книги из ГПНТБ / Бабаев С.Г. Надежность и долговечность бурового оборудования

РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Оценку надежности бурового оборудования производили на основании статистических данных об отказах оборудования, эк­ сплуатируемого на буровых контор бурения объединения «Аз­ нефть».

В результате оценки надежности установлены законы рас­ пределения времени безотказной работы и вычислены количе­ ственные показатели безотказности основных видов бурового оборудования и его узлов, которые приведены в табл. 1.

Роторы и вертлюги

На рис. 1, а приведена зависимость вероятности безотказной работы роторов от глубины бурения. Как видно, вероятность безотказной работы роторов резко уменьшается с увеличением глубины бурения. Если при глубине 1500 м она составляет 0,9, то при глубине 4500 м — всего 0,1.

10

и

12

Анализ характеристик надежности роторов У7-520-3 и Р560Ш8 показывает, что они практически обеспечивают нормальную проходку скважин глубиной только до 2500 м. При этом вероят­ ность безотказной работы их равна 0,8—0,6. Интенсивность от­ казов роторов с увеличением глубины резко возрастает, и при глубине 5000 м интенсивность отказов в 20 раз больше, чем при глубине 1500 м.

На рис. 1, б приведены зависимости вероятности безотказной работы от глубины бурения для вертлюгов У6-ШВ14-160М, ШВ14-160 и ШВ15-300.

Вертлюги ШВ 15-300, рассчитанные на статическую нагруз­ ку 300 т, применяются, как правило, при бурении скважин на глубину 3000 м и более. Вероятность безотказной работы верт­ люгов ІІІВ15-300, как видно из графика, значительно превышает вероятность безотказной работы вертлюгов ШВ 14-160. Если при глубине 5000 м первые имеют вероятность безотказной работы, равную 0,2, то вторые — 0,02, т. е. в 10 раз меньше.

Интерес представляет характер изменения интенсивности от­ казов вертлюгов ШВ 15-300. В начальный период работы интен­ сивность их отказов увеличивается (до глубины 4000 м), а затем снижается. Интенсивность отказов вертлюгов ШВ14-160 резко возрастает с глубины 3500 м.

Анализ характеристик надежности вертлюгов показывает, что вертлюги ШВ14-160 работоспособны только до глубин 3000 м. На глубинах свыше 3000 м надежность их резко сни­ жается. Работа же вертлюгов ШВ 15-300 в диапазоне глубин 3000—5000 м более надежна.

Анализ статистических данных не позволяет установить ос­ новные причины отказов роторов и вертлюгов. Однако имею­ щееся резкое повышение интенсивности их отказов с увеличе­ нием глубин бурения позволяет сделать предположение о воз­ можных нарушениях нормальных режимов изнашивания, так как с увеличением глубин бурения значительно возрастают на­ грузки на несущие элементы ротора и вертлюга.

Буровые лебедки

Число отказов некоторых буровых лебедок вследствие выхо­ да из строя цепей н тормозных лент в среднем на период бурения одной скважины составляет 108, а средняя наработка на отказ по рассматриваемым буровым 38 ч.

На рис. 1, в приведен график зависимости вероятности безот­ казной работы буровых лебедок У2-5-5 от глубины бурения. Как видно из графика, характерным является резкое уменьшение ве­ роятности безотказной работы лебедок с увеличением их нара­ ботки.

13

Анализ причин отказов показывает, что большинство отка­ зов лебедок легко устраняется в условиях буровых. Исключение составляют отказы гидравлических тормозов и, в особенности, тормозных шкивов.

В результате обследования 324 буровых (см. табл. 1) была установлено, что значительно чаще выходят из строя тормозные: шкивы лебедок У2-5-5. Так, по отношению к общему количе­ ству обследованных буровых лебедок У2-5-5 и У2-4-8 число слу­ чаев выхода из строя тормозных шкивов составило соответствен­ но 69 и 33%.

Проведенная оценка надежности тормозных шкивов буровых лебедок У2-5-5 и У2-4-8 выявила необходимость проведения ши­ роких промысловых II лабораторных исследований по установ­ лению причин аварийных отказов шкивов и разработке эффек­ тивных мероприятий по повышению их долговечности.

Талевая система

Среди всего комплекса бурового оборудования наиболее от­ ветственной частью является талевая система, которая должна обладать высокой надежностью, поскольку внезапный отказ ее узлов может привести к тяжелым осложнениям. Особенно важ­ но, чтобы талевая система работала безотказно в процессе бу­ рения при нахождении инструмента на забое, а также при спу­ ско-подъемных операциях.

Анализ статистических данных показывает, что большинствоотказов талевой системы происходит по причине потери работо­ способности талевого каната. Все прочие отказы узлов талевой системы (выход из строя защелки рога крюка, поломка пружины ствола крюка и другие) отмечаются значительно реже.

По двадцати четырем буровым глубиной свыше 4000 м от­ мечено всего сорок пять отказов узлов талевой системы за иск­ лючением случаев замены и перетяжки талевого каната. Из них шесть отказов вызваны неисправностью кронблока, двадцать пять — талевого блока и четырнадцать — крюка. Средняя нара­ ботка на отказ имеет высокое значение — 2262 ч. Однако важно отметить, что большинство отказов привело к необходимости смены узлов талевой системы.

Буровые насосы

Анализ показывает, что наибольшее число отказов (около 70%) буровых насосов относится к случаям, когда время рабо­ ты между отказами не превышает 20 ч. Менее 7% отказов при­ ходится на долю случаев, когда время работы между отказами составляет более 60 ч. В большинстве случаев (около 80%) вре­

тическое отклонение оп = 2,73 ч).

14

Поскольку при подъеме и спуске колонны инструмента для смены изношенного долота имеются технологические остановки буровых насосов, то для проведения осмотров, технического об­ служивания и ремонта их целесообразно использовать эти тех­ нологические простои. Если сопоставить затраты времени на спуско-подъсмиые операции в зависимости от глубины скважи­ ны и данные по затратам времени па проведение ремонтов бу­ ровых насосов, то оказывается, что в большинстве случаев ре­ монтные работы можно проводить в период технологических про­ стоев.

На рис. 1, г изображен график зависимости вероятности бе­ зотказной работы буровых насосов от времени их наработки. Как видно из графика, среднему времени наработки на отказ соответствует вероятность безотказной работы, равная пример­ но 0,4. Характерным является резкое уменьшение вероятности безотказной работы насосов с увеличением наработки между отказами, что свидетельствует о низкой надежности применяе­ мых насосов.

В табл. 2 на основании обработки данных по некоторым скважинам глубиной свыше 4300 м приведено распределение

При проведении буровых работ цикл строительства скважи­ ны начинается с монтажа оборудования и заканчивается демон­ тажем и переброской его на новый объект. На указанные опе­ рации затрачивается определенное время и, следовательно, не­ сколько увеличивается время нахождения установки в бурении. Под временем монтажа и демонтажа в данном случае подра­ зумеваются затраты времени на строительство вышки, монтаж буровой установки, перетаскивание с точки на точку и демонтаж буровой установки после проводки скважины. При расчете не­ обходимого бурового оборудования это учитывается введением коэффициента оборачиваемости [6].

Однако коэффициент оборачиваемости буровых установок,

15

учитывает затраты времени не только на монтаж и демонтаж оборудования, но и на транспортировку и ремонт буровых уста­ новок, а также на пребывание их в резерве. Таким образом, при­ способленность буровых установок к монтажу и демонтажу, а также влияние частого монтажа и демонтажа бурового оборудо­ вания не оцениваются, тогда как последнее приводит к законо­ мерному понижению уровня надежности.

Время, затрачиваемое на монтаж и демонтаж, во многом за­ висит от конструкции и блочности применяемых буровых уста­ новок. условий эксплуатации бурового оборудования, степени квалификации обслуживающего персонала, организации произ­ водства, природно-климатических условий и др.

Для оценки монтажеспособности бурового оборудования при­ нят коэффициент монтажеспособности буровых установок, опре­ деляемый как отношение времени производительного исполь­ зования буровой установки ко времени проводки скважины без учета времени пребывания буровой установки в капитальном ремонте, транспортировке на ремонтную базу (и обратно) и ре­ зерве, т. е. ко времени нахождения бурового оборудования в бу­ рении.

Коэффициент монтажеспособности буровой установки определяется по формуле

го (заданного) промежутка времени (например, одного кален­ дарного года).

Частота монтажа w для заданных значений коммерческой скорости в зависимости от вида бурения может быть опреде­ лена из следующего соотношения [6]:

установки; Ко.о — коэффициент оборачиваемости буровой уста­ новки.

Учитывая зависимость среднего времени на монтаж и демон­ таж буровой установки і *.д от различных факторов, для ко­

личественной оценки монтажеспособности были собраны ста-

16

Хм-д = 0,73^0,94 (для обеих целен бурения — разведочного п эксплуатационного). При этом более низкие значения /См-д со­ ответствуют районам с наиболее тяжелыми условиями работы или меньшей долей блочного монтажа бурового оборудования, например, для объединения «Туркмепнефть».

Таким образом, на монтаж и демонтаж буровых установок затрачивается в некоторых случаях до 27% производительного времени.

Повысить использование буровых установок можно за счет улучшения монтажеспоеобности буровых установок, а также за счет более широкого применения блочного монтажа и повы­ шения квалификации буровых бригад.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИИ, СВЯЗАННЫЕ С ПОВЫШЕНИЕМ НАДЕЖНОСТИ

БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Проведенная на основе статистических данных оценка на­ дежности бурового оборудования ие только позволила выявить узлы и детали, имеющие низкую надежность, по и установить законы распределения времени (периода) безотказной работы оборудования, что дает возможность приближенно судить о физической природе отказов.

По имеющимся данным [9, 22], близость функции плотности распределения времени безотказной работы к нормальному пли логарифмически нормальному распределениям характерно в ос­ новном для случаев, когда отказ машин и механизмов происхо­ дит вследствие износа деталей и усталости. Близость функции плотности распределения времени безотказной работы к экспо­ ненциальному распределению характерно для узлов и дета­ лей, работающих с преобладанием так называемых внезапных отказов [9, 46]. И, наконец, близость функции плотности рас­ пределения времени безотказной работы к распределению Вейбулла характерно для случаев, когда отказ деталей и узлов происходит как вследствие износа и усталости (постепенные от­ казы), так и по причине аварийных разрушений (внезапные отказы) [57].

Таким образом, следует предположить, что для роторов и вертлюгов отказы основных деталей бывают главным образом

так и из-за внезапных выходов из строя деталей. Необходимо однако учитывать, что сложная система может подчиняться экс­ поненциальному закону и в тех случаях, когда этому закону не следуют элементы, но отказавшие элементы восстанавливаются в процессе работы системы [64]. Последнее также характерно для буровых насосов.

18