Надежность нефтегазовых объектов в арктических условиях


Е. И. Крапивский, Н. С. Вишневская, Е. Е. Яворская










            НАДЕЖНОСТЬ НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ
            В АРКТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ



Учебное пособие

















Москва Вологда « Инфра-Инженерия» 2020

УДК 622.691/.692
ББК 39.76/.77
     К77

              Учебное пособие рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом Ухтинского государственного технического университета




Рецензенты:
профессор кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина А. А. Поляков;
    главный инженер проекта бюро ГИП канд. техн. наук А. И. Попова






      Крапивский, Е. И.

К77      Надежность нефтегазовых объектов в арктических условиях : учеб      ное пособие / Е. И. Крапивский, Н. С. Вишневская, Е. Е. Яворская. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 216 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0482-2

    Изложены основы сооружения и эксплуатации магистральных трубопроводов в осложненных инженерно-геологических условиях, даны основные термины и понятия. Приведена статистика аварий трубопроводов, описаны экспертные системы, предложена методика оценки степени риска аварий на магистральных нефтегазопроводах.
    Для студентов нефтегазовых специальностей.
УДК 622.691/.692
ББК 39.76/.77









ISBN 978-5-9729-0482-2

    © Крапивский Е. И., Вишневская Н. С., Яворская Е. Е., 2020
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

    СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ............................................................5
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ................................................10
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ..............................................11
Глава 1. СТРАТЕГИЯ РОССИИ НА РЫНКЕ УГЛЕВОДОРОДОВ
И УСЛОВИЯ ЕЁ РЕАЛИЗАЦИИ............................................12
  1.1. Эффективность разведки континентального шельфа..............13
    1.1.1. Состояние геолого-геофизической изученности континентального шельфа.........................................................13
    1.1.2. Ресурсы и запасы углеводородного сырья акваторий........14
  1.2. Основные направления реализации проектов по разведке и добыче углеводородного сырья............................................15
  1.3. Прогноз добычи газа и жидких углеводородов на шельфе РФ.....16
    1.3.1. Перспективные методы организации добычи на шельфе.......16
  1.4. Добычные возможности выявленных и прогнозируемых морских месторождений нефти и газа.......................................17
    1.4.1. Баренцевоморский регион.................................17
    1.4.2. Печороморский регион....................................18
    1.4.3. Регион Карского моря....................................20
    1.4.4. Обская и Тазовская губы.................................22
    1.4.5. Охотоморский регион.....................................26
Глава 2. НЕФТЕГАЗОВЫЕ ОБЪЕКТЫ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ, ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА И КРАЙНЕГО СЕВЕРА.................................28
  2.1. Ресурсная база ПАО «Газпром»................................28
  2.2. Морские буровые платформы России............................29
  2.3. Буровые установки и платформы острова Сахалин...............35
    2.3.1. Сахалинские шельфовые проекты...........................36
    2.3.2. Береговой комплекс подготовки...........................42
    2.3.3. Система транспортировки нефти...........................42
  2.4. Магистральные газопроводы и компрессорные станции Арктики...53
    2.4.1. Арктические компрессорные станции газопровода Бованенково - Ухта .57
  2.5. Магистральные нефтепроводы и нефтеперекачивающие станции Российского Севера...............................................62
  2.6. Резервуары СПГ в Арктике....................................67
Резервуары для хранения сжиженного газа............................67
  Подземные и надземные резервуары для хранения СПГ................68
  Конструкции резервуаров для хранения СПГ.........................70
  Резервуары хранения СПГ - Проект «Сахалин-2».....................73

