The use of software to increase the TBO on the example of the wells of the frequently repaired fund of the "Zhetybaimunaygas" PM

Full Text

Введение

Главной целью практически любого геолого-технического мероприятия (далее – ГТМ) является достижение максимальной прибыли при минимальных затратах. Снижение потерь в добыче нефти и сокращение затрат на ремонтно-восстановительные работы за счёт увеличения наработки оборудования на отказ являются наиболее эффективными методами сокращения себестоимости производства. Наработка на отказ и увеличение межремонтного периода прямо или косвенно отражают эксплуатационные показатели работы глубинно-насосного оборудования (далее – ГНО): показатели производительности, экономичности, рентабельности и т.д.

Важным показателем повышения надежности работы добычного комплекса является межремонтный период работы скважин (далее – МРП). На месторождениях производственного управления «Жетыбаймунайгаз» (далее – ПУ «ЖМГ») добывающие скважины в основном эксплуатируются механизированным способом – установками плунжерных штанговых насосов (далее – УПШН).

На текущий период увеличение МРП скважин является одной из основных задач в решении проблем при эксплуатации месторождений ПУ «ЖМГ». Эксплуатация месторождений на поздней стадии разработки требует применения более эффективных методов повышения МРП добывающего фонда для снижения больших затрат на ремонтно-профилактические работы добывающих скважин.

На месторождениях одним из наи- более значимых осложнений при эксплуатации скважин является истирание насосными штангами (далее – НШ) внутренней полости насосно-компрессорной трубы (далее – НКТ). Истирание происходит за счёт механического воздействия между муфтой и телом штанги с внутренней стенки НКТ во время возвратно-поступательных движений.

Для минимизации контакта штанги с насосно-компрессорной трубой рекомендуется качественный подбор компоновки штанг с дальнейшим спуском насосных штанг с центратором [1].

Основные причины отказа на 10 скважинах

За скользящий год по 10 скважинам было 64 отказа без ГТМ, из них 25 отказов по негерметичности НКТ (38%), 24 отказа по обрыву насосных штанг (36%) и 11 отказов по причине пропуска либо износа насоса (17%) [2]. Ниже в табл. 1 представлены основные параметры 10 скважин за скользящий год на момент первого пуска по каждой скважине.

Таблица 1. Основные параметры скважин на момент пуска

Table 1. Main parameters of wells at the time of start-up

ЦДНГ / OGPD – цех добычи нефти и газа / oil and gas production division

ГУ / GI – групповая установка / group installation

ОПИ – опытно-промысловые испытания / field trials

НСН / TP – насос скважинный невставной / tubing pump

ПРС / UWR – подземный ремонт скважин / underground well repair

Большинство отказов 10 скважин (74%) происходит по причине негерметичности НКТ и обрыва насосных штанг, основными причинами которых являются протирание подземного оборудования из-за кривизны ствола скважины и компрессионные нагрузки.

Рисунок 1. Основные причины отказа оборудования 10 скважин

Одним из методов устранения протирания является установка центраторов в той части колонны, в которой наблюдается наиболее интенсивное искривление. Иногда количество устанавливаемых центраторов достигает нескольких десятков. В таких случаях главную роль играют степень и интервал кривизны, нагрузка на штанги, диаметр спущенных труб и ряд других факторов.

RodStar является программным обеспечением (далее – ПО) для моделирования установок штанговых глубинных насосов (далее – ШГН), а также для оптимизации компоновок текущих систем ШГН. С RodStar можно проектировать установки новых ШГН или вносить изменения в существующие. Эту программу можно использовать для сравнения насосных агрегатов, скоростей откачки, размеров плунжера, насосных штанг, типов двигателей и т.д., а также оценки влияния заполнения насоса, уровня жидкости или дисбаланса насосного агрегата. Кроме того, ПО позволяет детально оценить и подобрать наиболее критичный компонент установки – колонну штанг, определить нагрузку на конце колонны штанг, а также рассчитать контактные нагрузки между колонной штанг и НКТ для выбора программы центраторов.

