Система оперативного диагностирования штанговых глубиннонасосных установок нефтяных скважин

В В Е Д Е Н И Е В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года записано: «…Довести в 1985 году удельный вес добычи нефти на комплексноавтоматизированных промыслах до 85−90 процентов. Снизить трудовые затраты на обслуживание одной скважины на 15−18 процентов». Повышение эффективности нефтедобывающей отрасли связано с развитием автоматизации контроля и диагностирования технологических объектов и созданием соответствующих методов и средств в свете постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 22 июля 1982 г. «О развитии работ по автоматизации машин, оборудования и приборов с применением микропроцессорных средств и создания на этой базе автоматизированных предприятий и технологических комплексов» Штанговый глубиннонасосный способ добычи является самым распространенным механизированным способом нефтедобычи. В СССР около 80 фонда действующих скважин эксплуатируются этим способом [34]. Фонд штанговых гдбиннонасосных скважин непрерывно увеличивается как за счет скважин, переводимых на глубиннонасосную эксплуатацию с компрессорного или фонтанного способа, так и за счет вновь вводимых в эксплуатацию сквакин. Глубиннонасосный способ является экономически высокоэффективным уступая лишь фонтанной эксплуатации. В то же время небольшие межремонтные периоды, простои скважин в ожидании ремонтов, достигающие в среднем 7 календарного времени, и значительная стоимость подземных ремонтов, являются источниками потерь при глубиннонасосной эксплуатации. Качественный контроль работы глубиннонасосных установок, знание текущего технического состояния оборудования позволили бы минимизировать эти потери. Основными способами контроля работы штанговых глубиннонасосных скважин Ш С являются замер дебита и динамометрирование [73]. Анализ данных, получаемыхпри замере дебита, заключается в сравнении с результатами предыдущих замеров и позволяет определить лишь сам факт падения дебита без выявления причины. Динамометрирование позволяет определить текущее техническое состояние подземной части глубиннонасосной установки (ГНУ), выявить место, вид, степень и причину возникновения неисправности, то есть осуществить техническое диагностирование глубиннонасосного оборудования (ГНО). Обработка динамограмрлы проводится вручную, что требует определенной квалиркащи оператора, затрат времени, и вносит элемент субъективности. В последние годы в восточных районах страны получает распространение способ контроля работы ГНУ по потребляемой электрической мощности так называемое ваттметрирование [41,42,43] Однако, до сих пор ваттметрирование применялось лишь для аварийного отключения станков-качалок (СК), возможность диагностирования ГНО по ваттметрограммам не исследовалась. Исходя из отмеченного, цель данной работы заключается в следующем: исследование и разработка методов автоматического диагностирования ГНОразработка алгоритмов и средств оперативного диагностирования ГНОразработка принципов структурного построения системы автоматического оперативного диагностирования ГНУ. На защиту выносятся следующие основные положения и результаты. б 1. Впервые предложен и исследован метод оперативного диагностирования ГНО по единому критерию, инвариантный к виду исходного диагностического параметра. На его основе разработаны алгоритмы цифровой обработки и интерпретации динамограмм и маттметрограмм, 2. Предложен способ бипараметрического оперативного функционального диагностирования, позволяющий расширить число распознаваемых состояний ГНО, 3. На основе анализа ваттметрограмм основных классов состояний ГНО установлена необходимость двухкритериального алгоритма защиты и контроля работоспособности ГНУ, и разработан алгоритм, выявляющий аварийное и предаварийное состояние. 4. Исследованы на основе технико-экономических критериев варианты структурного построения системы оперативного диагностирования (СОД) ХНУ И определены прешлущественные области применения каждого из вариантов в зависимости от топологии промыслов и надежностных характеристик элементов системы. Актуальность проведенных исследований и разработок определяется тем, что создание эффективных средств контроля ГНО способствует решению важной государственной задачи, отмеченной в решениях ХХУ1 съезда КПСС и Планах развития народного хозяйства по повышению эективности нефтедобычи. Перспективность работы определяется тем, что создание средств контроля ГНО на основе микропроцессорной техники, отвечаюш[их современному уровню развития науки и практики, позволяет в дальнейшем совершенствовать алгоритмическое и програкмное обеспечение в целях дальнейшего роста эффективности. Исследования базируются на методах структурной оптимизации систем, элементах теории цифровой обработки сигналов, методах теории статистического анализа, приемах технической диагностики, элементах. теории погрешностей. Новизна отдельных решений защищена авторскими свидетельствами Государственного Комитета СССР по делам изобретений и открытий. Результаты работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы создания и опыт внедрения автоматизированных систем управления в нефтяной, нефтеперерабатывающей и нефтехшлической промышленности» (г.Сзмгаит, октябрь, 1980 г.) — на Всесоюзном семинаре «Проектирование систем диагностики» (г.Ростов-на-Дону, май, 1982 г.).I АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ГЛУЕИННШАСОСНСЙ НШТЩОБНЧИ I.I. Состояние проблемы Контроль технического состояния объектов глубиннонасосной нефтедобычи осуществляется в Щ Щ Г по результатам замеров дебита и динамометрированию (телединамометрированиго). Б случае затруднений в выявлении состояния оборудования, эти данные передаются Б центральную инженерно-технологическую службу (ЦИТС) НГД7 для расшифровки. В ЦИТС передается и информация о выявленных аварийных ситуациях. На основании этой информации в ЦЙТС формируются задания по аварийным работам и графики движения бригад текущего и капитального ремонтов ГНС. На рис. 1.1 показана схема сбора и обработки информации для формирования задания на проведение подземных ремонтов. Б результате контроля в Щ Щ Г данных замеров по дебиту и данамометрированию выявляются скважины, требующие профилактического ремонта. Данные по этим скважинам передаются в ЦИТС nrjoy, где они обрабатываются, и по результатам форшгруются заявки на ремонты, либо, в сомнительных случаях, запрашиваются данные повторного динамометрирования. По этим данным, с учетом заявок на ремонт аварийно остановленных скважин, формируются график и заявки на проведение подземных ремонтов. В производственное объединение направляются статистические данные по скважинам и ожидаемая потребность в материалах и элементах замены. На рис. 1.2. показаны информационные потоки при контроле и управлении ГНС в НГДУ, оснащенном системами телемеханики и средствами вычислительной техники. Все виды сообщений, формируемых первичными преобразователями (ПП), через устройство контролируемого пункта (КП) или телеячейку ёкивц Cmamucmuif. [данные и заявки на мате риалы по кивц) График пос/зел1"ы1ь in ТС) Геологотехнический контроль Нормирование залбок на подз. ремонты аибо. рСМО/П70б J 3Qdofuj ffо ремонт .1 тиг аНиспетчер CfCUU Заявки ]но peMOff/nl оВаридноовтанобленныз скЗомин, контроль ШиномометриpoSanue Рис. I. I Схема сбора и обработки информации для формирования задания на проведение подземных ремонтов.6 киви, по цитс ЭВМ оператор технолог, уровень НГДУ уровень цднг Рис. 1.2 Информационные потоки при контроле и зшравлекми глубиннонасосными скважинаьш. II (ТЯ) системы телемеханики передаются в канал связи. С помощью пульта ущ) авления (ПУ), устройства обработки информации (УОИ) осуществляется прием, обработка, вывод на внешнее устройство, а также регистрация информации в диспетчерском пункте (ДП) на уровне Щ Щ Г Далее часть информации, необходимая для решения экономических, плановых и учетных задач, передается в ЦИТС НГД7. На технологические объекты поступают командные сообщения, регулирующие воздействия задания, форм1фуемые в основном, на уровне ЦПЦГ, а иногда и ЦИТС. Передача командных сообщений на объекты происходит по цепям исполнительных механизмов Ш На основе сообщений, формируемых ПП, осуществляется также местное управление ГНС с помощью локальных устройств управления (ЛУУ). Б качестве ЛУУ применяются инерционные магнитные выключатели типа ШЛБ-Ш, электроконтактные манометры типа БЭ-16 РБ, блоки управления различных типов. Система местной автоматизации обеспечивает автоматическое управление электродвигателем СК при аварийных режимах: отключение при обрыве штанг и поломках редуктора, при коротких замыканиях и обрывах фаз, отключение электродвигателя по импульсу от электроконтактного манометра при аварийной ситуации на групповой замерной установке и индавидуальный самозапуск СК после перерыва в снабжении электроэнергией. Усилие, несущее в себе информацию о работе глубинного штангового насоса (ГШН), передается от плунжера вверх по колонне штанг, и далее, через полированный шток, балансир, кривошипношатунный механизм, редуктор, клиноременную передачу к приводному электродвигателю СК (рис. 1.3). Усилие в точке подвеса штанг содержит полную и наименее искаженную информацию из того, что можно получить на поверхности, о состоянии подземного ГНС. ПоПрибодной Эле1гтрод6иготель 1 боттметричеакая инсрормоци к л иноременноя передача редуктор чаземноя часть глубинночааосной увтоноВки ЪтоиоК каиалко) h: pu6ouJunHOшатунный механизм динамометрическая инд) ормация полиробанныи шток Подземное глубинночааоеное оборудование колонна, L штанг глубинный штангоВый ноаос Рис. 1.3 Цепочка прохождения информации от ГШН. этому динамометрирование съем и анализ кривой усилия в функции перемещения точки подвеса штанг, является общепринятым способом контроля работы и диагностирования ГШН. В СССР динамометрирование получило широкое распространение начиная с 40-х годов, когда были опубликованы работы [85 и др.] посвященные теоретическим и практическим вопросам динамометрирования и, в частности, вопросам обработки и расшиовки данамограмм. На основе этих работ были разработаны методшки обработки динамограмм, применяющиеся на большинстве промыслов до настоящего времени. Позднее эти работы были переработаны и дополнены [20] Б ряде трудов [22,56, 63 и дц).] затрагиваются различные аспекты вопроса обработки динамограмм, связанные с развитием конструкции ГШН, появлением систем телединамометрирования, влиянием состава газожидкостной смеси на форму динамограммы, одновременно.

Выводы.

В 4-й главе рассмотрены принципы построения аппаратуры и программного обеспечения микропроцессорной СОД ГНУ.

1. Показано, что требованиям по точности и быстродействию аналого-цифрового преобразования частотных сигналов отвечают время-импульсный способ и предложенный способ частотного преобразования с «плавающим» интервалом измерения. Исследованы и оценены составляющие погрешности преобразования для конкретных значений сигналов существующих датчиков динамометрирования. Исследованы три варианта построения АЦП — аппаратная, аппаратно-программная, программная реализации, — и показаны преимущественные области их применения — центральное, групповое или мобильное микропроцессорное устройство диагностирования, причем для программной реализации преимущество имеет частотное преобразование с «плавающим» интервалом измерения.

2. Разработано устройство отображения диагностической информации на газоразрядном матричном индикаторе, использующее способ организации вывода знакографической информации из микро-ЭВМ на матричный индикатор в реальном времени с минимальными затратами памяти. Предложен способ и разработано устройство регистрации динамограмм с помощью однокоординатного ленточного регистратора.

3. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение микропроцессорной СОД ГНУ, обеспечивающее ввод, сжатие, интерпретацию динамограмм и ваттметрограмм, расчет параметров уравновешивания СК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе получены следующие научные и практические результаты.

1. С учетом задач, решаемых на основе данных о функционировании ГНУ, предложена иерархическая структура комплекса средств контроля и диагностирования ГНО. На основе технико-экономических критериев исследованы различные варианты организации взаимодействия источников и потребителей информации в СОД ГНУ и оцределены преимущественные области применения каждого из вариантов в зависимости от топологии промыслов и надежностных характеристик элементов СОД ГНУ.

2. Определены преимущественные области применения для каждого из видов диагностических параметров. Показано, что ваттметрирование имеет преимущество для защиты и контроля работоспособности ГНУ, динамометрирование — для оперативного диагностирования ГНО.

3. Впервые предложен и исследован метод, позволяющий осуществлять оперативное диагностирование ГНО на основе единого критерия, вне зависимости от вида диагностического параметра. Разработаны алгоритмы оперативного диагностирования ГНО по динамо-граммам и по ваттметрограммам.

4. Исследованы пути повыпения достоверности диагностирования ГНО и сделан вывод об эффективности многопараметрического диагностирования. Разработан способ бипараметрического оперативного диагностирования, позволяющий расширить число распознаваемых состояний ГНО и повысить надежность контроля.

5. На основе исследования возможных форм ваттметрограмм, соответствующих различным классам состояний ГНО, установлена необходимость двухкритериального алгоритма защиты и контроля работоспособности ГШ". Разработан алгоритм защиты и контроля работоспособности ГНУ по ваттметрограмме, позволяющий выявить аварийные и предаварийные состояния.

6. Исследованы принципы построения и разработаны средства микропроцессорной СОД ГНУ, в том числе устройства ввода, отображения и регистрации информации. Исследованы и оценены погрешности разработанных АЦП, реализующих предложенный метод частотного преобразования с «плавающим» интервалом измерения. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение микропроцессорной СОД ГНУ.

7. Разработанные элементы СОД ГНУ внедрены и внедряются в ПО Башнефть, внедряющая организация — СПНБ «СНА» — в ПО Глав-тюменнефтегаз, — завод «Электрон» — в перспективе будут внедрены в ПО Татнефть, — НИПИ «НХА» — в ПО Азнефть, — БПО «Геофиз-прибор» .

Основные положения диссертации изложены в семи статьях, брошюре, тезисах двух докладов, отдельные технические решения защищены двумя авторскими свидетельствами СССР.