Розробка методу вібраційного контролю технічного стану штангових глибинно-насосних установок для видобутку нафти

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ НАФТИ І ГАЗУ

АВТОРЕФЕРАТ

ДИСЕРТАЦІЇ НА ЗДОБУТТЯ НАУКОВОГО СТУПЕНЯ КАНДИДАТА ТЕХНІЧНИХ НАУК

РОЗРОБКА МЕТОДУ ВІБРАЦІЙНОГО КОНТРОЛЮ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ ШТАНГОВИХ ГЛИБИННО-НАСОСНИХ УСТАНОВОК ДЛЯ ВИДОБУТКУ НАФТИ

Спеціальність: Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Бандура Вікторія Валеріївна

Івано-Франківськ, 2000 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сьогодні більше 70% діючого фонду нафтових свердловин України оснащені штанговими глибинно-насосними установками (ШГНУ), за допомогою яких видобувається до 50% всієї нафти. Це пояснюється відносною простотою конструкції ШГНУ, яка забезпечує їх надійність, зручністю експлуатації мало- та середньо-дебітних свердловин і обумовлює тенденцію їх подальшого збільшення.

В той же час, як показує практика, незважаючи на простоту конструкції ШГНУ, при їх експлуатації мають місце багаточисельні відмови і аварії. Будь-яка відмова ШГНУ пов'язана з необхідністю проведення підземного ремонту свердловини, тривалість якого з подальшим освоєнням свердловин може сягати декількох діб, а витрати на його проведення деколи з вартістю самого обладнання.

У зв'язку з цим питання контролю технічного стану (в подальшому - стану) ШГНУ є одним з центральних і вимагає використання методів технічної діагностики.

Аналіз сучасного стану методів діагностування ШГНУ показав, що найбільш розповсюдженими залишаються динамометричний та ватметрографічний методи, які мають ряд недоліків. Так, динамометричний метод може застосовуватися лише у випадках, коли мають місце незначні спотворюючи збурення - мале число качань, невелика глибина свердловини та ін., а на точність оцінки стану ШГНУ при використанні ватметрографічного методу впливають додаткові спотворення ватметрограм, обумовлені кінематикою верстата-качалки (ВК), ступінню його зрівноваженості, характеристикою привідного електродвигуна ВК, величиною його завантаження, тощо.

В той же час така діагностична інформація як вібрація, котра супроводжує роботу ШГНУ і обумовлена її кінематикою і конструктивними особливостями, не використовувалась для контролю її стану, хоча відомо, що певні види відмов призводять до зміни характеристики вібраційних процесів (діагностичних ознак), які супроводжують роботу ШГНУ.

У зв'язку з цим розробка нових акустичних методів діагностування ШГНУ і модернізація загальноприйнятих, зокрема графічного, є актуальною задачею, яка має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи є частиною планових науково-дослідних програм по розвитку нафтопромислового комплексу України і базується на результатах держбюджетних науково-дослідних робіт “Розробка теоретичних та методологічних принципів діагностики обладнання нафтогазового комплексу України”, частина науково-дослідної теми 45/1 номер державної реєстрації в УкрНДІНТІ №01980005799 та "Діагностування стану технічних об'єктів на основі обмеженої інформації про переміщення точок їх поверхні", частина науково-дослідної теми Д6-Ф, номер державної реєстрації в УкрНДІНТІ №0198U005799, де автор була виконавцем розділів, присвячених розробці методології діагностування ШГНУ. Роботи входять в координаційний план Міністерства освіти і науки “Наукові основи розробки нових технологій видобутку нафти і газу, газопромислового обладнання, поглибленої переробки нафти і газу з метою отримання високоякісних моторних палив, мастильних матеріалів, допоміжних продуктів і нафтохімічної сировини”. Вказаний план входить в національну програму “Нафта і газ України”.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення надійності ШГНУ на стадії експлуатації та попередження аварій, пов'язаних з обривом свердловинного насоса (СН) та штангової колони (ШК), шляхом контролю за фактичним станом ШГНУ. Останній здійснюється на основі розробленого вібраційного методу. Для досягнення вказаної мети необхідно вирішити наступні логічно пов'язані задачі:

1. Проаналізувати основні види відмов ШГНУ і закономірності їх виникнення з врахуванням впливових факторів зокрема, вібрації, та сучасні тенденції методів і засобів діагностування ШГНУ.

2. Створити діагностичні моделі ШГНУ. Дослідити закономірності зміни коливних процесів (КП) в ШК, обумовлених зміною стану ШГНУ.

