СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОЛОННЫ НАСОСНЫХ ШТАНГ
OPERATING METHOD OF STRING OF PUMP RODS

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к техническим средствам для подъема жидкости из скважин, и может быть использовано при эксплуатации штанговой колонны, служащей для передачи движения от наземного привода к скважинному штанговому насосу.
Известен способ эксплуатации колонны насосных штанг (патент RU №2209292 С1, 7 Е21В 17/01, опубл. 27.07.2003, бюл. №21), включающий эксплуатацию, подъем колонны, замену штанг и продолжение эксплуатации. При этом эксплуатацию колонны ведут до поверхностного износа и(или) корродирования тела штанг на глубину, не превышающую радиальной разницы их тела со штангой меньшего типоразмера, после чего колонну поднимают, производят замену штанг и продолжают эксплуатацию, а снятые с колонны штанги переделывают на штанги меньшего типоразмера и используют при эксплуатации этой или другой колонны. Патент включает также способ, отличающийся тем, что эксплуатацию колонны перед заменой штанг ведут до поверхностного износа и(или) корродирования тела штанг на глубину 70…80% от радиальной разницы со штангой меньшего типоразмера.
Существенным недостатком этого способа является невозможность его осуществления в полевых условиях, что приводит к необходимости содержания излишнего обменного фонда штанг и значительным материальным затратам на транспортировку и последующие очистку, мойку, диагностику и цеховое обслуживание, а также из-за простоя скважины, потерь добычи нефти.
Наиболее близким по достигаемому результату является способ эксплуатации колонны штанг (рекомендованный ГОСТ 13877-96), скомпонованной из новых насосных штанг, включающий эксплуатацию, подъем колонны в случае одного или двух обрывов. При этом рекомендовано не менять всю колонну или ступень, а заменять неисправную штангу, а полную смену штанговой колонны или ее ступени производить только при увеличении интенсивности (частоты) обрывов штанг не менее чем в два раза.
Существенным недостатком наиболее близкого аналога является необходимость содержания излишнего непроизводительного обменного фонда штанг и замены всей колонны при повышении интенсивности обрывов без учета распределения мест их концентрации по глубине скважины, что также приводит к значительным материальным затратам на транспорт, очистку и мойку, диагностику и цеховое обслуживание, а также из-за простоя скважины и потери добычи нефти.
Технической задачей изобретения является разработка способа эксплуатации колонны насосных штанг, реализующего возможность регулирования периодичности замены отдельных ее частей в зависимости от различий технического состояния штанг на участках, работающих в разных условиях, в целях повышения полезной отдачи штангового оборудования за счет исключения материальных эксплуатационных затрат на преждевременное техническое обслуживание, транспортирование и ремонт полного комплекта штанг, содержание излишнего непроизводительного обменного фонда насосных штанг, снижения продолжительности подземного ремонта, а также с целью увеличения срока безаварийной работы скважинных штанговых насосных установок добычи нефти за счет сокращения простоя скважины и повышения наработки за счет возможности выявления слабых участков штанговой колонны и замены на более прочные.
Поставленная задача решается способом эксплуатации колонны насосных штанг, включающим исследование интенсивности обрывов колонны штанг, замену вышедшей из строя штанги, при увеличении интенсивности обрывов штанг более заданного полную замену насосных штанг.
Новым является то, что колонну штанг разбивают на участки в зависимости от различных воздействующих на них условий эксплуатации по длине скважины, а полную замену штанг производят только на участке, на котором увеличилась интенсивность обрывов более заданной величины, причем замену штанг и участка производят с учетом прочности и места установки.
Фиг.1 - Схема использования результатов исследования интенсивности отказов участка колонны.
Фиг.2 - Пример трехинтервальной разбивки колонны по геометрическим параметрам профиля ствола скважины.
Известно, что при эксплуатации сложных технических систем наблюдается характерное поведение интенсивности отказов (см. фиг.1): снижение в период приработки I, постоянство интенсивности отказов в период нормальной работы II и увеличение интенсивности отказов в период старения III, что подтверждается (см. Климов В.А., Валовский К.В. и др. Результаты комплексных испытаний средств технической диагностики насосных штанг в ОАО Татнефть» // Нефтяное хозяйство. - 2009. - №4. - С.94-98.) экспериментальными данными.
Поэтому способ эксплуатации колонны насосных штанг по предлагаемому методу осуществляют следующей последовательностью действий.
