Введение

Северные нефтегазоконденсатные месторождения Западной Сибири имеют стратегическое промысловое значение для России на долгосрочную перспективу. В настоящее время на их долю приходится до 70% разведанных запасов газа, газового конденсата (нефти) месторождений Группы Газпром [1 – 3 и др.]. Количество газодобывающих скважин этих месторождений составляет более 6 тыс. Для герметизации, контроля и управления работой скважин в их конструкции применяются фонтанные арматуры, состоящие из элементов различных производителей и типов-размеров. Среднее количество элементов фонтанных арматур на скважинах достигает порядка 130 тыс. Элементы фонтанных арматур являются одними из самых сложных и потенциально опасных технических устройств [4 – 10 и др.]. Надежность фонтанных арматур определяет надежность и эффективность эксплуатации скважин и газодобывающих предприятий в целом  [11 – 14 и др].

Исследованиями установлено, что к настоящему времени наработка большей части фонтанных арматур (около 80%) превосходит проектный срок эксплуатации. С целью продолжения их дальнейшей эксплуатации по фактическому техническому состоянию они в соответствии с законодательными и нормативными требованиями [15 – 20 и др.] прошли неоднократное диагностирование и экспертизу промышленной безопасности. По мере увеличения наработки, количество таких элементов фонтанных арматур увеличивается. Анализ статистики и причин отказов элементов фонтанных арматур показывает, что при их длительной эксплуатации в низкотемпературных климатических условиях Севера происходит нарушение их работоспособности за счет снижения пластичности и растрескивания металла [21 – 24]. Этим создается высокий риск хрупких разрушений элементов фонтанных арматур с причинением тяжкого вреда для жизни и здоровья людей, объектов и окружающей среды.

Существующие методы диагностирования фонтанных арматур не позволяют контролировать и оценивать соответствие текущих (фактических) характеристик пластичности нормативным требованиям, анализировать их изменение за период эксплуатации и прогнозировать остаточный ресурс по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла.

Разработка новых методов прогнозирования работоспособности элементов фонтанных арматур газодобывающих скважин в условиях Севера является актуальной научно-практической задачей. Ее решение позволяет обосновывать сроки продолжения дальнейшей эксплуатации элементов фонтанных арматур, предупреждать их хрупкие разрушения, и, тем самым, повысить безопасность и эффективность эксплуатации объектов газодобывающих предприятий.

Исследования и разработки по прогнозированию работоспособности фонтанных арматур соответствуют "Перечню приоритетных научно-технических проблем ОАО "Газпром" на 2011-2020 годы" [25], (п. 3.1) предусматривающему разработку технологий, технических средств и организационных мероприятий, направленных на повышение безопасности производственного комплекса ОАО "Газпром" (экологической, промышленной, информационной, от противоправных действий и др.).

В настоящей монографии представлены результаты исследований и разработок методов прогнозирования работоспособности элементов фонтанных арматур газодобывающих скважин, длительно эксплуатируемых в низкотемпературных климатических условиях Севера, для обоснования сроков продолжения их эксплуатации при диагностировании и предупреждения хрупких разрушений.

При проведении исследований и разработок этих методов были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Анализ статистики диагностирований и отказов элементов фонтанных арматур газодобывающих скважин северных месторождений Западной Сибири.

2. Обоснование методов прогнозирования работоспособности элементов фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла.

3. Расчетно-экспериментальное определение диагностических параметров, критериев предельного состояния по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла и кинетики их изменения.

4. Разработка программно-методического обеспечения и апробация методов прогнозирования работоспособности элементов фонтанных арматур при их диагностировании.

Исследования и разработки выполнены с применением методов неразрушающего контроля в полевых и в лабораторных условиях, методов разрушающего контроля и механических испытаний металла, лабораторных исследований его структуры, стандартизованных методов статистического анализа экспериментальных данных и анализа надёжности по фактическим данным об эксплуатационных отказах, нормативных методов расчётов на прочность и сопротивление хрупкому разрушению, анализа напряжённо-деформированного состояния методом конечных элементов, методов математического моделирования и прогнозирования.

По результатам выполненных исследований и разработок установлено, что причинами непрогнозируемого нарушения работоспособности элементов фонтанных арматур, длительно эксплуатируемых в низкотемпературных климатических условиях Севера, является растрескивание металла из-за снижения его пластичности (от 10 до 60% за 20 лет эксплуатации) в зонах конструктивных концентраторов и исходных дефектов при деформировании от воздействия рабочих нагрузок.

Разработаны методы прогнозирования работоспособности элементов фонтанных арматур с применением выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля их типовых элементов, критерия разрушающей пластической деформации поверхностного слоя металла с исходным концентратором, анализа кинетики снижения пластичности и растрескивания металла.

Обоснованы расчетно-экспериментальные методы анализа кинетики снижения пластичности металла элементов фонтанных арматур, определения его разрушающей пластической деформации и ресурса до начала растрескивания, технология неразрушающего контроля элементов фонтанных арматур в полевых условиях для выявления растрескивания их металла.

Достоверность и обоснованность научных результатов исследований определяется применением общепризнанных методологических основ диагностики и неразрушающего контроля, оценок технического состояния, прочности и ресурса технических систем, механики упругопластического деформирования и разрушения элементов конструкций, математической статистики и теории прогнозирования, а также полевыми и лабораторными исследованиями, механическими испытаниями металла, анализом фактической статистики отказов репрезентативной выборки длительно эксплуатировавшихся (более 20 лет) фонтанных арматур. Применением метрологически поверенного испытательного оборудования и аттестованных методик, сертифицированных и верифицированных пакетов компьютерных программ статистического анализа данных, несущей способности и математического моделирования (MathCad, Statistica, Cosmos/M).

Практическую значимость полученных результатов исследований представляют научно обоснованные методы прогнозирования работоспособности элементов фонтанных арматур при их диагностировании по механизмам охрупчивания и растрескивания металла и программно-методическое обеспечение для практического применения этих методов. Внедрение разработок позволяет определять срок и условия продолжения эксплуатации элементов фонтанных арматур, сохранивших работоспособность и имеющих запас ресурса, предупреждать внезапные высокорисковые хрупкие разрушения и, тем самым, повысить безопасность и эффективность продолжения их эксплуатации по фактическому техническому состоянию.

Разработанные и апробированные технические решения реализованы в положениях отраслевого нормативного документа Системы стандартизации ОАО «Газпром» - Р Газпром 2-3.3-732-2013 «Техническое диагностирование фонтанных арматур и оборудования устья скважин», а также в положениях стандарта организации – СТО-НК.И-222 «Инструкция по неразрушающему контролю сплошности металла высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений и прогнозированию работоспособности элементов фонтанных арматур газодобывающих скважин для предупреждения их хрупких разрушений» [153].

Разработки применяются в газодобывающих предприятиях ОАО «Газпром» и в экспертных специализированных организациях при диагностировании элементов фонтанных арматур скважин северных месторождений Западной Сибири для определения сроков, условий продления их эксплуатации, планирования ремонтов и замен.

В результате их применения в 2013 – 2014 г.г. проконтролированы элементы фонтанных арматур 94-х скважин Комсомольского, Уренгойского и Ен-Яхинского газовых месторождений, выявлено 65 трещин в корпусах 28-ми элементов, которые были оперативно выведены из эксплуатации и предупреждены их возможные хрупкие разрушения с негативными последствиями.

Для остальных элементов фонтанных арматур выполнены расчеты остаточного ресурса по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла, определены сроки проведения их периодических контролей, очередных диагностирований, ремонтов и замен.

Экономический эффект от внедрения разработок по состоянию на конец 2014 г. составил 34,2 млн. руб. за счет предупреждения хрупких разрушений элементов фонтанных арматур, экономии затрат на устранение их возможных негативных последствий и продления сроков эксплуатации элементов фонтанных арматур, имеющих требуемые запасы работоспособности.

Основные результаты исследований и разработок докладывались на: Международных деловых встречах Диагностика-2009, 2011, 2013, 2015; Межрегиональной научно-технической конференции «Подготовка кадров и современные технологии для ТЭК Западной Сибири»; VIII и IX Международных научно-технических конференциях «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (г. Оренбург, 2010, 2012, 2014) и др. научно-технических конференциях и семинарах.

По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 30 научных работ, из них 20 в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в «Перечень …» ВАК Минобрнауки РФ, одна монография [21] и патент [175], защищена диссертация кандидата технических наук [176].

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность своему научному руководителю доктору технических наук Барышову Сергею Николаевичу за помощь и содействие в постановке цели и задач исследований, совместное творческое обсуждение результатов, выработку выводов и рекомендаций.