Существуют два режима: режим отклонения, предназначенный преимущественно для установки плунжерного штангового глубинного насоса (далее – УПШГН) с наклонными скважинами, и вертикальный режим, предназначенный, соответственно, для вертикальных скважин (от небольшого до нулевого отклонения). Используя мощные «экспертные» знания ПО, можно сэкономить время и прийти к лучшим решениям. Это позволяет оптимизировать дизайн колонны штанг, а также определить число качаний насоса в минуту и размер плунжера, необходимые для ожидаемых значений по добыче нефти [2].

Данное программное обеспечение может смоделировать любую насосную установку и точно определить её производительность. Для указанной системы программа прогнозирует динамограммы, снятые на поверхности и в скважине. Программа рекомендует необходимый размер насосного оборудования, рассчитывает ожидаемый дебит, число качаний в минуту, размер плунжера и дизайн колонны штанг.

Наклонная версия RodStar также позволяет вводить данные о замерах по отклонению скважины и рассчитывать контактную нагрузку, темп набора кривизны и выдаёт рекомендации по расположению центраторов и т.д.

После запуска созданного проекта RodStar оценивает дизайн УПШГН. Исходя из нагрузки на поверхность, нагрузки на колонну штанг и производительности насоса указывает, какие секции могут нуждаться в улучшении.

RodStar обладает множеством расширенных функций, которые позволяют точно прогнозировать производительность системы для любой УПШГН. С помощью этой программы можно моделировать скважины любой глубины, включая очень глубокие или неглубокие, влияние изменения скорости двигателя и инерции насосного оборудования, а также точно рассчитать потребление электроэнергии.

Благодаря всем этим функциям ПО практически не имеет ограничений и является одной из продвинутых и простых в использовании других подобных программ.

Инклинометрия скважин влияет на контактные силы между колонной НКТ и колонной штанг. Ниже на рис. 2 представлены профили скважин, полученные в ПО RodStar на основе инклинометрии скважин.

Рисунок 2. Профили скважин

1) 482; 2) 1502; 3) 1515; 4) 2924; 5) 4550; 6) 4761; 7) 4787; 8) 4839; 9) 4854

По профилям 10 скважин имеется возможность прогнозирования отказов и последствий, с которыми можно столкнуться, а именно:

• наличие сжимающих нагрузок (зависания) колонны штанг;
• анализ инклинометрии показывает наличие значительных контактных нагрузок (трения колонны штанг и НКТ);
• некоторые режимы эксплуатации (число качаний и глубина спуска) показывают значительные нагрузки на станок-качалку и редуктор.

Все эти причины приводят к обрыву штанг, протиранию, негерметичности НКТ.

Анализ текущей компоновки на примере скважины 4839

Основными причинами отказа скважины 4839 за анализируемый период являются:

• обрыв по муфте на глубине 800 м;
• обрыв штанг из-за протирания на глубине 680 м, 700–740 м;
• негерметичность НКТ;
• заклинивание плунжера.

Опыт эксплуатации УПШГН показывает, что разрушение штанговых колонн обусловлено преимущественно усталостью металла из-за циклических и переменных по величине нагрузок.

При подборе штанговых колонн необходимо руководствоваться следующими требованиями:

1. Колонна должна иметь достаточную усталостную прочность, т.е. приведенные напряжения (стрессовая нагрузка) в любом сечении колонны должны быть меньше предельно допустимых значений напряжений для выбранного материала штанг. Приведенные напряжения между ступенями (равнопрочность ступеней колонны штанг) равны или их разница не превышает 5–10%.
2. Колонна должна иметь минимальный вес.
3. Колонна должна обладать небольшой деформацией (минимальные потери хода плунжера от упругих деформа- ций) [3, 4].

