автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Совершенствование гидроприводов штанговых насосов на основе выбора рационального закона движения выходного звена

1Ъсударственкая Ордена Октябрьской Революции я Ордеаг Трудового красного знамени Ахадемхя нефти в газа еы.И.М.Губкина

ГОШ ЛЕ МИНЬ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ 1ВДРОПРИВОДОВ ПГТАНГОШХ НАСОСОВ НА ОСНОВЕ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОГО ЗАКОНА ДВШНШ ВЫХОДНОГО ЗВЕНА

Специальность 05.04.07 - машины к агрегаты нефтяной

и газовоА промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1991 г.

Работа выполнена в Государственной ордена Октябрьской революции и ордена Трудового Красного Знамени Академии нефти и газа им.И.М.Губкина

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент . СЛЫПЕНКОВ В.А.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор ЫЛКСУТОЗ P.A. к.$.~и.м., доцент Новиков Л.А.

Ведущая организация :

Всесоюзный нефтегазовый научно-исследовательский институт им.А.П.Крылова

Защита состоится "21" января 1992 г,

в "15" часов на заседании специализированного Совета

К.053.27.02 в Государственной Академии нефти и газа

им.И.М.Губкина. по адресу:

II79I7, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, 55.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАНГ мы.И.М.Губкнна.

Автореферат разослан " "_ 1991 г.

Ученый секретарь

специализированного совета Jq-^^s^ БЕЛЯЕВ А.И.

г. .1,

I тдел иссертаций

ОНЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОЙ

Актуальность работа ч_

Более 70 процентов эксплуатационных сквайин осййщени штанговыми сквакиншмя насойнши установками /11ЮНУ/, й дальнейшем это положение сохранятся при значительном роста фонда, скваяин. В качестве привода штангошх насосов используются баланснрнда станки-тачалки Опыт эксплуатации и теорети-

ческие исследования свидетельствуют, что имеются райервй повышения эффективности работы ШСН7. Один КЗ Путей г -¿той!' А замене механического привода на гидравлическая, обладающий лучшими динамическими характеристиками* Результата исследований, полученные в настоящей работе, йайравленУ йа ЬОберйенМ-вованна гидродрибодннзс ШСНУ, в связй 6 чем явЛяютсй йкФуальнЛми.

Цель работы

Повышение эффективности функционирования гйдр^ориЕодвых штанговых насосных установок на основе выбора рационального загона движения точки Подвеса ш'-чнт и снижений таким образом динамических натруйо& в шТййговой колонне <

Основные задачи работы

- Создать математическую модель гидроприводной штангово» насосной установки.

- Установить адекватность ¿¡атематкческой модели путем сравнения результатов расчетов О экспериментальными данными.

- Исследовать влияние йакона движений Точки лоДвеоа штанг на величины экстремальных нагрузок в штанговых колоннах,

- Выявить параметры закона движения при которых нагрузки, действующие на колонну штанг минимальны.

^- Сопоставить показатели надежности штанговых колонн при использования различным типов приводов штанговдх насосов.

- Оценить эффективность гидропривода штангового насоса на основе сопоставления его показателей с аналогичными показателями механического привода в широком диапазоне режимов работы и условий эксплуатации.

Научная новизна

- Впервые выполнены исследования по выбору рационального закона движения выходного звена лидроприводной ШСНУ, установлена ферма закона изменения скорости движения, обеспечивающая

. минимальные динамические на^узки в штанговой колонне.

- Получены количественные характеристики для выбора длительности фаз при формировании закона движения.

Сопоставлены вероятности обрыва штанговых колонн при различных видах приводов штанговых насосов.

- Подтверждена эффективность применения гидроприводных

ШСНУ.

Практическая ценность и реализации результатов работы

Результаты работы позволяют проектировать ШСНУ с системой управления, обеспечивающей минимальные динамические нагрузки в точке подвеса штанг.

Отдельную ценность представляет комплекс программного оиеопечения, который позволяет получать динамограммы и величины экстремальных нагрузок, как для балансирных, так и гидроприводных ШСНУ, а следовательно он может быть использован в качестве базы дат- построения диагностических систем ШСНУ.

Результаты, полуденные в рабою могут быть использованы в КБ, а также непосредстве и»о в НГДУ при ведении работ по оптимизации ре&иыов эксплуатации ШСНУ.

.........

! и > ^ШЬодадт работы

Дегультаты работы использованы при оптимизации режимов работы птанговнх насосных установок НШУ "Лангепаснефть".

ссврт»ций

'Ри а}1 ль тага исследования доложены и обсуждены на научном семинаре кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности ГАНГ им.И.М.Губкяна.

Структура и объем работы

Диссертация состоит ис введения, четырех глав, заключения и приложения. Изложена на 178 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 6 таблиц. Список использованной литературы состоит иэ 53 наименошь.-Л.

Содержание работы

Предположение о большей эффективности трапецеидального закона изменения скорости в приводах скважинннх насосов были высказаны многими исследователями и конструкторами, однако» в литературных источниках отсутствуют данные, подтверждающие эти предположения на основе сравнения качественных показателей. Кроме того, до настоящего времени не решен вопрос выбора рационального закона движения точки подвеса штанг, а именно, его формы и длительности на участках неустановившегося движения.

Первая глава носит обзорно-постановочный характер. В ней формируются цель и задачи исследования, приводятся обзор и критический анализ исследований, посвященных особенностям разработки и совершенствования гидроприводных наоосшгх установок. Рассмотрены работы К.С.Аливердиззде, Г.В.Молчанова4 А.Г.Молчанова, С.А.Азизова в других авторов.

В результате доказано, что гидропривод обладает высокой эффективностью и рядом преимуществ по сравнению о балайсйрг"ч приводом. Одно из основных преимуществ заключается в возможности реализации на его базе практически любого закона движения точки

подвеса штанговой колонны.

Важность и актуальность решения вопроса о выборе рационального закона движения точки подвеса в гидроприводной ШСНУ подтверждайся многочисленными исследованиями, выполненными в этом направлении для CK с механическим приводом» Основнши из которых являются работы Адоккна А.Н., Алявердизаде К.С., Аливерди-ззде Т.К., Багарова Ф.Ш., Первердяна A.M., Фаермана ИЛ., Фар-хадзаде Э.М.

Анализ аналогичное исследований в области создания гццро-приводнш: установок показывает, что в настоящее время они малочисленны и не дают исчерпывающего ответа на вопрос о рациональной форме закона движения. Отмечается, что переход от синусоидального закона изменения скоростд к трапецеидальному благоприятно сказывается на работе ШСНУ, однако, количественные характеристики по величинам нагрузок в точке подвеса и показателям надежности штанговых колонн не приводятся.

Определение максимальных и минимальных нагрузок, действующих в точке подвеса штанг имеет большое значение при выборе диаметра насосных штанг, типоразмера станка-качалки и определения максимального момента на валу редуктора и мощности двигателя. Этому вопросу посвящены многие работы различных авторов, в том числа Адонина А.Н., Аливердизаде К.С., Вирковского A.C., Дрэготеску Н.Д., Касьянова В.М., Чэнь Вэй Цяка и других. Анализ работ этих исследователей позволил сделать следующие выводы:

- к настоящему времени имеется достаточно хорошо работаю-ийя теория функг 'онирования гатанговых насосных установок. Существуют различные зависимости для определения сил, действующих на колонну штанг;

- величина этих сил зависит от конструктав'-чх и эксплуатационных факторов и мотет быть вычислена с известной степенью приблгазкия;

- значительное влияние на экстремальные нагрузки оказывает закон движения точки подвеса штанг;

- некоторое уточнение экстремальных нагрузок колет быть получено на основе более полного учета сил сопротивления движению штанговой колонны, которые также зависят от закона движения последней;

- приведенные зависимости дают возможность вычислить экстремальные значения нагрузок, однако не позволяют создать на их основе достаточно поля?» диагностическую модель объекта.

Для анализа процессов, происходящих но внутрискр/ чином оборудовании ШС117 необходимо создать математическую модель, позволяющую комплексно оценить влияние различных Факторов и дать рекомендации по оптимальному выбору параметров и реаимов работы приводов ЕСНУ.

Вторая глава посвяцека построению математической модели гидроприводной Ш5У, В качестве основы для построения математической модели использованы апробированная методология и некоторые расчетные зависимости, применяемые для моделирования штанговых сква^инкых насосных усч^новок с балансирным приводом.

При этом предполагалось, что несмотря на различный закон изменения скорости точки подвеса итанг /выходного звена привода/ в механическом СК и гидравлическом приводе, характер действуют : оил и реакций системы с распределенными параметрами сохранится, а отличия проявятся лишь в количественном выражении.

При построении математической мсделл объекта исследования были приняты следующие допущения:

- Приводные двигатели обладают жесткой частотой вращения.

- Потери в гидравлических машинах отсутствуют.

- Насосные штанги и НКТ подвержены только продольным-колебаниям.

- В нижнем сечении штанг и труб действует суммарная

нагпузка, состоящая из постоянной гидростатической и переменной гидродинамической нагрузки.

- 0т~-ханше волны в колонне жидкости отсутствуют.

- Сила трения штанг о жидкость пропорциональна скорости движения.

- Снвахинный насос идеальный /утечки отсутствуют, клапан» закрывается и открываются без западывания/.

- Свободный газ на приеме отсутствует.

- Сила трения плунжера на стек..:* цилиндра определяется по закону Кулона.

- Сила сопротивления от перепада давления в открытых клапанах насоса пропорциональна окорости плунжера относительно цилиндра.

- Сила трения штанг о НКТ не учитывается.

Методологически разработанная модель заключает в себе

модели двух объектов, механического СК и гидропривода, объединенные единой схемой,(рис.I).

Принятая схема математического моделирования позволила сопоставить максимальные нагрузки в штанговых колоннах при различных типах приводов штангового насоса, идентичных режимах работы и конструкции скважинного оборудования.

Модель привода механического СК воспроизводит закон движения точки подвеса штанг в функции угла поворота кривошипа, при за;1нных значениях параметров четырехзвеннияа. Программа для ЭШ, реализующая математическую модель механического СК позволяет менять параметры четырехзвенника и частоту щэащения ведущего звена, т.е. позволяет моделировать законы движения любых известных СК.

Рко. I. Структурная схема математического моделирования объектов исследования

Характерной особенностью гидроприводной установки является отсутствие ярковыраженной зависимости скорости и ускорения элементов устгчовки от положения точки подвеса штанг, что характерно для установок с балансирннм приводом. В них скорость и ускорение выходного звен- определяется кинематической схемой четырех-эвенника и положением ведущего звена в пространстве. Модель гидропривода должна реализовывать закон изменения скорости в точке подвеса штанг по закону близкому к трапеции, имеющему участки неустановившегося движения и платообразнне участки равномерного движения.

Другая особенность по сравнению с балансирным приводом заключается в том, что на участках неустановившегося движения изменение скорости может происходить по различным функциям. Несмотря на обилие возыоеных вариантов функций на участках неустановившегося движения, можно ограничиться рассмотрением трех, наиболее распространенных форм, уравнений 1-ой, 2-ой и 3-ей степени.

Формирование платообразных участков осуществлялось путем задания значений скоростей установившегося движения вверх "^в и вниз Ч в выбранных временных интервалах Тв и Тн (рис.2).

Программное обеспечение, реализующее математическую модель гидропривода позволяло выбирать различные законы изменения скорости на участках неустановившегося двивения, в тем числе яропволъно задавая закон о дисплея ПЭШ. В втом случае любая введенная функция Подвергалась кусочно-лднейной аппроксимации, Кроме того предусматривалась возмозность изменения длительности различных фаз /Тр, Тв, Тн и т.д./ в цикле, характеризуемом времененм двойного хода Т.

{

Те

\\

1ц

тг

Та

И»

-а-

ъ

10

ь

<0

1

Тв

Тн

-г-1

?

8

«О

Рио. 2. Возможные закономерности изменения скорости

точки подвеса штанг во время неустановившегося двакения

<2

8

Математическая модель внутрисквааинного оборудования представляет собой систему телеграфных уравнений;

Ро1,1)'-ЕШ

где: и - абсолютное перемещение произвольного сечения стернчя, подверезнного продольным колебаниям рС - расстояние рассматриваемой точки от точкн подвеса втанг

- текущее вреш

С - скорость звука в материале штанг ът труб р - усилие в рассматриваемой сечении ^ - модуль упругости материала штанг юш труб

- площадь поперечного сечения штанг шш груб

Знак минус обусловлен тем, что Х- оточитнвается вниэ, а Ц, - вверх от исходного яодажзния.

Система уравнений /I/ решатся при следукщих граничных условиях при Ул = Уи>

рп=дрр+Тп (2)

Р* =Рж-дРР + РШРут-ТП-ЬР

при

Рп = Р# + Р<ОР+дРвР + Тп (3) Рц = Р(0(Р/ит-Р)-дРвГ-Т»1

при. Vn < V4 13-

Рл = - дРнF - Тп (4)

Рц = Р* + P(t) F/vt A PnF-^Tn

где: Vh,Vti~ скорость плунжера, цилиндра

Рп>Р^_ усилия в нижней штакге /у плунжера/ и в нижней трубе /у цилиндра/ Д Р - перепад давления в закрытом нагнетательном ютадано Др0 ;А (н - перепада давления в открытых клапанах - всасывающем и нагнетательном - гидростатическая нагрузка на плунжер

«v

р (t) - переменная составляющая давления над плунжером "J*h - сила трения в плунжерной паре F&T - площадь проходного сечегош колонны труб F - площадь сечения плунжера Pj - давление в затрубье у насоса

Решение уравнения /I/ осуществляется численным методом о помощью ПЭШ, Алгоритм расчета реализуется о помощью программы, написанной на язнке "Паскаль" н приведенной в приложении к диссертационной работа.

Для проверки адекватности разработанной математической модели для установки с бадансирным приводом и для гидроприводной штанговой установки были выполнены расчеты о использованием данных известных экспериментальных исследований. Сопоставление полученных расчетных результатов о зкеперпментальпшя данкнш, яолучениши Адонинкм АЛ., Бегляровым Л.Н, на лабораторной сква-гагае И 1019-У /для установки о баяаксирвш приводов/ и о даквнмн полученными Молчановым А.Г. на екзашше Л 6560 /для гидропрнвод-кой установки/ показывает хорошее совпадение и по форме динамо-грамм и по значению величин максимальных нагрузок в точке подвеса штанг.

В результате проверки установлено, что разработанная математическая модель гидроприводной штанговой насосной установки может быть использована в качестве инструмента исследования для выявления влияния закона движения точки подвеса штанг на формирование экстремальных нагрузок в штанговых колоннах.

Третья глава посвящена исследовании влияния закона движения точки подвеса штанг на величину экстремальных нагрузок в штанговой колонне.

Исследования в области совершенствования ШСНУ указывают на возможность снижения экстремальных нагрузок путем формирования рационального закона движения выходного звена привода штангового насоса. В настоящей главе приводятся результаты решения подобной задачи применительно к гидравлическому приводу, закон изменекия скорости которого имеет трапецеидальный характер. В процессе исследования последовательно исследуется влияние следующих факторов, определяющих закон изменения скорости в течении цикла:

- Длительность паузы между фазами движения внерх и вниз /время, необходимое для реверсирования движения/.

- Длительность фазы неустановившегося движения /разгон-торможение/ и характер изменений скорости в этих фазах.

Кроме того изменились параметры работы привода /длина хода 5 я число двойных ходов и« /, влияние которых оценивалось посредством произведения * .

В качестве критерия эффективности использовалось значение максимальной нагрузки в точке подвеса штанг - Рмах.

В результате выполненных исследований установлено, что длительность паузы не оказывает заметного влияния на величину максимальной нагрузки - Рмах в диапазоне наиболее чаото встречающихся чисел двойных ходов / А < 15мин/ в длин хода /■$ £ 5,5 /. Поэтому продолжительность паузы должны быть минимизирована

я в& превышать значений 2Т/360 + ЗТ/ЗбО.

В фазе неустановившегося движения точка подвеса штанг пере-кетется о каким-то ускорением. На величину этого ускорения, а э конечном итоге» и максимальную нагрузку в точке подвеса штанг оказывают влияние характер изменения скорости неустановившегося движения, значения параметров Уа > V« , Л * £ и длительность фаз разгона /торможения/.

Влияние перечисленных факторов иллюстрировано (рис.3) на котором приведена зависимость РК1ахгп от длительности фазы разгона системы для различных законов изменения скорости на участке

неустановившегося движения. Пунктирной линией показано значение ск

Рмах для механического СК при аналогичных режимах работы / П * 5 - с<1ет/. Из приведенных данных следует, что максимальная нагрузка в точке подвеса штанг может быть как больше, так и меньше аналогичной величины в механическом СК. Определящее влияние оказывает длительность фазы разгона и характер изменения скорости в этой фазе.

Увеличение длительности периода неустановившегося движения способствует снижению максимальной нагрузка в точке подвеса штавг, Интенсивность снижения нагрузки зависит от частоты двойных ходов и более заметна при П > 4,5 шшГ*.

Длительность участка неустановившегося движения мозит быть принята в диапазоне от ЗТ/ЗбО до 5Т/360. При этом шксималькно нагрузки в точке подвеса гатанг не будут пресыщать соответствующих значений, имеющих место в балаисирных станках-качалках, а при Тр> 5Т/360 будут всегда каньте их.

Наименьшая величина соответствует закону изменения скорости й фазе неустановившегося движения, описываемому кубической параболой выпуклой формы, следовательно его можно считать наиболее рациональным для фазы разгона системы.

в.

Pao. 3. Зависимость Рыах™ от длительности фаем

разгона и формы кривых изменения скорости.

1 -.Вогнутая парабола 3-ей степени

2 - Вогнутая парабола 2-ой степени

3 - Линейный закон

4 - Выпуклая парабола 2-ой степени

5 - Выпуклая парабола 3-ей степени

т

Наибольшая величина максимальной нагрузки соответствует закону изменения скорости неустановившегося движения по кубической параболе вогнутой формы и поэтому его следует оценивать кал каяменеее благоприятный.

При изменении скорости по закону, описываемому квадратичной параболой сохраняется качественный характер эффектов, заг-фиксированных для кубической параболы, количественно в меньшей степени.

Использование линейного закона изменения в фазе неустановившегося движения ведет к распределению максимальных нагрузок в диапазоне между кривыми соответствующими выпуклой и вогнутой, параболам второй и третьей степени. Таким образом линейный закон можно рассматривать в качестве предельного случая.

Четвертая глава посвящена сравнительному анализу работы штанговых колонн в гидроприводкых штанговых насосных установках и установках о бапаксириым приводом.

Сравнительный анализ эффективности осуществляется на основе сопоставления величин максимальных нагрузок в точке подвеса штанг для двух видов приводов при идентичных режимах работы к конструкции внутрискважинного оборудования. В качестве критерия эффективности был принят безразмерный параметр

р* = г _ Рмахгп Рмахск

где: Рмахта - максимальная нагрузка в точке подвеса штанг в гвдроприводной установке

Рмахск - максимальная нагрузка в точке подвеса штанг при использовании балансиряого СК.

I s.

Методология исследования предполагает,.что лобке отклонения параметра Рк обуславливаются эффектами, связанными с отличиями в законах изменения скорости точки подвеса штанг.

В процессе анализа бшш приняты следующие диапазоны изменения переменных:

- закон изменения скорости в фазе неустановившегося движения описывается параболой третьей степени, выпуклой формы;

- длительность паузы принята равной t = Т/360;

- длительность фазы нейсгаковквиегося движения Тр = 3T/360;

- длина хода $ м: 1,1; 2,2; 3,5: 6,0.

-í

- число двойных ходое П., MUH 4,5; 9,0; 12,0; 15,0.

- глубина спуска насоса Ь?Н : 805, I2II, 1440, 1700, 2200.

- диаметр насоса пл мм: 44, 55, 68.

- конструкция штанговых колонн:

- одноступенчатая диаметром 19 мм . - двуступенчатая диаметром 22x19 я 25x22

Результаты выполненных расчетов позволили установить, что параметр Р* не зависит от глубины спуска насоса, диаметра плунжера и конструкция штанговых колонн. Учитывая это, можно сделать вывод, что статическая составляющая сил не влияет на эффективность привода.

Исследования зависимости параметра Г* от длины хода точки -подвеса штанг для различных чисел двойных ходов показывают, что гидравлический привод позволяет снизить экстремальные нагрузки на 5 ♦ 15% по сравнению с аналогичными величинами при использовании механического ОК.

Зависимость F* = / (S) и Р* = / ( ¡1) имеют линейный характер, однако зависимость от числа двойных ходов выражена более ярко, что позволяет сделать вывод о возможности пршеке-

О -1-1-

9,0 15 RmuH

L-/ччо и , 5= им , 1)лл-|(3мм

Рас. 4. Зависимость вероятностей обрыва штанговых

колонн для различных типов приводов насосов.

кия режимов о большим П. для гидроприводных установок без снижения показателей надежности штанговых колонн.

Для оценки вероятности обрыва штанговых колонн была использована формула Саттарова U.U.

(б'-i)

у . 0,012 7?б"Р (Я

ü LönpJ - опр

Анализ полученных результатов показывает, что при прочих равных условиях вероятность обрыва штанг в гидроприводных установках ниже, чем в балансирных станках на 15 + 40 %.

Расчетные вначения % - f(л) при использовании механического и гидравлического приводов приведены (рио.4).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОД И

1. На основе выбора и обобщения литературных данных показана необходимость работ по совершенствован!:» гидроприводных ШСНУ. Разработаны методология к средства для провода- ■ кия исследований.

2. Впервые разработана математическая модель гидропрк-водной ШСНУ, позволявшая воспроизводить любой закон движения выходного звена привода и адекватную реакцию внутрискважин-ного оборудования.

3. Иоследовано влияние формы и параметров закона движения на величины экстремальных нагрузок в штанговой колонне.

- Установлено, что трапецеидальный закон изменения скорости точки подвеса является предпочтительным для приводов штанговых сквахинных наоосов.

- Не обнаружено существенного влияния длительности

паузы /времени реверсирования/ на величины экстремальных нагрузок, поэтому она может быть принята минимальной.

- Существенное влияние на величины динамических нагрузок оказывает период неустановившегося движения, его длительность может быть принята в диапазоне Ь = ЗТ/ЗбО + 5Т/360,

- Установлено, что предпочтительной формой закона изменения скорооти на участке разгона является выпуклая парабола 3-ей степени и менее эффективна форма параболы 2-ой степени

и линейный закон изменения скорости неустановившегося движения.

- Нежелательная Форш вогнутой параболы как 2-ой, так и 3-ей степени.

4. Сопоставлены динамограммн и значения экстремальных нагрузок для механического и гидравлического приводов в широком диапазоне режимов работы и параметров эксплуатации. Показано, что гидравлический привод имеет лучшие динамические характеристики, обеспечивающие снижение экстремальных нагрузок в колонне штанг.

- Установлено, что конструкция внутрискважинного оборудования не способствует проявления преимуществ или недостатков того или иного привода.

- Наиболее значимыми являются величины Л , 5 влияние которых может быть учтено через параметр / П * 3 /. Эффективность гидпропривода по сравнению с механическим приводом увеличивается по мере возрастания / Л * $ /.В диапазоне /П * 3 / от 9м/мин до 20 м/иян замена механического привода на гидравлический способствует снижении экстремальных нагрузок на 5 +■ 15 процентов.

5. Оценена, в сопоставлении, вероятность обрыва штанговых колонн при различных типах приводов. Показано, что применение гидроприводных ШСНУ вместо механических СК позволит снизить

вероятность обрыва штанговых колонн, в диапазоне наиболее часто используема* чисел / ^ * <$ /, на 15 40 ароцемов.

4