговечности применяемого оборудования. Для уменьшения риска аварий, связанных с выбросом и фонтанированием, необходимо использовать самое современное оборудование, прогрессивные технологии и материалы, принимать только продуманные решения. Одним из решающих факторов предотвращения перехода проявления в открытый фонтан
является применение эффективного противовыбросового оборудования с надежными и долговечными герметизирующими элементами.
Противовыбросовое оборудование должно обеспечивать не только надежную герметизацию устья скважины при проявлениях, но и возможность воздействовать на пласт с целью сохранения скважины, избежания осложнений и возвращения к нормальному процессу бурения. Цель установки противовыбросового оборудования - создать повышенную надежность над устьем.
В этой связи техническое состояние герметизирующих элементов плашечных и кольцевых превенторов, которое в данный момент соответствует всем требованиям нормального выполнения задач фонтанной безопасности, имеет первостепенное значение. При этом весьма важно длительное сохранение работоспособности и долговечности герметизирующих элементов ПВО с учетом режимов, при которых превенторы эксплуатируются (неработающее противовыбросовое оборудование при работающих механизмах буровой установки во время нормального процесса бурения).
Исследованию процесса герметизации устья скважины посвящены работы У.К. Гоинса, Р. Шеффилда, С.Г. Бабаева, А.А. Даниеляна, В.А. Калентьева, О. А. Б лохина, Д.В. Рымчука, В.Г. Шульги , Г.М. Гульянца, В. Д. Шевцова и др. Однако многими исследователями обычно изучалось влияние одного фактора - избыточного давления - на надежность герметизации устья скважины. Комплексного исследования сравнительного влияния твердой фазы, компонентного состава и температуры буровых растворов, сроков хранения и старения на износ уплотнительных элементов до сих пор не проводилось. Это приводит к недостаточной эффективности имеющихся в арсенале буровиков возможностей надежной герметизации устья скважины.
Кроме того, остро ощущается отсутствие руководящих документов на разработку типовой программы и методики проведения статических и динамических испытаний противовыбросового оборудования, которые бы учитывали влияние внешних факторов и режимов работы ПВО. Актуальность
разработки этих документов очевидна, поэтому оценка технического состояния осваиваемого противовыбросового оборудования привлекает все большее внимание специалистов топливно-энергетического комплекса.
Как показывает практика бурения нефтяных и газовых скважин, газонефтеводопроявления представляют собой весьма опасный, сопровождаемый различными неожиданностями и последствиями вид осложнений. Поэтому оценка долговечности противовыбросового оборудования в целом, а также его герметизирующих элементов в частности особенно важна в тех случаях, когда это оборудование предназначено для обеспечения безопасности работ или когда его выход из строя может привести к возникновению аварий техногенного характера. Естественно, что технологическим и контролирующим службам, ответственным за проведение работ, желательно иметь определенную степень уверенности в надежности работы такого оборудования в течение некоторого фиксированного времени.
Это определило актуальность и содержание выполненной работы.
В последние два-три года наметилась тенденция к уменьшению как количества, так и тяжести аварий, связанных с газонефтеводопроявлениями в процессе бурения, что говорит о возросшем внимании как исполнителей работ, так и изготовителей противовыбросового оборудования к надежности герметизации устья скважины и долговечности герметизирующих элементов.
Своеобразие взаимодействия между герметизирующими элементами противовыбросового оборудования, буровым раствором и бурильным инструментом заключается в сочетании механических и физико-механических процессов, причем и те и другие изменяют присущие герметизирующим элементам свойства не только качественно, но и количественно. Это ставит проблему герметизации устья скважины в зависимость не только от первичных, но и от этих вторичных свойств.
Цель работы. Как правило, выбор того или иного герметизирующего элемента никак не увязывается с конкретной ситуацией ни качественными, ни количественными показателями материала самого элемента и базируется, в
основном, на практическом опыте исполнителей работ и зачастую ограничивается наличием тех или иных материалов.