1. Эксплуатируемую колонну разбивают на минимально необходимое количество участков с примерно равными условиями эксплуатации, влияющими на изменение технического состояния штанг, исходя из экспертной оценки, например:
- по схеме (см. фиг.2) траектории ствола скважины по инклинограмме (приведен пример трехинтервальной разбивки колонны 1 по геометрическим параметрам профиля ствола скважины на: а - вертикальный, b - набора кривизны, с - прямолинейный наклонный участки);
- по распределению статических напряжений в сечениях колонны от веса штанг по длине колонны (на фиг. не показано);
- по условиям работы, осложненным физико-химическим составом и/или фазовым состоянием среды по месту их расположения в скважине (на фиг. не показано);
- по локализации места серии обрывов (на фиг. не показано).
2. Определяют количество штанг на каждом участке.
3. Статистически определяют интенсивность отказа λ* штанг участка на момент обрыва колонны по формуле (см. Половко A.M., Гуров С.В. Основы теории надежности. - СПб.: БХВ-Петербург. - 2006. - 704 стр.).
где
n(t, t+Δt)=1 - число штанг участка, отказавших за наработку Δt;
N - среднее число исправно работающих штанг участка на интервале наработки [t, t+Δt].
4. Принимают решение о полной замене участка или замене только оборвавшейся штанги, исходя из распределения статистически наблюдаемой интенсивности отказов участка (см. фиг.1), вычисленной по формуле (1), например:
- экспертным путем устанавливают уровень «А» ожидаемой величины интенсивности отказов (см. фиг.1);
- экспертным путем устанавливают уровень «В» (на практике: в два-четыре раза выше уровня «А» в зависимости от экономической целесообразности) максимально допустимой (заданной) величины интенсивности отказов (см. фиг.1);
- на участке эксплуатации I (см. фиг.1) по величине интенсивности отказа экспертно, исходя из величины установленного уровня «В», принимают решение о полной замене участка или замене одной оборвавшейся штанги;
- на участке эксплуатации II (см. фиг.1) величина интенсивности отказов не превышает установленного уровня «В», поэтому необходимо заменять только оборвавшуюся штангу;
- на участке эксплуатации III (см. фиг.1) величина интенсивности отказов достигает и превышает установленный уровень «В», поэтому необходимо заменить весь участок колонны.
5. Замену штанг и участков производят с учетом прочности и места установки, например:
- прочность заменяющей неисправную штанги может соответствовать величине, определенной предварительным технологическим расчетом компоновки колонны или быть выше;
- прочность заменяющего участка колонны может соответствовать величине, определенной предварительным технологическим расчетом компоновки колонны или быть выше;
- место установки заменяющей штанги может быть произвольным в границах участка;
- место установки заменяющей штанги может быть в зоне обрыва участка.
Например (согласно РД 153-39.1-252-02 «Руководство по эксплуатации скважин установками скважинных штанговых насосов», см. фиг.1), типовое количество участков разбивки по схеме траектории профиля ствола скважины не менее трех. При эксплуатации контролируется интенсивность обрывов на каждом участке и при превышении на одном из них заданной величины «В» (см. фиг.1) производят замену штанг только на этом участке. При этом нет необходимости одновременного ремонта всех штанг колонны, обеспечивается стабильность надежности участков и всей колонны, а также возможность повышения общей ее надежности за счет полной замены только участков, находящихся в наиболее напряженных местах скважины, более надежными штангами.
При этом значительно снижаются эксплуатационные затраты на:
- преждевременное техническое обслуживание;
- транспортирование и ремонт комплекта штанг, не нуждающегося в ремонте;
- сервисное техническое обслуживание и ремонт;
- содержание излишнего непроизводительного обменного фонда насосных штанг для замен в период технического обслуживания и ремонта;
- подземный ремонт скважин.
Создаются предпосылки для значительного снижения эксплуатационных затрат от:
- недополученной продукции;
- пониженной надежности отдельных участков;
- недоиспользования ресурса насосных штанг;
- минимизации запасов штанг на обновление;
- возможности автоматизации системы эксплуатации штанговой колонны на каждой скважине.
Таким образом, предлагаемый способ эксплуатации колонны насосных штанг позволяет наиболее просто и экономично регулировать замену участков колонны или отдельных штанг за счет установления периодичности замены отдельных ее частей в зависимости от различий технических состояний штанг на участках, работающих в разных условиях воздействующих факторов, достичь повышения полезной отдачи штангового оборудования и увеличения срока безаварийной работы скважинных штанговых насосных установок добычи нефти и, как следствие, экономии материальных и финансовых ресурсов.