На правах рукописи

ХАКИМЬЯНОВ Марат Ильгизович ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДИНАМОМЕТРИРОВАНИЯ ШТАНГОВЫХ ГЛУБИННЫХ НАСОСОВ Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА 2003 2

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Емец Сергей Викторович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Миловзоров Георгий Владимирович кандидат технических наук, доцент Мукаев Роберт Юнусович Ведущее предприятие: Институт СургутНИПИнефть ОАО Сургутнефтегаз

Защита состоится л_ _ 2003 г. в _ часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.02 Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке УГАТУ

Автореферат разослан л_ _ 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д-212.288.02 д.т.н., профессор Г.Н. Утляков 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Среди факторов повышения эффективности добычи нефти обычно отмечают: совершенствование технологии буровых работ, применение рациональных систем разработки месторождения, широкое внедрение современных методов увеличения нефтеотдачи пластов, применение прогрессивных технологических процессов, а также увеличение межремонтного периода работы скважин.

Решение этих задач, в свою очередь, требует совершенствования методов оптимального управления работой эксплуатационных скважин и последующей реализации этих методов в ИИС контроля и управления объектами нефтепромыслов.

Особая актуальность разработки ИИС контроля и управления именно установками штанговых глубинных насосов (ШГН) объясняется тем обстоятельством, что большая часть фонда скважин в Российской федерации и ближнем зарубежье (до 85%) эксплуатируется установками ШГН.

На большинстве нефтепромыслов нашей страны работа скважин, оборудованных установками ШГН, контролируется с помощью переносных и стационарных динамографов самых различных конструкций. Измерительные преобразователи этих динамографов различаются по принципу действия, по местам установки на станок-качалку и, следовательно, обладают различными метрологическими характеристиками и даже типами получаемых динамограмм:

абсолютными и относительными.

В то же время включение всех скважин нефтепромысла в единую ИИС позволяет автоматизировать процесс динамометрирования скважин и, соответственно, диагностировать состояние насосного оборудования в реальном масштабе времени.

Наряду с функциями контроля, ИИС динамометрирования ШГН позволяют найти и обеспечить наиболее эффективный режим эксплуатации скважины. При эксплуатации скважин ШГН максимально возможный дебит скважины обеспечивается определенным сочетанием параметров эксплуатации глубиннонасосного оборудования и геолого-технических характеристик скважины.

Таким образом, создание измерительных преобразователей и программно-математического обеспечения ИИС динамометрирования ШГН для непрерывного контроля за работой насосных скважин является важной и актуальной задачей и невозможно без разработки новых первичных измерительных преобразователей и алгоритмов программного обеспечения.

Целью настоящей работы является создание современных измерительных преобразователей (ИП) и элементов программно-математического обеспечения ИИС динамометрирования ШГН с функциями автоматического диагностирования насосного оборудования и расчета производительности скважин, а также исследование метрологических и эксплуатационных характеристик разработанной ИИС.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Проанализированы способы и средства определения усилия в точке подвеса штанг установки ШГН, предложены конструктивные решения, обеспечивающие инвариантность выходного сигнала датчика усилия к перекосам приложения нагрузки и к температуре окружающей среды.

2. Предложены специальные алгоритмы преобразования, обеспечивающие помехоустойчивость датчиков усилия вблизи мощных потребителей электроэнергии и при изменяющихся условиях окружающей среды.

3. Исследованы искажения форм динамограмм при различных методах определения параметров движения штока и сформулированы требования к метрологическим характеристикам ИП параметров движения штока ШГН.

4. Произведен анализ распределения относительной деформации по поверхностям чувствительных элементов ИП при различных условиях приложения нагрузки.

5. Проведены теоретические и экспериментальные исследования погрешностей ИП усилия и предложены методы их уменьшения. Проведены испытания и осуществлено практическое внедрение ИИС динамометрирования ШГН на ряде нефтегазодобывающих предприятий.

