прогнозирование наработки на отказ глубиннонасосного

Нефтепромысловое оборудование
УДК 622.276.5.05
© В.С. Комаров, 2002
Прогнозирование наработки на отказ
глубиннонасосного оборудования
В.С. Комаров
(ООО «Контроль
Сервис»)
V.S. Komarov
(Control
Service ООО)
дним из наиболее эффективных
методов снижения себестоимости
добываемой нефти является уменьшение потерь добычи от простоя скважин
и затрат на текущий ремонт за счет увеличения наработки на отказ глубиннонасосного оборудования [1, 2]. Наработка на отказ не только характеризует технический
уровень оснащенности скважин, но и отражает эксплуатационные показатели работы оборудования. Поэтому оценка этого
показателя является важной как на этапе
создания оборудования, так и на этапе его
эксплуатации. В частности, прогнозирование наработки на отказ позволяет определить будущие затраты на текущий ремонт
скважин и ремонт глубиннонасосного
оборудования, потери добычи нефти от
простоя скважин и потребность предприятия в новом оборудовании, т.е. эффективно и целенаправленно распределить ресурсы предприятия для выполнения производственной программы.
Наработки на отказ глубиннонасосного
оборудования активно применяется на
предприятиях нефтяной промышленности не более 10 лет и в отличие от межремонтного периода (МРП) [3] характеризует эффективность эксплуатации не столько скважины, сколько оборудования, обеспечивающего ее работу, т.е. отражает среднюю надежность работы глубиннонасосного оборудования с момента пуска в работу до отказа.
Согласно международному стандарту
МЭК 50 (191)-90 понятие «наработка на
отказ» отражает полную продолжительность наработки объекта с момента его
первого ввода в работоспособное состоя-
О
Mean-time-between-failures forecast
for subsurface pumping equipment
Mean-time-between-failures is one of the basic parameters characterizing cost-efficiency and technical perfection of subsurface pumping equipment. Mean-time-between-failures forecast for subsurface pumping equipment enables a most accurate planning of
the future expenses an enterprise will incur in purchasing new equipment, repairing running equipment and subsurface well repair works. The methods of forecasting meantime-between-failures applied at refinery plants in Russia are discussed based on
Uralneftegas TPP example. The main principles of building a multifactor model of forecasting mean-time-between-failures for electric rotary pumps are suggested.
ние до отказа или с момента его восстановления до следующего отказа (отказом
считается утрата объектом способности
выполнять требуемую функцию). Для глубиннонасосного оборудования отказом
считается любая неисправность, вызвавшая замену скважинного оборудования
или его части на работоспособный комплект. Поэтому отказом не является демонтаж работоспособного оборудования с целью проведения геолого-технических мероприятий (ГТМ).
Одним из распространенных способов
оценки наработки на отказ является использование средней арифметической
величины наработок оборудования за
последние 12 мес, т.е. наработка на отказ
характеризуется отношением суммы наработок отказавшего оборудования за
скользящий год к числу отказов за скользящий год,
(1)
где Тн – показатель средней наработки
на отказ оборудования, сут; М – учетный
период, мес (как правило, М=12 мес); NI –
число отказов оборудования в i-ом месяце;
tJI – наработка j-ой единицы оборудования, отказавшего в i-ом месяце, сут.
Ограничение выборки наблюдения отказов глубиннонасосного оборудования
сроком 12 мес имеет как преимущества,
так и недостатки с точки зрения характеристики надежности и качества эксплуатации оборудования. Так, постоянное совершенствование техники и технологии до-
бычи нефти, конструкторское совершенствование глубиннонасосного оборудования, повышение квалификации обслуживающего персонала повышает наработку
на отказ, т.е. этот показатель постоянно
изменяется [2]. В этих условиях необходимо временное ограничение выборки отказов для отражения численно выраженной
текущей характеристики надежности и качества эксплуатации оборудования, иначе
среднеарифметическая наработка на отказ была бы значительно занижена. Недостатком является то, что при группировке
отказов по отдельным признакам (месторождениям, дебиту, глубине спуска, типу
насоса и др.), которая необходима для исследования причин отказов, возможно
получение значительно малой выборки в
одной из групп, которая не даст истинной характеристики показателя наработки на отказ. Если за последние 12 мес не
было отказов, то вычислить наработку на
отказ невозможно.
