Гибкая насосная компрессорная труба (далее ГНКТ) – это расходный материал при проведении нефтесервисных работ по ремонту скважин при участии агрегата колтюбинговой установки, отвечающей за проведение спуско-подъемных операций (далее СПО). ГНКТ – это металлическая труба, созданная из штрипсов (фрагментов) методом сращивания плазменной сваркой с дальнейшей термообработкой. Штрипс – это длинная стальная полоса, которая прокатывается (вытягивается) для формирования требуемого профиля. После того как на накопителе сформировали штрипсы нужной длины, приступают к изготовлению ГНКТ методом формировки и сварки продольного шва токами высокой частоты и последующей термической обработкой. Труба изготавливается на заводах в России, например, на заводе ООО «ЭСТМ», после транспортируется к месту проведения работ, на нефтяную или газовую скважину.
С помощью трубы ГНКТ выполняют широкий спектр работ на нефтегазовых скважинах – от обычных промывок и освоения, геофизических исследований, до такого пока еще нового направления, как бурение на ГНКТ. Преимуществом трубы ГНКТ относительно традиционной насосно-компрессорной трубы (далее НКТ) является то, что работы с ГНКТ возможно проводить на скважине при избыточном устьевом давлении свыше 400. Это возможно благодаря использованию во флоте ГНКТ превенторного оборудования, рассчитанного на 700 или 1000 Атм, в зависимости от планируемых задач на скважине.
Помимо этого, ГНКТ обеспечивает непрерывный спуск и подъем с одновременной промывкой или подачей азота в гибкую трубу; при этом отсутствие необходимости наращивания, как в НКТ, значительно сокращает продолжительность СПО. Экспертно можно оценить: работы с ГНКТ занимают не более 30 % спуско-подъемных операций от общего времени работ на скважине, тогда как при капитальном ремонте скважин эта доля занимает порядка 70 %. Неоспоримым преимуществом ГНКТ перед НКТ является и тот фактор, что при проведении работ устье скважины всегда загерметизировано. Это исключает множественные производственные риски, связанные с производственной безопасностью и охраной труда.
Технология ГНКТ позволяет проводить операции, недоступные на стандартном НКТ, а именно, работать на равновесии или депрессии. Тем не менее у ГНКТ есть свои ограничения: например, высокая стоимость оборудования относительно подъемников капитального ремонта скважин.
На рис. 1 показана колтюбинговая установка с намотанной на барабан ГНКТ. Установка смонтирована на скважину и используется для выполнения внутрискважинных операций. Длина трубы на барабане может достигать 10 000 м, а диаметр – 114 мм, при этом барабаны будут очень громоздкими, и возникнут трудности при их перемещении по промысловым дорогам и федеральным трассам. Максимальная длина гибкой трубы диаметром 60,3 мм, намотанной на поперечно расположенный барабан и использованной на месторождениях, на сегодняшний день достигает 9 000 м [12]. Спуск трубы в скважину осуществляется с помощью инжектора ГНКТ, который отвечает за контролируемые спуск и подъем трубы, а также герметизирующее оборудование (герметизатор), который удерживает давление в скважине и позволяет проводить безопасные работы с повышенным устьевым давлением.
Рисунок 1. Колтюбинговая установка на скважине
В зависимости от модели инжектор может создавать тяговое усилие 63,5 т и более. Движение трубы происходит за счет контактного взаимодействия с цепями инжектора. Операцию спуска-подъема осуществляет бурильщик колтюбинговой установки, который использует в качестве вспомогательного и регистрирующего инструмента параметры работы всего оборудования ГНКТ, систему контроля и регистрации (СКР) «Скорпион», разработанную на отечественной интегрированной среде разработки РИВГ, или аналоги. СКР фиксирует множество параметров, в том числе необходимые для расчета усталостного износа гибкой трубы, регистрирует давление в трубе, давление за трубой, скорости закачки жидкости и азота, прилагаемое усилие инжектора на гибкую трубу при СПО, а также позволяет регистрировать глубину при считывании с нескольких источников.