3

  РВСС Резервуары (резервуары вертикальные стальные в северном исполнении) - производство и монтаж..............................74
Глава 3. ДИАГНОСТИКА НГС АРКТИКИ...................................75
  3.1. Краткий обзор методов внутритрубной диагностики подземных металлических трубопроводов......................................75
    3.1.1. Магнитная внутритрубная диагностика.....................77
    3.1.2. Вихретоковая (EDDY CURRENT) внутритрубная диагностика..102
    3.1.3. Пространственное позиционирование подводных трубопроводов средствами внутритрубной диагностики..........................105
Глава 4. ДИАГНОСТИКА ОБОРУДОВАНИЯ КОМПРЕССОРНЫХ И НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ.......................................119
  4.1. Техническая диагностика ГПА................................119
  4.2. Классификация задач диагностирования.......................120
  4.3. Общие пути решения диагностических задач...................126
  4.4. Требования к диагностированию газоперекачивающих агрегатов.129
    4.4.1. Функциональная схема и структура диагностирования ГПА..132
  4.5. Способы и средства реализации алгоритмов диагностирования..137
  4.6. Технология диагностического обслуживания ГПА................142
    4.6.1. Цели и задачи отраслевой системы диагностического обслуживания ГПА (ОСДО)........................................142
    4.6.2. Основные характеристики парка ГПА ПАО «Газпром».........143
    4.6.3. Характерные неисправности и параметры, отражающие их возникновение и развитие......................................144
  4.7. Параметры ударных импульсов................................155
    4.7.1. Устройство датчиков ударных импульсов..................157
    4.7.2. Использование метода ударных импульсов (SPM) в стационарных системах мониторинга и диагностики НКО........................158
    4.7.3. Совершенствование метода SPM. Применение SPM спектра...161
  4.8. Возможность использования метода SPM в мониторинге разрывов потока жидкости.................................................166
Глава 5. ПРОГНОЗ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ..........................................................169
  5.1. Вероятностно-статистический метод анализа и прогноза технического состояния магистральных трубопроводов............................169
  5.2. Бальные методы оценки надежности и срока службы трубопроводов. Коррозионные свойства среды, окружающей трубопровод.............176
  5.3. Методика оценки степени риска аварий на магистральных нефтепроводах...................................................183
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..................................213

4

    ВВЕДЕНИЕ


    Основные нефтегазовые проекты России 21 века связаны с Арктикой, Восточной Сибирью, и Дальним Востоком, природно-климатические условия которой близки к арктическим.
    В связи с этим для магистров Ухтинского государственного технического университета разработаны два новых курса: «Надежность нефтегазовых объектов в арктических условиях» и «Проектирование нефтегазовых сооружений на шельфах северных морей».
    В первом из вышеупомянутых курсов основное внимание уделяется методам повышения надежности нефтегазовых сооружений в Арктике, технической диагностике и прогнозированию их остаточного ресурса.
    Дан краткий обзор нефтегазовых месторождений Российской Арктики, севера Западной Сибири, Восточной Сибири и севера Дальнего Востока - ресурсной базы нефтегазовых объектов Арктики и северных районов РФ.
    Кратко рассмотрены особенности нефтегазовых объектов Российской Арктики (магистральные газопроводы и нефтепроводы, компрессорные и нефтеперекачивающие станции).
    Вопросы проектирования морских платформ, морских нефтехранилищ, морских магистральных трубопроводов рассмотрены в подготовленном к изданию учебном пособии «Проектирование нефтегазовых сооружений на шельфах северных морей».
    В работе использованы учебные пособия Е. И. Крапивского, имеющиеся в библиотеке Горного университета, монография Золотухина и др.
    При изучении курса большое внимание планируется уделить самостоятельной работе студентов, магистрантов, аспирантов (как это осуществляется в Америке и Европе), поэтому подготовлен большой список литературы, в том числе и нормативных документов.
    В учебном пособии большое внимание уделено основам технической диагностики и оценки надежности линейной части магистральных трубопроводов и в меньшей степени технической диагностике и надежности компрессорных и нефтеперекачивающих станций.
    Техническая диагностика нефтегазовых сооружений, благодаря раннему обнаружению дефектов и неисправностей, позволяет устранить отказы обору