Фактические интервалы протираний и обрывов НШ совпадают с интервалами, где имеются высокие контактные силы, которые были определены с помощью ПО RodStar (рис. 3).

Рисунок 3. Контактные силы на скважине 4839

Указанные недостатки ведут к износу штанг из-за компрессионных или сжимающих нагрузок, большого перепада напряжения в ступенях и приводят:

• к деформации сжатия и кручению колонны штанг,
• дополнительному контакту НКТ и штанг при ходе вниз (так называемое зависание колонны штанг при ходе вниз);
• изменению при ходе плунжера [4].

В табл. 2–3 представлены параметры скважины 4839 и расчет нагрузок для анализа текущей компоновки.

Таблица 2. Параметры скважины 4839

Table 2. Well parameters 4839

Таблица 3. Расчет текущих нагрузок на колонне штанг

Table 3. Calculation of current loads on the stem

Как видно из табл. 3, приведённое напряжение между ступенями весьма высокое и составляет 24,9%, хотя оно не должно превышать 5–10%.

В табл. 4 представлен полученный расчёт нагрузок на колонне штанг с тяжёлым низом.

Таблица 4. Расчет нагрузок на колонне штанг с тяжелым низом

Table 4. Calculation of loads on the stem with a heavy bottom

В целях снижения количества отказов на скважине 4839 22.11.2019 г. была подобрана компоновка насосных штанг в ПО RodStar и направлена специалистам АО «Мангистаумунайгаз» для дальнейшего применения. Эскиз данной компоновки подземного оборудования представлен на рис. 4.

Рисунок 4. Эскиз подземного оборудования скважины 4839

30.11.2019 г. скважина 4839 была запущена после капитального ремонта с соблюдением компоновки насосных штанг, предоставленной Филиалом ТОО «КМГ Инжиниринг» «КазНИПИмунайгаз».

После запуска скважина отработала без отказа 293 сут и была остановлена на ремонт по причине отложения парафина и солей на НКТ. Если до спуска за календарный год на скважине было проведено 7 ремонтов, то после спуска с соблюдением компоновки был проведен 1 ремонт.

Анализ эффективности работы 10 скважин

В конце ноября 2019 г. начаты работы по спуску оборудования согласно предложенной компоновке в ПО RodStar. Основным критерием для снижения количества отказов является соблюдение последовательности сборки компоновки. Результаты анализа работы после пуска скважины представлены в табл. 5.

Таблица 5. Сравнительный анализ до и после спуска компоновки за календарный год

Table 5. Comparative analysis before and after launching the layout for the calendar year

Как видно из данных таблицы, после спуска компоновки, рассчитанной в ПО RodStar, количество ремонтов уменьшилось с 66 до 31 ед., а средняя наработка увеличилась с 52 до 114 сут. Важно отметить, что отказы по причине негерметичности НКТ уменьшились с 25 до 10 ед., а количество обрывов штанг с 24 до 6 ед.

В табл. 6 представлен зеркальный анализ по скважинам (соблюдение выданных компоновок по 10 скважинам), где наглядно показано, что все рекомендации были выполнены.

Таблица 6. Зеркальный анализ по 10 скважинам / Table 6. Mirror analysis for 10 wells

СНО / ATF – средняя наработка на отказ / average time to failure

Функционал по технологии добычи. Модуль подбор ГНО

Наряду с применением ПО RodStar, на текущий момент продолжается разработка функционала по технологии добычи в Информационной системе ABAI.

«Подбор ГНО» является программным модулем, позволяющим повысить эффективность рекомендаций при выборе способа эксплуатации и подборе ГНО. Данный модуль на основе автоматической агрегации входных параметров из существующих баз данных позволяет произвести оценку потенциала действующих и новых (из бурения) скважин и на основе технико-экономических критериев выдавать рекомендации по выбору способа эксплуатации. За счёт оптимального расчёта дизайна скоростной и качественный подбор ГНО позволяет снизить частоту отказов ГНО и количество ПРС.По итогам совместной работы специалистов АО «Мангистаумунайгаз» и ТОО «КМГ Инжиниринг» в 4 кв. 2021 г. модуль введен в промышленную эксплуатацию в АО «Мангистаумунайгаз» на месторождении Жетыбай.

В процессе совместной работы были проведены работы по следующим направлениям:

1. Подбор ШГН и составление рекомендаций на отказавших скважинах часто ремонтируемого фонда (далее – ЧРФ) месторождения Жетыбай.
2. Анализ соблюдения технологии спуска ШГН на скважинах [5].
3. Сравнительный анализ спущенных компоновок [6].
4. В рамках доработок по запросу ключевых пользователей разработан и внедрён дополнительный функционал по компоновке штанг и центраторов [7, 8].

Рисунок 5. Эскиз подземного оборудования скважины 4368

Сопровождение работ по промышленному использованию модуля

Анализ рекомендаций по изменению компоновки

Подбор ШГН и рекомендации в соответствии с расчетами в модуле выполнены для 21 скважины ЧРФ [9].

Подбор каждой компоновки сопровождался анализом эксплуатации скважины, составлением карточки, содержащей графическую и табличную информацию по гидродинамическим исследованиям, параметрам работы, истории отказов и др., составлением рекомендаций по дальнейшей эксплуатации, составлением отчёта по подбору ГНО [9].

В компоновке ГНО и направленных рекомендациях содержатся следующие изменения: диаметра ШГН, числа качаний, длины хода, конструкции колонны штанг, глубины спуска, установки газопесочных якорей, отборов скважины.

Вся информация вводилась в оптимизированной единой форме для контроля и анализа выполняемых работ по подбору ШГН. После выполнения основной части подбора компоновки, помимо создания отчёта, есть возможность в ручном и автоматизированном режиме управлять компоновкой штанг и центраторов.

Реализованные алгоритмы модуля «Подбор ГНО» позволяют:

• учесть превышения стола ротора над устьем;
• выбрать интервалы рекомендуемой и обязательной установки в целом и поинтервально;
• задать конструкцию нижней штанги компоновки;
• установить исторические интервалы истираний колонны НКТ и штанг;
• рассчитывать запас по установке штанг с центраторами выше и ниже проектных интервалов, исходя из точности глубины спуска и длины хода колонны штанг;
• объединять интервалы установки центраторов во избежание слишком сложных компоновок;
• автоматически пересчитывать количество штанг по диаметрам с центраторами и без для текущей компоновки, что позволяет находить оптимум при ограничении количества штанг с центраторами в наличии;
• выводить в отчете компоновку штанг с центраторами в виде готового плана работ на спуск и в табличном виде.

Анализ соблюдения технологии спуска ШГН

Для проведения анализа соблюдения технологии спуска ШГН была разработана форма проверки и учёта результатов. Пункты проверки исходят из основных нарушений технологии спуска, которые могут вызывать ранний отказ (рис. 6). В акте проверки состояния спускаемого ГНО указаны возможные обстоятельства отказа, не зависящие от выполненных расчётов в модуле. Поскольку при спуске ШГН не всегда соблюдается технология, основные области для оптимизации – это смазка резьбовых соединений, шаблонирование, замер НКТ, спуск кондиционного оборудования, ведение учёта спущенного и поднятого ГНО.

Рисунок 6. Акт проверки состояния спускаемого подземного оборудования

Анализ соответствия спущенной компоновки представленным рекомендациям

Спуск ШГН на основе расчётов в модуле выполнен на 19 скважинах [10].

Длины хода и числа качаний на 5 скважинах менялись уже после запуска, в ходе вывода скважины на режим, на 8 скважинах число качаний превышает расчётное, на 6 скважинах в связи с этим происходит превышение расчётного дебита.

