Инновационный подход к анализу работы бурильного инструмента

Innovative approach to analysis drilling tool works

R.I. GUBAYDULLIN
OOO Management
Company Tatburneft
Almetyevsk, Republic
of Tatarstan, 423450,
Russian Federation

Информационные технологии уже давно являются неотъемлемой частью нашей жизни, нефтегазовая отрасль также подверглась естественной IT-эволюции. Современные технологии позволили автоматизировать основные процессы и структурировать существующий порядок работы, но все еще остаются нерешенные проблемы, одной из которых является мониторинг полного жизненного цикла бурильных труб и прогнозирование накопления усталостных повреждений. В большинстве случаев выход из строя бурильных труб связан с усталостным разрушением, которое начинается с микротрещин в результате воздействия переменных напряжений в процессе строительства скважины (бурения).

В настоящее время не существует эффективных методов контроля накопленных усталостных повреждений или остаточной долговечности трубы при заданном уровне напряжений. В связи с этим для более достоверной оценки состояния бурильных труб требуется система, которая будет учитывать весь перечень факторов, влияющих на скорость накопления усталостных повреждений в теле трубы, и позволит рассчитать (спрогнозировать) накопленный усталостный износ бурильных труб с использованием данных режимов бурения и параметров скважины.

Понимание механизма накопления усталостного износа, приводящего к выходу из строя бурильных труб, дает возможность управлять данным процессом, существенно сократить затраты на содержание фонда бурильных труб и снизить инциденты с бурильными трубами.

Information technologies have long been an integral part of our lives, and the oil and gas industry has also undergone natural IT evolution. Modern technologies have allowed to automate the basic processes and structure the existing order of work, but there are still unresolved problems, one of which is monitoring the full life cycle of drill pipes and predicting the accumulation of fatigue damage. In most cases, the failure of the drill pipes is associated with fatigue destruction, which begins with microcracks as a result of exposure to variable stresses during the construction of the well (drilling).
Currently, there are no effective methods to control accumulated fatigue damage or residual durability of the pipe at a given level of stress. In this regard, a system is required for a more reliable assessment of the condition of the drill pipes, which will take into account the whole list of factors influencing the rate of accumulation of fatigue damage in the body of the pipe and will allow to calculate (predict) the accumulated fatigue of the drilling pipes, using data from drilling regimes and well parameters.
Understanding the mechanism of accumulation of fatigue wear, which leads to the failure of drilling pipes, makes it possible to manage this process, significantly reduce the cost of maintenance of the drilling pipe fund and reduce incidents with drilling pipes.

Введение
В настоящее время многие буровые компании осуществляют учет наработки на комплекты бурильных труб в процессе эксплуатации по метрам проходки и/или часам циркуляции. Данная методика расчета наработки не позволяет дать корректную оценку текущего состояния бурильных труб, поскольку не учитывает в полной мере условия эксплуатации в скважине. Также в настоящее время не существует эффективных методов контроля накопленных усталостных повреждений или остаточной долговечности бурильной трубы, а большинство выходов из строя бурильных труб связано именно с усталостным разрушением, которое происходит в результате воздействия переменных напряжений в процессе бурения.
Существующие методы дефектоскопии не позволяют диагностировать формирование усталостных микротрещин на ранней стадии. Бурильные трубы, которые были проверены существующими методами контроля (визуально-измерительный и неразрушающий контроль) и оказались бездефектными, могут при дальнейшей работе очень быстро выйти из строя из-за накопления усталостных повреждений.
В связи с этим становится важным иметь возможность спрогнозировать возникновение накопленных усталостных повреждений в процессе эксплуатации бурильных труб.
Как мы знаем, достаточно давно имеется значительное количество научных статей [1; 2; 3; 4; 5] и руководящих указаний [6; 7; 8], где описаны механизмы развития усталостных микротрещин, методики оценки накопленного усталостного износа бурильных труб, а также прототип информационной системы, позволяющей регистрировать накопление усталостных повреждений с помощью технологии RFID-идентификации.

