Применение композиционных материалов при добыче нефти и газа

РАЗДЕЛ II. РАЗВИТИЕ НАРОДНО-ХОЗЯЙСТВЕННЫХ

КОМПЛЕКСОВ

М.А. Габова

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДОБЫЧЕ НЕФТИ И ГАЗА

THE USAGE OF COMPOSITE MATERIALS IN OIL AND GAS EXTRACTION

Аннотация: в статье кратко рассмотрены области применения композиционных материалов на промысловых объектах, а также технические и технологические решения, используемые как в добыче, так и при подготовке углеводородного сырья. Представлены направления развития применения композитов в различных областях нефтегазового комплекса, в частности, для морских месторождений.

Ключевые слова: композиционные материалы, углеводороды, морские комплексы, фторполимеры, агрессивные среды.

Annotation: in this article the application fields of composite materials in the oil patches as well as technical and technological solutions used both in the extraction and in preparation of hydrocarbons are briefly discussed. The directions of composites development in the different fields of oil and gas industry, in particular, in offshore areas, are presented.

Keywords: composite materials, hydrocarbons, marine complexes, fluoropolymers, corrosive environments.

Нефтегазовая отрасль является источником повышенных требований к применяемым в ней материалам: высокие давления и температуры рабочих сред, создаваемые как естественными источниками - пластовой энергией, так и промысловым оборудованием - насосами, компрессорами и прочими рабочими агрегатами, а так же вибрации, высокие нагрузки на оборудование, зачастую в сочетании с наличием агрессивных и коррозионноактивных к традиционным материалам компонентов - сероводорода, водорода, хлористых солей. Применение композиционных материалов позволяет выдерживать эти высокие требования, что особенно важно с учетом роста доли труднодоступных морских месторождений, а так же месторождений с «кислыми» газами.

В мировой нефтегазовой промышленности широкое значение получило применение композиционных материалов. Так, доля потребления углеволокна нефтегазовой промышленностью мира за 2009 г. составила 2,6% с потенциалом роста к 2013 г. в 1,6 раза. В России же данная величина составила всего лишь 1,7%, но при этом прогнозируется троекратный рост потребления к 2013 г [3, 4].

Композиционные материалы применяются практически на всех этапах пути следования углеводородного сырья, начиная от промыслов и заканчивая потребителями. К областям использования композиционных материалов в нефтегазовой промышленности относят [7]:

Системы сбора нефти и газа;

Системы поддержания пластового давления;

Системы магистрального транспорта нефти и газа, морского транспорта углеводородов, в том числе и сжиженного природного газа;

Системы распределения сырья и продуктов до конечного потребителя.

© М.А. Габова, 2012

Использование композиционных материалов на промыслах в системах сбора и подготовки нефти, газа и пластовой воды

В продукции скважин содержатся: сероводород, углекислый газ, углеводородный и водный конденсат, вызывающие значительное коррозионное разрушение промыслового оборудования. Химические методы защиты (ингибиторы и т.п.) не дают общего положительного эффекта, лишь сокращают скорость коррозии. Для решения указанной проблемы наиболее эффективным является создание оборудования в коррозионностойком исполнении и дополнительное проведение технологических мероприятий на определенной стадии эксплуатации. Это, в первую очередь, касается магистральных и промысловых нефте- и газопроводов, а также технологических аппаратов для первичной подготовки и переработки нефти и газа, скважинного оборудования, различных видов насосов и запорной арматуры [1].

Вторая проблема - удаление солевых отложений в призабойной зоне скважины, в лифтах скважин, шлейфах и на стенках оборудования. В процессе эксплуатации промысла по мере увеличения выноса минерализованной пластовой жидкости появляется дополнительное выпадение солей (преимущественно карбонатов и сульфатов кальция) и образование плотного осадка по всему тракту движения газо-жидкостного потока от скважин, соединительных трубопроводов до технологического оборудования. Имеющиеся способы введения реагентов, растворяющих неорганические отлагающиеся соли нетехнологичны и имеют другие недостатки, в частности загрязнение нефтихимикатами.