Одной из важных задач, выполняемых с помощью колтюбинговой установки, являются геофизические исследования скважин (ГИС). Следует подчеркнуть, что традиционные геофизические методы с применением кабеля не могут доставить прибор ГИС на забой скважины с увеличенным горизонтальным участком. Колтюбинговая установка за счет жесткости трубы выполняет доставку прибора на забой как вертикальных, так и горизонтальных скважин, что открывает возможности для исследований профиля притока, инклинометрии, термометрии и др.
На рис. 2 указан пример профиля горизонтальной скважины. Искривленный профиль формирует условия, в которых ГНКТ испытывает дополнительную нагрузку за счет трения о стенки скважины и ее извилистый профиль, особенно когда интенсивность кривизны превышает 5–6° на 100 м. Данный профиль получен при помощи инклинометрии и программного обеспечения, созданного в интегрированной среде разработки РИВГ [9].
|
Рисунок 2. Трехмерный график зенитного угла и азимута от глубины скважины |
Основные характеристики ГНКТ включают: механические свойства, химический состав, группу прочности стали, способность использования гибкой трубы в среде с содержанием сероводорода до 6 %, а также наработку – один из ключевых показателей, влияющих на усталость трубы при эксплуатации. В мировой практике наработку ГНКТ принято измерять в процентном соотношении с помощью инженерных программных комплексов. На рынке существует ограниченное количество качественных программных решений, и даже они не всегда обеспечивают точную оценку состояния трубы после проведения работ при СПО. На рынке чаще всего применяют такие отечественные ПО, как РН-Вектор, COIL-Pro, которые являются аналогами западных программных продуктов (Medco Cerberus, Circa [11]). Из-за высокой стоимости ГНКТ косвенные методы определения наработки (количественный учет спуско-подъемных операций, общий метраж ГНКТ) используют грубые расчеты, поэтому зачастую неточны и требуют усовершенствований для отображения фактического состояния трубы. Для этого необходимо учитывать скрытые факторы, такие как изменяющийся состав технологической жидкости (азот, газовоздушная смесь, кислота, буровой раствор и т.д.), внутрискважинные условия, вызывающие дефекты, и воздействие технологического оборудования (цепи инжектора), контактирующего с трубой во время СПО.
Для более точного определения состояния трубы в режиме реального времени по всей ее длине была выполнена исследовательская работа, в результате которой разработали прототип дефектоскопа, применяющего метод неразрушающего контроля, основанный на детектировании силовых линий магнитного поля.
Первым этапом научной работы была проверка гипотезы влияния дефектов в металле на изменения магнитного поля (потока). Преобразователи Холла, или датчики Холла, обладают чувствительностью к проекции вектора индукции магнитного поля, не оказывают значительного воздействия друг на друга, обладают чувствительной зоной порядка , нелинейность по магнитному полю не превышает 0,2 мВ/мТл, обладают широким динамическим диапазоном измерения .
Для определения дефектов сборку из датчиков Холла располагают таким образом, чтобы измерять нормальную составляющую магнитной индукции, т.е. плоскость датчиков должна быть параллельна исследуемой трубе. Для измерения толщины необходимо замерять тангенциальную составляющую. При этом плоскость датчиков перпендикулярна трубе. Наилучшими условиями для выявления дефектов являются такие, при которых магнитная проницаемость исследуемого образца мала, а индукция магнитного поля велика (рис. 3).
Рисунок 3.
Такое магнитное состояние может быть достигнуто в магнитных полях на участке кривой где магнитная проницаемость убывает [10]. Поэтому при выборе источника постоянного магнитного поля необходимо, чтобы сборки из магнитов обеспечивали необходимую индукцию поля. Таким образом, для ГНКТ, состоящей в основном из низкоуглеродистой стали, напряженность магнитного поля должна равняться 10 000 А/м, а магнитная индукция – около 1 Тесла.
Рисунок 4. Распределение намагниченности в ферромагнитном изделии и поля рассеяния над поверхностным дефектом (a), а также топография (б) тангенциальной и нормальной составляющих напряженности поля поверхностного дефекта [10]
Была собрана конструкция, установлены датчики Холла под магнитами и между ними двигалась труба с дефектами и без дефектов (рис. 5). На графике при регистрации силы магнитного поля виднелись незначительные, но заметные колебания состояния датчиков Холла при прохождении дефекта под ними.
Гипотеза была подтверждена как работоспособная.
Рисунок 5. Проверка гипотезы
На втором этапе научной работы была разработана плата, на которой разместили 32 датчика Холла и другие электронные компоненты для измерения магнитного поля (рис. 6). Чувствительность датчиков Холла составила 2,5 мВ/Гаусс, а их расположение на плате было выполнено с шагом 11,25 градуса. Использовались магниты со следующими характеристиками: [максимальное произведение (BH) 263–287 кДж/м², 33–36 МГсЭ], [остаточная индукция Br 1,18–1,28 Тл, 11,4–11,8 кГс], [коэрцитивная сила HcB 836 кА/м, 10,8 кЭ, Hci 955 кА/м, 12 кЭ]. Для постоянного считывания данных с датчиков был использован микроконтроллер. В блоке установили четыре группы магнитов, также был спроектирован прототип конечного корпуса.
РИСУНОК 6. Датчик измерения магнитного поля. Корпус размещения датчиков
Изготовленная плата с размещенными датчиками Холла (далее по тексту – сенсоры) позволила определять аномалии индуцируемого электромагнитного поля при наличии дефектов на теле трубы.
РИСУНОК 7. Аномалии при наличии дефектов на теле трубы
Прототип был собран. Перед испытанием на заводе-производителе ГНКТ ООО «ЭСТМ» были проведены испытания в условиях лаборатории. На рис.7 отчетливо отображены изменения амплитуды на графиках при дефектной поверхности трубы. Тестирование в лабораторных условиях прошло успешно. Изготовленный прототип (рис. 8) для испытания был доставлен на ООО «ЭСТМ». Представители завода предоставили настроенный образец с имеющимися характеристиками искусственных дефектов для испытаний (рис. 8).
РИСУНОК 8. Собранный прототип
Тестирование проводилось на настроечном образце НО API 5 ST 44.5/4,0 -4С2П-СВ СТ А606 № 190223 (рис. 9). Геометрические характеристики образца:
- Длина НО: 3300 ± 4,68 мм;
- Толщина НО: 4,0 ± 0,14 мм;
- Диаметр НО: 44,45 ± 0,12 мм.
Дефектоскопия настроечного образца осуществлялась при его поступательном движении внутри дефектоскопа со скоростью ~25 м/ч. Важно отметить, что скорость движения трубы имеет ключевое значение для точности и эффективности обнаружения дефектов при проведении дефектоскопии. Увеличение скорости может снизить чувствительность сенсоров, что усложняет выявление мелких повреждений и трещин. В то же время снижение скорости улучшает разрешение и качество сигналов, позволяя более детально картировать поверхность трубы.
Для достижения оптимального результата скорость движения трубы и чувствительность сенсоров были подобраны с учетом реальных производственных условий и средних скоростей, используемых при проведении СПО. Необходимо корректировать чувствительность сенсоров в зависимости от выбранной скорости, чтобы минимизировать количество шумов и обеспечить четкое выявление дефектов. Это позволяет сбалансировать точность контроля и эффективность инспекции, исключая как пропуск дефектов, так и ложные срабатывания.
РИСУНОК 9. Тестирование на настроечном образце
Эмпирическим путем удалось определить наиболее подходящую чувствительность сенсоров при заданной скорости движения настроечного образца – 8 мв/Гс. В заданных параметрах удалось выявить дефекты, представленные в таблице 1.
Таблица 1. Выявленные дефекты на настроечном образце
Паз на внутренней поверхности возможно обнаружить при увеличении чувствительности сенсоров до 5 мв/Гс, но при такой чувствительности количество шумов становится неприемлемым для однозначного выделения других подготовленных дефектов (рис. 10).
РИСУНОК 10. Интерфейс отображения измерений сенсоров датчика
В соответствии с вышесказанным планируется продолжать исследования в направлении использования программных фильтров шумов для снижения их влияния на дефектоскопию.
Выводы
Тестирование на настроечном образце подтвердило эффективность применяемого метода исследования. С учетом тонкой настройки сенсоров удалось обнаружить имеющиеся дефекты на наружной поверхности. Необходимо настраивать чувствительность сенсоров с возможным дальнейшим применением программных алгоритмов шумоподавления.
Тестирование при перемотке трубы ГНКТ (рис. 11).
Тестируемый образец со следующими характеристиками:
- Диаметр трубы: 44,45 мм;
- Длина трубы: 3700 м;
- Толщина по секциям: 4,0 мм, 3,7–3,4 мм, 3,0 мм.
РИСУНОК 11. Тестирование при перемотке ГНКТ
Чувствительность датчиков варьировалась в диапазоне от 8 до 15 мВ/Гс.
В ходе тестирования были выявлены следующие нюансы, вызывающие ложные срабатывания программного модуля, визуально определяющиеся как дефекты:
· Радиальное искривление трубы внутри дефектоскопа, возникающее сразу после укладчика, напрямую влияет на расстояние между датчиками и поверхностью трубы.
· Шоки и вибрации, возникающие при перемотке трубы из-за остаточных напряжений после барабана, также оказывают существенное воздействие на процесс дефектоскопии. Эти вибрации кратковременно изменяют положение трубы относительно сенсоров, что приводит к увеличению шумов и ложных срабатываний.
· Влияние металлических остатков (стружки) и других мелких посторонних предметов из магнитного материала на теле трубы.
С учетом этих нюансов, эмпирическим путем была установлена оптимальная чувствительность сенсоров на уровне 15 мВ/Гс. Этот уровень чувствительности снижает влияние шумов, вызванных шоками и вибрациями, но остается недостаточным для обнаружения дефектов при настройке (калибровке) дефектоскопа на чувствительность контроля от искусственных дефектов – сквозного отверстия 0,8 мм и паза на наружной поверхности.
Для минимизации данных эффектов требуется центровка трубы посредством демпферных механизмов на датчиках. Важно, чтобы труба была отцентрована относительно электромагнитных датчиков, сохраняя постоянное расстояние между поверхностью трубы и каждым датчиком.
Выводы. Проведенные работы подтверждают эффективность предложенного метода неразрушающего контроля состояния ГНКТ в процессе перемотки. Необходимо доработать корпус дефектоскопа, установив демпфирующий механизм для датчиков с целью уменьшения влияния шоков, вибраций, а также радиальных искривлений трубы внутри дефектоскопа из-за остаточных напряжения при размотке барабана. Также на корпус дефектоскопа необходимо установить очиститель (скребок) для снятия посторонних предметов и металлической стружки с тела трубы.
Литература
3. http://www.fidmashnov.by/prod/oborudovanie-koltyubingovoe/
4. http://www.atmel.com/ru/ru/
5. Сборник трудов математические методы в технике и технологиях 2014 «Разработка программной кросс платформы и инструментального приложения формирования проектов», С.В. Яроцкий, С.Н. Катунов
6. Сборник трудов математические методы в технике и технологиях 2015 «Разработка автоматизированной информационной системы веб-мониторинга энергоресурсов» С.В. Яроцкий, С.Н. Катунов[BV4]
7. Яроцкий С.В., Журавлев А.Н. Разработка и внедрение в эксплуатацию тренажера для обучения бурильщиков колтюбинговой установки. // Инжиниринг Техно 2016: сб. тр. IV междунар. науч.-практ. конф., г. Саратов, 22–25 окт. 2016 г.: в 2-х т. 2016. Т. 1. С. 41–46.
8. Журавлев А.Н., Яроцкий С.В., Виткалов Е.Г. Комплексное решение задачи сбора данных и управления СУ ЭЦН по gsm/gprs каналу связи на основе среды RIVG // Инжиниринг Техно 2016: сб. тр. IV междунар. науч.-практ. конф., г. Саратов, 22–25 окт. 2016 г.: в 2-х т. 2016. Т. 1. С. 175–187.
9. Виткалов Е.Г., Яроцкий С.В., Журавлев А.Н., Томашевский Ю.Б. Инклинометр для формирования представления создаваемых стволов при кислотоструйном бурении для колтюбинговых установок // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2017. Вып. № 4. Т. 73. № 4. С. 42–46.
10. Алешин Н.П., Щербинский В.Г. Радиационная, ультразвуковая и магнитная дефектоскопия металлоизделий: учебник для ПТУ. – М.: Высшая школа, 1991. – 271 с.: ил. С. 212–214.
11. https://test.medcotas.co.uk/russian/russian/brochures/tas_brochure.pdf
12. https://www.rogtecmagazine.com/газпромнефть-нтц-перспективы-примен/?lang=ru