3. Розробити методичне, технічне та програмне забезпечення експериментальних досліджень вібраційного стану ШГНУ в процесі експлуатації.

4. Розробити метод вібраційного контролю стану ШГНУ та провести його промислову апробацію.

Об'єкт дослідження - механізований спосіб видобутку нафти за допомогою ШГНУ, при експлуатації яких виникають різноманітні дефекти, що викликають зміну стану ШГНУ, який не завжди однозначно можна визначити за допомогою відомих (графічного та ватметрографічного) методів контролю. Останнє призводить як до зниження ефективності процесу видобутку нафти, так і до виникнення аварійних ситуацій.

Предметом дослідження є встановлення закономірностей зміни коливних процесів в ШК, обумовлених деградації (в основному - з носовими) процесами в елементах і вузлах СН та розробка на їх основі методу вібраційного контролю стану ШГНУ.

Методи дослідження. При аналізі відмов ШГНУ використовували методи математичної статистики. При розробці діагностичних моделей використані методи математичної фізики, чисельні методи розв'язку задач математичної фізики та теорія звичайних диференціальних рівнянь, методи побудови логічних моделей.

При розробці технічного забезпечення експериментальних досліджень використовувалися методи схемо- і системотехніки, методи вібро- і тензометрії та основні положення теорії статистичних вимірювань. При аналізі результатів експериментальних досліджень і вирішенні задачі віброконтролю ШГНУ, використовувалися:

- математичний апарат теорії коливань;

- основні положення акустичної діагностики та теорії розпізнавання образів, методи статистики та оцінки статистичних зв'язків;

- методи спектрального і кореляційного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у розвитку нового напрямку - методів вібраційного контролю технічного стану ШГНУ і визначається наступними основними положеннями:

- вперше створена логічна діагностична модель СН, яка дозволяє прослідкувати напрямок розвитку дефектів, класифікувати та визначити зв'язок з іншими дефектами;

- створена математична діагностична модель, яка дозволяє описати коливання ШГНУ з урахуванням реальних умов експлуатації, і в якій, з метою врахування особливого характеру тертя, використано опис процесу коливання на основі рівняння Ван-дер-Поля та проведено оцінку їх параметрів;

- вперше проведено дослідження статистичних характеристик коливного процесу (КП) в ШК - вібраційної швидкості її поздовжніх коливань, встановлено, що він відноситься до “нестаціонарно-періодичних” випадкових процесів та вибрано методи його обробки;

- вперше виділені і досліджені інформативні ділянки КП в ШК за період качань, зміна амплітудних складових спектру яких обумовлена розвитком деградації процесів в вузлах і деталях СН, що дозволяє використати їх при виборі діагностичних ознак (ДО) стану ШГНУ;

- виявлена і досліджена ДО стану ШГНУ - відношення логарифмічного зокрема затухання автоматичної кореляційної функції (АКФ) на інтервалах зняття та сприйняття навантаження ШК, зміна якої в часі характеризує зміну стану установки, визначені умови і проведена оцінка ступеню робочої здатності ДО з врахуванням похибки вимірювання.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці:

- методу вібраційного контролю стану ШГНУ, технічних засобів, в основу яких покладені оригінальні схемні та конструктивні рішення, та програмного забезпечення для його реалізації, які дозволяють отримувати оперативну і достовірну інформацію;

- методики визначення моменту часу сприйняття навантаження за максимальним значенням взаємної кореляційної функції (ВЗФ) між реальною і еталонними використання якої дозволяє відмовитися від додаткового переміщення ШК.

Розроблений метод і технічні засоби пройшли промислову апробацію в НГВУ “Надвірнанафтогаз” і прийняті до впровадження НГВУ "Надвірнанафтогаз", "Бориславнафтогаз", "Долинанафтогаз" та "Чернігівнафтогаз" ВАТ “Укрнафта”.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень впроваджено в навчальному процесі - в робочих програмах дисциплін “Основи теорії надійності та технічної діагностики” і “Проектування систем діагностування”, які читаються для студентів спеціальності 7.0914.01 - “Системи управління і автоматики”.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Проаналізовано сучасний стан методів діагностування ШГНУ, досліджено вплив дефектів ШГНУ на її експлуатаційну надійність, створено логічну модель вставного насоса ШГНУ та проведено експлуатаційні дослідження вібраційного стану ШГНУ. В роботах, опублікованих у співавторстві, проаналізовані причини і умови виникнення дефектів ШГНУ, виконані математичні перетворення і теоретичні узагальнення отриманих результатів, обґрунтована можливість використання характеристик КП в ШК для оцінки стану ШГНУ, запропонована розрахункова схема і ДО для оцінки стану ШГНУ, визначені умови робочої здатності ДО стану ШГНУ. Прийнята особиста участь в розробці системи контролю вібраційного стану ШГНУ.