Для примера рассмотрим наработку на
отказ УЭЦН по цехам добычи нефти ТПП
«Урайнефтегаз». На рис. 1 хорошо просматриваются периоды (с 07.99 г. по 02.2000 г.
и с 07.2000 г. по 10.2000 г.), в которые показатель наработки на отказ по ЦДНГ-7 не
меняется и составляет соответственно 358
и 195 сут [2]. Это свидетельствует об отсутствии отказов УЭЦН в указанные периоды.
Из отмеченного и того факта, что значительное снижение наработки на отказ по
ЦДНГ-7 несущественно повлияло на среднюю наработку на отказ (см. рис. 1, кривая
НГДУ), следует, что размер выборки значительно мал (всего шесть скважин оборудованных УЭЦН) и использовать его для ис-
77
Нефтепромысловое оборудование
УЭЦН, энергообеспечения и чественного прогнозирования указанного
др. Значительные затраты на показателя:
1) выявление истинных причин отказа
исследование причин отказов глубиннонасосного обо- глубиннонасосного оборудования;
2) определение эффективности разрарудования оправдываются
экономическим эффектом, батываемых мероприятий (ожидаемое
который получают нефтедо- увеличение наработки на отказ);
3) расширение статистической инфорбывающие предприятия за
счет увеличения наработки мационной базы, характеризующей текуна отказ, при внедрении ме- щее состояние эксплуатационного фонда
роприятий, разработанных глубиннонасосного оборудования и сквана основе полученных ре- жин, причины отказов, проводимые мероприятия и др.
зультатов исследования.
Качество проведения всех перечисленНеобходимость использования высококвалифициро- ных этапов обработки информации будет
Рис. 1. Динамика наработки на отказ оборудования по разным ванных специалистов про- существенно влиять на точность прогноза.
ЦДНГ и НГДУ в целом
Применяемые на нефтедобывающих
должительное время для исследования причин отказов предприятиях России методы прогнозиследования причин отказов некорректно. насосного оборудования ограничивает рования наработки на отказ далеки от соСледовательно, для исследования причин число проводимых исследований. В свя- вершенства, однако в последние годы наотказов наряду с наработкой на отказ за зи с этим нефтедобывающие предпри- блюдаются некоторые сдвиги в совершенскользящий год необходимо применять ятия ограничиваются исследованием ствовании процесса прогнозирования. Дипоказатель наработки на отказ без ограни- причин преждевременных отказов, т.е. намичное развитие процесса прогнозирочения времени наблюдения. Это позволит отказов оборудования, не отработавшего вания наработки на отказ зависит от роста
значительно расширить выборку прово- гарантийный срок. За гарантийный срок квалификации специалистов в области
димых наблюдений
может приниматься как срок эксплуата- техники и технологии добычи нефти, нации оборудования, установленный заво- копления статической информации о
дом-изготовителем, так и срок эксплуа- причинах отказов глубиннонасосного
(2) тации, установленный нефтедобываю- оборудования.
Рассмотрим методы прогнозирования
щим предприятием.
Конечно, данная наработка на отказ T'н
Процесс прогнозирования наработки наработки на отказ на примере ТПП
не будет давать истинного представления на отказ глубиннонасосного оборудова- «Урайнефтегаз» ООО «ЛУКОЙЛ – Западная
о текущем техническом и технологиче- ния должен учитывать максимально воз- Сибирь». С 1997 по 1999 г. (рис. 2, а) проском совершенстве эксплуатации глубин- можное число факторов, влияющих на гноз наработки на отказ строился по аднонасосного оборудования, но позволит надежность работы
более точно провести аналитические ис- оборудования. Обраследования зависимости наработки на от- ботка такого объема
каз оборудования от внешних или внут- информации связана с
ренних факторов. От качества исследова- многочисленными и
ний причин отказов во многом зависит трудоемкими вычисточность прогноза наработки на отказ. лениями статистичеСтатистика причин отказов глубиннона- ского и вероятностнососного оборудования позволяет разрабо- го характера, что оптать эффективные мероприятия по повы- ределяет необходишению наработки на отказ. Чем качест- мость применения для
веннее интерпретация причин отказов, решения данной задатем выше эффективность разрабатывае- чи компьютерных техмых мероприятий и точнее прогнозиро- нологий [4, 5]. Таким
вание ожидаемых показателей работы глу- образом, одной из осбиннонасосного оборудования.
новных задач подгоВыявление причин отказов УЭЦН – это товки к прогнозировасложный и трудоемкий процесс. Для каче- нию наработки на отственного определения причины отказа каз глубиннонасоснонеобходимо не только провести демонтаж го оборудования являвсего оборудования и выявить неисправ- ется накопление станости, но и проанализировать большой тистической инфоробъем геологической, технологической и мации в электронном
технической информации. Процесс каче- виде.
ственного исследования причин отказа
Можно
выделить
одной УЭЦН в среднем продолжается 4 - три основных направ8 ч. К нему привлекаются ведущие специа- ления работы с инлисты предприятия в области техники и формационной базой, Рис. 2. Динамика наработки на отказ УЭЦН по ТПП «Урайнефтегаз» с
технологии добычи нефти, текущего ре- необходимой для ка- 06.97 г. по 06.99 г. (а) и с 01.2000 г. по 12.01 (б):
I, II – соответственно плановая и фактическая наработка на отказ
монта скважин, ремонта и эксплуатации
78
Нефтепромысловое оборудование
чительно возрастает погрешность
министративному методу без учета
определения эффективности мединамики наработки за предыдуроприятий. Практика показывает,
щий период и эффективности прочто для определения эффективноводимых мероприятий [2]. Рост пласти разрабатываемых мероприяновой наработки прогнозировался
тий с погрешностью 5-10 % должпо сравнительным показателям дино быть исследовано более 50 %
намики наработки на отказ УЭЦН
отказов УЭЦН. Это фактически
нефтедобывающих предприятий
происходит, когда текущая нараООО «ЛУКОЙЛ – Западная Сибирь».
ботка на отказ меньше или близка
Из рис. 2, а видно несоответствие
к установленному на предприятии
между фактическими и прогнозныгарантийному сроку эксплуатами показателями. Прогнозные показатели не отражали объективную Рис. 3. Динамика наработки на отказ УЭЦН по ЦДНГ-4 за 1999 (I) и ции. Если текущий показатель выше установленного предела нарадействительность в области эксплу- 2000 г. (II)
ботки, меньше которого отказ
атации УЭЦН на рассматриваемом
считается преждевременным и подпредприятии. Если в 1997 г. планируележит исследованию, то проблемамые показатели наработки на отказ
тично определить эффективность
УЭЦН значительно превысили фактиразрабатываемых мероприятий, и,
ческие, то в 1998 г. они были ниже факак следствие, в целом при прогнозе
ктических.
наработки на отказ может быть поЗначительный рост квалификации
лучена значительная погрешность.
специалистов предприятия, занимаюИз рис. 2, б хорошо виден рост
щихся анализом причин отказов глупогрешности прогноза наработки
биннонасосного оборудования, позна отказ УЭЦН в 2001 г. из-за некаволил увеличить точность прогноза
чественного определения эффекпоказателей наработки на отказ на
2000 г. (см. рис. 2, б). При прогнозиро- Рис. 4. Прогнозная (I) и фактическая (II) наработка на отказ тивности мероприятий, направленных на повышение наработки на отвании с достаточной точностью была УЭЦН по ЦДНГ-4 в 2000 г.
каз. Вследствие превышения показаопределена ожидаемая эффективчто вызвано ограничением выборки откателя наработки на отказ на конец 2000 г.
ность проводимых мероприятий, направзов УЭЦН, подлежащих исследованию, ганад гарантийным сроком на 6 % (на предленных на повышение наработки на отказ,
рантийным сроком эксплуатации (прежприятиях ООО «ЛУКОЙЛ – Западная Сии учтена динамика отказов предыдущего
девременными отказами). Чем меньше габирь» установлен срок, равный 360 сут)
года. Это выразилось в совпадении напрарантийный срок (меньше выборка отказов
погрешность при прогнозировании данвления изменения планируемой и фактиУЭЦН, подлежащих исследованию), тем
ного показателя на 2001 г достигла 10 %
ческой наработок на отказ, максимальная
больше вероятность ошибки при опреде(40 сут).
погрешность составила 12 сут (08.2000 г.).
лении эффективности проводимых мероТаким образом, для качественного проОсобенность наработки на отказ за
приятий и погрешность при прогнозирогнозирования наработки на отказ глубинскользящий год заключается в том, что
вании роста наработки на отказ.
нонасосного оборудования возникает непри подсчете учитываются отказы, проПрименяемая на нефтедобывающих
обходимость разработки и построения
изошедшие за последние 12 мес. Таким обпредприятиях методика определения эфаналитической модели, которая позволяет
разом, учетный период ежемесячно смефективности мероприятий, направленных
учитывать максимально возможное число
щается, и из выборки отказов, учитываена увеличение наработки на отказ глубинфакторов, влияющих на продолжительмых при определении наработки, исклюнонасосного оборудования, проста и отность безотказной эксплуатации. В задачи
чаются отказы, произошедшие в аналогичносительно эффективна, она включает:
данной модели кроме прогнозирования
ном месяце предыдущего года. Следова• определение на первом этапе выборки
наработки на отказ должен входить блок
тельно, если за предыдущий год наработка
с наибольшим числом однотипных пристатистического анализа причин отказов,
на отказ снизилась, то в текущем месяце
чин отказов;
позволяющий выявить перспективные наможно ожидать ее рост. Отмеченное на• разработку мероприятий, направленправления совершенствования техники и
глядно отражает сравнение показателей
ных на снижение числа отказов по данной
технологии эксплуатации оборудования, а
наработки на отказ УЭЦН по ЦДНГ-4 ТПП
причине;
также увеличения его ресурса. Основой
«Урайнефтегаз» за 1999 и 2000 г. (рис. 3),
• исключение из списка отказов, учтенмодели прогнозирования наработки на
где хорошо прослеживается описанная
ных при подсчете наработки на отказ,
отказ должна стать постоянно обновляевыше зависимость. Учет изменения нарапреждевременных отказов, на снижение
мая и дополняемая информационная база
ботки на отказ за скользящий год предычисла которых направлены разработанэмпирических показателей, отражающих
дущего периода позволяет прогнозироные мероприятия, пересчет показателя наусловия эксплуатации оборудования и его
вать динамику наработки в будущем периработки на отказ;
техническое совершенство [6, 7].
оде (рис. 4).
• определение эффективности предлаВ данном случае понятие информациСложнее определить эффективность
гаемых мероприятий по разности между
онной базы носит обобщающий характер,
проводимых мероприятий, направленных
вновь рассчитанным и существующим потак как собрать в один блок всю информана увеличение наработки на отказ. Сложказателями наработки на отказ.
цию, отражающую все этапы эксплуатаность прогнозирования роста наработки
Недостаток данной методики заключации глубиннонасосного оборудования,
на отказ УЭЦН в первую очередь связана с
ется в том, что при малом числе преждепрактически невозможно. Информационнедостаточным объемом информации,
временных (исследованных) отказов зна-
79
Нефтепромысловое оборудование
ная база должна формироваться по месту
и времени возникновения и состоять из
следующих блоков:
➣ подбор глубиннонасосного оборудования – исходная информация и результаты расчета эксплуатационных параметров
оборудования для конкретной скважины
на определенную дату;
➣ комплектация глубиннонасосного
оборудования – состав и технические характеристики подъемника и модулей глубиннонасосного оборудования;
➣ монтаж глубиннонасосного оборудования – информация, отражающая условия, при которых проходил монтаж
(спуск) в скважину;
➣ вывод на режим – контролируемые
параметры в процессе вывода скважины
на установившийся режим;
➣ условия эксплуатации – геологическая и конструктивная характеристика
скважины;
➣ эксплуатация насосного оборудования – контролируемые параметры в процессе его эксплуатации;
➣ демонтаж насосного оборудования –
информация, отражающая условия, при
которых проходил демонтаж (подъем)
оборудования из скважины;
➣ отказ глубиннонасосного оборудования – информация, полученная в процессе исследования причины отказа.
При формировании информационного
блока «отказ глубиннонасосного оборудования» необходимо конкретно отражать
модуль оборудования, отказ которого привел к демонтажу установки. Соблюдение
данного условия позволит с большей точностью определять эффективность проводимых мероприятий по повышению наработки на отказ и, как следствие, повысит
качество прогноза этого показателя.
На основе сформированной информационной базы можно определить текущую
наработку на отказ, динамику его роста
(снижения), выявить основные факторы,
влияющие на этот показатель, и разработать мероприятия, направленные на его
повышение.
Наиболее сложной задачей в процессе
прогнозирования наработки на отказ является определение эффективности проводимых мероприятий. При расчете эффективности мероприятий, направленных
на снижение числа отказов по определенной причине, в первую очередь необходимо определить характер закономерности
отказа. Как правило, отказы, происходящие по техническим причинам, носят детерминированный характер, а отказы, связанные с организационными причинами
(нарушение технологии текущего ремонта
скважин, некачественный подбор насосного оборудования, нарушение техноло-
80
гии вывода на режим и эксплуатации и
др.) – стохастический [6].
