На этапе эксплуатации оборудования

2) обучение специалистов цехов, отделов и лабораторий по сбору, обработке и анализу данных по надежности в единой информационной среде нефтегазодобывающего общества и помощь им;

3) постоянное совершенствование системы сбора и обработки данных по надежности оборудования на основе современных программных комплексов и развитых средств ЭВТ.

Основные элементы программы управления надежностью на этапе эксплуатации приведены на рис. 4.6.

5. Причины отказов оборудования при эксплуатации

5.1. Специфика условий эксплуатации оборудования для бурения скважин, добычи и подготовки нефти и газа

Несмотря на многообразие функционально и конструктивно отличающихся видов оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи по условиям эксплуатации следует различать две основные группы оборудования: наземное и скважинное. Большинство видов наземного оборудования эксплуатируется на открытом воздухе, поэтому они подвергаются внешним климатическим воздействиям. Климатические условия весьма разнообразны. В северных районах температура воздуха в зимний период снижается до минус 50 °С, а иногда и до минус 60 °С. В южных районах температура воздуха в летний период достигает плюс 50 °С. Климатические условия влияют на тепловой режим работы оборудования, коррозионную активность окружающей среды, трудоемкость и качество технического обслуживания и ремонта.

При эксплуатации в условиях низких температур возникает опасность разрушения металлоконструкций, вызванная повышением хрупкости материалов, выхода из строя устройств для осушения сжатого воздуха и удаления жидкого конденсата, систем управления. В результате преждевременного разрушения или изменения свойств материалов уплотнений и шлангов нарушается работа систем смазки, что вызывает возрастание сил трения и интенсивный износ деталей и механизмов.

При эксплуатации в условиях высоких температур окружающего воздуха возможно преждевременное разрушение деталей, изготавливаемых из резины и полимерных материалов.

При значительной запыленности воздуха возрастает износ трущихся поверхностей. Степень абразивного воздействия пыли изменяется в широких пределах и зависит от ее дисперсности, формы, размера и твердости частиц.

Износ различных сопряжений оборудования существенно возрастает при проникновении пыли через уплотнительные устройства к поверхностям трения. Поэтому в условиях большой запыленности качество уплотнений и уход за ними оказывают решающее влияние на ресурс сопряжений оборудования.

Подземное оборудование и внутренние рабочие полости наземного оборудования испытывают воздействие различных жидких и газообразных технологических и эксплуатационных сред. По механизму контактного взаимодействия с конструкционными материалами, используемыми для изготовления различных элементов оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи, разнообразные технологические и эксплуатационные среды могут быть разделены на ряд групп: абразивные, сорбционно-активные, химически активные, электрохимически активные и инертные. Такое деление является условным. Одна и та же среда может быть абразивной, сорбционно-активной, электрохимически активной или химически активной по отношению к одному материалу и инертной по отношению к другому, что в значительной степени определяется свойствами самого материала и условиями его контактного взаимодействия со средой.

Механизм контактного взаимодействия абразивной среды с поверхностями элементов оборудования заключается в режущем или царапающем действии этой среды по отношению к поверхностям оборудования.

Механизм контактного взаимодействия сорбционно-активных сред с конструкционными материалами основан на явлениях адсорбции среды на поверхности материала и ее абсорбции объемом материала, приводящих к изменению прочности и деформационных свойств этого материала.

Адсорбцией называется поглощение поверхностью твердого тела молекул, атомов и ионов другого вещества, находящихся в окружающей среде.

Силы притяжения поверхностных молекул, атомов и ионов твердых тел, подобно поверхностным молекулам жидкости, не уравновешены притяжением молекул другой фазы, и результирующая сила направлена внутрь твердого тела. Вследствие этого твердые тела, так же как и жидкости, обладают определенным запасом свободной поверхностной энергии и стремятся уменьшить величину этой энергии до минимального при данных условиях значения. Этим объясняется способность твердых тел адсорбировать газы и жидкости; при этом твердое тело является сорбентом, а вещество поглощаемое - сорбтивом. Сорбционные процессы в зависимости от того, насколько глубоко проникают частицы сорбтива в сорбент, носят различное название. Хотя всякий сорбционный процесс начинается на поверхности раздела фаз, однако закончиться он может двояким образом. Пока газ или жидкость остаются на поверхности пронизывающих твердое тело микроканалов, полостей или трещин, не внедряясь между молекулами, атомами или ионами твердой фазы, мы говорим, что среда является адсорбированной.