Апробація результатів досліджень. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на ХІІ, ХШ, ХIV, XV, XVI, XVII Міжнародних міжвузівських школах семінарах:

- “Методи і засоби технічної діагностики” (м. Івано-Франіквськ, 1995, 1997, 1999 рр.), (Йошкар-Ола - 1996, 1998, 2000 рр.);

- науково-практичній конференції “Стан проблеми і перспективи розвитку нафтогазового комплексу Західного регіону України” (м. Львів, 1995 рік);

- науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу (1996, 1997, 1999 рр.);

- наукових семінарах кафедри автоматизованого управління (1995 - 2000 рр.).

Публікації. За результатами досліджень, які викладені в дисертації, опубліковано 13 робіт, з них 4 одноосібних.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків, викладених на 153 сторінках тексту, 45 рисунків, 9 таблиць, списку використаних джерел, який містить 99 найменувань, та 11 додатків на 43 сторінках.

нафта технічний насосний

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета та задачі досліджень, подані наукова новизна та практичне значення отриманих результатів. Визначений особистий внесок здобувача та приведена інформація про апробацію результатів роботи.

У першому розділі проведений аналіз результатів досліджень стану ШГНУ в процесі експлуатації, в якому основну увагу приділено умовам виникнення і розвитку дефектів, та аналізу відмов, що обумовлюють надійність ШГНУ. Проведена детальна класифікація відмов ШГНУ за характером та їх видами, яка послугувала в подальшому основою для побудови логічної діагностичної моделі ШГНУ.

На прикладі НГВУ “Долинанафтогаз” наведені результати статистичного аналізу відмов основних структурних одиниць (СО) ШГНУ за 1998 рік та нанесених ними матеріальних збитків, що підтверджують актуальність проблеми контролю стану ШГНУ в процесі експлуатації.

Критичний аналіз сучасного стану методів і засобів контролю ШГНУ показав, що основним методом діагностування ШГНУ сьогодні залишається динамометричний, на основі якого розроблені різноманітні алгоритми розрахунку динаміки, та перерахунку їх, при необхідності, в плунжерні з використанням як стаціонарних, так і мобільних систем на базі ЕОМ, недоліком яких є висока вартість, складність в користуванні і обслуговуванні. Динамометричний метод не відображує КП в ШК, що, в першу чергу, визначають відмови СО ШГНУ, тому його основним недоліком є значна похибка при визначенні стану ШГНУ, які працюють в свердловинах з так званим "динамічним режимом", що характерно для нафтопромислів Прикарпаття, а також вплив дефектів механізмів наземної частини ВК та її не зрівноваженості на покази динамографа.

Показано, що найбільш перспективними є методи вібраційної діагностики, особливість яких полягає у використанні в якості джерела інформації про стан ШГНУ характеристик КП, що супроводжують роботу установки і розповсюджуються по ШК як механічному каналі зв'язку та реєструються на гирлі свердловини. Саму ШГНУ при цьому можна розглядати як складну протяжливу динамічну систему з розподіленими параметрами, елементи якої при взаємодії генерують коливання в широкому діапазоні частотного спектру.

Однак вітчизняними і зарубіжними дослідниками роботи по вивченню проблеми забезпечення надійності ШГНУ на основі використання вібраційних діагностичних методів не проводились. В зв'язку з чим не вивчена природа виникнення і розповсюдження коливань в ШК, не досліджені їх статистичні характеристики, не виявлені раціональні ДО стану ШГНУ, обумовлені впливом дефектів та ін., що стримує розробку методів і засобів діагностування її стану. На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми сформульовано мету і завдання дисертаційної роботи.

У другому розділі розглядаються теоретичні положення методу вібраційного контролю стану ШГНУ. Проаналізовані особливості ШГНУ з точки зору об'єкту вібродіагностики та обгрунтовані вимоги до його опису. Встановлено, що конструктивні особливості установки не відповідають вимогам контрольної придатності. Це не дозволяє використати серійні технічні засоби і вимагає розробки індивідуальних засобів діагностування. Складний вплив на характеристики КП, що розповсюджуються по ШК, стану вузлів і елементів ШГНУ та рівня їх надійності, свердловинних факторів і параметрів ШК, виключає можливість отримання універсальних рішень. Останнє вимагає різних підходів до розв'язку задач її діагностування.