В случаях, когда отказы происходят закономерно, можно определить с достаточной точностью эффективности проводимых мероприятий методом исключения
отказов. При этом эффективность выражается разностью показателя наработки,
рассчитанного без учета отказов, которые
исключают проводимые мероприятия, и
текущей наработки на отказ. С учетом того, что истинную информацию о причинах отказов имеет только часть (исследованные отказы) совокупности отказов,
принимаемых во внимание в подсчете наработки отказов глубиннонасосного оборудования, необходимо провести экстраполяцию доли преждевременных отказов
на всю совокупность.
Если отказы носят стохастический характер, то определяется степень снижения вероятности их возникновения. Вероятность отказов Р1 после внедрения
мероприятий будет находиться в пределах 0 < Р1 < P0 (P0 – доля отказов по данной причине на текущий момент от всей
совокупности отказов).
Как правило, при таких отказах наработка не превышает 100 сут, поэтому они
существенно влияют на наработку на отказ. Следовательно, эффективность мероприятий необходимо определять по следующей методике:
➟ определить среднюю наработку глубиннонасосоного оборудования, не отработавшего гарантийный срок и отказавшего по рассматриваемой причине, T ′;
➟ рассчитать ожидаемую наработку на
отказ с учетом внедренных мероприятий
по формуле
(3)
➟ определить эффективность мероприятий по формуле
ЭМ(т) = Тн – Т1.
(4).
При прогнозировании наработки на отказ необходимо учитывать, что эффект от
проводимых мероприятий возникает не
моментально, а только после того, как весь
фонд скважин будет охвачен проводимыми мероприятиями. Мероприятия по увеличению наработки на отказ в основном
связаны с заменой глубиннонасосного
оборудования, поэтому период их проведения приблизительно равен текущей наработке на отказ. Эффективность мероприятий должна быть дифференцирована
по времени пропорционально ожидаемому числу отказов.
Наработка на отказ прогнозируется по
следующей методике:
◗ текущий показатель наработки на от-
каз экстраполируется на весь прогнозируемый период с учетом отклонения, связанного с характером изменения кривой наработки (ростом или снижением наработки) за предыдущий период;
◗ полученные точки, характеризующие
помесячную наработку на отказ, корректируются с учетом интегрального показателя эффективности проводимого комплекса мероприятий по повышению наработки на отказ, дифференцированного по
времени.
Предлагаемая методика позволяет построить кривую, отражающую прогноз наработки на отказ глубиннонасосного оборудования с минимальной погрешностью.
Необходимо еще раз отметить, что погрешность во многом зависит от качества
исходной информации и в первую очередь от правильности определения первопричины отказа глубиннонасосного оборудования.
Изложенные в статье основные принципы построения многофакторной модели
прогнозирования наработки на отказ являются ключевыми при решении рассматриваемой задачи. Для прогнозирования
наработки на отказ глубиннонасосного
оборудования можно применять различные методики расчетов, но в любом случае
методика решения задачи должна соответствовать указанным принципам.
Список литературы
1. Оптимизация режимов работы
скважин/Ю.А. Балакиров, В.П. Оноприенко, И.А. Стрешинский и др. –
М.: Недра, 1981. – 221 с.
2. Пустовалов М.Ф., Чакин А.А. Применение коррозионно-стойких УЭЦН
на месторождениях ТПП «Урайнефтегаз»//Нефтяное хозяйство. – 2000. №10. – С. 126 – 129.
3. Мищенко И.Т. Расчеты в добыче
нефти. – М.: Недра, 1989. – 245 с.
4. Гайдышев И. Анализ и обработка
данных. – Санкт-Петербург: Питер,
2001. – 752 с.
5. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Анализ
данных на компьютере. – М.: ИНФРА-М,
1995. – 384 с.
6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А.
Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗ. – М.: Наука, 1986. – 544 с.
7. Елисеева И.И., Юзбашев М.М. Общая теория статистики. – М.: Финансы и статистика, 1999. – 480 с.
8. Зайцев Ю.В., Балакиров Ю.А. Добыча нефти и газа. – М.: Недра, 1981. –
384 с.
9. Справочник по нефтепромысловому оборудованию. Под ред. Е.И. Бухаленко. – М.: Недра, 1983. – 399 с.