Методы исследований Поставленные в работе задачи решены с использованием классической теории электрических цепей, теории погрешностей и помехоустойчивости, методов статистической обработки результатов измерений. Расчеты деформации упругих элементов производились методом конечных элементов. Проверка эффективности решения поставленных задач осуществлялась на реальных промысловых данных.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. ИП усилия междутраверсной установки стационарной ИИС динамометрирования ШГН.

2. Специальные алгоритмы преобразования, реализующие знакопеременные весовые функции (ВФ) и цифровое интегрирование выборок сигнала, что обеспечивает помехоустойчивость датчиков усилия в условиях работы вблизи мощных потребителей электроэнергии и изменяющихся условий окружающей среды.

3. Результаты анализа отличия реального хода штока от гармонического закона и его влияния на диагностику насосного оборудования и определение производительности скважин по динамограммам, обоснование пределов допустимых погрешностей датчиков линейных перемещений штока и датчиков угла наклона балансира для корректного анализа динамограмм.

4. Результаты расчетов распределения относительной деформации по поверхностям чувствительных элементов ИП при различных условиях приложения нагрузки.

5. Результаты испытаний и практического внедрения ИИС динамометрирования ШГН на нефтегазодобывающих предприятиях.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Новизна предложенных конструкции чувствительного элемента, схемы включения тензорезисторов и измерительной цепи датчика усилия междутраверсной установки основана на том, что заложенные в них конструктивные и схемотехнические решения обеспечивают суммирование нагрузки всех упругих элементов и позволяют на уровне ИП устранить паразитную чувствительность датчика к перекосам приложения нагрузки и влияние на результат измерения температуры окружающей среды.

2. Новизна примененных в ИП усилия специальных алгоритмов преобразования заключается в реализации знакопеременных ВФ и цифрового интегрирования выборок сигнала, что обеспечивает помехоустойчивость датчиков усилия в условиях работы вблизи мощных потребителей электроэнергии и изменяющихся условий окружающей среды.

3. Определена взаимосвязь способов определения параметров движения штока ШГН и форм полученных динамограмм, позволяющая корректно осуществлять анализ динамограмм и диагностику насосного оборудования.

4. Исследовано распределение относительной деформации по поверхностям чувствительных элементов ИП в зависимости от характера приложения нагрузки, что сделало возможным минимизировать влияние неплоскостности и шероховатости поверхностей траверс на результаты измерения.

5. Исследованы дополнительные погрешности разработанного ИП усилия и предложены методы их компенсации, позволяющие добиться временной и температурной стабильности результатов измерения нагрузки.

Практическая ценность и внедрение результатов работы Разработана и внедрена на ряде предприятий нефтегазодобывающего комплекса ИИС динамометрирования ШГН, позволяющая получать информацию о работе скважин, эксплуатируемых глубиннонасосными установками, в частности, диагностировать состояние насосного оборудования и рассчитывать дебит.

Разработанная при непосредственном участии автора ИИС динамометрирования ШГН ДДС-04 внедрена и активно используется для контроля за работой установок ШГН на ряде предприятий ОАО Татнефть: ОЭ НГДУ Татнефтебитум, Управление Татнефтеснаб, НГДУ Елховнефть. Разработанные в соответствии с договором между ОАО Татнефть и УГНТУ элементы программного обеспечения внедрены в системах автоматики и управления штанговым глубинно-насосным оборудованием ОАО Татнефть.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на семи конференциях:

- международная научно-практическая конференция Актуальные проблемы Волго-уральской нефтегазоносной провинции, посвященная 45-летию Октябрьского филиала УГНТУ (Уфа, УГНТУ, 2001);

- XIII научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Москва, МГИЭМ, 2001);

- III конгресс нефтегазопромышленников России Проблемы нефти и газа/ Секция автоматизации производственных процессов (Уфа, УГНТУ, 2001);

- республиканская научно-практическая конференция молодых ученых (Уфа, УТИС, 2002);

- международная научно-техническая конференция Датчики и системы (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2002);

- XIV научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Москва, МГИЭМ, 2002).