Оскільки під описом ШГНУ розуміють створення її діагностичної моделі, в результаті аналізу якої в подальшому вибирають ДО, в розділі розглядається побудова логічної і математичної діагностичних моделей ШГНУ. Логічна модель відображає існуючі зв'язки між прийнятими до розпізнавання станами і ознаками станів та базується на результатах досліджень, проведених в першому розділі. Математична діагностична модель дозволяє дослідити процес зародження і закономірності розповсюдження коливань по ШК, обумовлених деградації процесів в вузлах і елементах ШГНУ.

За вихідну інформацію при побудові логічної моделі було взято розроблену функціональну схему вставного насоса. Блоки його логічної моделі позначені символами Q1, Q2, ...,Qn. В логічну модель входять основні конструктивні недоліки, а також монтажні і експлуатаційні дефекти:

- Q1 - втрата герметичності приймальної і нагнітальної частини;

- Q2 - абразивний знос клапана;

- Q3 - механічний знос клапана;

- Q4 - запізнювання посадки кульки на сідло клапана;

- Q5 - знос плунжерної пари;

- Q6 - збільшення зазору в плунжерній парі;

- Q7 - заїдання плунжера;

- Q8 - виривання насоса з замкової пружини;

- Q9 - висока посадка плунжера;

- Q10 - удар плунжера при ході вниз;

- Q11 - зміна характеристики рідини;

- Q12 - поломка пір'їв якоря;

- Q13 - зазор між опорним кільцем і конусом;

- Q14 - не заповнення циліндра рідиною;

- Q15 - неякісне виготовлення деталей і недбалість збирання вузлів;

- Q16 - поломки в штангах;

- Q17 - поломка стакана;

- Q18 - відворот або злом клітки клапана;

- Q19 - відворот плунжера.

Позначені зв'язки:

- Хі1...Хіn - зовнішні входи;

- Zік...Zіш - входи блоків;

- Yіj...Yіx - виходи блоків і вплив дефектів на інші елементи СН, тобто представлено весь ланцюг розвитку цих дефектів.

Розроблена логічна модель дозволила встановити і класифікувати дефекти та визначити напрямок їх розвитку і взаємозв'язок з іншими елементами СН. Створення математичної діагностичної моделі ШГНУ, яка відноситься до складних коливних систем, пов'язане з значними труднощами. З метою якісної оцінки її стану була розроблена детермінована математична модель процесу коливань ШГНУ з використанням одновимірного рівняння коливань виду:

(1)

А також граничними умовами, що враховують режим вимушених коливань верхньої частини ШК, обумовлених рухом балансира, та коливання її нижньої частини, на які впливають такі фактори як тертя, однорідність середовища, конструктивні особливості об'єкта, тощо.

Моделювання КП нижньої частини ШК здійснюється з використанням рівняння коливань для абсолютно твердого тіла:

(2)

Де:

m - маса ШК;

k - коефіцієнт жорсткості з'єднання вузлів ШК;

х - переміщення колони, А,В - постійні демпфування.

Шляхом заміни координат рівняння (2) зводиться до рівняння Ван-дер-Поля. Це дозволяє одержати якісні характеристики процесу коливань за наявності завад різного характеру, виділити різні еталонні класи процесу, що характеризуються наявністю дефектів, зміною геометричних характеристик ШГНУ.

Розглянуто також граничні випадки, які характеризуються значеннями параметра e:

Для випадків e>>1 виділено стаціонарні режими роботи, які описуються кривими виду:

Що дозволяє аналітично моделювати характеристики КП. У випадку e << 1 точні розв'язки знаходяться за методом асимптотичних розкладів по малому параметру e. Виділено характерні частоти КП, що моделюються. Показано, що розроблена модель дає добре узгодження змодельованих характеристик КП в ШК з характеристиками, одержаними експериментальним шляхом. Проведено дослідження явищ, які обумовлюють можливість аварійних ситуацій з ШГНУ.

Встановлено власні частоти lіо за критерієм:

Де:

wк - частоти зовнішнього збурення, допустимі для безпечного функціонування ШГНУ.

Для моделювання процесу коливань реалізовано наступну розрахункову схему:

Причому:



Де:

L- довжина ШК;

m1(t) - функція, що визначає режим вимушених коливань ШК;

m2(t) - функція, що моделює коливання нижньої частини ШК і є розв'язком рівняння Ван-дер-Поля;

V(x,t)- переміщення точок ШК вздовж вертикальної осі.

