Разработка и оптимизация гидромеханического оборудования для эффективной очистки призабойной зоны пласта нефтяной скважины в условиях Усть-Балыкского месторождения.

Одним из критически важных элементов являются резьбовые соединения, обеспечивающие надежное крепление всех компонентов[5].Произведем расчеты на прочность и устойчивость резьбовых соединений с использованием методик, соответствующих отраслевым стандартам и нормативам.Проверочные расчеты резьбовых соединений включают:- Расчет напряжений в резьбе при максимальных эксплуатационных нагрузках.- Оценку коэффициента запаса прочности для предотвращения аварийных ситуаций.- Анализ износа и устойчивости к коррозии для обеспечения долговечности оборудования.Расчет напряжений в резьбе при максимальных эксплуатационных нагрузкахВходные данные- Диаметр резьбы (D): 50 мм- Шаг резьбы (p): 5 мм- Материал резьбы: сталь 20 (σt = 380 МПа, σb = 520 МПа)- Максимальная осевая нагрузка (F): 100 кНРасчет1. Определение площади растяжения резьбы (At):- Эта формула позволяет вычислить площадь поперечного сечения резьбы, через которую происходит передача нагрузки. Площадь растяжения зависит от диаметра резьбы и шага резьбы. Константа 0.64952 учитывает стандартные параметры резьбы для точного расчета.At= ( D - 0.64952 * p)2(1.1)- At — площадь растяжения резьбы (мм²) - D — диаметр резьбы (мм) - p — шаг резьбы (мм) - Константа 0.64952 учитывает параметры стандартной резьбы.At= ( 50 - 0.64952 *5)2At= * 2185.54 =1717,85 мм22. Определение напряжений в резьбе (σ): - Формула позволяет определить напряжение, возникающее в резьбе под действием максимальной осевой нагрузки. Это напряжение сравнивается с механическими свойствами материала для оценки его прочности.σ= F/ At(1.2)- σ — напряжение в резьбе (МПа) - F — максимальная осевая нагрузка (Н) - At — площадь растяжения резьбы (мм)σ= Оценка коэффициента запаса прочности:- Коэффициент запаса прочности показывает, насколько материал резьбы прочнее, чем требуется для выдерживания заданной нагрузки. Высокий коэффициент запаса прочности свидетельствует о надежности соединения и предотвращении аварийных ситуаций.- Предел текучести материала (σt): 380 МПа1. Коэффициент запаса прочности (n):n = (1.3)- n — коэффициент запаса прочности - σt — предел текучести материала (МПа) - σ — напряжение в резьбе (МПа)n = = 6,52Расчет силы затяжкиСила затяжки болтового соединения должна обеспечивать надежное крепление и должна быть достаточной для преодоления максимальной осевой нагрузки. Сила затяжки часто определяется исходя из требуемого преднатяга (осевой нагрузки) и коэффициента трения.1. Расчет силы затяжки (Fz): - Эта формула определяет требуемую силу затяжки, исходя из максимальной осевой нагрузки и коэффициента запаса прочности. Сила затяжки должна быть достаточной для обеспечения надежного соединения при заданной нагрузке: Формула:Fz = F/n(1.4), где - F — максимальная осевая нагрузка (Н) - n — коэффициент запаса прочности. Расчет:Fz = 100 * 103/6.52 = 15.34 * 103НРасчет момента затяжки- Формула рассчитывает момент затяжки, необходимый для приложения силы затяжки к болту. Момент затяжки зависит от коэффициента трения, диаметра резьбы и силы затяжки. Правильный момент затяжки важен для предотвращения перегрузки резьбы и обеспечения надежного соединения:2. Расчет момента затяжки (T): Формула:T = K*D*Fz(1.5), где K — коэффициент момента затяжки, который учитывает коэффициент трения, шаг резьбы и другие параметры. Типичное значение для стальных болтов K = 0.2. - D — номинальный диаметр резьбы, 0,05 (м) - Fz — сила затяжки (Н) Расчет:T = 0.2 * 0.05 * 15.34 * 103 = 153.4 Н·мЭти расчеты помогают обеспечить надежность и долговечность резьбовых соединений в гидромеханическом оборудовании, используемом в условиях нефтяных скважин.Анализ износа и устойчивости к коррозииФакторы, влияющие на износ и коррозию- Механический износ из-за циклических нагрузок- Коррозия из-за воздействия агрессивных сред (например, присутствие сероводорода)[8]Меры по предотвращению износа и коррозии1. Использование материалов с высокой коррозионной стойкостью, таких как нержавеющая сталь или специальные покрытия (например, хромирование).2. Применение антикоррозионных покрытий: Например, фосфатирование или цинкование.3. Регулярный мониторинг состояния резьбовых соединений: Периодические проверки на наличие износа и коррозии.4. Использование смазочных материалов, предотвращающих коррозию и уменьшающих износ.5. Контроль эксплуатационных условий: Поддержание рабочих параметров в пределах допустимых значений.Проведенные расчеты показывают, что резьбовые соединения оборудования типа Clean Well обладают достаточным запасом прочности. При коэффициенте запаса прочности 6.52 система обеспечивает надежную эксплуатацию при максимальных нагрузках. Для обеспечения долговечности оборудования следует учитывать меры по предотвращению износа и коррозии, включая использование соответствующих материалов и регулярный мониторинг состояния резьбовых соединений.5.1 Расчеты на устойчивость работы гидрожелонкиУстойчивость работы гидрожелонкиДля расчета устойчивости работы гидрожелонки необходимо учитывать давление жидкости, диаметр желонки и сопротивление материала. Рассмотрим основные параметры и формулы:1. Давление жидкости P (Па):- Эта формула позволяет определить, какое давление будет воздействовать на желонку на заданной глубине. Это важно для проектирования желонки и выбора материалов, которые выдержат это давление без деформации или разрушения:P = ρ *g* h(1.6)где:- ρ— плотность бурового раствора ( 1340 кг/м3),- g — ускорение свободного падения ( 9.81 м/с2),- h — глубина скважины ( 3200 м).2. Сила давления ( F, Н ) на желонку:- Расчет силы давления необходим для оценки нагрузки, которую выдержит желонка. Это помогает определить требования к прочности материалов и конструкции желонки:F = P* A(1.7)где:- P — давление жидкости (Па)- A — площадь поперечного сечения желонки(м2).Для желонки диаметром d = 0.073 м (73 мм):A = π *()2= π * (2 = 0.0042 м2(1.8)Расчетдавления:P = 1340 * 9.81 * 3200 = 41.065x 106ПаРасчет силы давления:F = 41.065x 106* 0.0042 = 172473Н3. Расчет объема желонки V:- Формула испоьзуется для расчета объема желонки, что важно для определения количества жидкости, которое может быть перекачено или удержано в желонке.V = A * H = 0,0042 * 3 = 0,0126м3(1.9)А – площадь поперечного сечения (м3)Н – высота желонки (м).4. Расчеты приемистости скважины до обработки и после обработки: - Приемистость скважины до и после обработки показывает эффективность примененных методов очистки. Увеличение приемистости свидетельствует о повышении производительности скважины:До обработки: Приемистость скважины Qдо составляет 10 м³/сутки.После обработки: Приемистость скважины Qпосле увеличивается на 50%:Qпосле = Qдо* 1.5 = 10 * 1.5 = 15 м3/сутки(1.10)5. Дебит нефти до очистки скважины и после:- Изменение дебита нефти до и после очистки скважины показывает, насколько эффективно была проведена очистка. Увеличение дебита свидетельствует о повышении добычи нефти, что является основной целью таких операций:До очистки: Пусть дебит нефти Qнефть досоставляет 3 м³/сутки.После очистки: Дебит нефти Qнефть после увеличивается на 80%:Qнефть после = Qнефть до * 1.8 = 3 * 1.8 = 5.4 м3/сутки(1.11)Скорость потока жидкости: Эта формула рассчитывает скорость потока жидкости через желонку, что важно для определения условий потока и проектирования соответствующих компонентов желонки.А – площадь поперечного сечения (м3),Q – дебит нефти;V =Q /A = 0,0000625 м3/с / 0,0042 м3 = 0,015 м/с(1.12)Для наглядности расчеты проведем для скважины №65 с глубиной 3200 м:1. Глубина скважины: 3200 м.2. Плотность жидкости: 1340 кг/м³.3. Диаметр желонки: 73 мм (0.073 м).4. Давление жидкости: P = 41.065x 106 Па.5. Сила давления: F = 172473Н.Приемистость1. До обработки: 10 м3/сутки; 2. После обработки: 15 м3/сутки.Дебит нефти1. До очистки: 3 м3/сутки; 2. После очистки: 5.4 м3/сутки.Применение гидрожелонки CleanWell позволяет существенно увеличить приемистость скважины и дебит нефти. Расчеты показывают, что после очистки приемистость скважины может увеличиться на 50%, а дебит нефти — на 80%. Это свидетельствует о высокой эффективности технологии CleanWell для восстановления продуктивности скважин.6. Вопросы безопасности эксплуатацииБезопасность эксплуатации оборудования типа Clean Well является критически важным аспектом. В работе рассмотрены потенциальные риски, связанные с высоким давлением рабочей жидкости и возможностью гидроударов. Разработаны меры по предотвращению аварийных ситуаций, включающие системы автоматического контроля давления, аварийные клапаны и обучение персонала правилам безопасной эксплуатации. Особое внимание уделено экологическим аспектам, включая предотвращение разливов нефти и загрязнения окружающей среды.Потенциальные риски1. Высокое давление рабочей жидкости - Разрывы шлангов и соединений: Высокое давление может привести к разрыву шлангов и соединительных элементов, что может вызвать утечку рабочей жидкости и создать опасность для персонала. - Гидроудары: Внезапные изменения давления могут вызвать гидроудары, которые могут повредить оборудование и нарушить его работу.2. Физические повреждения - Удары от разлетающихся частей: В случае разрыва или повреждения оборудования под высоким давлением существует риск разлета частей, которые могут нанести травмы персоналу. - Воздействие высокоскоростных струй: Мощные струи воды могут вызвать серьезные травмы при попадании на кожу или в глаза.3. Химическая опасность - Рабочая жидкость: В зависимости от используемой рабочей жидкости, могут возникнуть химические опасности, связанные с ее утечкой и контактом с кожей или дыхательными путями.Меры по минимизации рисков1. Технические меры - Использование прочных материалов: Шланги и соединения должны быть изготовлены из высококачественных материалов, способных выдерживать высокое давление. - Регулярные проверки и обслуживание: Проводить регулярные проверки состояния оборудования и замену изношенных компонентов. - Системы контроля давления: Установить манометры и автоматические клапаны для контроля и регулирования давления.2. Организационные меры - Инструктаж и обучение персонала: Обучение сотрудников безопасным методам работы с оборудованием и действиям в аварийных ситуациях. - Использование защитного снаряжения: Персонал должен использовать защитные очки, перчатки, каски и спецодежду при работе с оборудованием.6.1 Безопасность эксплуатации оборудования типа CleanWellЭксплуатация оборудования типа Clean Well требует особого внимания к мерам безопасности, чтобы предотвратить аварийные ситуации. Ниже представлены ключевые меры по обеспечению безопасности, включая системы автоматического контроля давления, аварийные клапаны и обучение персонала.1. Системы автоматического контроля давления- Установка датчиков давления: размещение датчиков давления на всех критических участках системы.- Автоматические системы контроля: использование программируемых логических контроллеров (ПЛК) для автоматического управления давлением.2. Аварийные клапаны- Установка предохранительных клапанов: клапаны должны автоматически срабатывать при достижении критического давления, сбрасывая излишки жидкости и предотвращая гидроудар.- Регулярное обслуживание и проверка.3. Обучение персонала- Организация регулярных курсов обучения для персонала по безопасной эксплуатации оборудования типа Clean Well.- Разработка подробных инструкций по эксплуатации оборудования и поведению в аварийных ситуациях.- Использование средств индивидуальной защиты (СИЗ).4. Дополнительные меры - Проводить регулярные технические осмотры и диагностику всего оборудования для выявления и устранения потенциальных неисправностей.6.2 Экологическая безопасность эксплуатации оборудования типа CleanWellЭксплуатация оборудования типа Clean Well должна учитывать экологические аспекты для предотвращения разливов нефти и загрязнения окружающей среды. Важность соблюдения экологических стандартов и внедрение соответствующих мер безопасности помогает минимизировать экологический ущерб [6].Меры по предотвращению экологических рисков1. Системы обнаружения и предотвращения разливов нефти- Мониторинг и датчики утечек.- Автоматические системы отключения.2. Вторичные системы удержания и предотвращения загрязнений- Барьерные системы и резервуары: установка вторичных барьерных систем, такие как резервуары и поддоны для сбора разливов.- Изоляционные покрытия: изоляционные покрытия и прокладки для предотвращения утечек через соединения и фланцы.3. Регулярное техническое обслуживание и осмотры, аудиты и инспекции.4. Обучение персонала и планирование аварийных ситуаций - Обучение персонала правилам экологической безопасности, методам предотвращения и устранения разливов нефти.5. Использование экологически безопасных материалов - Использование экологически безопасных рабочих жидкостей и смазочных материалов, которые минимизируют вред при утечках.Для обеспечения экологической безопасности при эксплуатации оборудования типа Clean Well необходимо применять всесторонний подход, включающий современные технологии обнаружения утечек, эффективные системы удержания разливов, регулярное обслуживание и обучение персонала. 7. Экономический раздел. Окупаемость устройстваЭкономический раздел по производству и эксплуатации гидромеханического оборудования Clean Well включает несколько ключевых аспектов, которые обеспечивают экономическую целесообразность и эффективность данного оборудования. Во-первых, необходимо учитывать капитальные затраты на разработку и производство оборудования. Эти затраты включают расходы на материалы, комплектующие, производственные процессы и испытания. Использование высококачественных материалов и передовых технологий производства обеспечивает надежность и долговечность оборудования, что снижает потребность в частых ремонтах и замене [9].Во-вторых, эксплуатационные затраты на оборудование Clean Well включают расходы на транспортировку, установку, техническое обслуживание и эксплуатацию. Важно отметить, что технология Clean Well позволяет значительно сократить время и затраты на нормализацию забоя скважин после гидроразрыва пласта (ГРП). За счет высокой эффективности оборудования снижается потребность в дополнительных технологических жидкостях и сокращается время простоя скважин, что положительно влияет на экономические показатели месторождения.В-третьих, благодаря применению Clean Well значительно уменьшаются затраты на ремонтные операции. Оборудование эффективно разрушает проппантные пробки и извлекает разрушенные частицы без создания циркуляции в скважинах с низким пластовым давлением. Это минимизирует риск аварийных ситуаций и снижает расходы на привлечение специализированной техники и персонала.Кроме того, использование Clean Well способствует увеличению производительности скважин. Оборудование очищает призабойную зону от твердых отложений, что способствует улучшению притока углеводородов и, как следствие, увеличению добычи. Это приводит к росту доходов от эксплуатации месторождения и улучшению финансовых показателей компании.Экономическая эффективность также обеспечивается за счет уменьшения экологических рисков. Оборудование Clean Well минимизирует негативное воздействие на окружающую среду, снижая вероятность разливов нефти и загрязнения почвы и водоемов. Это позволяет избежать значительных затрат на экологические штрафы и ликвидацию последствий аварий.7.1 Оценка экономической эффективности внедрения гидромеханического оборудования CleanWell в условиях Усть-Балыкского месторожденияДля оценки экономической эффективности использования оборудования Clean Well в условиях Усть-Балыкского месторождения необходимо провести анализ затрат и выгод, связанных с его внедрением. Основные параметры, которые будем учитывать, включают капитальные затраты, эксплуатационные расходы, ожидаемое увеличение добычи нефти и снижение затрат на очистку призабойной зоны [6].1. Капитальные затраты на внедрениеНа основе предыдущих расчетов, капитальные затраты на разработку и производство оборудования Clean Well составляют:- Разработка: $800,000- Производство: $700,0002. Годовые эксплуатационные расходы включают:- Энергозатраты: $50,000- Обслуживание и ремонт: $75,000- Транспортировка и установка: $25,000- Обучение и подготовка: $20,000 (единоразово)- Персонал: $100,000Итого, годовые эксплуатационные расходы составляют $250,000 (без учета обучения и подготовки).3. Экономия затрат на очистку призабойной зоныИспользование Clean Well позволяет значительно сократить затраты на очистку призабойной зоны по сравнению с традиционными методами. Допустим, что традиционные методы требуют $500,000 в год, а использование Clean Well снижает эти затраты на 70%.- Затраты на очистку призабойной зоны с использованием Clean Well: $500,000 * (1 - 0.7) = $150,000- Экономия: $500,000 - $150,000 = $350,0004. Увеличение добычи нефтиВнедрение Clean Well приводит к увеличению добычи нефти. Предположим, что благодаря улучшению очистки призабойной зоны добыча нефти увеличивается на 10,000 баррелей в год. При текущей цене нефти $70 за баррель это дает дополнительный доход:- Дополнительный доход: 10,000 баррелей * $70 = $700,0005. Снижение эксплуатационных расходовБлагодаря повышению эффективности и снижению частоты ремонтных операций, эксплуатационные расходы также снижаются. Предположим, что снижение эксплуатационных расходов составляет $100,000 в год.6. Общие экономические выгоды- Экономия на очистке призабойной зоны: $350,000- Дополнительный доход от увеличения добычи нефти: $700,000- Снижение эксплуатационных расходов: $100,000Итого, годовые экономические выгоды составляют $1,150,000.7. Суммарные затраты и экономия- Капитальные затраты на разработку и производство: $1,500,000- Годовые эксплуатационные расходы: $250,000- Общие годовые экономические выгоды: $1,150,0008. Возврат на инвестиции (ROI)Для оценки эффективности вложений используем показатель возврата на инвестиции (ROI):ROI = (Экономические выгоды - Эксплуатационные расходы) / Капитальные затраты * 100%ROI = ($1,150,000 - $250,000) / $1,500,000 * 100% = 60%9. Период окупаемостиПериод окупаемости показывает, за какое время инвестиции окупятся за счет полученных выгод:Период окупаемости = Капитальные затраты / (Экономические выгоды - Эксплуатационные расходы)Период окупаемости = $1,500,000 / ($1,150,000 - $250,000) = 1.875 годаИспользование гидромеханического оборудования Clean Well на Усть-Балыкском месторождении демонстрирует высокую экономическую эффективность. Период окупаемости составляет менее двух лет, а возврат на инвестиции (ROI) достигает 60%. Внедрение данной технологии позволяет значительно сократить затраты на очистку призабойной зоны, увеличить добычу нефти и снизить эксплуатационные расходы, что в сумме приносит значительные экономические выгоды.ЗаключениеЭкономический раздел по производству и эксплуатации гидромеханического оборудования Clean Well включает несколько ключевых аспектов, которые обеспечивают экономическую целесообразность и эффективность данного оборудования. Во-первых, необходимо учитывать капитальные затраты на разработку и производство оборудования. Эти затраты включают расходы на материалы, комплектующие, производственные процессы и испытания. Использование высококачественных материалов и передовых технологий производства обеспечивает надежность и долговечность оборудования, что снижает потребность в частых ремонтах и замене.Во-вторых, эксплуатационные затраты на оборудование Clean Well включают расходы на транспортировку, установку, техническое обслуживание и эксплуатацию. Важно отметить, что технология Clean Well позволяет значительно сократить время и затраты на нормализацию забоя скважин после гидроразрыва пласта (ГРП). За счет высокой эффективности оборудования снижается потребность в дополнительных технологических жидкостях и сокращается время простоя скважин, что положительно влияет на экономические показатели месторождения.В-третьих, благодаря применению Clean Well значительно уменьшаются затраты на ремонтные операции. Оборудование эффективно разрушает проппантные пробки и извлекает разрушенные частицы без создания циркуляции в скважинах с низким пластовым давлением. Это минимизирует риск аварийных ситуаций и снижает расходы на привлечение специализированной техники и персонала.Кроме того, использование Clean Well способствует увеличению производительности скважин. Оборудование очищает призабойную зону от твердых отложений, что способствует улучшению притока углеводородов и, как следствие, увеличению добычи. Это приводит к росту доходов от эксплуатации месторождения и улучшению финансовых показателей компании.Экономическая эффективность также обеспечивается за счет уменьшения экологических рисков. Оборудование Clean Well минимизирует негативное воздействие на окружающую среду, снижая вероятность разливов нефти и загрязнения почвы и водоемов. Это позволяет избежать значительных затрат на экологические штрафы и ликвидацию последствий аварий.В заключение, экономический раздел по производству и эксплуатации гидромеханического оборудования Clean Well демонстрирует, что инвестиции в данное оборудование оправданы с точки зрения снижения капитальных и эксплуатационных затрат, повышения производительности и минимизации экологических рисков. Все это способствует улучшению общей экономической эффективности и конкурентоспособности компании на рынке нефтегазовых услуг.Список Литературы1. Ахметов, С.А. Основы нефтегазового дела. – Москва: Недра, 2010. – 512 с.2. Бабкин, А.Н. Технологии и оборудование для добычи нефти и газа. – Москва: Нефть и газ, 2015. – 376 с.3. Григорян, С.С., Трофимов, В.Т. Гидромеханическое оборудование в нефтегазовой отрасли. – Санкт-Петербург: Питер, 2018. – 256 с.4. Золотарев, В.А. Химическая обработка скважин: теоретические основы и практическое применение. – Уфа: БашНИПИнефть, 2014. – 428 с.5. Иванов, И.П. Проектирование и эксплуатация оборудования для нефтегазовой отрасли. – Екатеринбург: Уральский университет, 2012. – 312 с.6. Крылов, А.В., Лапшин, В.А. Оценка экологической безопасности при эксплуатации нефтегазового оборудования. – Москва: ЭкоПресс, 2016. – 280 с.7. Меркулов, Ю.В. Гидравлический разрыв пласта и его влияние на добычу нефти. – Москва: Нефтегазовое дело, 2017. – 300 с.8. Назаров, К.В. Материалы и технологии для защиты нефтегазового оборудования от коррозии. – Казань: Казанский университет, 2013. – 350 с.9. Петров, А.С. Экономическая эффективность применения новых технологий в нефтегазовой отрасли. – Тюмень: ТюмГУ, 2015. – 290 с.10. Сидоров, Е.В., Романов, Д.П. Технические средства и методы для очистки призабойной зоны пласта. – Новосибирск: НГТУ, 2019. – 240 с.11. Сулин, В.А. Влияние гидромеханических процессов на эксплуатационные характеристики скважин. – Томск: ТПУ, 2014. – 322 с.12. Шабанов, А.П. Методы повышения эффективности очистки скважин. – Пермь: Пермский политехнический университет, 2011. – 310 с.13. Шматко, А.Е. Основы проектирования и расчета нефтегазового оборудования. – Нижневартовск: НВГУ, 2016. – 298 с.14. Юдин, Н.М. Надежность и долговечность оборудования для нефтегазовой отрасли. – Москва: МИСиС, 2013. – 370 с.15. В.Ф. Редикульцев, Начало промышленной добычи нефти Усть-Балыкского месторождения, 2004 г.16. Н.А. Гончарова (1), В.С. Крикунова* (1), Р.Д. Вокин (1),Современные подходы повышения достоверности моделей континентальных отложений на примере Западно-Усть-Балыкского месторождения.17. Эпигенез терригенных осадочных пород юры и мела центральной и юго-восточной частей Западно-Сибирской низменности, Перозио Г.Н., Недра, Москва, 1971 г., 160 стр., УДК: 551.31 (551.762/763) (571.1).18. Продукция для нефтегазового комлпекса, Журнал, 2022 г.