- международная научно-техническая конференция Методы и средства измерения в системах контроля и управления, посвященная памяти заслуженного деятеля науки и техники, д.т.н., профессора Е.П. Осадчего (Пенза, 2002).

Публикации По результатам научных исследований опубликовано 13 печатных работ, из которых 3 статьи, 8 тезисов докладов, одно свидетельство о регистрации программного продукта, получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 104 наименования и 4-х приложений. Общий объем работы составляет 191 страница, 99 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, дана общая характеристика выполненной работы.

В первой главе проводится анализ роли ИИС управления и диагностики ШГН в работе нефтегазодобывающих предприятий. Анализируются функции, выполняемые ИИС по сбору информации со скважинных объектов и по телеуправлению локальными объектами с помощью исполнительных механизмов.

Рассмотрены функциональные возможности некоторых зарубежных (УShellФ, УMobil oil CoФ) и отечественных (СТК РНК-ЛЭП, СКАТ, Шатл, Мега) стационарных ИИС обслуживания нефтяных промыслов. Показано, что развитие систем автоматизации объектов нефтедобычи в настоящее время сдерживается главным образом характеристиками датчиков.

Рассматривается установка ШГН как объект автоматизации. Показано, что установка ШГН должна быть оснащена целым рядом информационных датчиков, датчиков защиты, блоком технологических защит, контроллером и телеметрическим каналом связи с диспетчерским пунктом.

Сравнивается эффективность основных методов контроля и диагностики состояния ШГН - ваттметрирования и динамометрирования, сделан вывод о преимуществе метода динамометрирования.

Анализируются функциональные возможности известных переносных и стационарных систем динамометрирования ШГН. В ходе анализа выявлена острая потребность нефтегазодобывающей промышленности в оснащении скважин современными доступными по стоимости стационарными ИИС динамометрирования ШГН.

Во второй главе произведен анализ известных измерительных преобразователей усилия ИИС динамометрирования ШГН, приведено описание разработанного датчика усилия междутраверсной установки.

Показано, что из всех мест установки датчиков усилия на станок-качалку нормального ряда (СКН): непосредственно на штоке, на штоке между траверсами, между верхней траверсой и ограничителем и на балансире - для стационарных систем наиболее оптимальной является установка датчика на штоке между траверсами. В этом случае вес штанг приложен непосредственно к чувствительному элементу, исключается наличие промежуточных преобразователей и обеспечивается тем самым максимальная чувствительность. Несомненным достоинством таких ИП является то, что их градуировку в абсолютных единицах усилия можно производить в лаборатории. Благодаря этому появляются такие важные эксплуатационные свойства как взаимозаменяемость и простота поверки.

Среди датчиков усилия междутраверсной установки наибольшее распространение получили две конструкции: это ИП динамографа АКД и П-образная конструкция, образованная двумя связанными перемычкой упругими элементами.

ИП усилия переносного динамографа АКД-03 был разработан на основе силоизмерительного устройства известного гидравлического динамографа ГДМ-3. Недостатком такой конструкции можно считать недостаточную устойчивость, и, как следствие, высокую чувствительность датчика к перекосам установки.

ИП П-образной конструкции получил широкое распространение благодаря конструктивной простоте. Однако данная конструкция обладает целым рядом недостатков, главный из которых - это невозможность обеспечения максимальной допустимой деформации чувствительного элемента в зоне расположения тензодатчиков из-за необходимости получения достаточного запаса прочности и жесткости конструкции. Кроме того, распределение полей относительной деформации по поверхности такого упругого элемента сильно зависит от точек приложения и направления нагрузки к силовоспринимающей площадке, что делает датчик чувствительным к перекосам установки.

В связи с этим, в настоящей работе предложена конструкция тензорезистивного ИП усилия междутраверсной установки (рисунок 1). 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.