Вказана схема реалізована у вигляді програмного продукту, на основі якого проведено тестові розрахунки по дослідженню реальних ШГНУ з метою визначення ступеня адекватності розроблених моделей реальному стану ШГНУ.

У третьому розділі розглядається методичне, технічне і програмне забезпечення експериментальних досліджень вібраційного стану ШГНУ в промислових умовах.

Методика проведення експериментальних досліджень забезпечила:

- вивчення закономірностей розповсюдження коливань по ШК для різних періодів експлуатації ШГНУ і визначення коефіцієнтів її математичної моделі;

- вивчення впливу вібраційного стану механізмів і вузлів ВК на вібраційний стан ШК;

- встановлення взаємозв'язку характеристик КП в ШК з станом ШГНУ різних типорозмірів і ін.

Для забезпечення проведення експериментальних досліджень, згідно з поставленими задачами, була розроблена мікропроцесорна інформаційно-вимірювальна система (МІВС-01), яка складається з функціонально завершених блоків - вимірювального ВБ, МтП, АЦП та мікропроцесорного пристрою МП, в якості якого використано ПЕОМ класу АТ386. Враховуючи відсутність сьогодні технічних засобів для вимірювання вібрації об'єктів типу ШГНУ, були розроблені дві оригінальні конструкції ВБ. Перша складається з чутливого елемента у вигляді кільця з чотирма наклеєними типу 2ПКБ-20-200. На останньому закріплені у взаємно перпендикулярних площинах типу АНС-114-03, а також металевий пилевологозахисний корпус, в якому розміщена електронна плата підсилювачів, та роз'єми для під'єднання підсилювачів, вимірювального кабелю та блоку живлення. ВБ дозволяє проводити вимірювання параметрів зусиль в ШК з похибкою 0,8% та віброприскорення з похибкою 10%, що обумовлено технічною характеристикою акселерометра АНС-114-03.

Друга конструкція ВБ з вмонтованою платою підсилювачів забезпечує його кріплення на корпусах механізмів та вузлів ВК за допомогою постійних (ферито-барієвих) магнітів марки М22РА-220-1.

Процес аналого-цифрового перетворення та запису цифрованих відсіків у файл здійснюється під керуванням спеціально розробленої асемблер-програми. При цьому вибірка відсіків з каналів вимірювання вібрації здійснюється з частотою 7900 Гц, а з каналу сигналу - з частотою 60,3 Гц. Розроблено також допоміжне програмне забезпечення МІВС-01, що забезпечує оперативний перегляд файлу первинної вибірки з представленням даних у вигляді графіків вібрації та зусилля, а також перетворення файлу первинної вибірки до формату ASCII для подальшої обробки з використанням оболонки MathCad.

У четвертому розділі приводиться аналіз експериментальних даних, отриманих за допомогою МІВС, порівняння їх з результатами математичного моделювання ШГНУ та розробка методу вібраційного контролю. При дослідженні статистичних характеристик (закону розподілу, дисперсії Dх та математичного очікування Мх) КП було виявлено, що процес відноситься до “періодично-нестаціонарних” випадкових процесів, оскільки його статистичні характеристики - Мх, Dх змінюються на протязі періоду качань, як і закон розподілу КП. Зокрема, при ході вверх (фаза 3) і вниз (фаза 6) закон розподілу близький до нормального, а у моменти сприйняття і зняття навантаження на ШК Dх КП зростає, а закон розподілу є композицією нормального та арксинусоїдального закону, згідно якого розподілені миттєві значення КП, що можна інтерпретувати як періодичне виникнення та затухання в системі синусоїдальних коливань. Причиною підвищення віброактивності в ці моменти часу можуть бути інерційні навантаження на ШК при різкій зміні напряму її руху.

Проведений аналіз вібростану механізмів і вузлів ВК:

- привідного електродвигуна ПД - підшипники;

- редуктора Р - корпус;

- кривошипа КР - підшипника цапфи;

- шатуна Ш - підшипника шатуна;

- траверси ТР - підшипника хрестовини траверси;

- балансира Б - підшипника балансира, з метою оцінки впливу їх на стан ШК показав наявність між ними взаємозв'язку, що цілком нормально, оскільки всі вузли є частинами механічної системи. Однак розраховані для амплітудних спектрів значення коефіцієнта взаємної кореляції, який змінюється в межах:

- rxy=0,22 для ПД;

- rxy=0,489 для Р;

- rxy =0,518 для КР;

- rxy =0,523 для Ш;

- rxy =0,530 для Б та rxy =0,534 для ТР не дозволяють стверджувати про визначальний вплив жодного з них на стан верхньої частини ШК - полірованого штока.

