автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка метода вибрационного контроля технического состояния штанговых глубинно-насосных установок для добычи нефти

ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ НА ФТИІ ГАЗУ

- ^

..................

ц ^Бандура Вікторія Всілєріїбнсі

УДК 622.276.53:621.671(047)

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

05.11.13. Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

АВТОРЕФЕРАТ ДИСЕРТАЦІЇ НА ЗДОБУТТЯ НАУКОВОГО СТУПЕНЯ КАНДИДАТА ТЕХНІЧНИХ НАУК

Івано-Франківськ - 2000

Робота виконана в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газ Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Зяміхоягький Леонід Михайлович,

Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу,

завідувач кафедри автоматизованого управління.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Копсй Богдан Володимирович, •

Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу,

професор кафедри нафтового обладнання;

доктор технічних наук, професор

Поджаренко Володимир Олександрович

Вінницький державний технічний університет,

завідувач кафедри метрології та промислової автоматики.

Провідна установа: ВАТ "Український нафтовий інститут", науково-дослідний відділ видобутку нафти, газу і конденсату,

Міністерства палива і енергетики України, м.Київ.

Захист відбудеться "31" жовтня 2000р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вчено ради Д.20.052.03 при Івано-Франківському державному технічному університеті нафти газу (76019, м.Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Івано-Франківського державногі технічного університету нафти і газу (76019, м.Івано-Франківськ, вул.Карпатська, 15)

Автореферат розісланий "30" вересня 2000 року Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент

Дранчук М.М

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

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

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

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

Аналіз сучасного стану методів діагностування ШГНУ показав, що найбільш спттовсюдженими залишаються динамометричний та ватметрографічний методи, які мають ряд едоліків. Так, динамометричний метод може застосовуватися лише у випадках, коли мають місце езначні спотворюючі збурення - мате число качань, невелика глибина свердловини та ін., а на очність оцінки стану ШГНУ при використанні ватметрографічного методу впливають додаткові погворення ватметрограм, обумовлені кінематикою верстата-качалки (ВК), ступішпо його різіїсзяжснссті, характеристикою привідного електродвигуна ЗЬС, величиною й^го ззв^ііітзження зщо.

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

У зв’язку з цим розробка нових віброакустичних методів діагностування ШГНУ і олернізація загальноприйнятих, зокрема динамографічного, є актуальною задачею, яка має ажливе народногосподарське значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи є астиною планових науково-дослідних програм по розвитку нафтопромислового комплексу "країни і базується на результатах держбюджетних науково-дослідних робіт “Розробка еоретичних та методологічних принципів діагностики обладнання нафтогазового комплексу 'країни'’, частина науково-дослідної теми 45/1 номер державної реєстрації в УкрНДІНТІ ГаОІ980005799 та "Діагностування стану технічних об’єктів на основі обмеженої інформації про еремігцення точок їх поверхні", частина науково-дослідної теми Д6-Ф, номер державної еєстрації в УкрНДІНТІ №019811005799, де автор була виконавцем розділів, присвячених розробці іетодології діагностування ШГНУ. Роботи входять в координаційний план Міністерства освіти і іауки “Наукові основи розробки нових технологій видобутку нафти і газу, газопромислового

обладнання, поглибленої переробки нафти і газу з метою отримання високоякісних моторни палив, мастильних матеріалів, допоміжних продуктів і нафтохімічної сировини”. Вказаний пла: входить в національну програму “Нафта і газ України”.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення надійності ШГНУ на стаді експлуатації та попередження аварій, пов’язаних з обривом свердловинного насоса (СН) т штангової колони (ШК), шляхом контролю за фактичним станом ШГНУ. Останній здійснюєтьс

На ОСНОВІ рОЗрООЛсНОГО БіОраЦіЙНОГО МСТОДу.

Для досягнення вказаної мети необхідно вирішити наступні логічно пов’язані задачі:

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

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

3. РсЗрОбїГШ і*!СТСДлітИі£) ТСХ1І1ТИ1С TCL ИрОГрСІГЛИС ЗСібсЗГІСЧСІІІІЛ CiCCnSpIIMCIITtljiLIixIi досліджень вібраційного стану ШГНУ в процесі експлуатації.

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

Об’єкт дослідження - механізований спосіб видобутку нафти за допомогою ШГНУ, прі експлуатації яких виникають різноманітні дефекти, що викликають зміну стану ШГНУ, який ні завжди однозначно можна визначити за допомогою відомих (динамографічного т; ватметрографічного) методів контролю. Останнє призводить як до зниження ефективност процесу видобутку нафти, так і до виникнення аварійних ситуацій.

Предметом дослідження є встановлення закономірностей зміни коливних процесів в ШК обумовлених деградаційними (в основному - зносовими) процесами в елементах і вузлах СН т; розробка на їх основі методу вібраційного контролю стану ШГНУ.

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

При розробці технічного забезпечення експериментальних досліджень використовували^ методи схемо- і системотехніки, методи вібро- і тензометрії та основні положення теорі статистичних вимірювань. При аналізі результатів експериментальних досліджень і вирішенн задачі віброконтролю ШГНУ, використовувалися: математичний апарат теорії коливань; методі спектрального і кореляційного аналізу; основні положення віброакустичної діагностики та теорі розпізнавання образів, методи статистики та оцінки статистичних зв’язків.

Наукова новнзна отриманих результатів полягає у розвитку нового напрямку - методі] вібраційного контролю технічного стану ШГНУ і визначається наступними основним! положеннями:

з

- 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 коливаннь на основі рівняння Ван-дер-Поля та проведено оцінку їх параметрів;

- вперше проледенп дослідження статистичних характеристик коливного процесу (КП) в ШК - віброшвидкості її поздовжніх коливань, встановлено, що він відноситься до “нестаціонарно-періодичних-’ випадкових процесів та виорано методи кого обробки;

- вперше виділені і досліджені інформативні ділянки КГТ в ШК за період качань, зміна амплітудних складових спектру яких обумовлена розвитком деградаційних (зносових) 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 декремента затухання автокореляційної функції (АКФ) па інтервалах зняття та сприйняття навантаження ШК, зміна якої в часі характеризує зміну стану установки, визначені умови і проведена оцінка ступеню роботоздатності ДО з врахуванням похибки вимірювання.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці:

- методу вібраційного контролю стану ШГНУ, технічних засобів, в основу яких покладен оригінальні схемні та конструктивні рішення, та програмного забезпечення для його реалізації, як дозволяють отримувати сітеративну і достовірну інформацію про стан устспювкн і па її основ проводити ремонт ШГНУ за фактичною потребою;

- методики визначення моменту часу сприйняття навантаження за максимальним значенням взаємокореляційної функції (ВЗФ) між реальною і еталонними наземними динамограмами, використання якої дозволяє відмовитися від додаткового давача 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[9], досліджено вплив дефектів ШГНУ на її експлуатаційну надійність [3], створено логічну модель вставного насоса ШГНУ [8] та проведено експлуатаційні дослідження вібростану ШГНУ [2]. В роботах, опублікованих у співавторстві, проаналізовані причини і умови виникнення дефектів ШГНУ [6, 10], виконані математичні перетворення і теоретичні узагальнення отриманих

результатів [4], обгрунтована можливість використання характеристик КП в ШК для оцінки стану ШГНУ [12], запропонована розрахункова схема і ДО для оцінки стану ШГНУ [1,11], визначені умови роботоздатності ДО стану ШГНУ [5]. Прийнята особиста участь в розробці системи контролю вібраційного стану ШГНУ [7].

Апробація результатів досліджень. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на XII, ХШ, XIV, XV, XVI, XVII Міжнародних міжвузівських ІПКОЛ2Х С5МІНД.р2Х иМсТОДІІ І ЗЯСОбИ ТЕХНІЧНОЇ ДІАГНОСТИКИ” (м.ІЕ-іІНО-ФріІШКЕСЬК, 1995, 1997, 1999р.р.), (Йошкар-Ола - 1996, 1998, 2000 p.p.); 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 p.p.); наукових семінарах кафедри автоматизованого управління (1995 -2000 p.p.).

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.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується 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 пертому 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 детатьна класифікація відмов ШГНУ за характером та їх видами, яка послугувала в подачьшому основою для побудови логічної діагностичної моделі ШГНУ.

На прикладі НГВУ “Долинанафтогаз” наведені результати статистичнорго аналізу відмов основних структурних одиниць (СО) ШГНУ за 1998 рік та нанесених ними матеріачьних 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 динамограм, 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 незрівноваженості на покази динамографа.

Показано, що найбільш перспективними є методи вібродіагностики, особливість яких полягає у використанні в якості джерела інформації про стан ШГНУ характеристик КП, що супроводжують роботу установки і розповсюджуються по ШІС як механічному каналі зв’язку та реєструються на гирлі свердловини. Саму ПІГНУ при цьому можна розглядати як складну протяжливу динамічну систему і розподіленими параметрами, елемент 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 вібродіагнос пічних 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, збумовлені впливом дефектів та ін., що стримує розробку методів і засобів діагностування її ¿ТаНу.

На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми сформульовано мету і завдання дисертаційної роботи.

У другому розділі розглядаються теоретичні положення методу вібраційного контролю :тану ШГНУ. Проаналізовані особливості ШГНУ з точки зору об’єкту вібродіагностики та збгрунтовані вимоги до його опису. Встановлено, що конструктивні особливості установки не відповідають вимогам контролепридатності. 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, :вердловинних факторів і параметрів ШК, виключає можливість отримання універсальних рішень. Зстаннє 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 ірийнятими до розпізнавання станами і ознаками станів та базується на результатах досліджень, лроведених в першому розділі. Математична діагностична модель дозволяє дослідити процес ¡ародження і закономірності розповсюдження коливань по ШК, обумовлених деградаційними іроцесами в вузлах і елементах ШГНУ.

За вихідну інформацію при побудові логічної моделі (рис.1) було взято розроблену функціональну схему вставного насоса. Блоки його логічної моделі позначені символами Оь (¿2, де п=к=19. Б логічну модель входять основні конструктивні недоліки, а також монтажні і :ксплуатаційні дефекти (£?] - втрата герметичності приймальної і нагнітальної частини; Ог -абразивний знос клапана; ¡2з - механічний знос клапана; £>4 ~ запізнювання посадки кульки на :ідло клапана; 0$ - знос плунжерної пари; £>(, - збільшення зазору в плунжерній парі; Оі - заїдання або прихват плунжера; - виривання насоса з замкової пружини; - висока посадка плунжера; 2ю - удар плунжера при ході вниз; Q\\ - зміна характеристики видобуваємо! рідини; Q\2 -

ö

поломка пір’їв якоря; Qn - зазор між опорним кільцем і конусом; Q\4 - незаповнення циліндра рідиною; Öi5 - неякісне виготовлення деталей і недбалість збирання вузлів; Q\b - поломки в штангах; Qn - поломка стакана; Qu - відворот або злом клітки клапана; 019 - відворот плунжера). Позначені зв’язки (Хц...Хт - зовнішні входи; Z\K...Zm - входи блоків; - 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.

Рис. 1. Логічна модель вставного насоса

Створення математичної діагностичної моделі ШГНУ, яка відноситься до складних коливних систем, пов’язане з значними труднощами. З метою якісної оцінки її вібростану була розроблена детермінована математична модель процесу коливань ШГНУ з використанням одновимірного рівняння коливань виду:

5^(1.» (1)

і 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.

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 ЛНСІІ для подальшої обробки з використанням оболонки МаШСасІ.

У четвертому розділі приводиться аналіз експериментальних даних, отриманих за допомогою МІВС, порівняння їх з результатами математичного моделювання ШГНУ та розробка методу вібраційного коттгроттю При дослідженні статистичних характеристик (закону розподілу, дисперсії Дх та математичною очікування Л/х) КП було виявлено (рис.2), що процес відноситься до “періодично-нестаціонарних” випадкових процесів, оскільки його статистичні характеристики

- Л/х, Ох 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 Вх КП зростає, а закон розподілу є композицією нормального та арксинусоїдального закону, згідно якого розподілені миттєві значення КП, що можна інтерпретувати як періоди’піс 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 вібростан ШК показав наявність між ними взаємозв’язку, що цілком ирмрО/^НЬО, ОСКІЛЬКИ £>Сі вузли Є ЧаСТИЇІаМИ МСХаШЧІІСІ СІІСТСМІЇ. Однак рОЗрсіХОВаІІЇ для амплітудних спектрів значення коефіцієнта взаємокореляції, який змінюється в межах гху=0,22 для ПД; гху=0,489 для Р; гху =0,518 для КР; гху =0,523 для Ш; гху =0,530 для Б та гху =0,534 для ТР не дозволяють стверджувати про визначальний вплив жодного з них на вібростан 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 іафтоносного пласту та режимами експлуатації показав, що із зміною стану (зносом елементів і зузлів 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 еювдових (ДО), та ¡агальні закономірності їх зміни, обумовлені зміною стану, що вимагає вирішення задачі вибору нформагивігах ділянок періоду качань.

З метою перевірки відповідності розробленої математичної моделі експериментальним іаним було проведено розрахунки в середовищі МаШСасІ.

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

Рис.2. Графіки зміни вібросигналу A(t), зусилля в ШК P(t), математичного очікування Mx(t) і дисперсії Dx(t) коливного процесу в часі (Свердловина №463 - СН-32, число качань п-6, довжина ходу 5 = 2.5м, глибина спуску ¿=2046м)

1) закон переміщення верхньої точки ШК

pi (t) = A(sin (w t),

де А - амплітуда качань, що дорівнює половині довжини ходу точки підвісу штанг, -циклічна частота качань;

2) закон переміщення нижньої точки ШК

де функція х{() є розв'язком рівняння Ван-Дер-Поля.

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

На рис. З приведені спектри КП в ШК для свердловини № 463 (СН-32, число качань и=б довжина ходу 5 = 2.5м, глибина спуску £=2046м) , отримані розрахунковим шляхом та на основ обробки експериментальних даних, з яких видно, що явно виражений розрахунковий максиму* КП в смузі частот 0-160 Гц, з певним ступенем точності співпадає з експериментальними Аналогічні розрахунки були отримані при різних режимах експлуатації ШГНУ.

u2(t) = и(х,0|,=г

Рис.З. Спектр КП експериментального (--) та змодельованого (—)

(Свердловина №463)

Таким чином, створена математична модель в певній мірі адекватно відображає реальні процеси у ШК. Але порівняння спектрів на рис. З 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 амплітуда 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 (рис.2). 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 грунтується на тому, що положенню Кхутах (т) відповідає зсув г 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 початк) сприйняття навантаження була розроблена програма Dia. Вихідними даними для програми е інформація про технічні параметри свердловин, яка зберігається у базі даних та файли даних, ще містять оцифровані відліки тензометричних та вібраційних сигналів, отримані за допомогою розробленої МІВС.

У зв'язку з нестаціонарністю КП як значення, так і ступінь інформативності вибраної ДС Т£кож змінюються нs протязі періоду кечзння. Тому ЛДЗ обчислюнзли Н- для всієї реалізації, £ для окремих фаз періоду качань. На рис. 2 виділено інтервали, що відповідають наступним фазаі« періоду качання: 1 - сприйняття навантаження; 2 - початок ходу вверх; 3 - хід вверх; 4 - зняттю навантаження; 5 - початок ходу вниз; 6 - хід вниз.

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 напрапюванням, але не більше ніж на 10-12%. що пояснюється незначною залежністю ДО на цих інтерватах від стану ШГНУ, тобто фази 3 і 6 £ найменш інформативними з точки зору вибору ДО.

Враховуючи значну нестаціонарність 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.

яке було покладено в основ) методу вібраційного

контролю стану ШГНУ, де аш - значення ЛДЗ при знятті навантаження, аспр - значення ЛДЗ при сприйнятті навантаження.

Результати оціни; стану ШГНУ :

використанням розробленого методу приведені на рис.4 ,: якого видно, що в усі* випадках спостерігається

2 - св.№588 (насос НС-32, Ь=2070м, 8=2,5м, п=4), знос 69,8%; 3Росташія значення вибРа™

3 - св.№260 (насос НС-32, Ь=1884м, 5=3м, п=5), знос 34,3 %. ДО з часом напрацювання і

відповідно, з величинок зносу елементів СН. Це свідчить про її адекватне відображення стану ШГНУ.

яка враховує ці обидва показники, було прийняте відношення:

0 = -

Рис. 4. Графік зміни ДО стану ШГНУ з часом напрацювання 1 - св.№463 (насос НС-38, Ь=2046м, 5=2м, п=7), знос 58,4%;

4. Бандура В.В., Замиховский Л.М., Олийнык А.П. Математическое моделирование роцесса колебаний ШГНУ // Методы и средства технической диагностики. - Йошкар-Ола: 4ар.гос.ун-т. - 2000. - Вып.ХУП. - С.62-65.

5.БандураВ.В., Заміховський Л.М., Шумада В.М. Підвищення ефективності експлуатації ПГНУ для видобутку нафти шляхом їх діагностування // Розвідка і розробка нафтових і газових іодовищ. Серія: Розробка та експлуатація нафтових і газових родовищ - Івано-Франківськ, 1999. -іип.36 (тЗ) - С.241-244.

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

7.Бандура В.В., Заміховський Л.М. Система контролю технічного стану глибинно-насосних тгангових 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 ехнической диагностики. - Йошкар-Ола: МарГу. - 1998.-С.127-131.

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

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

ехн. конф.проф,- викл. складу ун-ту.- Івано-Фран-ківськ. - 1996 p.- С.109.

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

13.Бандура В.В., Гірняк O.P., Васьків О.В., Шумада В.М.,. Використання даних езперервпої динамометрії ГШУ для свердловин з періодичним режимом роботи // Тез.наук.-ракт.конф."Стан проблеми і перспективи розвитку нафто-газового комплексу Західного регіону 'країни",- Львів: УНГА.-1995.-С.164-165.

АНОТАЦІЯ

Бандура В.В. Розробка методу вібраційного контролю технічного стану штангових либинно-насосних установок для видобутку нафти. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю

5.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин, - Івано-Франківський ержавний технічний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, 2000.

Дисертація присвячена питанню контролю стану ШГНУ. В дисертації розвинуто новий апрям - методи вібраційного контролю стану ШГНУ. Створена логічна і математична

кий Л.М. Діагностична модель штангової остановки // Тез.На'

діагностичні моделі ШГНУ; розроблено метод вібраційного контролю стану ПІТНУ, технічні засоби та програмне забезпечення для його реалізації; методика визначення моменту часу сприйняття навантаження; визначена і досліджена діагностична ознака стану ШГНУ; визначені умови і проведена оцінка степені її роботоздатності.

Розроблений метод і технічні засоби пройшли промислову апробацію в НГВУ “Надвірнанафтогаз” і прийняті до впровадження.

КлЮЧОБІ слива. Вібрація, дефекти, ТсХшЧІІа діаіКОСТИКа, ДіаГІІОСТЇЇЧНа ОЗНаКа, ПІГПУ, метод, штангова колона.

АННОТАЦИЯ

Бандура В.В. Разработка метода вибрационного контроля технического состояния штангових глубшшо-насоепілх установок для добычи нефти. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности

05.11.13 - приборы и методы контроля и определения состава веществ. - Ивано-Франковский государственный технический университет нефти и газа, г.Ивано-Франковск, 2000.

Диссертация посвящена вопросу контроля состояния ШГНУ. В диссертации развито новое направление - методы вибрационного контроля состояния ШГНУ. Создана логическая и математическая диагностические модели ШГНУ, которые позволяют проследить направления развития дефектов скважинного насоса и описать колебания ШГНУ с учетом реальных условий эксплуатации; разработан метод вибрационного контроля состояния ШГНУ, технические средствг и программное обеспечение для его реализации; методика определения момента времени восприятия нагрузки; определен и исследован диагностический признак состояния ШГНУ; определены условия и проведена оценка степени его работоспособности.

Разработанный метод и технические средства прошли промышленную апробацию в НГДУ “Надворнанефтегаз” и приняты к внедрению рядом нефтедобывающих предприятий ОАС “Укрнефть”.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели, задачі; исследований, научная новизна и практическая ценность работы; представлены сведения оЕ апробации, публикациях и реализации работы.

В первом разделе на основе проведенного анализа результатов исследований состоянш ШГНУ в процессе эксплуатации определены условия возникновения и развития дефектов, даг анализ отказов, которые обуславливают надежность ШГНУ, и их классификация за характером ї видами отказов.

Проведен критический анализ современного состояния методов и средсті диагностирования состояния ШГНУ в процессе эксплуатации. Показано, что наиболее перспективными являются методы вибродиагностики, которые до настоящего времени 11« использовались при диагностировании ШГНУ, в связи с чем отсутствуют исследования природь возникновения и распространения колебательного процесса КП в штанговой колонне ШК

:следования их статистических характеристик и диагностических признаков ДП - характеристик П, изменение которых характеризирует изменение состояния ШГНУ.

Во втором разделе рассматриваются теоретические положения метода вибрационного знтроля состояния ШГНУ. Проанализированы особенности ШГНУ с точки зрения объекта мгностировония, Построены диагностические модели ШГНУ - логическая, которая позволила :тановить и классифицировать дефекты и обозначить направления их развития и взаимосвязь с зугими элементами, а также математичке '^одеть, позволяющая получить качественные 1рактсристики КП при наличии разного рода помех, выделить топологически разные эталонные ¡ассы состояния ШГНУ. Проведено исследование предрезонансных явлений, обуславливающих лможность возникновения аварийных ситуаций.

В третьем разделе рассматривается методическое, техническое и программное эеспегчение экспериментальных исследований вибросостояния ШГНУ в промысловых условиях.

Разработана информационно-измерительная система МИИС-01, состоящая из ¡мерительных блоков ИБ. мультиплексора МтП, АЦП и микропроцессорного устройства, в тестве которого использовалась ПЭВМ класса АТ-386. Разработаны оригинальные конструкции Б, позволяющие проводить измерение нагрузки на полированный шток и параметров вибрации 1К, а также параметров вибрации механизмов и узлов станка-качалки СК. Разработано эограммное обеспечение МИИС.

В четвертом разделе проводится анализ экспериментальных данных, полученных с ¡пользованием МИИС-01, сравнение их с результатами математического моделирования ШГНУ

ра^раиОТКа МсТОДа сс ВйбраЦИОННОГО КОКТрСЛЯ. УсТаНОВЛСКО, ЧТО ТСТТ Б ШК ОТНОСИТСЯ К

1ериодически-нестационарным», случайным и выбраны методы его обработки. Исследование жазало, что вибросостояние механизмов и узлов СК не влияет на характеристики КП в ШК, а в 1ектре КП невозможно выделить частотные диапазоны и их спектральные составляющие, т.е. П, изменение которых характеризует изменение состояния ШГНУ. Последнее вызывает ;обходимость выбора информативных участков периода качаний. Апробация разработанной атематнческой модели с использованием оболочки МаШСас! подтвердила адекватность элученных результатов реальным КП в ШК. Разработана методика определения момента )сприятия нагрузки на ШК по максимальному значению взаимокорреляционной функции между ;альным и еталониым тензосигналами, которая позволяет отказаться от дополнительного датчика гремещений ШК. Проведено экспериментальное обоснование выбора ДП - отношения згарифмического декремента затухания автокорреляционной функции на интервалах снятия и зсприятия нагрузки ШК, на основании которого предложен метод вибрационного контроля зстояния ШГНУ, определены условия его работоспособности и проведено оценивание степени аботоспособности с учетом погрешности измерения ДП. Результаты промысловой апробации етода на нефтепромыслах НГДУ «Надворнанефтегаз» подтвердили его эффективность.

Разработанные метод и технические средства приняты к внедрению нефтедобывающими редприятиями ОАО «Укрнефть». Результаты работы внедрены в учебном процессе - в рабочих рограммах дисциплин “Основы теории надежности и технической диагностики”,

“Проектирование систем диагностирования” для специальности «Системы управления автоматики».

Ключевые слова: вибрация, дефекты, техническая диагностика, диагностический призна! ШГНУ, метод, штанговая колонна.

ANNOTATION

Bandura V.V. “Working out of the methods of vibration control of technical state of depth-pum bar plant ”. - Manuscript.

Thesis submitted for obtaining of the scientific degree of Candidate of Technical Sciences fc specialty 03.11.15 - “Methods and Devices of Control and Definition of Contents of Matter”. - Ivanc Frankivsk State Technical University of Oil And Gas; Ivano-Frankivsk; 2000.

Dissertation is devoted to questions of control of technical state of depth-pump bar plant. Th new methods of vibration control of technical state of depth-pump bar plant were developed in tl: dissertation. The logical and mathematical diagnostics models of depth-pump bar plant were created. TT methods of vibration control of technical state of depth-pump bar plant, the technical means and softwai of their realization, the methodology of time point definition of load receiving were worked out. H diagnostics index of technical state of depth-pump bar plant was defined.

The created methods and technical means were tested and implemented in industi "Nadvimanaftogas".

Key-words: vibration, technical diagnostics, defects, diagnostics index, depth-pump bar plar method, bar column.