Бурильные трубы, которые были проверены существующими методами контроля (визуально–измерительный и неразрушающий контроль) и оказались бездефектными, могут при дальнейшей работе очень быстро выйти из строя из–за накопления усталостных повреждений.

RFID (англ. Radio Frequency Identification – радиочастотная идентификация) – это технология бесконтактного обмена данными, основанная на использовании радиочастотного электромагнитного излучения. RFID применяется для автоматической идентификации и учета объектов.
Однако в практике отсутствуют реализованные и проверенные системы, позволяющие регистрировать накопленные усталостные повреждения по причине отсутствия для этого необходимых технологии и оборудования. На сегодняшний день многие компании, занимающиеся внедрением RFID-меток, ведут разработку RFID-считывателей, но готовые образцы с соответствующим программным обеспечением для промышленного использования в условиях буровой отсутствуют, что является ограничением для внедрения подобного оборудования на буровых предприятиях.
Реализация опытно-промышленных работ по учету наработки бурильных труб с применением технологии RFID
В рамках Программы трансформации и развития системы управления в ООО «УК «Татбурнефть» инициирован совместный с ООО «Стройпромгрупп» проект «Инновационный подход к анализу работы бурильного инструмента», позволяющий осуществлять мониторинг полного жизненного цикла бурильных труб, а также спрогнозировать накопление усталостных повреждений, используя данные режимов бурения и параметров скважины, за счет применения технологии RFID.
Ниже приведены основные этапы реализации данного проекта:
• закупка бурильных труб, оснащенных RFID-метками;
• обеспечение идентификации бурильных труб (оснащенных RFID-метками) стационарными RFID-считывателями на буровой установке в процессе бурения (строительства скважины);
• разработка информационной системы для обработки получаемых данных от RFID-считывателей с последующей синхронизации с базой данных, а также для идентификации технологических процессов бурения.

Бурильные трубы с RFID-метками
Приобретены новые бурильные трубы с RFID-метками, которые установлены на ниппеле бурильной трубы в условиях завода-изготовителя, с сохранением заводской гарантии (рис. 1).
Установка RFID-меток в условиях завода-изготовителя исключает дополнительные риски для буровой компании. По результатам проверочных расчетов завода-изготовителя тело бурильного замка ниппеля является наиболее оптимальным местом для установки RFID-метки (рис. 2).
RFID-метка устанавливается в заранее высверленный (фрезерованный) паз на теле замка путем фиксации стопорным элементом с последующей герметизацией герметиком (рис. 3). Данная конструкция обеспечивает возможность оперативной замены RFID-метки в процессе эксплуатации.

RFID-считыватели
Для идентификации бурильных труб в условиях базы и на территории буровой установки приобретены мобильные RFID-считыватели, а для идентификации непосредственно в процессе бурения на буровой установке разработаны специальные стационарные RFID-считыватели.
Мобильные RFID-считыватели применяются в процессе складского учета, при перемещении, инвентаризации, а также при инспекции бурильных труб и позволяют уменьшить трудоемкость данных процессов (рис. 4).
Стационарный RFID-считыватель (рис. 5) устанавливается под ротором буровой установки (рис. 6).

При спуске (или подъеме) трубы с RFID-меткой в скважину через считыватель автоматически происходит ее считывание. Количество антенн на считывателе рассчитано таким образом, чтобы обеспечить идентификацию меток в процессе движения бурильной колонны вверх и вниз с вращением.

Информационная система
В процессе бурения со скважины поступает обильный поток данных. Это показания датчиков геолого-технологических исследований (ГТИ), показания датчиков системы контроля параметров бурения скважин (ДЭЛ), данные каротажа в процессе бурения, показания телеметрии и т.д.
Для обработки получаемых данных от RFID-считывателей и данных о режиме бурения (от датчиков станций ГТИ, ДЭЛ) применяется программный модуль «Анализ работы бурильного инструмента» (АРБИ), который с применением определенных алгоритмов позволяет рассчитать накопленные усталостные повреждения для каждой трубы в бурильной колонне (рис. 7).

