Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Роль ИИС динамометрирования штанговых глубинных насосов в работе нефтегазодобывающих предприятий 13
1.1 Функции ИИС автоматизации в работе предприятия нефтегазодобывающего комплекса 13
1.2 Штанговый глубинный насос как объект автоматизации. Структура ИИС, определяемая технологическими особенностями объекта 23
1.3 Сравнительный анализ известных ИИС динамометрирования штанговых глубинных насосов 26
Выводы по главе 1 39
Глава 2. Измерительные преобразователи усилия ИИС динамометрирования штанговых глубинных насосов 40
2.1 Сравнительный анализ измерительных преобразователей усилия известных ИИС. Выбор места установки измерительного преобразователя усилия 40
2.2 Разработка конструкции чувствительного элемента измерительного преобразователя усилия 54
2.3 Повышение помехозащищенности измерительного преобразователя усилия 61
2.4 Анализ погрешности, обусловленной конструкцией чувствительных элементов 73
2.5 Анализ дополнительной погрешности элементов измерительной цепи 76
Выводы по главе 2 86
Глава 3. Анализ способов и средств определения параметров движения штока 87
3.1 Сравнительный анализ конструкций, метрологических и эксплуатационных характеристик известных измерительных преобразоватей параметров движения штока 87
3.2 Выработка требований к измерительным преобразователям параметров движения штока как к элементам ИИС 94
3.3 Перспективные способы и средства определения параметров движения штока 110
Выводы по главе 3 129
Глава 4. Описание выполненных схем. Программное обеспечение системы динамометрирования штанговых глубинных насосов 130
4.1 Состав стационарной ИИС динамометрирования штанговых глубинных насосов 130
4.2 Технические характеристики ИИС динамометрирования штанговых глубинных насосов 143
4.3 Назначение и функциональные возможности программного обеспечения стационарной ИИС динамометрирования штанговых глубинных насосов 145
Выводы по главе 4 160
Глава 5. Экспериментальное исследование метрологических и эксплуатационных характеристик ИИС динамометрирования штанговых глубинных насосов 161
5.1 Экспериментальное исследование метрологических характеристик измерительного преобразователя усилия ДДС-04 161
5.2 Испытания алгоритмов программного обеспечения ИИС при диагностировании состояния насосного оборудования и определении дебита скважин по практическим динамограммам 171
Выводы по главе 5 179
Заключение 180
Список используемой литературы 182
Приложение 1 192
Приложение 2 200
Приложение 3 205
Приложение 4 209
- Штанговый глубинный насос как объект автоматизации. Структура ИИС, определяемая технологическими особенностями объекта
- Разработка конструкции чувствительного элемента измерительного преобразователя усилия
- Выработка требований к измерительным преобразователям параметров движения штока как к элементам ИИС
- Технические характеристики ИИС динамометрирования штанговых глубинных насосов
Штанговый глубинный насос как объект автоматизации. Структура ИИС, определяемая технологическими особенностями объекта
К современной ИИС автоматизации установки ШГН пользователями предъявляются следующие требования: 1) защита электропривода ШГН от неисправностей электрической сети; 2) контроль отдельных технологических параметров; 3) регулирование производительности ШГН. Функции защиты электропривода ШГН от неисправностей электрической сети достаточно полно реализованы в известных станциях управления станками-качалками, которые отключают электродвигатель при обрывах фаз, небалансе токов в фазах, перегрузках, коротких замыканиях в цепях нагрузки и падении питающего напряжения [26].
Контроль технологических параметров установки ШГН в большинстве случаев ограничивается установкой манометра на устье скважины, в редких случаях - расходомера. Таким образом, контроль технологических параметров пока осуществляется в недостаточном объеме, и одним из главных сдерживающих факторов следует считать отсутствие до недавнего времени доступных по стоимости и надежных датчиков и каналов связи.
В течение срока эксплуатации нефтеотдача скважины постепенно снижается, что приводит к необходимости корректировать производительность станка-качалки. Изменение производительности насоса, как правило, реализуется следующими способами: 1) изменением длины хода станка-качалки; 2) переводом станка-качалки на периодический режим работы; 3) регулированием подачи насоса. Замена типа станка-качалки очень дорогая операция, сопряженная с длительным простоем скважины и, поэтому, применяется в редких случаях. Более тонкая регулировка производительности насоса осуществляется переводом станка-качалки на периодический режим работы и регулированием подачи насоса. Работа скважины в периодическом режиме, как показано в [54], имеет целый ряд недостатков: 1) скважина работает в неустановившемся режиме, не достигается равномерная выработка продуктивного пласта, снижается его нефтеотдача; 2) динамические нагрузки на оборудование из-за частых пусков, особенно в зимний период, приводят к повышенному износу; 3) зимой часть скважин останавливается из-за замораживания устьевого оборудования во время технологических пауз; 4) геологические особенности некоторых нефтяных месторождений вообще не позволяют вести эксплуатацию скважин с циклическими остановками; 5) в режиме периодической эксплуатации станок-качалка работает в неуравновешенном режиме. Таким образом, оптимальным способом изменения производительности насоса является регулирование подачи. Существует несколько способов изменения подачи штангового глубинного насоса: - увеличение передаточного отношения клиноременной передачи; - замена электродвигателя; - применение регулируемого электропривода.
Первые два способа рекомендуются лишь для малодебитных скважин, так как они обеспечивают только ступенчатое регулирование скорости и не позволяют обеспечить наиболее экономичные режимы работы скважины даже при сезонной смене шкивов [38]. Поэтому, регулируемый электропривод следует считать основным элементом автоматизации нефтедобывающей скважины. Только на его базе могут быть созданы системы автоматического регулирования скорости насоса в функции основных технологических параметров для получения оптимальной нефтеотдачи с минимальными энергетическими и эксплуатационными затратами.
На рисунке 1.6 изображена структура ИИС управления ШГН [54]. Схема автоматизированной установки ШГН должна включать в себя силовой блок с возможностью частотного регулирования скорости вращения приводного электродвигателя, а также с возможностью отключения питающего напряжения по сигналам с блока технологических защит и контроллера.
К блоку технологических защит предусматривается подключение следующих датчиков защиты: 1 - датчик подачи добываемой жидкости, 3 — датчик давления на устье скважины, 5 - датчик нагрузки на шток, 7 - индикатор состояния подшипника балансира, 8 - индикатор срыва шатуна, 9 - датчик контроля силовой цепи, 10 - индикатор уровня масла в редукторе, 12 - индикатор крена, 14 — индикатор перегрева сальникового узла.
К контроллеру подключаются информационные датчики: 2 - датчик расхода добываемой жидкости, 4 - датчик состава добываемой жидкости, 6 - датчик перемещения штока, 11 - счетчик числа качаний, 13 - система контроля уровня жидкости в скважине. Правилами безопасности в нефтяной и газовой промышленности предусматривается, что системы автоматизации, защиты и управления стационарными установками и скважинами должны иметь выход на ДП нефтепромысла [36]. В соответствии с этим контроллер обеспечивает передачу сигналов с информационных датчиков и датчиков защиты на диспетчерский пункт, и, в отдельных случаях, экстренное отключение питающего напряжения. По командам с диспетчерского пункта контроллер через силовой блок включает или отключает электродвигатель, и регулирует скорость его вращения.
Разработка конструкции чувствительного элемента измерительного преобразователя усилия
Среди всего разнообразия преобразователей усилия - тензометров сопро тивления, электролитических, механотропных, тензорезистивных, магнитоуп-ругих, индуктивных, емкостных, пьезоэлектрических и индукционных наиболее широко при конструировании датчиков усилия используются тензорезисто-ры. Менее широко используют преобразователи других типов - магнитострик-ционные, пьезоэлектрические и трансформаторные [4, 8, 25, 42].
При конструировании устанавливаемого между траверсами ШГН ИП г усилия выбор именно тензорезисторов объясняется такими их свойствами, как: - высокая надежность и сравнительно низкая стоимость; - возможность измерения в широком диапазоне температур при са-мотермокомпенсации или автоматической схемной компенсации; - возможность измерений при самых различных внешних условиях (влажность, давление, ионизирующие излучения и др.), неблагоприятных для -г других измерительных средств; - незначительная масса, широкий динамический диапазон, вклю чающий статические деформации и низкий порог реагирования. При разработке измерительного преобразователя усилия ставилась задача создания конструкции, обеспечивающей максимальную чувствительность из мерения и независимость результатов измерения от неравномерности приложе ния нагрузки, вызванной неплоскостностью опорных поверхностей траверс и ,, их шероховатостью. В настоящей работе представлена конструкция тензорезистивного ИП усилия междутраверсной установки (рисунок 2.11). В корпусе датчика на окружности под углом 120 расположены три упругих элемента в виде цилиндрических стержней со сферическими торцами, причем центр окружности совпадает с осью полированного штока.
Такое расположение упругих элементов в направляющих колодцах корпуса позволяет обеспечить самоустановку датчика усилия между плоскостями траверс и получить неизменность суммарной нагрузки по всем трем чувствительным элементам при отклонении оси штока от центра окружности расположения направляющих колодцев.
Каждый из упругих элементов имеет форму цилиндра со сферическими торцами (рисунок 2.12), что обеспечивает локализацию точек приложения нагрузки и получение зоны с равномерным распределением деформации для расположения тензорезисторов. Рисунок 2.11 - Конструкция тензорезисторного датчика усилия: 1 - корпус; 2 - упругие элементы; 3 - скоба крепления; 4 - полированный шток
Длина стержня ограничивается, с одной стороны, зоной действия закона Гука, с другой - возникновением перекосов в стержне [1]. Одним из вариантов измерительной цепи в этом случае является размещение на каждом упругом элементе по одному нагрузочному и одному компенсационному тензорезистору с образованием полумостовой схемы (рисунок 2.13).
Выходное напряжение полумостовой схемы с изменяющимся только в одном плече сопротивлением находится по формуле
Повысить чувствительность в два раза можно путем соединения тензоре-зисторов в полный мост, в двух плечах которого включены нагрузочные тензо-резисторы. Однако для этого требуется четное количество нагрузочных и компенсационных тензорезисторов, для чего была предложена другая схема размещения тензодатчиков на упругих элементах, на которую получено решение о выдаче патента РФ на изобретение [37].
На каждом из трех упругом элементе размещаются два нагрузочных и два компенсационных тензорезистора, как показано на рисунке 2.12. Всего ИП имеет 12 тензорезисторов, которые необходимым образом включены в мостовую схему. В работе предложена следующая схема включения (рисунок 2.14): на первом и втором упругих элементах тензорезисторы включены в полумостовые схемы, в одном плече которых последовательно соединены два нагрузочных тензорезистора RH1 и RH2, а в другом плече последовательно соединены два компенсационных тензорезистора R и R . Тензорезисторы третьего упругого элемента соединены в две полумостовые схемы, каждая из которых имеет в одном плече по нагрузочному тензорезистору RH1 (RH ), а в другом плече по компенсационному тензорезистору RK1 (RK2).
Учитывая особенности эксплуатации ИП усилия, можно сформулировать требования к измерительной цепи датчика усилия, которая должна обеспечивать компенсацию: во-первых, постоянных и низкочастотных помех, к которым можно отнести напряжения смещения ОУ, нестабильность источника питания, различные остаточные напряжения; во-вторых, помехи с частотой питающей сети 50 Гц, наличие которой обусловлено непосредственной близостью мощных потребителей электроэнергии; и, в третьих, случайных помех.
Необходимость компенсации постоянных и низкочастотных помех обусловлена, главным образом, работой ИП в различных климатических условиях. Способы борьбы с низкочастотными помехами весьма разнообразны: это применение прецизионных элементов, модуляция сигнала с последующей демодуляцией, применение специальных ВФ, однако такие способы малоэффективны. Эффективное подавление низкочастотных помех при высоком быстродействии измерительного канала может быть достигнуто при использовании импульсного питания цепи датчика от источника постоянного напряжения в сочетании с реализацией специальных весовых функций [21].
Выработка требований к измерительным преобразователям параметров движения штока как к элементам ИИС
В связи с этим необходимо оценить требования к техническим характеристикам датчиков определения параметров движения штока, а также искажения форм динамограмм при использовании датчиков положения различных типов: 1) отличие реального хода штока от гармонического закона; 2) искажения, обусловленные ошибкой определения НМТ и ВМТ. После оценки величины искажений можно сделать выводы об эффективности использования тех или иных способов определения параметров движения штока для диагностики установок ШГН и расчета производительности скважин.
В ряде систем динамометрирования развертка динамограммы осуществляется при помощи датчика положения, который фиксирует одно или несколько положений полированного штока, обычно ВМТ и НМТ. При этом промежуточные точки нагрузки распределяются из предположения, что движение штока происходит по гармоническому закону. Такое допущение обосновывается положением теории глубинно-насосной установки [45]. Однако это положение применяется для расчета величины уравновешивающих грузов СКН, и поэтому вопрос корректности его применения при построении динамограмм для диагностики насосного оборудования и определения дебита скважин нуждается в дополнительных исследованиях.
Для расчета реального движения полированного штока, обусловленного кинематикой электропривода глубинного насоса, были проанализированы конструкции наиболее распространенных СКН из [28, 40]. Расчет выполнялся для случая, когда установка уравновешена, то есть нагрузка на валу двигателя постоянна в течение всего цикла. Кинематическая схема станка-качалки представлена на рисунке 3.4.
Из числа применяемых механических балансирных приводов наибольшее распространение получили СКН, преобразующими механизмами которых являются четырехзвенные кривошипно-коромысловые механизмы с двуплечим балансиром [2].
В СКН с двуплечим балансиром (рисунок 3.4) подвижными являются: звено 2 (кривошип ОА=г), звено 3 (шатун АВ=1) и звено 4 (балансир BD с передним плечом CD=Ki и задним плечом ВС=К). Неподвижным является звено 1 (стойка четырехзвенных шарнирных кривошипно-коромысловых механизмов). На рисунках 3.5 и 3.6 представлены рассчитанные для станков-качалок СКНЗ-1515 и СК4-1800 соответственно зпкоиы реального и гармонического перемещений точки подвеса штанг, а также графики их разности. Как видно из рисунков 3.5 и 3.6, для станков-качалок СКНЗ-1515 погрешность составляет 0,05 м при ходе штока в 1,0 м, что составляет 5%. Для СК4-1800 - 0,2 м при ходе штока 1,8 м, что составляет 11%. Анализ кинематики наиболее распространенных в нашей стране типов СКН показал, что погрешность может достигать 5-12% от длины хода, причем она приходится на моменты, когда шток находится в среднем положении при ходе вверх и вниз, а в крайних положениях (приближенных к НМТ и ВМТ) реальный ход штока практически совпадает с гармоническим.
При диагностике режимов работы ШГН наиболее информативными являются крайние положения штока [6, 41] (петли ударов при низкой посадке плунжера, острые левый нижний и правый верхний углы при откачке жидкости с газом), поэтому можно сказать, что столь небольшими расхождениями реального хода штока с гармоническим законом на диагностирование состояния насосного оборудования можно пренебречь.
Таким образом, для определения производительности насоса необходимо измерить на практической динамограмме (рисунок 3.7) величину БЭФ, соответствующую движению плунжера с момента открытия нагнетательного клапана (точка Г) до его закрытия (точка А), и произвести соответствующие вычисления по формуле (3.4).
Величина Sao может несколько искажаться. Точка Г, которая соответствует моменту открытия нагнетательного клапана, будет смещаться вправо вследствие несоответствия хода штока гармоническому закону, причем величина смещения будет тем больше, чем ближе к среднему положению находится шток.
Исходя из этой ошибки определения эффективного хода плунжера 8ЭФ, рассчитывается погрешность определения дебита скважины в зависимости от местонахождения точки Г (рисунок 3.8). Расчет проводился для стан ка-качалки СК4-1800 с длиной хода штока 1,8 м. Как отмечается в [41], расчет производительности насосной установки допускается проводить при 0,1-Ю,15 8ЭФ// 0,85, так как иначе установка может работать в режиме срыва подачи или могут иметь место фонтанные явления. Таким образом, при заданных соотношениях эффективного хода плунжера и длины хода штока ошибка определения дебита скважины может составлять 4.. .12%. Как видно из рисунка 3.8, в результате несоответствия реального хода штока гармоническому, обусловленного кинематикой станка-качалки, дебит скважины оказывается завышенным на величину до 12%. Для оценки искажения формы динамограммы при ошибочной фиксации НМТ и ВМТ рассматривались теоретические и практические динамограммы. На рисунке 3.9 представлены возможные искажения формы теоретической динамограммы при ошибках датчика положения в 2,5%, 5,0% и 10,0% соответственно (смещение фиксации НМТ на 4, 8 и 16 см соответственно при ходе штока 1,6 м).
Технические характеристики ИИС динамометрирования штанговых глубинных насосов
Конструктивно стационарная ИИС динамометрирования ШГН в любом исполнении включает в себя ИП усилия и положения, а также пакет ПО для сбора, систематизации и анализа данных исследования. В зависимости от особенностей конкретного объекта ИИС может комплектоваться переносными модулями сбора информации МСИ-07, блоками питания и искрозащитными барьерами, клеммными коробками, радиомодемами для связи с диспетчерским пунктом.
ИП усилия и положения системы ДДС-04 выполняются с уровнем взрывозащиты «повышенная надежность против взрыва» и видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь «ic» по ГОСТ Р 51330.10-99. Датчик усилия ДУ04 имеет маркировку взрывозащиты «2ЕхісІІВТ4 в комплекте ДДС-04» и может применяться во взрывоопасных зонах согласно гл. 7.8. ПЭЭП (правил эксплуатации установок потребителей). Технические характеристики ИП системы приведены в таблице 4.1. Группа климатического исполнения датчиков Д1 по ГОСТ 12997-84, но для температур минус 40 ... +50С. В части воздействия механических факторов внешней среды соответствует группе LX по ГОСТ 12997-84.
Модуль сбора информации МСИ-07 предназначен для считывания данных из преобразователя усилия в цифровом коде в собственную энергонезависимую память, предварительного просмотра этих данных на графическом дисплее и последующей перезаписи их в ЭВМ [47]. МСИ-07 позволяет производить регистрацию динамограмм, значений нагрузки в статических режимах, замер утечек в клапанах насоса, а также хранит в памяти некоторые параметры исследуемой скважины: дату и время создания записи, номер скважины и куста, длину хода штока.
Применение в схемах датчиков усилия с токовым и цифровым выходами микроконтроллеров позволяет значительно упростить реализацию специальных весовых функций. Микроконтроллеры с несколькими аналоговыми входами заменяют в схемах коммутаторы с их блоками управления.
Далее производится измерение 8 значений параметра с разрядностью 10 бит при данной полярности питания моста (блок 5). Для этого выбирается активным канал АЦП, на который подается неинвертированный сигнал с измерительной диагонали моста, в соответствующие регистры загружаются начальный адрес массива хранения результатов измерения и счетчик элементов массива.
После заполнения элементов массива данными в блоке 6 микроконтроллером включается отрицательная полярность питания мостовой схемы, затем в блоке 7 также выжидается задержка 1 мс на установление переходного процесса.
Программное обеспечение является неотъемлемой частью всех современных систем автоматизации. Эффективность любой системы телемеханики во многом определяется не только мощностью аппаратных ресурсов, но и алгоритмами накопления и обработки информации.
Следует отметить, что к настоящему времени создано довольно большое количество отечественных и зарубежных программ [И, 56, 70] для обработки результатов динамографического исследования скважин. Как правило, каждая электронная система динамометрирования имеет свое программное сопровождение [61, 71, 77], которое довольно быстро морально устаревает и, обычно, не обновляется. Кроме того, известно несколько программ для компьютерной обработки динамограмм (ПО "DINAMO" АО «Татнефть», программа распознавания динамограмм и ваттметрограмм, разработанная кафедрой Автоматизации производственных процессов Уфимского государственного нефтяного технического университета и другие), вводимых в ЭВМ посредством сканирования графических изображений. Такие программы изначально предназначались для обработки данных с гидравлических динамографов типа ИКГН-1, но могут также успешно применяться для анализа выведенных на печать графиков электронных систем.
Однако анализ выходных данных позволяет предположить, что в программно-математическом обеспечении всех комплексов заложены формализованные методы обработки динамограмм без достаточно полного учета накопленного нефтепромыслового опыта [41].
При создании программного обеспечения стационарной системы динамометрирования «ДДС-04» был максимально учтен накопленный опыт эксплуатации существующих программ анализа динамографических исследований скважин.