На 3 скважинах отклонения от рекомендованной компоновки штанг (расчет исходил из условия равнопрочности секций). На 3 скважинах произошел преждевременный отказ. Истирания (отсутствие центраторов в указанном интервале), обрыв штанг (несоблюдение рекомендуемого режима, снижение притока, превышение допустимых нагрузок), механические примеси (засорение клапанов и цилиндра насоса механическими примесями).

По скважинам составлены рекомендации и направлены в ПУ «ЖМГ» для учета в дальнейшей эксплуатации.

ПО RodStar & МОДУЛЬ «ПОДБОР ГНО» ИС ABAI

Анализ методик расчета ШГН

Целью данного проведённого сравнительного анализа являлось определение корректности и применимости алгоритмов, применённых в модуле «Подбор ГНО» посредством сравнения результатов расчёта с результатами аналогичных ПО [10].

Сравнение результатов подбора 7 скважин представлено в табл. 7.

Таблица 7. Сравнение результатов подбора 7 скважин

Table 7. Comparison of the results of the selection of 7 wells

Рmax – максимальное давление / maximum pressure

Рmin – минимальное давление / minimum pressure

Lнас – длина насоса / pump length

Подбор осуществлён под равные условия, за исключением скважины 4501 (диаметр насоса и число качаний).

Нагрузки на колонну штанг показали хорошую сходимость.

Загрузки равнопрочных колонн отличаются, т.к. применяются различные методики. В модуле «Подбор ГНО» применяется методика расчета приведенных напряжений.

Сравнение нагрузок колонны штанг 7 скважин показало среднее отклонение нагрузки 5% (рис. 7). Сравнение загрузок колонны штанг 7 скважин представлено в табл. 8–9.

Рисунок 7. Сравнение нагрузок колонны штанг

1) сравнительный анализ / comparative analysis Рmax, кН; 2) сравнительный анализ / comparative analysis Рmin, кН

Таблица 8. Сравнение загрузок колонны штанг 7 скважин между секциями

Table 8. Comparison of downloads of the stem among 7 wells between sections

Таблица 9. Сравнение загрузок колонны штанг 7 скважин по диаметрам насосных штанг

Table 9. Comparison of downloads of the stem among 7 wells by the diameters of the pump rods

Методика расчета загрузки в модуле «Подбор ГНО» основывается на отношении рассчитанных приведённых напряжений по секциям к приведённому напряжению допустимому для данной марки стали. Согласно данной методике не рекомендуется загружать колонну штанг более чем на 85%.

В ПО RodStar загрузка оценивается по модифицированной диаграмме Гудмана и даёт меньший запас прочности в сравнении с модулем.

Имеется разница загрузок между секциями, но некритичная. Диапазон – 0,1–1,3% в пределах, рекомендованных 5%. При этом условия по загрузке (не более 85% от номинала) не нарушаются.

На скважинах до применения расчёта в модуле (фактическая) длина верхней секции была выше, что не соответствовало условию равнопрочности колонны.

Расчет тяжёлого низа представлен в табл. 10.

Таблица 10. Расчет тяжелого низа

Table 10. Heavy bottom calculation

Расчет тяжёлого низа в модуле считается по стандартной методике, исходя из сил сопротивления, возникающих внизу колонны штанг при движении в вязкой среде.

В ПО RodStar расчёт тяжёлого низа по умолчанию не производится, а подбирается установкой длины тяжёлого низа и дальнейшим расчетом напряжения внизу колонны (Bottom min). При этом применяется условие допустимого диапазона напряжения при переходе средней секции в тяжёлом низе 2100–4500 кПа.

Рекомендованные варианты подбора представлены в табл. 11.

Таблица 11. Рекомендованные варианты подбора компоновки

Table 11. Recommended layout options

Основные принципы подхода к расчету ШГН в ПО RodStar:

• зачастую режим рассчитывается на длину хода плунжера 3 и число качаний 6 мин^-1 для достижения целевого отбора;
• в отдельных случаях рекомендован приподъём подвески насоса одновременно с увеличением частоты качаний до 6 мин^-1;
• загрузка колонны остаётся в пределах нормы, что обусловлено применяемой методикой расчета загрузки с меньшим запасом прочности.

Методика расчета компоновок в модуле «Подбор ГНО»:

• предпочтение отдаётся тихоходному режиму (низкое число качаний до 4 мин^-1) с максимальной длиной хода плунжера;
• рассматривается возможность заглубления насоса при допустимой загрузке (не более 85%).

Методика расстановки центраторов

Центраторы в ПО RodStar подбираются по расчёту боковых контактных нагрузок, которые учитывают темп набора кривизны (далее – ТНПК). В случае низкого качества инклинометрии расстановка центраторов осуществляется вручную по истории протираний колонны.

Центраторы в модуле «Подбор ГНО» подбираются по зонам критических значений ТНПК и максимальному зенитному углу. В модуле реализована автоматическая поинтервальная расстановка центраторов, включая историю протираний.

Выводы по анализу методик расчета ШГН

1. Среднее отклонение нагрузок по модулю в сравнении с ПО RodStar составило 5%.
2. Загрузки равнопрочных колонн в модуле и ПО отличаются, т.к. применены разные методики. В обоих случаях загрузки находятся в пределах допустимого значения.
3. Разница загрузок между секциями незначительная (0,1–1,3%), соблюдается условие равнопрочности конструкции колонны штанг.
4. При сравнении рекомендуемых вариантов отличия модуля «Подбор ГНО» от ПО RodStar имеют место из-за дополнительной оптимизации в модуле – глубины спуска насоса, диаметра ШГН и числа качаний балансира СК, которые выполнялись в ABAI.

В заключение, подводя итоги анализа применения программных продуктов для подбора ГНО при эксплуатации механизированного фонда скважин на нефтегазовых месторождениях, нужно отметить актуальность и своевременность создания корпоративной базы данных и использование современных инструментов. Эффективность применения ПО и модуля подтверждена положительными результатами – повышением наработки на отказ и увеличением МРП добывающих скважин ПУ «ЖМГ».

Применение информационных технологий прочно входит в проекты цифровой трансформации нефтедобывающей отрасли, что способствует раскрытию и совершенствованию интеллектуальных способностей инженеров. Необходимо более широко использовать современные технологии для хранения и обработки больших массивов, структурированных данных при решении нефтепромысловых задач, создании геологических и гидрогеологических моделей, изучении нефтегеологической системы.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующий образом: Канбаева Ж.С. – концепция исследования, его проведение и редактирование рукописи; Сейтмаганбетов С.С. – сбор, анализ, интерпретация данных исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. Zhanat S. Kanbayeva – conception of the work, drafting and revising the work; Sabit Seitmaganbetov – acquisition, analysis, interpretation of data for the work.

About the authors

Zhanat S. Kanbayeva

Author for correspondence.
Email: Kanbayeva_Zh@kaznipi.kz
Kazakhstan, Aktau

Sabit Seitmaganbetov

Email: seitmaganbetov_s@kaznipi.kz
Kazakhstan, Aktau

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1. Main causes of equipment failure among 10 wells

Download (116KB)

Indexing metadata

3. Figure 2. Well profiles

Download (281KB)

Indexing metadata

4. Figure 3. Contact forces in well 4839

Download (94KB)

Indexing metadata

5. Figure 4. Scheme of underground equipment for well 4839

Download (358KB)

Indexing metadata

6. Figure 5. Scheme of underground equipment for well 4368

Download (273KB)

Indexing metadata

7. Figure 6. The act of checking the condition of the lowered underground equipment

Download (213KB)

Indexing metadata

8. Figure 7. Comparison of stem loads

Download (249KB)

Indexing metadata