Описание функционала АРБИ
Учет труб. Учет труб в системе обеспечивается посредством ведения электронного паспорта на трубы, в котором содержатся:
• общие данные: завод-производитель, тип трубы, номер трубы, номер RFID метки;
• технические характеристики: длина, диаметр, группа прочности, толщина стенки, тип резьбы, тип высадки, внутреннее покрытие, хардбендинг;
• техническая документация завода-изготовителя: сертификаты, паспорт, чертежи и т.п.
Электронный паспорт трубы доступен для просмотра всем уполномоченным пользователям системы. Также имеется возможность просмотра неавторизованным пользователям (по номеру трубы), при этом будут отображены только те характеристики, которые не составляют коммерческой тайны и являются общедоступными. Изменения в электронный паспорт вносятся при проведении соответствующих операций.
Учет событий. В системе фиксируются все события, которые происходят с трубами. События можно объединить по функциональному назначению:

• логистические, которые описывают перемещения и иные учетные операции над трубами;
• ремонтные, которые отражают произведенные ремонты;
• инспекции, отражающие инспекции труб;
• аварии, отражающие аварийные ситуации.
Логистические события. Логистические события связывают между собой такие объекты учета, как: трубы, место нахождения и организация. Все изменения сочетаний вышеуказанных объектов фиксируются через операции перемещения, продажи, сдачи в аренду и инвентаризации.
Операция перемещения, описывающая, как правило, изменение физического положения трубы и передачу ее с одного объекта учета (склад, буровая, площадка хранения и т.п.) на другой, может производиться как индивидуально над трубой или комплектом труб, так и над произвольной группой труб, отобранных вручную или по какому-то признаку. Для каждого перемещения создается запись о перемещении, которая может содержать присоединенные документы (акты, накладные) и с этой записью о перемещении связываются все перемещаемые объекты.
Операции продажи и сдачи в аренду не подразумевают физического перемещения труб, а описывают изменение владельца или арендатора трубы. Как и операция перемещения может совершаться над трубой, комплектом, произвольной группой труб и сопровождаться сканами документов.
Операция инвентаризации служит для фиксации нахождения трубы, комплекта или группы труб на объекте учета, она, как и предыдущие операции, включает в себя возможность приложения сканов документов.
Операции перемещения и инвентаризации могут быть автоматизированы посредством применения отдельного приложения, которое может быть выполнено на Android-совместимых устройствах (сканер RFID-меток, планшет) и позволяет автоматизировать с разной степенью автоматизации произведение складских учетных операций над трубами.
Ремонтные события. Для учета операций ремонта в АРБИ реализована поддержка полного ремонтного цикла для труб, включающая в себя:
• отправку труб(ы) в ремонт (перемещение);
• фиксацию факта ремонта с изменением параметров труб (класс износа, изменение длины, отбраковка);
• возврат трубы из ремонта (перемещение).
Для каждого факта ремонта создается соответствующая запись в справочнике ремонтов и с этой записью связываются все затронутые этим ремонтом трубы и комплекты. При создании записи ремонта также создается запись о перемещении данных труб на ремонтный завод.
По мере прохождения ремонта или по его полном окончании для каждой трубы определяется результат ремонта и измененные технические параметры. Также по окончании ремонта (либо отдельно после него) создается запись о перемещении труб обратно туда, откуда они были доставлены на ремонт, индивидуально для каждой трубы.
Таким образом, имеется возможность собрать трубы, находящиеся на разных буровых, отправить их в ремонт, учесть результаты ремонта и вернуть все трубы на те буровые, откуда они были забраны. При необходимости изменения адреса возврата (например, трубы непригодны к работе и идут на списание), это также можно сделать – вернуть часть труб не на исходную буровую, а на любой другой склад/место хранения. К записи о ремонте могут прилагаться сканы документов.
Инспекции. Инспекции труб являются неотъемлемым атрибутом жизненного цикла трубы. Для автоматизации слежения и учета данного процесса в АРБИ предусмотрены следующие функции:
• слежение за сроком эксплуатации труб с целью своевременного предупреждения о наступлении срока инспекции и недопущения эксплуатации труб с превышением срока инспекции;
• учет фактов инспекций с записью проведенных работ и результатом инспекции в виде вывода о дальнейшей эксплуатации трубы или необходимости ремонта/списания.
Слежение за временем наработки труб осуществляется автоматически.
Для проведения инспекции в системе фиксируется данный факт, который может быть связан как с перемещением труб (отправка на инспекцию с перемещением), так и в случае проведения инспекции на месте нахождения труб, без связи с перемещением. В любом случае, по мере проведения инспекции или по ее окончании для каждой трубы, для которой была проведена инспекция, оформляется перечень проведенных исследований и заключение инспекции. К записи об инспекции могут быть приложены сканы документов.
Аварии. В случае возникновения аварийной ситуации необходима фиксация данного факта для всех труб, которые были участником инцидента.
Для этого в системе создается запись об аварии и к этой записи привязываются все трубы и комплекты, которые должны иметь запись о данной аварии. Запись об аварии оформляется в объеме данных, рекомендованных стандартами IADC/API. Как и в случае инспекции присутствует возможность оформить планируемую дальнейшую работу с трубой – на ремонт, на инспекцию, на списание, в работу. К записи об аварии могут быть приложены сканы всех сопутствующих документов.
Учет наработки. Учет работы труб ведется в индивидуальном порядке. Учет работы труб осуществляется в разрезе технологических операций с пятиминутным интервалом. Для учета наработки в часах и метрах используются настраиваемые алгоритмы учета, для обеспечения учета согласно стандарту, принятого в компании – эксплуатирующие трубы. Расчеты усталостных повреждений выполняются по трем методикам: «API RP 7G», «IADC Drilling Manual», «DS-1» (рис. 8).
Хранение данных по бурению. Система обеспечивает хранение данных по пробуренным скважинам: тип буровой установки, проектная документация, программа бурения, период работы и т.д.
Интеграция. Потенциально АРБИ (рис. 9) позволяет интегрировать данные из следующих информационных систем:

• системы контроля параметров бурения скважин;
• учетные системы заводов-изготовителей;
• учетные системы организаций-поставщиков услуг ремонта и инспекции;
• другие ИС с необходимой в АРБИ информацией.
В то же время АРБИ может служить источником информации для таких учетных систем предприятий, эксплуатирующих трубы, как:
• бухгалтерские и складские системы учета;
• системы ТОиР;
• другие ИС.
Для обеспечения процессов обмена данными АРБИ имеет следующие интерфейсы:
• универсальный интерфейс приема параметров бурения скважин, поддерживающий шесть форматов передачи данных, которые перечислены в разделе «Буровые работы»;
• интерфейс приема XML файлов формата 1С, на котором реализована интеграция с заводом-изготовителем, позволяющая получать информацию об отгружаемых заводом трубах и автоматически заводить их в систему;
• API, основанное на стандарте REST API позволяет получать любую низкоуровневую информацию из БД системы.
Описание инновационного подхода
к анализу работы бурильного инструмента
Система АРБИ позволяет построить процесс учета наработки бурильных труб в реальном времени:
1. В базу данных АРБИ загружаются:
• данные по скважине: проектные данные, профиль скважины и т.д. (рис. 10);
• данные по бурильным трубам, оснащенные RFID-метками.
2. На буровую установку, на которую перемещаются бурильные трубы, устанавливается RFID-считыватель. Также буровая установка оснащается оборудованием для передачи получаемых данных от RFID-считывателей и данных о режиме бурения (от датчиков станций ГТИ, ДЭЛ) в систему АРБИ (рис. 11).
3. При спуске (или подъеме) трубы с RFID-меткой в скважину через считыватели, автоматически происходит ее считывание с последующей передачей данных в систему АРБИ.
4. Система АРБИ с применением определенных алгоритмов осуществляет учет наработки на каждую бурильную трубу:
• расчет усталостных повреждений;
• наработка в метрах;
• наработка в часах.
При накоплении бурильной трубой критических усталостных повреждений или достижения предельной наработки (метры, часы) система АРБИ сигнализирует о данном факте соответствующим специалистам компании для принятия дальнейшего решения.