Если в последние годы выбор материала герметизирующего элемента получил количественное обоснование и исходит из определения агрессивности среды, в которой он работает, то выбор таких параметров, как работоспособность и долговечность, ведется методом проб и ошибок, не учитывающим конкретных условий работы, в частности, режимов эксплуатации противовыбросового оборудования, а также условий хранения самих уплотнителей.
При принятии решений по предупреждению и ликвидации осложнений, связанных с газонефтеводопроявлениями, значение приобретает не столько точность качественной характеристики материала герметизирующего элемента противовыбросового оборудования, сколько правильная прогнозная оценка его работоспособности и долговечности. Основываясь только на них можно определить комплекс технологических решений по предупреждению и ликвидации осложнений, связанных с газонефтеводопроявлениями, в целях повышения фонтанной безопасности.
Целью настоящего исследования является разработка и обоснование методики оценки технического состояния герметизирующих элементов плашечных и кольцевых превенторов для определения работоспособности и долговечности противовыбросового оборудования. Такая оценка базируется на реальных условиях бурения и призвана обеспечить фонтанную безопасность выполняемых работ, а также сократить непроизводительные затраты времени и материальных ресурсов.
Научная новизна. В настоящей работе представлены научно-методические основы анализа и оценки работоспособности и долговечности герметизирующих элементов плашечных и кольцевых превенторов по результатам эксплуатационных испытаний противовыбросового оборудования с учетом качественных показателей материала герметизирующих элементов. Такой комплексный подход позволяет применить расчетные методы как для
оценки ситуации, так и для выбора мероприятий по предупреждению и ликвидации осложнений, связанных с газонефтеводопроявлениями.
Предложенный экспресс метод оценки работоспособности и
долговечности герметизирующих элементов противовыбросового
оборудования открывает возможность прогнозировать техническое состояние ПВО, установленного непосредственно на бурящейся скважине. Это позволит определить ход процесса герметизации ствола скважины в предстоящем отрезке времени в конкретной размерности и степень вероятности того, что процесс герметизации не выйдет за установленные границы допусков, а это в конечном итоге будет способствовать обеспечению фонтанной безопасности.
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю .
доктору технических наук К.М. Тагирову и кандидату технических наук Л.А.
Пашиняну за помощь при выполнении диссертационной работы и считает
приятным долгом выразить благодарность доктору технических наук А.Г.
Аветисову и кандидату технических наук СР. Хлебникову за ряд ценных
* советов, данных при подготовке диссертации.
Автор глубоко признателен сотрудникам филиала - Астраханская ВЧ ООО «Газобезопасность» ОАО «Газпром» за всемерное содействие и помощь при проведении эксплуатационных испытаний противовыбросового оборудования, а также всем лицам, помогавшим ему в выполнении данной работы.
г*
Исследование некоторых геологических, технологических и технических факторов, обусловливающих фонтаноопасность при бурении, освоении и капитальном ремонте скважин
Под физическими условиями возникновения газонефтеводопроявлений и открытых фонтанов понимается наличие в скважине (как правило, в зоне открытого ствола) геологических или технологических факторов, которые потенциально способны вызвать не предусмотренные технологией работ процессы и неуправляемое поступление пластового флюида в ствол скважины в ходе ее бурения, эксплуатации и ремонта [7,12].
Под газонефтеводопроявлениями как физическим явлением понимается перенос пластовых флюидов из пород, слагающих разрез, в буровой раствор, заполняющий пространство скважины. Открытый фонтан - это последняя стадия развития ГНВП, когда пластовый флюид полностью вытесняет буровой раствор из скважины и беспрепятственно выходит на дневную поверхность. Пластовые жидкости и газы могут поступать в скважину только из проницаемых пород, насыщенных соответственным флюидом. Поэтому можно безусловно утверждать, что геологическим фактором возникновения ГНВП и открытых фонтанов является наличие по разрезу геологических объектов (пластов), характеризуемых различного рода проницаемостью и насыщенных пластовым флюидом [7,30,45].