Адсорбция происходит за счет сил межмолекулярного притяжения (ван-дер-ваальсовых), сопровождается небольшим положительным тепловым эффектом и является обратимым процессом. Ее обычно называют физической адсорбцией. В ряде случаев при адсорбции образуются поверхностные химические соединения, при этом затрачивается энергия активации; адсорбция такого вида называется активированной. Адсорбция этого вида может быть необратимой. Скорость физической адсорбции при всех температурах достаточно велика и на гладкой поверхности протекает почти мгновенно, в то время как скорость активированной адсорбции резко увеличивается с повышением температуры. Поэтому при низких температурах происходит, в основном, физическая адсорбция, а при высоких - активированная.

Поверхностная энергия твердого тела во многом определяет такие важные свойства поверхности как смачивание и адгезия. При соответствии знака полярности любые жидкости тем лучше смачивают твердое тело, чем выше его поверхностная энергия. Наиболее высокой поверхностной энергией (более 500 МДж/м²) обладают металлы, их окислы, сульфиды, нитриды, стекло. Низкой поверхностной энергией обладают полимеры (18 - 60 МДж/м²).

Твердые поверхности, смачиваемые водой, называются гидрофильными, а на которых вода не растекается - гидрофобными. Гидрофобные неполярные поверхности преимущественно смачиваются жидкими углеводородами, тогда как гидрофильные - водой. Изменяя природу материала поверхности твердого тела, можно придавать ей гидрофильные или гидрофобные свойства. В ряде случаев процесс поглощения вещества твердым телом, начавшись на поверхности, распространяется в объеме этого тела. Подобный процесс объемного поглощения твердым телом жидкости или газа получил название - абсорбция. В результате абсорбции уменьшается межмолекулярное взаимодействие в твердом теле, обусловленное более активным молекулярным взаимодействием сорбента и сорбтива. Примером абсорбции может служить поглощение металлом водорода, полимером водной среды и т.п. Следствием абсорбции полимером жидких сред является его набухание или растворение, что приводит к изменению прочности и деформационных свойств.

К электрохимически активным средам относятся среды, обладающие свойствами электролита. Электрохимическая активность этих сред проявляется преимущественно при контакте с металлами и сплавами и обусловливает протекание электрохимической коррозии, представляющей самопроизвольный процесс разрушения металлов в электролитически проводящей среде. Разрушение металла в этом случае является результатом работы коррозионных элементов на отдельных участках поверхности металла, образующихся вследствие электрохимической гетерогенности этой поверхности. Основными причинами электрохимической гетерогенности поверхности, обусловливающими образование на ней анодных и катодных участков, являются наличие различных примесей в металле, анизотропность кристаллической решетки, присутствие окислов и загрязнений на поверхности металла, неравномерное напряженное состояние в микрообъемах металла и др.

В большинстве случаев продукция добывающих скважин представляет собой многокомпонентную электролитически проводящую среду, состоящую из нефти, пластовой воды, свободного или растворенного углеводородного газа и ряда других растворенных примесей, определяющих ее электрохимическую активность по отношению к металлу (сероводород, углекислый газ, кислород, минеральные соли и др.). При контакте металла оборудования с подобной средой развивается его интенсивная электрохимическая коррозия.

Агрессивность самих нефтей, например девонской или угленосной свиты, ничтожно мала в том случае, если в них не содержится вода. Содержащаяся в продукции скважин вода образует с нефтью стойкие эмульсии.

Из многих факторов, оказывающих влияние на коррозионную активность подобной системы, важнейшее значение имеет соотношение воды и нефти.

В настоящее время для интенсификации добычи нефти применяют, в основном, искусственное поддержание пластового давления путем закачки в пласт пресных и сточных вод. В результате значительно возрастает обводненность нефти и, следовательно, увеличивается коррозионная активность продукции скважин. Известно, что пластовая вода, добываемая совместно с нефтью, представляет собой высокоминерализованную среду, содержащую ионы хлора, карбонатов и бикарбонатов, сульфатов калия, магния, натрия, железа. В ней могут быть растворены газообразные примеси - сероводород, диоксид углерода, углеводородные газы и др.

Разнообразные причины отказов различных элементов оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи, обусловленные рассмотренной спецификой условий его эксплуатации, можно разделить на семь основных групп:

деформация и излом;

износ;

коррозионные разрушения;

сорбционные разрушения;

коррозионно-механические разрушения;

сорбционно-механические разрушения;

образование отложений твердых веществ.