Для решения этих проблем отечественные специалисты предложили использовать фторполимеры [3]. Главным направлением применения фторполимеров (ФП) является защита металла ФП покрытиями. В результате, оборудование и трубопроводы приобретают ценные свойства без существенного изменения конструкции. Правильно подобранные покрытия позволяют не только обеспечить защиту от коррозионного разрушения в агрессивных средах, но и предотвратить образование отложений парафинов и солей, снизить гидравлическое сопротивление трубопроводов и насосного оборудования за счет уменьшения шероховатости и налипания, защитить оборудование от эрозионного и механического износа, обеспечить чистоту перекачиваемого продукта, повысить герметичность разъемных неподвижных соединений, уменьшить металлоемкость конструкций.

Еще одним направлением повышения коррозионной стойкости промысловых трубопроводов и емкостной аппаратуры являются:

• внедрение технологии прямого фторирования существующих и вновь монтируемых обычных полимерных покрытий металла с целью значительного улучшения их защитных и антиприлипающих свойств;

• применение лёгких и прочных неметаллических материалов, в частности, ФТОРстекло- и ФТОРуглепластиков для изготовления ёмкостного оборудования и трубопроводов.

Третьим направлением является применение высокоэффективных фторидных смазочных и герметизирующих материалов, обеспечивающих противокоррозионную защиту элементов конструкций (резьбовые соединения труб, затворы запорной арматуры и т.д.) и значительно снизить коэффициент трения в механизмах.

У труб из углеродистой стали, которые традиционно используются в системах сбора нефти и газа, системах поддержания пластового давления, весьма непродолжительный срок службы. Они обладают слабым антикоррозионным сопротивлением и подвержены влиянию агрессивных компонентов, которые в различной степени содержатся в углеводородах, таких, как CS2, H2S, а также пластовой воды, продуктов коррозии. Более того, на многих нефтяных месторождениях наблюдается зараженность пластовых и сточных вод сульфаторедуцирующими бактериями. В связи с этим, вследствие активной коррозии, межремонтные сроки составляют 5-6 лет. На многих нефтяных месторождениях приходится заменять

отдельные участки труб из углеродистой стали через каждые два года. На промыслах Астраханской и Оренбургской областей, а также промыслов Казахстана и Туркменистана, где содержание сероводорода в газе 30%, а углекислоты - до 15%, общий срок службы трубопровода не превышает полутора-двух лет [2].

По экспертным оценкам ежегодно на нефтепромысловых трубопроводах происходит до 40-70 тысяч отказов, 90% которых являются следствием коррозионных повреждений. Из общего числа аварий на долю систем сбора пластовой продукции приходится 50-55%, на долю коммуникаций поддержания пластового давления 30-35%. Сокращается срок службы труб: 42% из них не выдерживают пятилетней эксплуатации, а 17% служат менее двух лет. На ежегодную замену нефтепромысловых сетей расходуется 7-8 тысяч км труб, или 400-500 тыс. тонн стали.

В данной ситуации наиболее очевидный выход - применять трубы, которые не подвержены коррозии, что позволит впредь не заботиться об антикоррозионном покрытии, не проводить ингибирование, исключить дорогостоящие ремонты и устранение утечек, получить трубопроводы со сроком безремонтной эксплуатации эквивалентным сроку разработки месторождений - до 20-50 лет. С точки зрения экономической эффективности одним из наиболее приемлемых вариантов решения данной проблемы является переход к композитным трубам.

Использование композиционных материалов на морских промыслах

Работу на шельфе зачастую сравнивают со сложностью и требованиями к работе в космической отрасли, что и предопределяет использование передовых технологий, позволяющих снизить вес и металлоемкость оборудования, что особенно важно в условиях ограниченного пространства платформ.

Использование композитов позволило улучшить характеристики прибрежных сооружений, где придают конструкциям специфические свойства, особенно в комбинации с другими материалами. Составные шланги, фалы, намоточная труба, палубная труба, ограждение, «умные» системы мониторинга и новые концепции для транспорта натурального газа являются лишь малой частью из успешных применений композитов. Сторонники композитных материалов в крупных нефтяных компаниях говорят что, хотя это может занять некоторое время, несколько последних неудач в областях подъемников и сборочной трубы могут быть быстро преодолены [5].

Составные шланги для добычи являются необходимым звеном подводной системы, при помощи которой основная добывающая платформа подсоединяется к скважинам, разбросанным на большие расстояния по дну моря. Обычно длиной более километра и диаметром от 140 до 175 мм, составные шланги или трубопроводы являются весьма крупным оборудованием, содержащим набор более мелких шлангов высокого давления, которое вместе с электрическими и оптическими кабелями, предназначено для подсоединения к устьям подводных скважин для удаленного управления арматурой. Ранние модели были простыми термопластичными трубками, связанными воедино, но с увеличением глубины вод некоторые компании стали использовать конструкцию, где шланги и кабели помещены в свободно плавающей трубе из нержавеющей стали внутри пластиковых профилей, и вся конструкция покрыта термопластичным кожухом. Эта конструкция лучше выдерживает растягивающие напряжения, вызванные протяженными свободновисящими конструкциями. Но на глубинах более 2150 метров сталь удлиняется под действием сверхвысоких растягивающих напряжений, превышая предел прочности электрических кабелей, которые могут замкнуть соединения оборудования устья скважины.

Увеличение толщины внутренних стальных труб в кластере составного шланга или добавление большего количества стали должно увеличить вес составного шланга до недопустимых величин. Вместо этого было предложено увеличение осевой прочности при помощи стержней из угольного волокна, имеющих сравнимую со сталью прочность, но на 80% легче. Другое приложение для тонких, угольных

стержней является использованием швартов из угольного волокна, как замену полиэфирным швартовым, анкерующим мобильные добывающие агрегаты (МДА), являющиеся, по сути судами или полупогруженными структурами, которые занимаются бурением скважин. Необходимо большое количество фалов для того, чтобы поддерживать МДА в определенном положении, или центровать прямо над буровой скважиной, обычно глубиной в несколько сот метров.

Еще одна область, где композиты нашли свою нишу применения, - это системы наблюдения, где композиты соединены с другими материалами и сенсорами. Примером может служить композитный «формочувствительный мат» для использования с металлической подъемной системой. Гибкий мат, который включает в себя оптоволоконный кабель, покрывает металлический подъемник, и позволяет операторам наблюдать за чрезмерным изгибанием и усталостной стойкостью во время установки подъемника. Мат был установлен на самой нижней точке водоотделяющей колонны на платформе, динамически позиционированного бурового судна, пришвартованного в Мексиканском заливе, во время июля 2004 года. Мат длиной 5,5 метров был прикреплен к сочленению колонны скобами, и растянут приблизительно на 180° или около половины окружности трубы. Мат успешно передал данные на поверхность во время многочисленных плаваний к буровой платформе и обратно во время размещения водоотделяющей колонны (т.е. в период опускания подъемника сквозь водную колонну, секция за секцией, и во время подъема обратно), на глубине более 1800 метров. Преимущество использования композитов для этого приложения состоит в том, что оптоволоконные кабели и сенсоры могут быть легко внедрены в ламинат, для формирования гибкой и прочной чувствительной «сетки» в нужной конфигурации.

Использование композиционных материалов в системах транспорта нефти

и газа

Транспорт углеводородов требует применения высокотехнологичных материалов, способных выдерживать высокие давления, напряжения, значительные скорости движения рабочих сред. Также немаловажным в транспорте углеводородного сырья является наличие в продукте агрессивных и абразивных компонентов [4]. Решением одной из проблем, связанной с повышением эксплуатационной безопасности и долговечности трубопроводного транспорта, является надежная защита от коррозии, особенно для элементов, транспортирующих дефицитные энергоресурсы нефте- и газопроводов, подверженных воздействию как внутренней, так и наружной коррозии, на которых происходят аварии, иногда с тяжелыми экологическими последствиями. Затраты же на ликвидацию последствий коррозионных разрушений могут составлять до 30% от затрат на добычу нефти и газа. В ряде случаев порывы вследствие коррозии насосно-компрессорных труб приводят к потере скважин и значительным убыткам. По причине активной коррозии межремонтные сроки для стальных нефте- и газопроводов составляют 5-6 лет, а актуальность борьбы с коррозией возрастает по мере их эксплуатации [6].

Заключение

Использование композитов будет возрастать с увеличением потребности нефтегазовой промышленности в материалах с уникальными механическими, химическими и физическими свойствами, что обуславливается современными тенденциями в добыче и транспорте нефти и газа. Перспективы полимерных материалов связаны с разработкой нанокомпозитов, которые позволят расширить спектр применений этого вида материалов и достигнуть требуемых промышленностью параметров.

Литература

1. Виллемсон А.Л., Логинов Б.А.. Фторполимерные материалы как средство повышения эффективности нефтегазовой отрасли // Коррозия территории нефтегаз. 2009. Вып. 11. С. 26-29.

2. Бузник В.М. Фторполимерные материалы: применение в нефтегазовом комплексе (Сер. «Академические чтения», вып.61) - М.: Изд-во «НЕФТЬ и ГАЗ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2009. - 31 с.

3. Исследования и разработки, обеспечивающие создание конкурентоспособных полимерных композиционных материалов на основе углеродного волокна // Эл. Источник: http: // www.compozit.su>f/news/97/641361/632226.pdf

4. World Energy Outlook 2011// IEA, 2011. - 696 P.

5. S. Black. Composites Alive And Well In Offshore Oil Applications // Composites Technology. 2006. Vol. 2.- 7 P.

6. P. Laney. Use of Composite Pipe Materials in the Transportation of Natural Gas // INEEL Field Work Proposal # 4340-70, 2002. - 69 P.

7. Energy Technologies at the Cutting Edge // IEA, 2007. - 113 P.

С.А. Грачев

ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ БИЗНЕС-ПРОЦЕССОВ В ЗВЕНЬЯХ ЦЕПИ ПОСТАВОК

EVALUATION OF ECONOMIC EFFICIENCY OPTIMATION OF BUSINESS PROCESS IN THE SUPPLY CHAIN LEVELS

Аннотация: в статье предлагается методика оценки экономической эффективности оптимизации бизнес-процессов в звеньях цепи поставок, разработанная на основе синтеза методов сбора мнений участников (опросы, анкетирование, мозговой штурм), методов графоаналитического моделирования (матрицы, деревья), методов экспертных оценок, PERT/Time анализа, ABC-костинга, а также экспресс-методов оценки бизнес-процессов.

Ключевые слова: бизнес-процессы, цепи поставок, эффективность бизнес-процессов, время выполнения процесса, стоимость процесса.

Annotation: this article describes the methods of estimating the economic efficiency of optimization of business processes in the supply chain, developed on the basis of synthesis methods for collecting the views of participants (interviews, questionnaires, brainstorming), graph-analytical modeling methods (matrix, trees), the methods of expert estimates, PERT/Time analysis, ABC-costing, as well as express methods for assessing the business processes.

Keywords: business processes, supply chain, efficiency of business processes, process run-time, cost of the process.

Система измерений, составляющая базу для оценки и анализа бизнес-процессов, должна быть определена и согласована до перехода к реализация проекта, так как она применима на двух этапах - на этапе анализа модели предприятия «как есть» и на этапе оценки эффективности всего предприятия. На этапе анализа модели «как есть» оценивается эффективность бизнес-процессов (контрольные параметры), а на этапе оценки эффективности проекта реинжиниринга оценивается результат его проведения (как изменились контрольные параметры).

В статье приведена разработанная методика по оценке экономической эффективности бизнес-процессов, основанная на показателях удовлетворенности качеством, стоимости и времени, и выбора приоритетных процессов для проведения мероприятия по оптимизации бизнес-процессов в звеньях цепи поставок. Важность

© С. А. Грачев, 2012