5

дования в процессе технического обслуживания и ремонта, что повышает надёжность и эффективность его эксплуатации, особенно в условиях Арктики.
    Техническая диагностика решает обширный круг задач, многие из которых являются смежными с задачами других научных дисциплин.
    Основной задачей технической диагностики является распознавание технического состояния объекта в условиях ограниченной информации.
    Анализ состояния проводится в условиях эксплуатации, при которых получение информации крайне затруднено. Поэтому, часто не представляется возможным по имеющейся информации сделать однозначное заключение, и приходится использовать статистические методы.
    Теоретическим фундаментом для решения основной задачи технической диагностики следует считать общую теорию распознавания образов.
    Техническая диагностика изучает алгоритмы распознавания применительно к задачам диагностики, которые обычно могут рассматриваться как задачи классификации.
    Алгоритмы распознавания в технической диагностике частично основываются на диагностических моделях, устанавливающих связь между техническими состояниями изделия и их отображениями в пространстве диагностических признаков. Важной частью проблемы распознавания являются правила принятия решений (решающие правила).
    Решение диагностических задач (отнесение изделия к исправным или неисправным) всегда связано с риском ложной тревоги или пропуска цели.
    Для принятия обоснованного решения привлекаются методы теории статистических решений.
    Решение задач технической диагностики связано с прогнозированием надёжности на ближайший период эксплуатации (до следующего технического осмотра). Здесь решения основываются на моделях отказов, изучаемых в теории надёжности.
    Другим важным направлением технической диагностики является теория контролеспособности.
    Контролеспособность создаётся конструкцией изделия и принятой системой диагностики.
    Основной задачей теории контролеспособности является изучение средств и методов получения диагностической информации.
    В сложных технических системах используется автоматизированный контроль состояния, которым предусматривается обработка диагностической информации и формирование управляющих сигналов.

6

    Методы проектирования автоматизированных систем контроля составляют одно из направлений теории контролеспособности. Задачи теории контролеспо-собности связаны с разработкой алгоритмов поиска неисправностей, разработкой диагностических тестов, минимизацией процесса установления диагноза.
    Таким образом, структура технической диагностики характеризуется двумя взаимопроникающими и взаимосвязанными направлениями: теорией распознавания и теорией контролеспособности. Теория распознавания содержит разделы, связанные с построением алгоритмов распознавания, решающих правил и диагностических моделей.
    Теория контролеспособности включает разработку средств и методов получения диагностической информации, автоматизированный контроль и поиск неисправностей. Техническую диагностику можно рассматривать как раздел общей теории надёжности.
    Качество изделий представляет совокупность свойств, определяющих их пригодность для эксплуатации.
    Надёжность является важнейшим технико-экономическим показателем качества любого технического устройства, в частности электрической машины, определяющим её способность безотказно работать с неизменными техническими характеристиками в течение заданного промежутка времени при определённых условиях эксплуатации.
    Проблема обеспечения надёжности связана со всеми этапами создания изделия и всем периодом его практического использования.
    Надёжность изделия закладывается в процессе его конструирования и расчёта, и обеспечивается в процессе его изготовления путём правильного выбора технологии производства, контроля качества исходных материалов, полуфабрикатов и готовой продукции, контроля режимов и условий изготовления.
    Надёжность сохраняется с помощью применения правильных способов хранения изделий и поддерживается правильной его эксплуатацией, планомерным уходом, профилактическим контролем и ремонтом.
    Учебное пособие не является полностью самостоятельной работой.
    К настоящему времени по надежности нефтегазовых объектов и основам технической диагностики опубликованы десятки работ, многие из которых, по нашему мнению, также не являются оригинальными.
    Большое влияние на изложение оказали одноименные (или близкие по наименованию) работы А. А. Коршака, В. А. Полякова, В. Я. Кучера, А. М. Са-фарбакова, А. Е. Стецюка и Я. Ю. Бобровникова и многих других.