Результаты реализации опытно-промышленной работы по учету наработки бурильных труб с применением технологии RFID
В процессе реализации проекта «Инновационный подход к анализу работы бурильного инструмента» на
7 скважинах (на 3 разных буровых установках):
1) обеспечена работоспособность RFID-меток в условиях бурения с обеспечением 95 % идентификации стационарными RFID-считывателями на буровой установке в процессе бурения:
2) протестирована работоспособность:
• конструкции установки RFID-метки на замке бурильной трубы;
• конструкции RFID-считывателей;
• состав герметика, который предохраняет RFID-метку от воздействия внешней среды.
С учетом вышеизложенного, на сегодняшний день проект реализован на 70 %, применяемая технология находится на уровне развития 6 по шкале уровней готовности технологии. Основная часть функционала системы АРБИ реализована и протестирована.
Вторая задача, которую предстоит решить для реализации проекта – это обучение системы АРБИ идентифицировать технологические операции в процессе бурения для возможности функционирования алгоритмов системы по расчету усталостных повреждений.

При накоплении бурильной трубой критических усталостных повреждений или достижения предельной наработки (метры, часы) система АРБИ сигнализирует о данном факте соответствующим специалистам компании для принятия дальнейшего решения.

Задачи, решенные в процессе реализации проекта
В процессе реализации проекта в условиях буровой выявлены и решены следующие проблемы.
Подбор изолирующих материалов
Проблема: попадание под герметик, который изолирует RFID-метку от воздействия внешней среды, промывочной жидкости и как следствие – отсутствие сигнала с RFID-меток (невозможно считать сигнал считывателями).
Решение: замена имеющегося герметика на другой герметик нового состава, который менее подвержен воздействию промывочной жидкости.
Идентификация RFID-меток
Проблема: отклонение в стабильности работы RFID-меток (снижение количества считываемых меток) по причине постепенного разрушения RFID-меток от механического воздействия (контакт с породами в процессе бурения, удары в процессе перемещения).
Решение: замена RFID-меток на RFID-метки «капсульного» типа, которые более стойкие к механическим воздействиям (рис. 12).

Конструкция стационарного RFID-считывателя
В процессе разработки и внедрения стационарного RFID-считывателя на буровой возникали определенные проблемы, решение которых повлияло на конструкцию считывателя: условия эксплуатации, погодные условия, конструкция буровой установки. Последняя версия конструкции стационарного RFID-считывателя «КУБ» представляет собой модуль, который включает следующие элементы (рис. 13, 14):

• герметичный корпус для защиты RFID-считывателей (для защиты от воздействия промывочной жидкости);
• подвижная система крепления модуля (для центровки бурильной колонны относительно RFID-антенн);
• обогрев модуля (для возможности функционирования при низких температурах окружающей среды);
• встроенный обтиратор бурильных труб (для улучшения процесса считывания RFID-меток при спуско-подъемных операциях за счет очистки наружной поверхности бурильных труб от промывочной жидкости).

Ограничения, влияющие на сроки реализации проекта
Длительность реализации проекта во многом сильно зависит от следующих факторов:
• подбор подходящей скважины по конструкции для возможности применения имеющихся в наличии БТ, оснащенных RFID-метками;
• возможность установки считывателей на буровой установке;
• стабильность передачи данных со станции ДЭЛ (удаленность объектов);
• ограничение со стороны Заказчика.

Заключение
Инновационный подход к анализу работы бурильного инструмента, не имеющий аналогов в мире и позволяющий прогнозировать накопление усталостного износа бурильных труб, востребован в нефтяной отрасли.
Реализация данного проекта создаст следующие преимущества, которые не встречаются в таком сочетании в других методиках по анализу работы бурильного инструмента и дадут существенный экономический эффект для бурового предприятия:
1. Увеличить срок эксплуатации бурильных труб за счет корректной информации о текущей наработке и оставшемся ресурсе.
2. Сократить оборотный фонд бурильных труб за счет возможности формирования комплектов бурильных труб, основываясь на данных индивидуальной наработки.
3. Сократить затраты на ремонт, инспекцию бурильных труб, а также логистические затраты за счет обслуживания бурильных труб по текущему состоянию.
4. Минимизировать инциденты с бурильными трубами за счет:
– своевременной рекомендации по отбраковке труб или изменению их положения в компоновке перед спуском в скважину на основании текущей наработки;
– выбора оптимальных бурильных труб по износу для работы;
– предупреждение при использовании труб, не входящих в план работ или выведенных из эксплуатации.

