Ежегодно нефтегазодобывающие компании проводят работы по текущему и капитальному ремонту нефтяных и газовых скважин, расположенных на месторождениях Западной Сибири. Для ремонта скважин применяются мобильные буровые комплексы (МБК), дооснащенные системами верхнего привода (СВП). СВП расширяют технологические возможности, повышают скорость и безопасность проведения работ [1][2] успешное производство данных систем освоено как отечественными предприятиями, так и иностранными, расположенными в США, Германии, Франции, Китае [1–5].

Ежегодно нефтегазодобывающие компании регистрируют значительное количество отказов СВП, приводящих к остановке всего технологического процесса ремонта скважин, значительным экономическим потерям, что влечет за собой необходимость проведения ремонтно-восстановительных работ как на месторождении нефти и газа, так и на территории баз производственного обслуживания [6].

С целью обеспечения требуемого уровня надежности СВП нефтегазодобывающим компаниям необходимо обеспечить сбор и анализ статистических данных фактической эксплуатации, что позволит обоснованно принимать управленческие решения, собрать и обработать статистические данные по простоям и отказам.

От 30 до 50 % простоев бригад по текущему и капитальному ремонту скважин вызвано отказами мобильного бурового комплекса, оставшиеся 50–70 % простоев вызваны низкой организацией работ и метеоусловиями. В связи с суровыми условиями Западной Сибири в осенне-зимний период наблюдается значительное увеличение количества простоев.

Наибольшее количество отказов элементов МБК регистрируется в системе верхнего привода – от 31 до 34 %, буровой лебедке – от 17 до 26 %, двигателе – от 7 до 10 %, гидравлической системе – от 7 до 8 % (рис. 1–2).

СВП эксплуатируются в суровых условиях Западной Сибири, а в сочетании с действующими нагрузками регистрируется значительное количество отказов.

Отказ элементов СВП в процессе ремонта нефтяных и газовых скважин зачастую приводит к остановке всего технологического процесса, а при отказе основной рабочей функции (вращение буровой колонны) даже в аварийных режимах может привести к потере дорогостоящего оборудования и скважины.

Загрязнение участков местности, человеческие жертвы, потеря дорогостоящего оборудования и, как следствие, значительные финансовые потери – вот характерные результаты отказов СВП, поэтому дальнейшее повышение надежности, безопасности эксплуатации СВП является одной из приоритетных задач эксплуатирующих компаний.

Около 65 % всех случаев простоев вызвано отказами оборудования мобильных буровых комплексов, состоящих из подъемного агрегата, системы верхнего привода, установок насосных буровых и вспомогательного оборудования; остальные причины вызваны низкой организацией работ и метеорологическими условиями. Также наблюдается рост количества простоев по причине отказа элементов ПА, СВП, УНБ, который объясняется выработкой ресурса, низким качеством выполнения ремонтно-восстановительных работ и запасных частей. Статистические данные по простоям МБК, вызванным отказами оборудования, и восстановлению его в работоспособное состояние представлены в таблице.

Анализ статистических данных причин простоев МБК, связанных с отказами его подсистем, позволяет качественно оценить степень надежности. Для более детальной оценки надежности МБК необходимо вычислить один из основных показателей надежности – вероятность безотказной работы, интенсивности отказов элементов (ПА, СВП, УНБ, вспомогательного оборудования) [7–15].

Под вероятностью безотказной работы (далее – ВБР) объекта понимается вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет.

ВБР является основной количественной характеристикой безотказности объекта на заданном временном интервале [8][9][13].

Результаты расчета ВБР элементов 60 единиц СВП представлены на рис. 3–4.

У подшипников 32028Х, В7032 наблюдается относительно равномерное и быстрое снижение ВБР практически с первых часов эксплуатации: до 20 000 часов, ВБР ≥ 0,6, что говорит о низкой функциональной надежности анализируемых элементов. У гидробазиса MFA, крана шарового, ролика конусного ходового, подшипника 29403, индуктивного датчика, подшипника роликового наблюдается ВБР на достаточно высоком уровне: ВБР ≥ 0,82 до 12 000 часов, но затем наблюдается резкое уменьшение, что говорит о достаточно высокой функциональной надежности, но только до 12 000 часов эксплуатации.

Труба грязевая обладает сравнительно низкой ВБР ≥ 0,2 до 6 000 часов эксплуатации, что возможно объяснить тяжелым режимом работы и низким качеством составных элементов.

Элементы СВП: гидравлический аксиально-поршневой насос, гидрораспределитель DHA, подшипник 32224, гидротормоз ORTLINGHAUS, ролик цилиндрический упорный, ремкомплект шарового крана – обладают достаточно высокой надежностью вплоть до 28 000 часов эксплуатации с ВБР ≥ 0,9, далее наблюдается снижение ВБР ≥ 0,6 до 46 000 часов эксплуатации, а у гидротормоза ORTLINGHAUS ВБР ≥ 0,9 наблюдается до 54 000 часов эксплуатации.

Выполнен расчет интенсивности отказов элементов 60 единиц СВП.

Интенсивность отказов (далее – ИО) – это отношение числа отказавших объектов в единицу времени к среднему числу объектов, продолжающих исправно работать в данный интервал времени.

,

где Δn (Δt) – число отказов объекта за промежуток времени от (t – Δt/2);

,

где Ni –1 – число исправно работающих объектов в начале интервала времени Δt;

Ni – число исправно работающих объектов в конце интервала времени Δt.

ИО часто называют λ-характеристикой. Она показывает, какая часть объектов выходит из строя в единицу времени по отношению к среднему числу исправно работающих объектов [4][5].

На основе собранных статистических данных фактической эксплуатации СВП на месторождениях Западной Сибири выполнен расчет интенсивности отказов, представленный в графическом виде на рис. 5–6.

У трубы грязевой наблюдается резкое увеличение ИО практически с первых часов эксплуатации: ИО ≤ 0,2 до 4 000 часов. Далее наблюдается резкое снижение, и к 8 000 часов ИО ≤ 0,02; в период с 8 000 до 13 000 часов ИО ≤ 0,02. У подшипников 32028Х, В7032 ИО не превышает 0,04 практически на всем интервале времени эксплуатации от начала до 50 000 часов, за исключением локального увеличения ИО до 0,08 в интервале времени от 4 000 до 10 000 и от 35 000 до 39 000 часов эксплуатации.

ИО гидробазиса MFA, крана шарового, ролика конусного ходового, индуктивного датчика, подшипника роликового не превышает 0,06, за исключением локального увеличения ИО до 0,11 у гидробазиса MFA в периоде от 34 000 до 36 000 часов. ИО до 0,1 ролика конусного ходового в периоде от 39 000 до 41 000 часов и ИО до 0,09 подшипника роликового в период от 2 000 до 5 000 часов эксплуатации. ИО подшипника 29403 не превышает 0,07 от начала эксплуатации и до 46 000 часов эксплуатации.

ИО элементов СВП: гидравлического аксиально-поршневого насоса, гидрораспределителя DHA, подшипника 32224, гидротормоза ORTLINGHAUS, ролика цилиндрического упорного, ремкомплекта шарового крана – не превышает 0,08, за исключением локального роста ИО у ремкомплекта шарового крана до 0,15 в период от 32 000 до 33 000 часов, до 0,23 в период от 46 000 до 48 000 часов, у гидрораспределителя DHA до 0,15 в период от 46 000 до 48 000 часов и у гидротормоза ORTLINGHAUS до 0,15 в период от 57 000 до 58 000 часов эксплуатации.

Анализ вероятности и интенсивности отказов СВП и ее элементов позволит определить требуемое количество запасных частей и СВП и разработать мероприятия по устранению причин отказов, что повысит надежность и безопасность эксплуатации СВП, смонтированной на МБК. Сопоставление полученных данных по интенсивности отказов, вероятности безотказной работы и других показателей со стоимостью мероприятий по устранению как самих отказов, так и причин позволит рассчитывать риски. Полученные данные позволят выстроить оптимальную экономическую модель работы и развития нефтегазодобывающего предприятия.

Среднее время восстановления в работоспособное состояние СВП составляет 13,3 часа, что является максимальным из сравниваемых групп оборудования и объясняется высокой конструктивной сложностью СВП и ее элементов. Высокая конструктивная сложность значительно повышает трудоемкость и увеличивает время восстановления в работоспособное состояние (от поиска причины неисправности, замены отказавшего элемента или узла до проведения пусконаладочных работ и ввода в эксплуатацию). На восстановление в работоспособное состояние ПА и УНБ в среднем тратится около 11 часов, на восстановление в работоспособное состояние ВО тратится около 2,2 часа. Такое относительно малое время объясняется наличием резервного оборудования, относительной низкой конструктивной сложностью и высоким уровнем надежности элементов.

Анализ исследуемых данных рис. 1–6 и таблицы позволит качественно оценить надежность элементов СВП, эксплуатируемых в составе МБК. Отличительной особенностью выполненных расчетов и полученных результатов является то, что для расчетов были использованы данные фактической эксплуатации СВП. Выполненный расчет предназначен для оценки функциональной надежности СВП, позволяющей обоснованно принимать управленческие и технические решения для обеспечения требуемого уровня функциональной надежности СВП, эксплуатируемых в районах Западной Сибири.