7

    Вместе с тем, ряд вопросов: вероятностно-статистический анализ и прогноз технического состояния магистральных трубопроводов, являются, по нашему мнению, оригинальными.
    Впервые в учебных пособиях такого рода описаны аварии на отечественных и зарубежных трубопроводах, бальные методы оценки технического состояния трубопроводов.
    Авторы старались показать особенности анализа надежности нефтегазовых объектов северных районов России и Дальнего Востока.
    Разработка и эксплуатация шельфовых месторождений в мире ведется нефтяным сообществом с XIX века. Впервые шельф стал разрабатываться в Калифорнии, в XX веке добавились Мексиканский залив, Северное море и Сахалин.
    Шельф давно осваивается и в нашей стране, это в первую очередь месторождения Каспийского моря и позднее Сахалина. А сегодня Россия вплотную приступает к созданию нефтяных промыслов в Арктике - Штокмановское и Приразломное месторождения. Освоение нефтегазовых месторождений на шельфе северных и дальневосточных морей является одним из стратегических направлений развития экономики нашей страны.
    Печороморский и Южно-Баренцевский районы входят в число наиболее перспективных на нефть и газ на Арктическом шельфе России. Предполагается, что здесь, в ближайшем будущем будет добываться до 10 млн т нефти и 50 млрд м³ газа в год.
    Нефтегазодобывающий комплекс региона будет формироваться на базе запасов уже открытых месторождений нефти - Приразломного, СевероМедынского, Северо-Гуляевского, Варандей-море, Поморского, Долгинского и развиваться по мере поиска и развития многочисленных компактно расположенных перспективных объектов.
    Запасы газа, в основном, сосредоточены в Баренцевом море и составляют более 4000 млрд м³. Основой газодобывающего комплекса является Штокмановское газоконденсатное месторождение, запасы которого (3,2 трлн м³) вместе с Ледовым (500 млрд м³) и Лудловским (220 млрд м³) создают надежную ресурсную базу для добычи газа. Общие ресурсы этого перспективного района оцениваются не ниже 5-6 трлн м³ газа.
    В Арктике сосредоточено около пятой части мировых неосвоенных запасов нефти и газа, большинство из которых находится на российской территории. Правда, реальные запасы углеводородов требуют подтверждения, так как российский шельф изучен далеко недостаточно. Если перспективы нефтегазоносно

8

сти шельфа Сахалина в Охотском море или Карского и Лаптева морей в Арктике более определенны, то в отношении шельфа Берингова, Чукотского и ВосточноСибирского морей, Татарского пролива Японского моря оценка одна - недостаточная изученность.
    Несмотря на высокие перспективы открытия месторождений углеводородов на шельфе арктических и дальневосточных морей, геологоразведка на российском шельфе идет с трудом. Инвестициям не способствуют огромные экологические риски и отсутствие какой-либо инфраструктуры в совокупности с крайне сложными климатическими условиями.
    Также развитие нефтегазодобычи в Арктике потребует строительства значительного количества ледостойких платформ (ЛСП) и проводки большого числа эксплуатационных скважин. Потребуется разработка оптимального варианта транспортировки нефти и газа. Реальные уровни добычи нефти и газа будут зависеть от общей потребности западноевропейского рынка. Однако следует указать и на большое значение нефтегазодобычи в этих районах для промышленности и социальной сферы близлежащих регионов.
    Все это позволяет говорить о том, что для того, чтобы вести разведку и разработку нефтегазовых ресурсов континентального шельфа страны, необходимо создать достаточный инфраструктурный и логистический потенциал, использовать современные технологии и технические средства производства морских поисково-разведочных и добычных работ, мобилизовать необходимый объем финансовых ресурсов, в том числе, за счет активного использования различных стимулирующих мер нормативно-правового и экономического характера.

9

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

млсп  Морская ледостойкая стационарная платформа «Приразломная»  
МФЛС  Многофункциональное ледокольное судно                      
спг   Сжиженный природный газ                                    
ОБТК  Объединённый береговой технологический комплекс            
мэг   Моноэтиленгликоль                                          
БТК   Береговой технологический комплекс                         
СМЛОП Северный морской ледостойкий отгрузочный причал «Варандей»  
ЕСГ   Единая система газоснабжения России                        
КС    Компрессорная станция                                      
ГТС   Единая газотранспортная система                            
ГКС   Головная компрессорная станция Сахалин                     
ВСТО  Ввосточная Сибирь - Тихий Океан                            
ППУ   Пенополиуретан                                             
УДНГК Установка деэтанизации нестабильного газового конденсата   
РВС   Резервуар вертикальный стальной                            
РВСС  Резервуары вертикальные стальные в северном исполнении     
ППБУ  Полупогружные буровые установки                            
ТОН   Терминал отгрузки нефти                                    
ВПУ   Выносное причальное устройство                             
ПУ    Полиуретановая изоляция                                    
НГС   Нефтегазовые сооружения                                    
КС    Компрессорная станция                                      
НПС   Нефтеперекачивающая станция                                
ЭМАП  Электромагнитная акустическая диагностика                  

10

    ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ


    Контролеспособность - это свойство изделия обеспечивать достоверную оценку его технического состояния;
    Надёжность - это важнейший технико-экономический показатель качества любого технического устройства, определяющим её способность безотказно работать с неизменными техническими характеристиками в течение заданного промежутка времени при определённых условиях эксплуатации.
    Конкурентноспособность - это его преимущество по отношению к другим предприятиям данной отрасли внутри страны и за ее пределами.
    Манифольд - это элемент нефтегазовой арматуры, который представляет собой несколько трубопроводов, закрепленных на одном основании, рассчитанных на высокое давление и соединенных по определенной схеме.
    Кессон - это конструкция, которая внутри является полой. Изначально кессон применялся для подводных работ, он представлял собой водонепроницаемую камеру круглой или квадратной формы.
    Резервуар - это емкость для хранения нефти и нефтепродуктов, сооружают из несгораемых материалов в наземном, подземном и полуподземном исполнении.

11

        Глава 1.

    СТРАТЕГИЯ РОССИИ НА РЫНКЕ УГЛЕВОДОРОДОВ И УСЛОВИЯ ЕЁ РЕАЛИЗАЦИИ

    Россия на сегодняшний день является одним из крупнейших участников мирового энергетического рынка. На её территории сосредоточено, по разным оценкам, от 5,4 до 12 % разведанных мировых запасов нефти и от 25 до 30 % запасов газа. Начальные суммарные ресурсы углеводородов (УВ) составляют более 343 млрд т в нефтяном эквиваленте, в том числе более 71 млрд т запасов, около 234 млрд т ресурсов разных категорий и более 38 млрд т накопленной добычи жидких и газообразных углеводородов. Страна занимает одну из лидирующих позиций в мире по добыче и экспорту топливно-энергетических ресурсов, разделяя в последние годы первое и второе места в нефтяном секторе с Саудовской Аравией, а в газовом - с североамериканскими (США, Канада) и ближневосточными (Иран, Катар) странами.
    Достигнутое Россией конкурентное преимущество на мировом рынке топливно-энергетического сырья способно обеспечить устойчивое развитие национальной экономики и социальной сферы, обеспечить пополнение бюджета и финансирование институтов развития гражданского общества. Обеспечение в долгосрочной перспективе углеводородным сырьём потребностей российской экономики и сохранение в долгосрочной перспективе ведущей позиции страны на мировом рынке энергетического сырья является одной из актуальных стратегических задач государственной политики.
    Основным регионом, где следует ожидать наиболее существенного прироста ресурсов и запасов нефти и открытия крупных, рентабельных для освоения месторождений с запасами более 30 млн т условного топлива (т.у.т), способных обеспечить в среднесрочной перспективе стабилизацию объёмов нефтедобычи на необходимом уровне, является континентальный шельф Российской Федерации. На территории Российской Федерации в регионах развитой нефтегазодобычи ожидается открытие, в основном, мелких и средних по запасам - до 30 млн т.у.т месторождений, и переход, начиная с 2020-2025 гг., к освоению более сложных по структуре и составу и существенно менее рентабельных в разработке запасов.
    Энергетическая безопасность РФ обеспечивается наращиванием добычного и ресурсного потенциала страны, созданием в приморских регионах межот


12