Аналіз спектрів КП для ШГНУ, які мали різний період напрацювання і відповідний стан та експлуатувалися в свердловинах, що відрізняються глибиною спуску СН, характеристиками нафтоносного пласту та режимами експлуатації показав, що із зміною стану (зносом елементів і вузлів СН) загальний рівень КП в середньому зростає на 47,3 - 59,4 %, хоча така тенденція по амплітудним складовим частотного спектру в діапазоні 0-600 Гц не спостерігається. Це не дозволяє виявити конкретні частотні смуги і амплітуди їх спектральних складових (ДО), та загальні закономірності їх зміни, обумовлені зміною стану, що вимагає вирішення задачі вибору інформативних ділянок періоду качань.

З метою перевірки відповідності розробленої математичної моделі експериментальним даним було проведено розрахунки в середовищі MathCad.

При розв'язку крайової задачі (1) початкові умови приймалися нульовими, а крайові умови визначалися виходячи з режиму роботи ШГНУ наступним чином:

1) закон переміщення верхньої точки ШК:

m1 * (t) = A (sin (w t)

Де:

A - амплітуда качань, що дорівнює половині довжини ходу точки підвісу штанг;

w - циклічна частота качань.

2) закон переміщення нижньої точки ШК:

,

Де:

функція х(t) є розв'язком рівняння Ван-Дер-Поля.

Оскільки експериментальні дані реєструвалися у верхній частині ШК (на відстані близько 2 м від її верхньої точки), то для порівняння цих даних з результатами моделювання визначалася функція:



Таким чином, створена математична модель в певній мірі адекватно відображає реальні процеси у ШК. Але порівняння спектрів на рис. 3 говорить про те, що реальні вібраційні процеси є значно складнішими і не можуть бути зведені до суми невеликої кількості гармонічних складових. Як було відзначено , спектр КП має складну структуру, причому вплив стану установки на спектр не можна однозначно оцінити зміною амплітуд дискретних складових на визначених частотах та вибраних ділянках спектру, оскільки наявність дефектів впливає на форму сигналу в цілому, тому інформативними ознаками є не амплітуди основних частот збудження , а ряд параметрів, слабо пов'язаних з енергетичним балансом сигналу.

З метою вибору інформативних ділянок були проаналізовані інтервали, які відповідають окремим фазам періоду качань. При аналізі важливе значення має точне визначення моменту часу сприйняття навантаження. Для його визначення було запропоновано використати ВКФ між тензосигналом Р, отриманим експериментальним шляхом, та еталонним Е, отриманим шляхом перетворення теоретичної паралелограмної динамограми на підставі рівняння руху точки підвісу штанг. Метод базується на тому, що положенню Rxymax (t) відповідає зсув t між двома сигналами, між якими існує лінійна залежність. Метод дозволяє не лише відмовитися від давача переміщень ШК, призначеного для фіксації моментів її ходу вверх і вниз, але і діагностувати дефекти ШГНУ при наявності достатньо великої кількості їх еталонів.

Попередньо проведений аналіз ДО показав, що для даного об'єкту - ШГНУ найбільш доцільним є використання за ДО логарифмічного декременту затухання АКФ, так як при явищах зносу, пов'язаних зі зміною геометрії контактуючих поверхонь, що є причиною найбільш поширених дефектів СН, зростає роль шумової компоненти. Це відображається на вигляді АКФ, зменшуючи відношення сигнал-шум і збільшуючи коефіцієнт затухання. Використання АКФ для формування ДО дозволяє адекватно оцінити стан ШГНУ. Для обчислення ДО з використанням вищеописаного методу визначення моменту початку сприйняття навантаження була розроблена програма Dia. Вихідними даними для програми є інформація про технічні параметри свердловин, яка зберігається у базі даних та файли даних, що містять оцифровані відліки тензометричних та вібраційних сигналів, отримані за допомогою розробленої МІВС.

У зв'язку з не стаціонарністю КП як значення, так і ступінь інформативності вибраної ДО також змінюються на протязі періоду качання. Тому ЛДЗ обчислювали не для всієї реалізації, а для окремих фаз періоду качань. Проведений аналіз результатів обробки експериментальних даних по 26 свердловинах показав, що у всіх випадках значення ЛДЗ зростає з напрацюванням, причому найбільш вираженою є зміна ЛДЗ на ділянках сприйняття та зняття навантаження. При ході вверх і ході вниз ЛДЗ в окремих випадках також зменшується з напрацюванням, але не більше ніж на 10-12%, що пояснюється незначною залежністю ДО на цих інтервалах від стану ШГНУ, тобто фази 3 і 6 є найменш інформативними з точки зору вибору ДО.

Враховуючи значну не стаціонарність КП в фазах 2 та 5, найбільш доцільно за ДО вибрати значення ЛДЗ під час сприйняття або зняття навантаження, однак з метою отримання єдиної ДО, яка враховує ці обидва показники, було прийняте відношення:

Що було покладено в основу методу вібраційного контролю стану ШГНУ.

Результати оцінки стану ШГНУ з використанням розробленого методу приведені в усіх випадках спостерігається зростання значення вибраної ДО з часом напрацювання і, відповідно, з величиною зносу елементів СН. Це свідчить про її адекватне відображення стану ШГНУ. З метою промислового впровадження розробленого методу визначені умови робочої здатності ШГНУ з використанням вибраної ДО, проведене оцінювання її степені робочої здатності з врахуванням похибки вимірювання та розрахована вірогідність контролю стану ШГНУ вказаним методом, що складає Пв.к=0,993. Це підтверджує економічну доцільність його застосування в нафтовидобувних підприємствах ВАТ “Укрнафта”.

Розроблений метод вібраційного контролю ШГНУ, разом з технічними засобами для його реалізації, прийняті до впровадження в НГВУ “Надвірнанафтогаз”, “Долинанафтогаз”, “Бориславнафтогаз” та “Чернігівнафтогаз”.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі контролю стану ШГНУ, що базується на дослідженнях характеристик коливних процесів в ШК і вибору на їх основі ефективної ДО, покладеної в основу розробленого вібраційного методу контролю стану ШГНУ, використання якого дозволяє підвищити їх надійність і попередити виникнення аварійних ситуацій.

На підставі узагальнення статистичних даних по аварійності ШГНУ на нафтопромислах Західної України визначені найбільш типові відмови та причини їх виникнення, обумовлені, в основному, так званим "динамічним режимом" свердловин, для яких загальноприйнятий динамометричний метод діагностування стану ШГНУ через значну похибку є непридатним, та обґрунтована необхідність розробки вібраційного методу контролю.

2. На основі аналізу ШГНУ з точки зору об'єкту контролю, встановлено, що вона є не контрольованою придатною, складною динамічною протяжливою системою з розподіленими параметрами і запропоновано при її дослідженні використовувати основні положення акустичної діагностики. діагностика технічний насосний

3. Вперше розроблено логічну і математичну діагностичні моделі ШГНУ, які дозволяють:

- встановити і класифікувати дефекти та визначити напрямок їх розвитку і взаємозв'язок з іншими елементами насосної установки;

- описати формування та розвиток коливних процесів в ШК при різних типах тертя, що супроводжує роботу ШГНУ;

- провести дослідження явищ, що обумовлюють можливість виникнення аварійних ситуацій ШГНУ.

4. З урахуванням особливостей ШГНУ розроблено:

- методичне забезпечення, яке дозволяє здійснити весь комплекс експериментальних досліджень вібраційного стану ШГНУ;

- технічне забезпечення - мікропроцесорну інформаційну та вимірювальну систему, яка дозволяє проводити збір і обробку результатів експериментів в реальному масштабі часу і забезпечує їх вірогідність, та вимірювальні блоки, конструкція одного з них дозволяє оперативно встановлювати його на полірованому штоці, а оригінальна конструкція другого з магнітною системою - в будь-якому місці на корпусах механізмів та вузлів ВК і проводити вимірювання параметрів вібрацій з заданою похибкою 10% та пружніх деформацій - 0,8%;

- програмне забезпечення - з використанням пакетів прикладних програм, які забезпечують роботу системи, оперативну обробку, перегляд і представлення даних експериментів у вигляді графіків.

5. За результатами експериментальних досліджень вперше встановлено:

- коливний процес в ШК відноситься до “періодично-нестаціонарних” випадкових процесів (математичне очікування і дисперсія змінюються на протязі періоду качання);

- спектр вібраційні швидкості поздовжніх коливань ШК за період качання хоча в загальному і відображає зміну стану, однак не дозволяє виявити конкретні частотні смуги і амплітуди їх спектральних складових (ДО), за допомогою яких можна контролювати стан ШГНУ;

- вібраційний стан механізмів та вузлів ВК не впливає на загальний стан ШК, що дозволяє не враховувати його при визначенні ДО.

6. За результатами моделювання КП в ШК встановлені основні закономірності їх зміни, обумовлені параметрами і режимом роботи ШГНУ, а проведене порівняння спектрограм КП, отриманих експериментальним шляхом, з розрахунковими, показало адекватність моделі ШГНУ.

7. Розроблена методика визначення моменту часу сприйняття навантаження за максимальним значенням взаємної кореляційної функції.

8. Експериментально обґрунтовано вибір ДО - відношення логарифмічного затухання АКФ на інтервалах зняття і сприйнятті навантаження ШК, на основі якої запропоновано метод вібраційного контролю стану ШГНУ, визначені умови її робочої здатності та проведено оцінювання степені робочої здатності з врахуванням похибки вимірювання ДО.

9. Проведена промислова апробація розробленого методу вібраційного контролю стану ШГНУ на нафтопромислах НГВУ "Надвірнанафтогаз", який підтвердив свою ефективність.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Бандура В.В., Євчук О.В., Заміховський Л.М., Шумада В.М. Використання математичного апарату кореляційних функцій для оцінки технічного стану ГНШУ // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Технічна кібернетика та електриф. паливно-енерг. компл. - Івано-Франк., 1999. - вип. 36 (т.6). - С. 184-194.

2. Бандура В.В. Дослідження вібростану глибинно-насосних штангових установок // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Методи і засоби технічної діагностики. - Івано-Франківськ, 1999. - Вип. 36 (т.8).- С. 301-310.

3. Бандура В.В. Дослідження впливу дефектів ШГНУ на її експлуатаційну надійність // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Нафтове обладнання - м. Івано-Франк., 1999. - Вип. 36 (т.4). - С. 198-209.

4. Бандура В.В., Замиховский Л.М., Олийнык А.П. Математическое моделирование процесса колебаний ШГНУ // Методы и средства технической диагностики. - Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т. - 2000. - Вып. XVII.

5. Бандура В.В., Заміховський Л.М., Шумада В.М. Підвищення ефективності експлуатації ШГНУ для видобутку нафти шляхом їх діагностування // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Розробка та експлуатація нафтових і газових родовищ - Івано-Франківськ, 1999. - Вип. 36.

6.Бандура В.В., Заміховський Л.М. Аналіз причин, що обумовлюють надійність глибинно-насосної штангової установки // Методи і засоби технічної діагностики. - Івано-Франківськ: ІФДТУНГ. - 1995. - C. 204-209.

7. Бандура В.В., Заміховський Л.М. Система контролю технічного стану глибинно-насосних штангових установок // Методи і засоби технічної діагностики. - Івано-Франківськ. - Вип. ІУ: "Прут-Прінт". - 1999. - С. 115-119.

8.Бандура В.В. Логическая модель вставного насоса ГНШУ // Методы и средства технической диагностики. - Йошкар-Ола: МарГу. - 1998. - С. 127-131.

9. Бандура В.В. Сучасний стан методів діагностування ГНШУ/ ІФДТУНГ. - Івано-Франківськ, 1997. - 18 с. - Укр. - Деп. в УкрІНТЕІ 06.05.97, №358 - Ук 97.

10. Бандура В.В., Заміховський Л.М. Умови виникнення і розвитку дефектів глибинно-насосної штангової установки (ГНШУ) / ІФДТУНГ - Івано-Франківськ, 1996. - 14с. - Укр. - Деп в УкрІНТЕІ 04.10.96 р. №10 Ук96.

11. Бандура В.В., Заміховський Л.М. Діагностична модель штангової установки // Тез. Наук.-техн. конф. проф. - викл. складу ун-ту. - Івано-Фран-ківськ. - 1996 р. - С.109.

12.Бандура В.В., Заміховський Л.М. До питання про вібродіагностування глибинно-насосної штангової установки // Тез. наук.-техн. конф. проф. викл. складу ун-ту - Івано-Франківськ. - 1997. - С. 139.

13. Бандура В.В., Гірняк О.Р., Васьків О.В., Шумада В.М.,. Використання даних безперервної динамометрії ГШУ для свердловин з періодичним режимом роботи // Тез.наук.-практ.конф."Стан проблеми і перспективи розвитку нафтового-газового комплексу Західного регіону України".- Львів: УНГА. - 1995. - с. 164-165.

Размещено на Allbest.ru

...