Повышение эффективности диагностирования штанговых нефтяных установок

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Гусаров А.А., Кутузов В. И., Шевеленко В. Д.
Оренбургский государственный университет
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ШТАНГОВЫХ НЕФТЯНЫХ УСТАНОВОК
На основе рассмотрения колонны штанг насосных установок в качестве механического канала связи, передающего информацию в виде волн деформации от плунжера насоса до точки подвеса штанг, спектральным методом получены выражения для гармонических составляющих усилия на плунжеры насоса через соответствующие сигналы усилия и хода, измеренные на поверхности. Отклонения формы плунжерной динамограммы от «эталонной», обусловленной классами состояния штанговой нефтяной установки «ШНУ», определяются измерением глубины амплитудной модуляции гармоник, обладающих максимальной чувствительностью к изменениям диагностируемого класса состояния ШНУ.
В России более 70% всего фонда нефтяных скважин эксплуатируются штанговыми нефтяными установками (ШНУ), в которых электродвигатель через редуктор и клиноременную передачу приводит в движение кривошипно-шатунный механизм, соединенный с балансиром, установленным на неподвижной стойке и сообщающим возвратно-поступательное движение колонне штанг, опущенных в скважину. Нижний конец колонны штанг соединен с поршнем двухклапанного нефтяного насоса.
Тяжелые условия эксплуатации штанговых насосов (высокие температура и давление, наличие песка, парафина или газа в откачиваемой жидкости), как правило, вызывают неисправности в различных узлах ШНУ, приводящих к авариям как источникам экологического загрязнения.
В этих условиях одним из эффективных путей интенсификации добычи нефти является техническое диагностирование ШНУ. Оно позволяет: уменьшить простой скважины до ремонта и время ее работы с неисправным оборудованием, прогнозировать состояние ШНУ по техническому состоянию в анализируемый и предшествующий моменты времени, предсказывать неисправности в различный частях ШНУ.
С точки зрения автоматического контроля ШНУ является сложным и неудобным для диагностики объектом в силу непрерывного характера работы и необходимости диагностирования ШНУ в рабочем режиме, пространственной рассредоточенности объекта, значительного искажения поступающей на поверхность информации при прохождении по колонне штанг.
В связи с этим в настоящее время особую актуальность приобрели вопросы создания эффективных методов и средств технического ди-
агностирования с использованием «эталонных» моделей технологического процесса.
Информацию о техническом состоянии подземной части ШНУ получают в виде сигналов усилия Р^) и хода Б^) с выходов индуктивных датчиков, устанавливаемых на балансире станка-качалки (СК). Исследования показали, что форма замкнутой кривой Р = /(Б), представляющей собой зависимость усилия от перемещения точки подвеса штанг (ТПШ), так называемой динамограммы, соответствует определенному состоянию ШНУ. Однако из-за наличия колебательного процесса упругой системы «штанги — жидкость — трубы», интенсивность которого растет с увеличением глубины Б спуска насоса и числа качаний п балансира, форма динамограммы может искажаться до практической невозможности ее визуальной интерпретации.
В связи с этим особое значение приобретают аналитические методы расчета динамограмм на плунжере насоса. Плунжерные динамограммы не подвержены влиянию колебательного процесса упругой системы «штанги
— жидкость — трубы» и позволяют диагностировать ШНУ, работающие в особо сложных условиях.
Известны два аналитических метода расчета плунжерных динамограмм по данным наземных измерений сигналов усилия и хода: спектральный [1] и метод Даламбера-Римана [2]. В обоих методах колонна штанг рассматривается как механический канал связи, по которому передается информация в виде волн деформации от плунжера насоса до точки подвеса штанг. Математически этот канал описывается волновым уравнением
Эи (х-г) + 2к дЦ (х-1) _ ^ Э2Ц (х-1)
Эг2 Эг дх2 '
где и (х-г) — смещения сечения штанг по глубине X от своего исходного положения в течение времени ^ М- Ь — коэффициенты вязкостного трения, 1/С- С — скорость звука в материале штанг, М/С.
Согласно спектральному методу, обеспечивающему минимум энергии ошибки аппроксимации, форму плунжерной динамограммы Рпл = /(Б), где Рпл — усилие на плунжере насоса, Б — его ход, определяют по результатам измерения дискретных значений этих величин с помощью преобразования Фурье. Метод характеризуется следующими этапами. Измеряются дискретные значения сигналов усилия и хода за цикл качания СК с шагом дискретизации Аг и формируются два массива объемом N байт каждый.
Методом дискретного преобразования Фурье (ДПФ) определяются гармонические составляющие этих сигналов для наземной динамограммы:
ар (к) = - % Р (і)соь і=1 2 N Ьр (к) = N % Р (і)!ііп — і =1
2 —
a,(к) = N % Б (і)со!і
— і =1
2 N
b,(к) = N % Б (і),
І'- і =1
— (і-1)к. N
— (і - 1) к N


N
(і - і)к
(і - і)к
где 1 — номер дискретного значения усилия (хода) — к — номер гармоники.
Определяются коэффициенты, характеризующие распространение упругих колебаний по
колонне штанг:
кт
су[2
кт
1 +
1 +
ґ2к л2
-1 +, 1 +
ґ2к Л2
Решением волнового уравнения (1) спектральным методом, найденным в [1], определяется закон изменения амплитуды и фазы каждой гармоники сигнала усилия при прохождении волн деформации с поверхности до плунжера насоса. Согласно этому закону, гармонические составляющие усилия на плунжер насоса выражаются через соответствующие гармоники сигналов усилия и хода, измеренных на поверхности:
арх (к) = {Ьр (к)Бк (Х кЬ) +
+ Е/[ Ь, (к)Хк — а5(к)Гк ]Ск (кЬ)},іп (ТкЬ) + + {ар (к)Ск (Е, кЬ) +
+ Е/[а"(к)Хк -Ьв (к)тк]хБк (кЬ)}со,(ТкЬ) ЬрХ (к) = {Ьр (к)Ск (% кЬ) +
+ Е/[Ь,(к)Хк — а,(к)Тк]Бк (кЬ)}лп (ТкЬ) —
— {ар (к)Бк (ХкЬ) + Е/[а, (к)%к — Ь, (к)тк ] х
х С1(Х кЬ)}!ііп (ткЬ)
где Е — модуль упругости материала штанг, Н/М2- Г — площадь поперечного сечения штанг, М2.
Методом обратного ДПФ восстанавливаются значения Рпл (і) усиления на плунжере насоса в дискретные моменты времени:
ар (0) М
Рпл (і) = -4- + %
к=1
арх (к)с™
+ Ьрх (к)!ііп
-(і - 1) к N

(і - 1) к
где М — число гармоник.
Линейной интерполяцией по массивам Б (г) и Рпл (г) определяется зависимость Рпл = /(Б) усилия на плунжере от хода ТПШ.
Анализ полученных результатов показывает, что форма плунжерной динамограммы практически не искажена влиянием колебательного процесса в ШНУ (рис. 1)
Отклонения формы плунжерной динамограммы от «эталонной», обусловленные классами состояния ШНУ (утечка в клапане- неправильная посадка плунжера- откачка с газом) имеют в качестве первопричины изменения формы зависимости Рпл (г) усилия на плунжере насоса в дискретные моменты времени.
Так как каждому классу состояния ШНУ соответствует определенная форма зависимости Рпл (г), то изменения этой формы относительно соответствующей «эталонному» состоянию сопровождаются не только изменениями абсолютных значений гармоник с вполне определенными значениями их номеров, но и наличием гармоник, подвергающихся экстремальным (максимальным или минимальным) относительным изменениям амплитуд, создавая динамическую основу развития спектрального метода диагностирования класса состояния ШНУ в дополнение к методике, базирующейся на фиксации абсолютных значений, обладающих
+
наибольшими энергиями гармоник зависимости Рпл (г).
Другим обстоятельством, учет которого необходим для обоснования метода диагностирования класса состояния ШНУ, является то, что в зоне максимальной чувствительности амплитуды «к"-ой гармоники к изменениям класса состояния ШНУ, гармоники с номерами «к±1» образуют биения колебаний, несущая частота которых
P (H)
fE =
(k + 1) fKp + (k _ 1) fKp i?
---^f.
а частота огибающей биений колебаний
(k+1)/щ, _(k ^Lp
foe =-
— = fn
2 •'-кр'-
Модели, отражающие процесс перехода от диагностирования «эталонного» состояния (нормальная работа) к диагностированию одного из других классов (с отклонением от нормальной работы) учитывают значимость диагностируемых состояний ШНУ путем использования суперпозиции «к"-ой гармоники, обладающей максимальной чувствительностью при переходе от «эталонного» рабочего режима к одному из характеризующих отклонение от «эталона» и гармоник с номерами «к±1»:
U s (t) = U.
mk
cos (kw^ + jкp) +
+ V 1 + x2 + 2Хcos w^t cos (kw^ +4^)
где X =т (к +1) — коэффициент, учитывающий
ит (к-1)
степень неравенства амплитуд гармоник.
Модели на основе модулированных колебаний, параметры которых определяются классами состояния ШНУ, названы модуляционными, позволяющими получить количественные оценки коэффициентов относительной глубины амплитудной модуляции.
Выделение обладающих максимальной чувствительностью к изменениям диагностируемого состояния ШНУ «к"-ых гармоник одновре-
S (M)
Рисунок 1.
менно с гармониками номеров «к+1» и «к-1» должно сопровождаться сохранением амплитудных и фазовых соотношений, характерных для них в сигнале Рпл (г), что может быть обеспечено полосовыми фильтрами, основанными на использовании ортогонализирующих полиномов [3].
Для обеспечения эффекта полосовой фильтрации в диапазоне частот /кр (к +1) ^ /кр (к -1) необходимо получить
и въгхпф (г) =выхвч (г) -[ вх (г) — и выхнч ] =
= ивЬ1Хк+1(г) -р,(г) — ивЪ1Х-/г)] ,
т. е. сформировать базисную функцию
Dпф (X) = Dk+1(X) _ Dk1 (X) =
(k +1) + -
X _ sin
(k _1) +1
X
2 sin (X / 2)
_ sin{k + 1) X — (к -1)X]/ 2} sin (X / 2)
. cos {к + 1) X -(k — 1) X + X ]/ 2}
которая в рассматриваемом случае наделяет Uвыхпф (1) свойствами осциллирующей функции с глубиной амплитудной модуляции, определяемой классом состояния ШНУ.
Список использованной литературы:
1. Gibss S.G., Neely A.B. Computer diagnosis of down hole conditions in sucker rod rumring wells // Journal of Petroleum Technology. -1986. -Vol 18, № 1. -P. 91−98.
2. Вирновский A.C. Способ вычисления величин, характеризующих работу глубиннонасосной установки, по данным наземных измерений. // Шфтяное хозяйство. -1952. -№ 5. -С. 30−36.
3. В. Д. Шевеленко, В. И. Кутузов, A.T. Раимова, Е. В. Квитек. Фильтрация измерительных сигналов формированием ортого-нализирующих полиномов. «Электромагнитные волны и электронные системы». 2001. T6. № 2−3, стр. 113−118.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой