Введение к работе
Актуальность темы
Основным способом добычи нефти в мировой практике, по объему и широте применения, является добыча с помощью установок штанговых глубинных насосов (УШГН). Так, в США этим способом эксплуатируется 85% всего фонда скважин (более 470 тыс.), в России - около 59% (более 87 тыс.). Поэтому повышение надежности и эффективности применения УШГН, увеличение межремонтного периода и минимизация аварийных случаев, при которых значительные затраты идут на подъем и спуск всей штанговой колонны, является важной задачей.
Насосные штанги – это составные части штанговой колонны, которая предназначена для передачи возвратно-поступательного движения и продольного усилия от наземного привода к рабочему органу глубинного штангового насоса. Эти насосы работают на глубине 1,0 – 2,0 километров, и каждая колонна состоит из 150 – 300 штанг длиной до 9,5 метров каждая.
В процессе эксплуатации насосные штанги получают различные повреждения (большей частью – искривления), изнашиваются и обрываются. Большинство нефтяных скважин имеют наклонно-направленный профиль, что значительно снижает усталостную прочность штанг. Как показали статистические исследования, большинство обрывов штанг связано именно с наличием у них искривления оси вблизи головки.
В настоящее время существуют центры по ремонту насосных штанг, где производится их вытяжка до момента пластической деформации. Этот ремонт производится, в основном, с использованием ручного труда, что часто приводит к его неудовлетворительному качеству, зачастую штанги просто перекладываются к выправленным.
Следует отметить, что на существующих стендах по ремонту насосных штанг еще меньше внимания уделяется контролю качества правки, т.е. контролю геометрических параметров, а там, где это и производится, делается выборочно и с помощью ручных мерительных устройств. Классификация штанг по условным группам прочности не производится. А в процессе эксплуатации, штанги испытывают миллионы циклов нагружения, и наличие в них искривлений даже в пределах допустимых ГОСТом может привести к обрыву. В результате так и происходит, штанги попадают на участки колонны с нагрузками, превышающими их предел усталостной прочности, что ведет к обрывам колонн и дорогостоящим ремонтным работам.
Из сказанного выше следует, что существующие методики измерения отклонения геометрических параметров насосных штанг, и допустимые значения данных отклонений, включая предписанные ГОСТом, не дают гарантий их безаварийной работы в течение требуемого периода эксплуатации.
Отсутствие четких функциональных зависимостей допустимой нагрузки на штанги, отклонения их геометрических параметров, и низкая точность определения данных отклонений делает невозможным прогноз о работоспособности новых и отремонтированных насосных штанг.
Получение таких функциональных зависимостей и построение на их основе информационно-измерительной системы (ИИС), выполняющей с высокой точностью измерения геометрических параметров каждой отремонтированной штанги, позволит значительно повысить качество их ремонта. Это даст возможность снизить затраты на проведение ремонтных работ на скважине и потери от простоя скважины. Поэтому, создание ИИС контроля геометрических параметров штанг работающей непосредственно на стендах по их ремонту и позволяющей в сложных климатических и производственных условиях обеспечить высокую точность измерения геометрических параметров насосных штанг, в частности диаметра и эксцентриситета – является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является разработка стендовой информационно-измерительной системы контроля геометрических параметров насосных штанг в процессе их ремонта.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Проведен анализ дефектных насосных штанг, причин их преждевременного разрушения, а так же анализ технологического процесса ремонта насосных штанг, на основании чего обоснована необходимость автоматизации процесса ремонта и создания высокоточной системы измерения геометрических параметров;
-
Рассмотрены производственные требования к стендовой ИИС контроля геометрических параметров насосных штанг;
-
Разработаны математические модели дополнительных напряжений для различных видов искривлений насосных штанг;
-
На основании полученных моделей определены основные геометрические параметры, подлежащие измерению (диаметр и эксцентриситет), что показало достаточность проведения измерения в двух точках на поверхности штанг;
-
Для измерения эксцентриситета разработаны тестовые методы, позволяющие учесть влияние на результат измерения всех возмущающих воздействий окружающей среды и связанных с этим дополнительных погрешностей;
-
Разработана структурная схема стендовой информационно-измерительной системы для измерения геометрических параметров насосных штанг;
-
Разработан и обоснован тестовый индуктивный преобразователь эксцентриситета насосных штанг. Проведен анализ методических и инструментальных погрешностей измерительной системы.
Основные методы исследования
При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, теория сопротивления материалов, теория погрешностей. Математическая модель разрабатывалась с помощью методов математического анализа и прикладных программ MATLAB.
Научная новизна заключается в следующем
-
Разработан новый тестовый алгоритм функционирования ИИС эксцентриситета оси насосных штанг, в котором, в отличие от известных тестовых алгоритмов, используются только аддитивные тесты.
-
Получено выражение для результирующей методической погрешности разработанного тестового алгоритма измерения, а так же её составляющих, что позволяет, использовать полученные соотношения для измерительных систем, функции преобразования которых аппроксимируются полиномами любого вида.
-
Разработан тестовый индуктивный преобразователь эксцентриситета, обладающий высокой точностью и надежностью, в котором реализован предложенный тестовый алгоритм и устройство формирования аддитивных тестов.
-
Разработана математическая модель напряжений в искривленной насосной штанге, которая, в отличие от известных, позволяет определять предельно допустимую нагрузку для штанг, имеющих сложные виды искривления.
-
На основании разработанной модели сформулированы требования к метрологическим характеристикам измерительных преобразователей эксцентриситета, доказана необходимость совершенствования технологии изготовления насосных штанг и соответственно изменения ГОСТ 13677-96 в части требований, определяющих допустимую кривизну оси концов штанг и методов ее контроля.
Практическая значимость результатов
-
Разработанная автоматизированная ИИС по сравнению с существующими средствами измерения геометрических параметров насосных штанг обеспечивает высокую точность измерения в сложных условиях эксплуатации на ремонтном стенде.
-
Разработанный в диссертации тестовый алгоритм повышения точности измерения позволил проводить измерения эксцентриситета непосредственно в технологическом процессе ремонта штанг.
-
Разработанная математическая модель насосной штанги позволяет определять её предельно-допустимые нагрузки и ресурс при сложных видах искривления.
Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы, а именно математическая модель искривленной насосной штанги, алгоритм повышения точности измерения с использованием тестового метода успешно внедрены в ООО «Энерго-Пласт» (г. Балаково).
На защиту выносятся следующие научные результаты:
1. Тестовый алгоритм функционирования ИИС величины эксцентриситета оси насосных штанг, в котором функция преобразования (ФП) измерительных преобразователей (ИП) аппроксимируется полиномами любого вида.
2. Результаты исследования влияния различных составляющих погрешностей тестового метода измерения эксцентриситета оси вращении насосных штанг и выражение для оценки результирующей погрешности измерений.
3. Структура тестовых индуктивно - частотных измерительных преобразователей для измерения эксцентриситета оси вращении насосных штанг и их алгоритмы функционирования.
4. Математические модели дополнительных напряжений для различных видов искривлений насосных штанг, позволившие уточнить допуски и определить места контроля заданных отклонений.
5. Требования к эксплуатационным и метрологическим характеристикам ИИС исходя из особенностей технологического процесса и требуемой точности измерений.
Личный вклад
Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.
Публикации
Основные результаты исследования представлены в 10 печатных работах, в том числе из перечня, рекомендованных ВАК РФ - 3.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 156 страниц основного текста, 31 рисунок, список литературы из 67 наименований.