Первостепенное значение имеет наличие пластового флюида. Насыщенность объекта потенциального проявления жидкостью или газом необходима при отнесении его к объектам потенциальной опасности возникновения ГНВП и открытого фонтана, но недостаточна. Только при сочетании пластовых флюидов и проницаемости пласта позволительно считать этот пласт фактором потенциального возникновения проявлений.
Каждый конкретный геологический объект, потенциально предрасположенный к возникновению ГНВП и открытому фонтанированию, по-разному воспринимается технологическими службами с позиций опасности возникновения подобных осложнений и аварий. Это обусловлено, во-первых, способностью предотвратить возможное ГНВП, а во-вторых, — степенью опасности последствий ГНВП или открытого фонтанирования для производственного персонала и окружающей среды. В свою очередь, возможность предотвращения ГНВП и открытого фонтанирования, а также степень опасности последствий от их возникновения определяется геолого-физическими характеристиками флюидосодержащих пластов.
Каждая скважина на стадии бурения, эксплуатации или при ремонте представляет собой конкретный технико-технологический объект с определенной технической оснащенностью и комплексом технологических действий. Технические средства как фактор возникновения ГНВП и открытого фонтанирования можно разделить на три основные группы. 1. Технические средства, не связанные напрямую с предупреждением возникновения и ликвидацией ГНВП, но режимы работы которых (особенно неисправности или выходы из строя) являются источником возникновения ГНВП. В качестве примера можно назвать следующие технические средства: буровые насосы и элементы циркуляционной системы (устройства очистки и дегазации бурового раствора); система долива бурового раствора при спуско-подъемных операциях; подъемный комплекс буровой установки; элементы технологической оснастки бурильных и обсадной колонн и т.д. 2. Технические средства, заведомо устанавливаемые на бурящихся нефтяных и газовых скважинах для обеспечения фонтанной безопасности и проведения предусмотренных технологией работ. К ним относятся все виды противовыбросового оборудования (плашечные и универсальные превенторы, насосно-аккумулирующие устройства, дроссели и т.д.) и дополнительные элементы устьевой оснастки скважин при их бурении, эксплуатации и ремонте. 3. Контрольно-измерительные приборы и аппаратура, предназначенные для контроля и управления процессом бурения, при котором забойное давление по своей величине приближается к пластовому, и для своевременного обнаружения признаков газонефтеводопроявлений. Выход из строя или неисправности в работе технических средств каждой из вышеперечисленных групп если и не приводит непосредственно к возникновению ГНВП или открытому фонтанированию, то, во всяком случае, увеличивает опасность (риск) возникновения таких осложнений или аварий. Технология проведения работ при бурении, эксплуатации или ремонте скважин должна планироваться и реализовываться таким образом, чтобы исключить возможность возникновения любых осложнений или аварийных ситуаций, в том числе связанных с ГНВП и открытым фонтанированием. Однако на практике вступают в силу различного рода противодействующие обстоятельства: неверный выбор режимно-технологических параметров из-за недостаточности информации о геологических условиях бурения; - ошибочные действия исполнителей работ; принятие непродуманных инженерно-технологических решений; невыполнение технологических требований и предписаний исполнителями работ, в результате чего может сложиться ситуация, когда упомянутые выше факторы технологического характера приведут к возникновению ГНВП или, как следствие, открытому фонтанированию. Можно сказать, что реализация технологических операций при бурении, эксплуатации и ремонте скважин, как фактор воздействия на состояние геолого-технического объекта (скважины), несет в себе опасность создания таких условий, при которых возможно возникновение ГНВП и даже открытого фонтанирования. Технические средства, используемые при бурении, эксплуатации и ремонте скважин, в идеале должны строго соответствовать условиям работы, техническому состоянию, режиму эксплуатации. От правильного использования бурового оборудования во многом зависит состояние технологического объекта с позиции возникновения, обнаружения и ликвидации ГНВП и открытых фонтанов. Вопросы выбора того или иного оборудования в соответствии с геолого-техническими условиями бурения, эксплуатации и ремонта скважины, порядок его технического обслуживания и эксплуатации имеют важное значение для работников, непосредственно занятых в бурении. Большой интерес представляет также рассмотрение вопросов влияния выхода из строя отдельных узлов и механизмов на возникновение ГНВП и условия их развития и перехода в открытое фонтанирование.
Разработка конструкции стенда для экспериментальных исследований работоспособности и долговечности герметизирующих элементов плашечных и кольцевых превенторов
Как уже было сказано ранее, наиболее достоверными в настоящее время являются методы оценки показателей надежности герметизирующих элементов, основанные на тех или иных испытаниях противовыбросового оборудования. Методы испытаний герметизирующих элементов на изнашивание по принципу большего или меньшего удаления условий испытаний от действительных условий работы можно разделить на несколько групп или категорий[17,18,56]: испытание герметизирующих элементов трубных плашек или кольцевых уплотнителей непосредственно в производственных условиях процесса бурения скважины в составе противовыбросового оборудования -производственные испытания; испытание герметизирующих элементов трубных плашек или кольцевых уплотнителей в составе противовыбросового оборудования при его работе в условиях, соответствующих производственным, - стендовые испытания; испытание герметизирующих элементов трубных плашек или кольцевых уплотнителей на специальных стендах, обеспечивающих условия работы испытываемых деталей, аналогичные условиям процесса бурения скважины; испытание герметизирующих элементов трубных плашек или кольцевых уплотнителей на лабораторных установках, воспроизводящих лишь некоторые из факторов, действующих на герметизирующие элементы в процессе бурения; испытание материала герметизирующих элементов на моделях или образцах в лабораторных условиях, частично воспроизводящих основные факторы, действующие на герметизирующие элементы в процессе бурения. В первых трех случаях имеется в виду испытание настоящих герметизирующих элементов трубных плашек или кольцевых уплотнителей или отдельного уплотнительного узла. В двух последних случаях это может быть макет, воспроизводящий материал и форму только некоторых частей испытываемых трубных плашек или кольцевых уплотнителей. При разработке новых плашечных и универсальных превенторов и совершенствовании существующих конструкций важно иметь сведения о действительной их работоспособности. Обычно такие данные получают в результате промысловых испытаний на действующих буровых установках при бурении нефтяных и газовых скважин [17]. Однако на действительный ресурс герметизирующих элементов значительно влияют конкретные условия работы [18,22], следовательно, испытания герметизирующих элементов в строго заданных условиях можно провести, как правило, лишь на испытательных стендах. Функционирование противовыбросового оборудования, при постоянном режиме затрудняет анализ условий работы и определение средней наработки до отказа сменных герметизирующих элементов, а также других показателей надежности. В связи с тем, что при переменных режимах работы противовыбросового оборудования на их герметизирующие элементы действуют различные нагрузки, получить однозначные показатели надежности не представляется возможным. Исходя из этого, следует подобрать такие режимы работы и условия испытаний, при которых можно получить основные показатели надежности, в частности вероятность безотказной работы, к концу определенного периода времени, например наибольшей продолжительности операций. Оборудование специальных стендов на предприятиях - изготовителях сменных герметизирующих элементов превенторов даст возможность производить периодические контрольные испытания качества серийно выпускаемой продукции в стандартных условиях (реальных условиях бурения) и проверку их соответствия нормативно-техническим требованиям. Внедрение стендов для оперативного контроля качества герметизирующих элементов на заводах-изготовителях [32,33,34,37] поможет улучшить показатели надежности и долговечности противовыбросового оборудования вследствие увеличения ресурса уплотнителей. Применение стендов позволит сократить сроки испытания новых конструкций уплотнительных узлов и материала уплотнителей и, что особенно важно, испытывать их при строго заданных условиях (давление в скважине, параметры бурового раствора и т.п.). Отметим, что при выпуске нового оборудования испытания, как правило, представляют собой заключительный этап сдачи изделия заказчику. В целях повышения эффективности оценки качества серийного и вновь выпускаемого оборудования и ускорения его выпуска были отработаны основы методики испытаний, такие как отбор и подготовка образцов оборудования, организация процесса испытаний, позволяющая свести к минимуму расход материалов, времени и средств; дано также подробное описание методов испытаний. В процессе разработки методов сформулированы основные требования к испытаниям: комбинация контролируемых в процессе испытаний параметров, задаваемых соответствующей нормативно-технической документацией (стандартами, техническими условиями и т.п.), должна быть оптимальной, в достаточной степени характеризующей качество испытываемого оборудования; наиболее возможная простота методов проведения испытаний и аппаратура, доступная для широкого использования; контроль нормируемых показателей надежности, который должен включать: получение и математическую обработку исходных данных, принятие решения о соответствии или несоответствии испытываемого оборудования установленным требованиям, анализ причин и последствий отказов; аппаратура не должна быть дорогой, а сами испытания — не требовать больших расходов; возможность воспроизводимости результатов. Для достижения поставленных целей используются следующие ресурсы: квалифицированный персонал, компетентный в организации и проведении испытаний, обработке и оформлении их результатов; испытательное оборудование и инструментальные средства, обеспечивающие проведение закрепленных в аттестате видов испытаний по определенной номенклатуре оборудования; организационная структура, обеспечивающая проведение испытаний на высоком уровне и контроль качества выполняемых работ; нормативно-техническая и техническая документация к испытательному оборудованию и методам испытаний, к средствам испытаний и порядку их использования, организационно- методические основы испытаний и экспертиз.
Методология оценки работоспособности и долговечности герметизирующих элементов плашечных и кольцевых превенторов
Оценка долговечности бурового оборудования в целом, а также его элементов особенно важна в тех случаях, когда оно предназначено для обеспечения безопасности работ или его выход из строя может привести к возникновению аварий техногенного характера. При этом технологическим и контролирующим службам, ответственным за проведение работ, желательно иметь определенную степень уверенности в надежности функционирования такого оборудования в течение некоторого фиксированного интервала времени.
Сказанное в полной мере относится к противовыбросовому оборудованию, в частности превенторам, которые являются наиболее действенным и радикальным средством защиты от открытых фонтанов при бурении, капитальном ремонте и освоении нефтяных и газовых скважин.
Противовыбросовое оборудование должно гарантировать надежную защиту от возникновения открытых фонтанов при соответствии условий применения и эксплуатации в течение определенного срока. В этом состоит его функциональное предназначение. Как правило, изготовители ПВО дают определенную гарантию на свои изделия, в частности, указывают сроки безотказной его работы при определенных условиях эксплуатации. Однако потребители, принимая эти данные в качестве исходных для определения сроков замены оборудования или его герметизирующих элементов, идут на определенный риск преждевременного выхода оборудования или его элементов из строя. Потеря потребительских свойств ПВО может привести к возникновению аварийной ситуации. Такое развитие событий вполне вероятно и обусловлено рядом причин, которые кроются в существующей практике выпуска ПВО серийного производства. Во-первых, испытания ПВО или его герметизирующих элементов для определения их функциональных характеристик проводятся в условиях, приближенных к реальным. Во-вторых, испытанию подвергаются опытные образцы, по их результатам составляются паспортные данные на всю серию продукции. В-третьих, технология серийного изготовления любого оборудования или элемента механизма не гарантирует полной идентичности всех изделий. В силу подобных обстоятельств возникает необходимость проверки показателей надежности герметизирующих элементов перед их применением на скважине с целью прогнозирования их технического состояния. При этом процесс испытания должен удовлетворять следующим требованиям: - испытанию необходимо подвергать те герметизирующие элементы, которые будут впоследствии использоваться; - испытания не должны снижать потребительские свойства образца; - затраты на испытания должны быть минимальными; - процесс испытаний следует осуществлять непосредственно на производстве желательно силами буровой бригады. Испытаниям должны подвергаться все элементы, устанавливаемые на скважинах. Проводить испытания должны либо представители буровых, ремонтных, эксплуатирующих предприятий, либо ответственные за работу и эксплуатацию ПВО (противофонтанная служба). Основное предназначение герметизирующего элемента плашечного и универсального превенторов - создание герметичной перегородки между скважиной и атмосферой, которая позволяет одновременно осуществлять расхаживание колонны бурильных труб. Отсюда и вытекает основное функциональное требование, предъявляемое к уплотнительному элементу, — он должен герметично охватывать тело бурильной трубы в результате своей упругой деформации под воздействием усилия, создаваемого в гидроприводе, и это прижимающее усилие, с одной стороны, должно позволять бурильной колонне перемещаться через кольцевое пространство герметизирующего элемента, а с другой - быть достаточным, чтобы препятствовать созданию гидравлического канала между трубой и эластичным материалом герметизирующего элемента в результате действия давления в скважине. Работоспособность герметизирующего элемента зависит от наличия или отсутствия гидравлической связи между полостями под и над плашками превентора, то есть от наличия или отсутствия гидравлических каналов в пространстве между трубой и герметизирующим элементом. Возникновение этих каналов (износ) обусловлено действием сил трения между трубой и герметизирующим элементом при движении бурильного инструмента через закрытый превентор. Наличие каналов может быть определено двумя способами: - прямым - фиксирование износа герметизирующего элемента; - косвенным — фиксирование утечек через герметизирующий элемент превентора. Эти способы могут и должны использоваться ,при проведении квалификационных испытаний герметизирующих элементов с целью определения их долговечности, то есть интервала времени, в течение которого они сохраняют работоспособность. По сути дела, квалификационные испытания выявляют параметры модели образования гидравлических каналов в герметизирующем элементе превентора при расхаживании бурильной трубы по гладкой части в пределах замкового соединения. Впоследствии полученную модель можно использовать для определения момента выхода из строя этого элемента с учетом его износа или момента выхода из строя нового герметизирующего элемента. Для этого будет достаточно провести ускоренные испытания, поскольку наличие модели позволяет по начальному участку изменения параметров определять моменты образования гидравлических каналов. Физически процесс образования гидравлических каналов в герметизирующем элементе при расхаживании трубы представляет собой разрушение материала, из которого он изготовлен, под воздействием сил трения. Заметим, что разрушение материала может иметь различный характер: -равномерное истирание по диаметру герметизирующего элемента; подобное разрушение характерно в случае, если бурильная труба концентрично расположена в герметизирующем элементе и материал, из которого изготовлен элемент, однороден и не имеет дефектов; -локальное истирание некоторых сегментов герметизирующего элемента из-за смещения тела трубы в процессе расхаживания или в случае, если сечение трубы не является окружностью; -«точечное» истирание, то есть образование «прореза» в теле герметизирующего элемента из-за явного дефекта материала или выступов на теле трубы. Первые два типа износа принципиально мало отличаются друг от друга, потому что имеют площадь контакта трущихся поверхностей, соизмеримую с длиной окружности герметизирующего элемента. Третий тип износа отличается от первых объемом разрушения.
Экспресс-метод оценки технического состояния плашечных превенторов в промысловых условиях
В практике бурения нефтяных и газовых скважин особое внимание постоянно уделяется мерам предотвращения открытых проявлений и фонтанов при вскрытии продуктивных горизонтов. Известно, что с целью сохранения коллекторских свойств продуктивного пласта его бурят при забойном давлении, максимально приближающемся по своей величине к пластовому и даже при отрицательном дифференциальном давлении, отчего резко увеличивается вероятность возникновения открытых выбросов. Для их предотвращения устья скважин оборудуются полным комплектом противовыбросового оборудования (плашечные, универсальные и вращающиеся превенторы, диверторы, блоки дросселирующих устройств, станции управления противовыбросовым оборудованием и т.д.).
В этой связи техническое состояние герметизирующих элементов плашечных и универсальных превенторов, которое в данный момент времени соответствует всем требованиям нормального выполнения задач фонтанной безопасности, имеет первостепенное значение. При этом обязательно длительное сохранение работоспособности и долговечности герметизирующих элементов с учетом режимов, при которых превенторы эксплуатируются, — неработающее противовыбросовое оборудование при работающих механизмах буровой установки во время нормального процесса бурения.
Техническое состояние герметизирующих элементов, их работоспособность и долговечность можно прогнозировать на разных стадиях создания и использования противовыбросового оборудования: на стадии проектирования, производства и эксплуатации в процессе бурения. На всех этих стадиях математические основы прогнозирования являются общими, однако конкретная методология и алгоритмы решения задачи различны.
На стадии проектирования исходными данными являются предлагаемые технические характеристики разрабатываемых превенторов, рабочие режимы и предполагаемые условия работы (температура, давление, вибрация, агрессивность среды и т.д.) в процессе бурения скважин. Основной задачей прогнозирования технических характеристик на этом этапе является создание такой конструкции превентора, которая наилучшим образом удовлетворяла бы предполагаемым условиям работы.
На стадии производства нового противовыбросового оборудования исходными данными для прогнозирования работоспособности и долговечности герметизирующих элементов являются результаты квалификационных испытаний на стенде.
На стадии эксплуатации противовыбросового оборудования в процессе бурения исходными данными для прогнозирования его соответствия являются предполагаемые закономерности изменения технических характеристик реально работающего изделия.
Процесс бурения нефтяных и газовых скважин связан с острой необходимостью прогнозирования технического состояния противовыбросового оборудования с целью своевременного предупреждения отказов герметизирующих элементов, создания таких рабочих условий и уровня обслуживания противовыбросового оборудования, которые наилучшим образом обеспечивали бы заданную надежность и эффективность (фонтанную безопасность).
В производственных условиях на показатели процесса бурения помимо основного комплекса факторов, смоделированных во время квалификационных испытаний, влияет также множество факторов, контролировать которые трудно или невозможно. Оптимальные условия, смоделированные во время квалификационных испытаний на стенде, часто не воспроизводятся в реальных условиях бурения скважин. Кроме того, на техническое состояние противовыбросового оборудования большое влияние оказывают многие «режимные» факторы. Это и хранение, подготовка и проверка, наконец, непосредственное использование (циклическое «закрытие» - «открытие» скважины без движения бурильного инструмента и «закрытие» скважины при расхаживании бурильных труб) после относительного покоя. Когда речь идет о герметизирующих элементах, то надо иметь в виду, что прогнозирование их работоспособности и долговечности в квалификационных испытаниях осуществляется по только что изготовленным образцам. В реальности уплотнители начинают работать после длительного хранения либо постоянного контакта с буровым раствором в составе превенторной сборки. В связи с этим очевидна необходимость периодически проводить испытания герметизирующих элементов превенторов непосредственно на буровой установке для уточнения или подтверждения их работоспособности и долговечности.
Задача прогнозирования технических характеристик в производственных условиях - получить необходимую информацию путем осторожных изменений процесса бурения, не приводящих к осложнениям и авариям, не требующих больших затрат времени и средств [56]. В этих целях в Астраханской военизированной части - филиале ООО «Газобезопасность» ОАО «Газпром» была разработана математическая модель ускоренных испытаний герметизирующих элементов плашечных и универсальных превенторов, позволяющая прогнозировать их техническое состояние в процессе бурения.
Предложенная модель описывает процесс взаимодействия расхаживаемой бурильной трубы с герметизирующим элементом под действием давления в гидроприводе превентора и доказывает, что износ герметизирующего элемента зависит от величины давления в гидроприводе.
В процессе испытаний фиксировались параметры модели: давление в гидроприводе превентора (усилие сжатия герметизирующего элемента) и величина его падения во время расхаживания (вследствие износа); время расхаживания (время износа герметизирующего элемента) бурильной трубы; суммарная длина расхаживания бурильной трубы (удельная работа разрушения материала герметизирующего элемента); время до начала утечек бурового раствора через герметизирующий элемент; общий объем утечек бурового раствора. Математическая обработка полученных результатов стала основой экспресс-метода, который можно использовать при проведении ускоренных (с минимальными затратами времени и средств) испытаний превенторов, установленных на буровой установке, непосредственно в процессе бурения. Алгоритм реализации экспресс-метода следующий.