Инновационный подход к анализу работы бурильного инструмента, не имеющий аналогов в мире и позволяющий прогнозировать накопление усталостного износа бурильных труб, востребован в нефтяной отрасли.


Литература

1. Фомин О.И. 2018. Усталостное разрушение бурильных труб, его прогнозирование и профилактика // ROGTEC.
– № 52. – С. 62–79.
2. Фомин О.И. 2019. Идентификация и учет наработки на бурильные трубы с помощью RFID-меток // ROGTEC. – № 56. – С. 80–94.
3. B.A. Dale. 1988. An Experimental Investigation of Fatigue-Crack Growth in Drillstring Tubulars. SPE Drill Eng 3 (04): 356–362. SPE-15559-PA. https://doi.org/10.2118/15559-PA.
4. T.H. Hill; P.V. Seshadri; K.S. Durham.1992. A unified approach to drillstem-failure prevention. SPE Drill Eng 7 (04): 254–260. SPE-22002-PA. https://doi.org/10.2118/22002-PA.
5. Deployment of Radio Frequency Identification (RFID) in the oil and gas industry – Norwegian Oil and Gas Association Guideline – No. 112, 2010.
6. Руководящие указания по проектированию и режимам эксплуатации элементов буровой колонны (Руководящие указания API RP 7G, шестнадцатое издание) – Американский нефтяной институт, 1998.
7. IADC Drilling Manual (v.11) – International Association of Drilling Contractors, 2000.
8. T.H. Hill, Standard DS-1 4th Edition, Volume 3, Drill Stem Inspection, 2012.

References

1. Fomin O.I. 2018. Ustalostnoye razrusheniye buril'nykh trub, yego prognozirovaniye i profilaktika [2018. Fatigue failure of drill pipes, its prediction and prevention]. ROGTEC [ROGTEC], –
no. 52, – pp. 62–79. (In Russian).
2. Fomin O.I. 2019. Identifikatsiya i uchet narabotki na buril'nyye truby s pomoshch'yu RFID-metok [2019. Identification and accounting of drill pipe running time using RFID tags ROGTEC [ROGTEC], – no. 56, – pp. 80–94.(In Russian).
3. B.A. Dale. 1988. An Experimental Investigation of Fatigue-Crack Growth in Drillstring Tubulars. SPE Drill Eng 3 (04): 356–362. SPE-15559-PA. https://doi.org/10.2118/15559-PA. (In English).
4. T.H. Hill; P.V. Seshadri; K.S. Durham.1992. A unified approach to drillstem-failure prevention. SPE Drill Eng 7 (04): 254–260. SPE-22002-PA. https://doi.org/10.2118/22002-PA. (n English).
5. Deployment of Radio Frequency Identification (RFID) in the oil and gas industry – Norwegian Oil and Gas Association Guideline – No. 112, – 2010. (In English).
6. Rukovodyashchiye ukazaniya po proyektirovaniyu i rezhimam ekspluatatsii elementov burovoy kolonny (Rukovodyashchiye ukazaniya API RP 7G, shestnadtsatoye izdaniye) [Guidelines for the Design and Operation of Drill String Elements (API RP 7G Guidelines, Sixteenth Edition)]. Amerikanskiy neftyanoy institute Publ., 1998. (In English).
7. IADC Drilling Manual (v.11) – International Association of Drilling Contractors, 2000 (In English).
8. T.H. Hill, Standard DS-1 4th Edition, Volume 3, Drill Stem Inspection, 2012 (n English).

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Губайдуллин Р.И.

    Губайдуллин Р.И.

    начальник технической службы

    ООО «УК «Татбурнефть» г. Алметьевск, Республика Татарстан, 423450, РФ

    Просмотров статьи: 592

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru