автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Алгоритмы обработки ваттметрической информации для технического диагностирования скважинных штанговых насосных установок

ТОМСКИЙ ■ ПОЖГ ЕХКИЧЕСКИй УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

шутова ирина алексеев!»

алгоритмы и п??гра1£мн обработки ваттнетрическол

инсормащш да технического диагностирования скважинных

штанговых насосных установок

Специальность 05.13.11 -

математическое и программное обеспечение вычислительных мшгоя,. комплексов, систем и сетей

АВТОРЕФЕРАТ . диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 1992?

Работа выполнена на кафедре автоматики и компьютерных систем Томского политехнического университета

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Гольдштейн Е.И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Бондаренко EIL - кандитат технических наук Кошовкин И. IL

Ведущая организация - Новосибирска электротехнический институт

Защита состоится "сИ^КуШ^Я 1993 г. в_часов

на заседании специализированного совета Д 063.80.03 по защите диссертаций при Томском политехническом университете по адресу: 634004, г.Томск, ул.Советская, 84, ауд.210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета (634004, г.Томск, ул.Белинского, 53а).

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент •

И. Л. Чудинов

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время добыча нефти скважин-ными штанговыми насосными установками (СШНУ) является основным способом механизированной эксплуатации скважин - более 56% действующего фонда скважин страны оснащено именно СШНУ. В последние годы наблюдается опасная тенденция снижения нефтедобычи. Одной из основных причин этого являются сокращение мезремонтног.о периода работы СШНУ, из-за повышенной аварийности установок. Сохранение на заданном уровне, а также изыскание возможностей увеличения производительности работающих СЕНУ во многом зависит от того, насколько правильно организовано, их техническое диагностирование.

Наиболее распространенном способом, позволяющим определить причину неисправности и место ее возникновения, является динамомет-рированне с помощью гидравлических динамографов. Автоматизированные системы диагностики СЭНУ распространены не- столь широко, причем большая часть в качестве метода диагностики использует также динамо-метрпрование. Программно-алгоритмическое обеспечение для подобных систем довольно хорошо разработано, однако общт, недостатком таких систем является необходимость в датчиках» "переводящих" усилие и перемещение в электрическую форму и устанавливаемых'на движущихся частях станка-качалки (СК).

Подобных недостатков'лишены системы:, в- основе которых заложен метод ваттметрирования. Здесь в качестве- диагностической информации используют ваттметрограмму (Б'.'Г) - зависимость- мощности, потребляемой двигателем СК, от времени I или у.^лл поворота кривошипа ср . Однако, недостаточная проработка и исследование- возможностей этого метода тормозят его внедрение в праятдеку нефтедобычи. По-прежнему открытыми остаются вопросы не аппаратного,, а программного определения периода качания С!С и начала хода вверх, точки подвеса штанг (ТПШ) без использования первичных датчиков. Недостаточно изучен вопрос научного обоснования выбора диагностических, признаков, получаемых из ваттметрограммы и позволяющих наиболее- эффективно разделять классы состояния СШНУ. Не рассмотрены важные» вопросы, касающиеся изучения информативности диагностических признаков* » влияния на них различных параметров СШНУ, зависящих от типа установки. Не разработаны методы ■ количественной оценки эффективности работ глубинного оборудования, не требующие выполнения замеров дополнительных параметров нефтедобычи. Создание математической модели,позволяющей из ваттметрограммы (с

учетом преимуществ ее съема) получать динамограмму (ДМГ) (наиболее привычвую для анализа специалистами НГДУ), открыло бы путь к широкому использованию диагностических систем, основанных на ваттметриро-ванин. Не созданы алгоритмы и программы, ориентированные на ПЭВМ типа IBM PC AT/XT, для массовой обработки ваттиетрограмм непосредственно на нефтепромыслах с помощью аппаратно-программных диагностических комплексов контроля работы СЕШУ.

Указанные обстоятельства делают актуальной задачу дальнейшего развития и изучения ваттиетрического метода, создания на его основе алгоритмического и программного обеспечения эффективных систем контроля работы СшНУ. Работа выполнялась по плакал научно-исследовательских работ, проводпыьк кафедрой '"Автоматики и компьютерных систем" Томского политехнического университета в соответствии с целевой территориально-отраслевой научно-технической программой "Нефть и газ" Томской области.

Цель работы заключается в разработке математических оценок состояния СЕНУ по ВМГ, создании алгоритмического и программного обеспечения системы технического диагностирования глубиннонасосного обору-доваши Cffiiy по результатам ваттиетрирования.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. .Провести анализ существующих диагностических систем СШНУ. С целью определения недостаточно проработанных вопросов, изучение которых позволит разработать перспективные диагностические аппаратно-программные комплексы.

2. Разработать алгоритм определения начала хода вверх точки подвеса штанг по ваттметрограмме, предловить алгоритм оценки периода одного, качания станка-качалки.

3. Предложить метод количественной оценки эффективности работь глубиннонасосного оборудования (ПЮ) СШНУ.

4. Разработать алгоритм, позволяющий получить динамограмму иг ваттметрограммы расчетным путем с помощью аналитической модели СШНУ.

5. Получить решающие правила для проведения автоматизированное диагностики состояния СШНУ, провести проверку их работоспособности.

в. Провести исследование эффективности разработанных алгоритмов.

7. На базе разработанных алгоритмов создать для ПЭВМ типа Ш PC AT/XT программное обеспечение для решения задачи автоматизированного технического диагностирования СШНУ.

8. Провести опытно-методическую обработку ваттметрограмм, сня-

тых с реальных объектов.

Методы исследований: для решения поставленных в работе задач используются методы теории машин и механизмов,, анализа временных рядов, спектрального и факторного анализов, теория распознавания образов, методы аналитического моделирования объекта». Обработка экспериментального материала проводилась на ПЭВМ 1БМ РС ХТ с использованием алгоритмов и программ, разработанных автором-.

Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:

1. Разработана аналитическая модель, позволяющая расчетным путем получить из ваттметрограммы динамографу, зная только кинематические параметры СШНУ и опорную ВМГ (т.е. снятую-на СЕНУ конкретного типа без ГНО).

2. Введены ранее не использованные характеристики - "общая характеристика функционирования СШНУ" и "коэффициент функционирования СШНУ", которые позволяют осуществить, количественную оценку состояния установки по ВМГ без измерения дополнительных параметров нефтедобычи.

3. Получены решающие правила, позволяющие проводить альтернативную диагностику 6 классов состояния С2Н2 (СК типа 7СКО-3,5-4000) с параллельной выдачей рекомендаций о. проведении конкретных ремонтно -профилактических работ.

4. Создано алгоритмическое обеспе'шгае для диагностических комплексов, использующих. Еаттметрирование- и ЭВМ класса мини и выше (часть алгоритмов может быть использовав».в, качестве ПО микро-ЭВМ).

5! Разработано программной обеспечение для ПЭВМ типа 1ВМ РС АТ/ ХТ.на основе предложенных алгоритмов„ '

Практическая ценность работы состаюг в том, что:

1. Разработаны алгоритмы (построения ДМГ из ВМГ, оценки периода одного качания СК и определения отсчета мощности, соответствующего началу хода ТПШ вверх), позволяющие- избавиться от ненадежных датчиков полоиения и усилия.

2. Введены характеристики, позволяющие проводить не только качественную, но и, что особенно важноь количественную оценку состояния ГНО СШНУ. При этом возможно проведение количественного анализа деврамики процесса функционирования ПЮ.

3. Определены диапазоны частот, характеризующих работу наземного и подземного оборудования, что позволит использовать полученные результаты при совершенствовании и развитии виброакустических ието-

- 6 -

дов технического диагностирования СШНУ.

4. Разработан комплекс программ, алгоритмов и математически: оценок, которые могут быть использованы в качестве дополнительное ПО, встроенного в приборы сьема БМГ и различные диагностически комплексы, использующие в той или иной степени метод ваттметрирова ния.

Реализация результатов работы. Созданные алгоритмы и программ для автоматизированной системы технического диагностирования СШНУ п ваттметрограмме внедрены в Кибернетическом Центре при ТПУ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работ докладывались на: региональных научно-практических семинарах "Уско рение научно-технического прогресса в нефтяной и газовой промышен ности" (г.Томск, 1989г., 1990 г.); Всесоюзной научно-техническо конференции "Проблемы создания, опыт разработки, внедрения автомат» зированных систем управления в нефтяной, газовой, нефтехимическс промышленности и объектов нефтеснабжения" (г.Сумгаит, 1990 г.); Все союзной конференции "Проблемы развития нефтегазового комплекса стрг ны" (пос.Красный Курган, Ставропольского края, 1991 г.); восьмс Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития применения средств вычислительной техники для моделирования и автс матизированного исследования" (г.Москва, 1991 г.); пятой Всесоюзж научной конференции "Математические метода распознавания образо! (г.Москва, 1991): совещании "Организация контроля за. эксплуатацж скважин с применением индикатора дебета" (г.Куйбышев, 1990 г).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликова! 12 печатных работ, получено 1 положительное решение по заявке. Пер чень работ прилагается.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, ч тырех глав и заключения, изложенных на 133 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 17 таблиц. Список литературы включает 135 нак ленованйй. Приложение содержит акты о внедрении, сведения о приборе ИРЭ-2, результаты некоторых расчетов и занимает 10 страни

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления ис ледований и сформулирована цель и задачи работы.

В первой главе дается общая характеристика состояния пробле технического диагностирования СШНУ и его программно-алгоритмическс

обеспечения. Приводится сравнительна? оценка известит методов, позволяющих определить причину отсутствия подачи СШНУ, в частности -цинамометрирования и ваттметрирования. Проводится анализ автоматизированных систем технического диагностирования СШНУ - как серийно выпускаемых промышленностью, так и научно-исследовательских разработок, проводимых в этом направлении в нашей стране и за рубежом. Приводится характеристика общего состояния автоматизации процессов управления в отечественной нефтяной промышленности. Отмечается, что в качестве перспективного направления выделяют ггереход к децентрализованным методам автоматического управления отрасль» за счет создания автоматизированных распределенных систем управления технологическим комплексом и приближения вычислительных ресурсов к технологическому объекту (скважине). В этом плане отмечается особое значение АРМов и унифицированных, автономных аппаратно-программных комплексов, построенных на однокристально!? мякро-ЗБМ и имеющих в своем составе ПЭБМ. По известным системам технического диагностирования СЕНУ приводится перечень диагкоетпруеках классов состояния СЕНУ, используемые диагностические пр;;зп.?гпг, а тзкге делается анализ применяемых способов построения реи2й;;пт; правил для проведения автоматизированного диагностирования состояпг Ш1У. Отмечается, что во всех известных в настоящее время* ксвазексах авпараяго, с помощью датчика положения, определяют период едкого качания СК и начало хода ТПШ вверх. Анализируется использование глиптических моделей СЕНУ в подобных системах, а также алгоритм» стгеппи периода сигнала слоя-ной формы. В конце главы делается развернутая постановка задачи исследования:

- разработать алгоритмы програжкего определения начала хода вверх ТПШ и оценки периода одного кагаяет С1С по вагтиегрограмке;

- разработать алгоритм расчета; Д?ДГ из БКГ по аналитической модели СШНУ;

- исследовать спектральный состоит ВМГ, соответствующих различны!/ типам установленного оборудования! к резимзм работы. СШНУ;

- получить математические оценки-, позволяющие колотественно оценить работоспособность СШНУ по ваттаетрической информации;

- выбрать диагностические признаки, разработать алгоритмы построения реиающих правил для выполнения- автоматизированного технячес-кого диагностирования СЕНУ,' провести проверку их работоспособности;

- провести исследование эффективности разработанных алгоритмов;

- на базе разработанных алгоритмов создать программное. обеспе-

чение для автоматизированной системы технического диагностирования СШНУ (на базе аппаратно-программного автономного, унифицированного комплекса (рис.1), аппаратная часть которого представлена прибором ИРЭ-2); пригодное для эксплуатации на ПЭВМ типа IBM PC AT/XT;

,---------------------,

СШНУ ИРЭ-2 w{t) IBM PC AT/XT

■с/м

I______________________I

--- аппаратно-программный комплекс

Рис•1.

- внедрить разработанные алгоритмы и программы и провести опыт-нометодическую обработку ВМГ, снятых с реальных объектов.

Вторая глава посвящена разработке алгоритмов обработки ваттметрической информации: оценки периода качания станка-качалки, определения отсчета мощности, соответствующего началу хода вверх ТПШ и разработке аналитической модели СШНУ для построения ДМГ из ВМГ. В качестве исходной информации для рассматриваемых алгоритмов берется ваттметрограмма, снимаемая с шагом дискретизации d t=0,02 (с) переносным измерителем-регистратором энергетических параметров ИРЭ-2. Для оценки периода качания СК проводится сравнение вычислительной эффективности двух подходов: первого, в основе которого лежит вычис-лени функции автокорреляции (5АК) по расчетной формуле: R* =(i/Nl)f W.-Wt4v; T=HUXi- l-At (1)

N=0,1,...Ml; MUM-HI; Nl=int(M/4), и второго, по оптимальной, в среднеквадратическом смысле, оценке опорного сигнала Е„ : и1

E„=(1/N1)X (W- - W^); Nl=int(M/4); (2)

N^-шЫЕ,, ); T=At;t1w„, ; HHN< N ч< NK . где И - задержка опорного сигнала Vi длиной N1, образованного из первых N1 отсчетов мощности; М - длина наблюдаемой реализации, Т - оценка периода наблюдаемой реализации; Nтая1 - значения

задержки N, при которых оценка ОАН достигает максимальных значений; [NM , Мк ] - интервал возможных значений периода (в точках). Расчет по (1) требует обязательного предварительного пересчета ВМГ относительно среднего сигнала. С учетом этой операции, расчет по (1) требует выполнения (3Mf/8+3M/2+3) операций сложения и умножения, а

по (2) - всего ЗШ/4, что делает его предпочтительным перед (1). К тому же, локализация области поиска СМ^, (у для условий конкретного НГДУ позволяет уменьшить время определения , а, следовательно, и Т. Алгоритм работоспособен при любом дЬ, в том числе и малом, требует наличия всего М-1,5»Т отсчетов мощности и может быть легко реализован программно как на языках высокого уровня, так и на машинноориен-тированных языках, типа АССЕМБЛЕР.

В работе проводится анализ ВМГ, снятых в ходе натурных экперимен-тов на СШНУ, оснащенных различными типами оборудования и характеризующихся различными режимами работы установки. В результате анализа спектрального состава экспериментальных.ВМГ установлено соответствие между частотными диапазонами интервала С 0,^3 и структурными звеньями СШНУ, где Гн =25 (Гц) - частота Найквиста, определяемая аппаратно заложенным в ИРЭ-2 шагом дискретизации л Ь-0,02 (с). Для решения этой задачи использовалась теорема Парсеваля. В результате исследования было' определено, что для неуравновешенного СК, выполняется условие: а(^) > а(21>) , (3)

где ), а(2^) - амплитуды 1-ой и 2-ой гармоник, Т( -1/Т. Анализ числа гармоник, содержащих 95% энергии всего сигнала Р^ для ВМГ с СШНУ, имеющих и наземное, и глубинное оборудование, показал, что определить практическую ширину спектра ^ по Рг нельзя, т. к. для неуравновешенных СК выполняется условие (3>. При этом энергия сигнала, приходящаяся на частоту ^ может быть настолько значительной, что 0,95^ будет приходиться на первые две гармоники. Это приведет к тому, что значительная часть информации о работе оборудования, содержащаяся в высших частотах, будет потеряна. Для выявления вклада наземного и подземного оборудования в гармонический состав спектра ВМГ использовался метод последовательного исключения. Результаты Исследования показали, что диапазон СО,3 Гц характеризует работу наземного оборудования, а Г , 94)^1 Гц - подземного, (95^,25] Гц - аддитивной шумовой составляющей сигнала мощности V;. Среднее значение ^для исследуемой выборки ВМГ равно 0,0X4 Гц. При этом, чем лучше уравновешен СК, тем больше энергии сигнала V ■ идет на совершение полезной работы ,ПЮ. Поэтому коэффициент:

к-ЮО-СР^/Рг-, ) (X) (4)

может применяться для определения эффективности использования потребляемой электродвигателем мощности У(Ь) на совершение полезной работы (работы ГНО). Б результате проведенного анализа амплитудного и фазового спектра БМГ, предложены алгоритмы для определения отсчета мощ-

- 10 -

ности, соответствующего началу хода вверх ТПШ.

В этой же главе приводится алгоритм расчета ДМГ из ВМГ для балан-сирного СК с роторным уравновешиванием. Построение аналитической модели СШНУ проводилось при следующих допуиониях: угловая скорость вращения w-const; движение ТПШ удовлетворяет точной теории определения законов движения балансирного СК; продолжительность хода ТПШ вверх равна продолжительности хода вниз* и направление линий "шатун-кривошип" в крайних нижних и верхних положениях кривошипа совпадает; не учитываются колебания штанг и жидкости; известна ВМГ, названная нами опорной, V"*^), где cj - угол поворота кривошипа, снятая на СК i-типа без ГЮ Такая характерная ВМГ, показывает мощность, потребляемую электродвигателем СК, для совершения работы по перемещению основных звеньев наземного оборудования. Следовательно, она в неявной форме учитывает инерционные усилия, главные моменты инерции звеньев СК и их массы. Последнее обстоятельство позволяет не требовать точного количественного знания масс звеньев СК.

V^g) получаст в результате аппроксимации W(tf), снятой на СК t -типа без. ГЮ, первой гармонической составляющей. V*"^) снимается один раз и в виде постоянно хранящегося файла используется в дальнейшем при расчетах ДМГ из ВМГ, снятой на СК i-типа. Для любой ВМГ W(<y), снятой на СК i-типа, при предварительном удалении из нее постоянной V, и шумовой *Чц (Ц) составляющих, можно получить усилие в ТПШ F^^f) по формуле (верхний из арифметических знаков - ход ТШ вверх, нижний

- ход вниз):

t (ц) -- и/кт*ш (&1-1 • г -

-к^НЯ-гЪ/я^Ум^ъя '. с«

W h^tp-v^Cip.cos(ф), С

(<4 )-Fy.<<$)-»-kol ♦ 9,81. sin(ф. (-.7)>

Здесь: ^ ■ ' к. п. д.- электродвигателя, ш передаточного механизма, соответственно; х**^ ), ф - скором® движения. ТПШ и угол отклонения балансира от горизонтали [м/с), Град]'; m, kol, v^,^

- масса одного противовеса, установленного на кривошипе СК i-типа, и их количество, а также скорость движения кривошипа С кгЗ, tм/с]. Для расчета ДМГ из ВМГ необходимо знать геометрические размеры СК i-типа Наличие индекса "оп" соответствует значениям аналогичных параметров для опорной BMP v"^^). Для вычисления i^y(^) ис-

-

пользуются известные расчетные формулы, полученные по точной методике графо-аналитическим способом. Приводится пошаговое описание алгоритма расчета ДМГ из ВМГ. На рис.2 приведена иллюстрация применения предлагаемого алгоритма: ДМГ (рис.2,б), рассчитанная из ВМГ (рис.2,а). Для сравнения приводится ДИГ (рис.2,в), снятая гидравлическим динамографом. В заключении приводится оценка погрешности алгоритма и анализ адекватности модели.

Третьл глава работы посвящена алгоритмам и математическим оценкам контроля состояния СШНУ по ВМГ. При разработке системы контроля состояния СШНУ, выбор диагностических признаков во многом определяет качество распознавания неисправностей СШНУ. В результате анализа закономерностей изменения амплитудного спектра кривых мощности, соответствующих различным состояниям СШНУ, в качестве диагностических признаков были выбраны коэффициенты, определяемые следующим образом:

: <^-Рг*0 /Рхм: )1'/Ргн„ ; 1-2.94, (8)

где: Р„-[а(Г,)]'; Рг«2 £ Са(кГ, )]*«£ + ?по + Р„;

РГЫ<,-0,95.(РГ^+ Р* )-0,95.(|а[а(к<;)3*).

Здесь Р*, - мощность сигнала МП), характеризующего работу наземного я глубинного оборудования, соответственно; Р£ - мощность всего сигнала М(0 без учета постоянной составляющее; к - номер гармоники; - основная частота; а(к<у) - амплитуда к-гармоники. Приводится характеристика овойств введенных .диагностических признаков. По формуле, предложенной В.Н. Вапником и А.Я.Червоненкисом, оценена достаточная длина обучающей выборки 1 ")аст для проведения классификация на экзаменационной выборке с ошибкой распознавания £ . Для имеющихся экспериментальных выборок ВИГ были рассчитаны корреляционные матрицы и проведен их анализ. В результате этих исследований установлено: а) принципиальным моментом является построение системы распознавания, отдельной для каждого типа СК; б) отсутствие Линейной связи между признаками <1; И уравновешиванием для любого типа СК; в) некоррелированность этих, признаков с числом качаний балансира и типом установленного насоса. В результате предварительной обработки признаков.методом, главных компонент была произведена трансформация исходного пространства признаков (3; . В результате этого осуществлен переход к. статистически независимы* признакам - главным компонента)! - Хс , 1-1,23 (на примере ОТ, снятых на СШНУ с СК типа 7СК8-3,5-4000), что дозволило в 4 раза сократить число признаков. Было проведено исследование нагрузок на 1-ую и 2-ую главные компоненты. Проведено исследование коррелированное» фактора с исход-

Kßm S

А

3

г i Q -1

Franut, Г '

m 1,02 - о

-m

•гм

'S,06

-S,10

шми признаками. Выявленные закономерности, которые сохраняются, как юказали исследования, для СШНУ с другими типами СК, позволили интерпретировать х^ как " общую характеристику функционирования ДОНУ". Для построения решающих лравил, позволяющих проводить альтер-[ативную диагностику одного из классов состояния СШНУ, была примене-1а неоднородная последовательная процедура (НЛП) Вальда, которая от-юсится к классу непараметрических методов. В соответствии с [редлояенным графом обработки, было исследовано 2 варианта получения «тающих правил: для детальной и укрупненной диагностики. Приводятся ■езультаты проверки построенных по !ШП решающих правил для обучающей экзаменационной выборки БМГ, а также результаты проведенного исс-едования имеющейся выборки ВМГ с помощью агломеративной иерархичес-ой . процедуры кластер-анализа для нахождения естественных группиро-ок в множестве объектов, заданных главными компонентами. Подобные даородные группы, как известно, часто могут трактоваться как группы качественными, сущностными (структурйь&га) различиями, т.к. уста-овление глубокой внутренней общности объектов должно жестко вести к становлению подобия и во внесших проявлениях. В качестве меры подо-кя (различия) объектов делаетсй обоснование выбора евклидова расс-эяюш, а для определения расстояния между группами (классами) -эедней связи. В результате расчетов было выделено 6 кластеров, со-гветствующих следующим состояниям СШНУ: 1. СШНУ находится в аварий->мсостоянии, требуется подъем и ремонт подземного оборудования; 2. ЕНУ работает удовлетворительно, требуется проведение наземного ре-глирования оборудования (без подъема ПЮ), возможная причина: 2.а. »исправности плунжера; 2.6. Удар муфт вгтанг о сальник: 3. СШНУ ра->тает хорошо: З.а. Насос рабочий; З.б. Небольшие утечки клапанов ги труб; 4. СИПУ находится в аварийном состоянии - полный выход из ■роя ГН0 в результате обрыва штанг у полированного штока. Для выде-^ных состояний были определены центры классов и по алгоритму, реа-гзующему вычисление евклидова расстояния от объекта до центра клас-I, была проведена проверка полученных решающих правил. Результаты юверки показали 97,верного диагностирования на обучающей выбор-1 и 67% - на экзаменационной. Это подтверждает удовлетворительное зделение классов па непересекающиеся множества по полученным решали правилам в пространстве выбранных диагностических признаков. еден коэффициент, названный "коэффициентом функционирования СШНУ п-объекта:

^ - х?/хГ , о)

где х.'", xj1- соответственно, значения первой главной компоненты опорной ВМГ и ВМГ с n-обьекта, оборудованных СК i-типа. Этот коэффициент может быть■использован для количественной оценки работы ГНО, что особенно важно, т.к. подобные оценки могут быть получены только по дополнительным замерам дебита. Используя среднее значение 1-ой главной компоненты для k-класса (к=1: ГНО не работает; к= 2: ГНО работает удовлетворительно; к=3: ГНО работает хорошо) и ее дисперсию df , получены оценки для определения границ степени функционирования ГНО СШНУ (рис.3):

í¡r*<>, Ч^ + Ъ*,] , ГНО работает хорошо;

, ГНО работает удовлетворительно; (10)

L(R*4>-0},17 , ГНО не работа«?.

Для определения места оорыва штанг предложена оценка:

-а, 11, ГНО не работает: обрыв штанг вверх:/;

-2и,i~C(), ГНО не работает: обрыв штанг посередине , (11)

где а^/'Г^-Л/Л/З. Формулы (9)-(11) могут быть использованы для

проведения оперативной диагностики СШНУ только по одной 1-ой главной

а . а , о

длл

?j R/cfirf p¡ Ricf-D'

\"f j__£_

ky

ухудшение работы ГНО

. улучшение работы ГНО Рис.3.

компоненте. Оценка (9) позволяет исследовать в динамике состояние ГНО СШНУ;

ку- к!р' , улучшение работы П!0;

кр> кр"' , ухудшение работы ГНО; , (12)

/к* - кч< £ , работа ГНО не изменилась, где ку ,

съема ВМГ на некоторой скважине и в (1-1), соответственно; £ - некоторая погрешность, например, 6 =0,01. Анализ условия (12) позволяет!-службам эксплуатации получить объективную количественную оценку процесса функционирования оборудования, сделать прогноз состояния ГИф № своевременно принять меры по предотвращению его выхода из строя..

В четвертой главе рассматривается программное обеспечение- дт аппаратно-программного комплекса обработки ваттметрограмм, созданное-

где k¿ , kjpf - оценки, вычисленные по (9) в i-момент времени

на основе рассмотренных в работе алгоритмов, а также вопросы апробации результатов диссертационных исследований.

При разработке ПО учитывались общие требования, предъявляемые к качеству ПО. Кроме алгоритмов, разработанных автором, использовались и хорошо зарекомендовавшие себя на практике известные алгоритмы (БПФ, интерполирование методом Лагранжа, низкочастотная фильтрация с помощью синусного фильтра Баттеруордта), а также алгоритмы, разработанные другими авторами. Была проведена увязка данных алгоритмов в полный граф обработки ВМГ, приведено описание выполняемых функций каждого блока обработки, рассмотрены вопросы программной совместимости, произведена оценка требуемых ресурсов памяти и сформулированы требования к необходимой входной и дополнительной информации для программ обработки ВМГ. Созданное программное обеспечение демонстрировалось перед специалистами 11ГДУ "Сгрежевойнефть" (г.Стрежевой, Томская обл.), ПГДУ "Приобьнефть" (г.Нижне-Вартовск, Тюменская обл.), ПО "Урайнефтегаз" (г.Урай, Тюменскяа обл.). В прилагаемом отзыве о ПО отмечаются его положительные качества, а также некоторые замечания, которые были учтены при модификации ПО. Созданные алгоритмы позволяют повысить объективность оценки состояния СШ1У, устранить сложности аппаратной реализации, имеющей место при динамометри-ровании. Они могут использоваться для решения практических задач нефтедобычи в качестве самостоятельного ПО, а также как дополнение к динамометрированию в прочих автоматизированных комплексах технического диагностирования СШНУ. Показана возможность использования предложенных алгоритмов в качестве ПО однокристальной микро-ЭВМ прибора ИРЭ-2.

.ЗАКЛЮЧЕНИЕ..

1\ Предложен алгоритм оценки периода качания стакка-качалки и проведена оценка его эффективности. Особенностями алгоритма являются: а) возможность чисто программной реализации, без использования аппаратных средств (датчиков положения); б) использование отсчетов не более, чем за 1,5 периода качания исследуемой реализации; в) возможность решения подобной задачи не только в системах ваттметрирова-ния, но и динамометрирования.

2. На основании анализа ВМГ, соответствующих основным режимам работы СШНУ, и их спектрального состава, установлено соответствие между частотными диапазонами спектра и основными звеньями СШНУ. Полученные результаты могут быть использованы при разработке виброакустических методов диагностики СШНУ.

3. Предложены алгоритмы определения отсчета мощности, соответствующего началу хода вверх ТПШ.

4. Разработан алгоритм расчета ДМГ из ВМГ, основанный на использовании аналитической модели СШНУ. Проведен анализ ДМГ, полученных с помощью этого алгоритма, что позволяет сделать вывод о непротиворечивости действительности расчетных ДМГ.

5. Для решения задачи диагностики срстояния СШНУ осуществлен выбор диагностических признаков, проведено исследование их взаимозависимости. Методом главных компонент осуществлен переход к статистически независимым признакам (главны;,! компонентам) с одновременным значительным сжатием пространства признаков.

6. Получены математические оценки, позволяющие количественно оценить состояние работоспособности С!ШУ: а) количественная оценка эффективности работы 61 оценка' рчбоп; ™!КУ в динамик«.''; в)

деление м~ста оОрыьа штанг.

Использование полученных математических оценок позволит специалистам НГДУ избегать субъективизма при анализе и повысить достоверность контроля состояния СШНУ.

7. Проведено выделение естественных кластеров, имеющихся в исследуемой выборке БМГ, подтверздэщее сделанную интерпретация первой-главной компоненты.

8. Разработан алгоритм построения решающих правил для проведения альтернативной диагностики 6 состояний СИПУ с СК типа 7СК8-3,5-4000 (с выдачей рекомендаций обслуживающему персоналу):

- СШНУ находится в аварийном состоянии, требуется подъем » ремонт подземного оборудования;

- СШНУ работает удовлетворительно: требуется проведение наземь ного регулирования оборудования (без подъема ГНО). Возможная1 причина:

- неисправности плунжера;

- удар муфт штанг о сальник.

- СШНУ работает хорошо (в случае снижения подачи необходим« за!» мер дополнительных параметров):

- насос рабочий;

- небольшие утечки клапанов или труб.

- СШНУ находится в аварийном состоянии - полный выход из страж ГНО в результате обрыва штанг у полированного штока.

9. Проведена экспериментальная проверка предложенных алгоритмов;

- 17 -

путем обработки ВМГ, снятых на реальных объектах ряда НГДУ.

10. Разработано программное обеспечение для ПЭВМ типа IBM PC AT /ХТ, использующее предложенные алгоритмы обработки данных и позволяющее формировать архив ВМГ.

11. Методика исследования, описанная в гл.2-3, может быть применена для обработки ВМГ, снятых на СШНУ с прочими типами CK, что позволит получить решающие правила для диагностики их состояний.

12. Показана возможность использования разработанных алгоритмов и программ в качестве дополнительного математического обеспечения в уже существующих автоматизированных системах технического диагностирования СШНУ, а также и во вновь разрабатываемых (в том числе, в качестве дополнительного ПО в приборе ПРЭ-2).

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛЖОВАНЫ В СЩУЙЗЙ РАБОТАХ:

1. Даудрих Б.ДМ Шутова H.A., Гольдштейн Е.И. и др. (элементы технического и алгоритмического обеспечения диагностики глуШШоНа-сосного оборудования на основе Ёатт!.!етрограм)'//Автоматизация, математические Методу и управление народник хозяйством: Сб. статей. -Томск.: Изд-во Том.-ун-та, 1Ö9Ö, - (>.172 -178.

2. Шутова И.А. BosWoÄHtie Направления автоматизированной диагностики состояния глуб!(ннонадсс1ЮТО оборудования по результатам ваттметрирования//Ускорение (¡аучйо-техннческого прогресса в нефтяной и газовой промышленности: Тез.докл. Регионального науч.-практич. семинара. - Томск. - 1989. - Вып.2.. - С.25-26.

3. Шутова H.A. О некоторых способах определения.периода качания по ваттметрограмме//Изв. ВУЗов. - Нефть и газ. - 1990. -JQ. - С.82 - 85. • .

4. Шутова И.А. Расчет динамограмш из ваттметрограммы штанговой глубинно-насосной установки//Науч.-техн. информ. сб. Сер. Нефтепромысловое дело. - М.:ВНШ0ЭНГ. - 1992. - Вып.1. - С.4 - 7.

5. Шутова И.А., Гольдштейн Е.И. Алгоритмическое и программное обеспечение оперативного контроля ШГНУ по ваттметрограмые//Проблемы развития нефтегазового комплекса страны (4-в июня 1991 г., пос.Красный Курган, Ставропольского края): Тез.докл. Всесоюз.конф'. -М., 1991. - С.32.

6. Шутова И.А., Гольдштейн Е.И. Алгоритмическое и программное обеспечение системы диагностики глубиннонасосного оборудования по ваттметрограмме//Проблемы создания, опыт разработки, внедрения автоматизированных систем управления в нефтяной, газовой, нефтехимичес-

кой промышленности и объектов нефтеснабжения: Тез.докл. Всесоюз конф. - Сумгаит.: Азербайджанское НПО "Нефтегазавтомат". - 1990. • С.99.

7. Шутова И.А., Гольдштейн Е.И. Диагностика штанговых глубинны: иасосньк установок по ваттметрограммам - анализ- первых результатов i перспективы повышения ■ достоверности//Ускорение научно-техническоп прогресса в нефтяной и газовой промышленности: Тез. докл. Регионального иауч.-практич. сеыикара. - Томск. -.1830. - Еып.З. - С.31 - 32

0. Шутова H.A., Гольдштейн Е.И. Количественная оценка pa60Tt глубшшонасосного оборудования в системе их оперативного контроля п< ваттметрограммам//Экспресс-информ. Сер.Автоматизация и телемеханизация в нефтяной промышленности. - М.:БНЖ0ЭНГ. - 1991. - Вып. 11. - С, 21 - 27.

9. Еутова И.А., Гольдштейн Е.И. О моделировании диагностик! состояния насосной установки//Перспектпш развития и применение средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследования: Тез.докл. VIII Всесоюз. конф. - М., 1991. - С, 186 - 107.

10. Шутова ¡I.A., Гольдитейн Е.И. Применение теории распознавания образов в задачах диагностики состояния штанговой глубиннонасос-иой установки по ваттметрограммам//Математические методы распознавания образов (MMPÖ - V): Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. -Киев.: И.ч-i Кибернетики им. В.М.Глушковз АН Украины. - -1991С. 118.

И. Сутова 15.А., Гольдштейн Е.И. Программный комплекс обработка ваттметрограмм для ПЭВМ IBM PC/XT/АТ//Экспресс-информ. Сер.Автоматизация и телемеханизация в нефтяной промышленности. - М.:ВНИИОЭНГ. -1991. - Вып.4. - С.21 - 23.

12. Шутова H.A., Пятибратов В.А., Яковлев В.Б. Определение периода сигнала слоаной формы применительно к ваттметрическому метода диагностики глубиннонасосного оборудования автоматизированного нефтепромысла. - М., 1990. - 0 с. - Деп. во ВНИИОЭНГ 21.08.90, J 1879-НГ90.

13. Положительное решение от 27.06.91 по заявке 4756453 (133575) "Способ диагностики штанговых насосных установок"/Гольдш-тейн Е.И., Шутова И.А.

Подпиоано к печати 24.11.92

Заказ -ЗУ'. ■ Тираж 100 экз.

634004, Томск, пр. Ленина 30. Ротапринт ТПУ