СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ШТАНГОВЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК С ИЗВЕСТНЫМ СОСТОЯНИЕМ УРАВНОВЕШЕННОСТИ Российский патент 2002 года по МПК F04B51/00 

Изобретение относится к способам диагностики штанговых насосных установок и может быть использовано для диагностирования повреждений штанговых глубинных насосных установок (ШГНУ) в нефтедобывающей промышленности.

Известен способ диагностики механизма, преимущественно насоса, (а.с. СССР 1112145, МПК F 04 В 51/00, 1984 г.), включающий измерение диагностического сигнала, преобразование последнего в сигнал огибающей высокочастотной части спектра и выделение отдельных составляющих сигнала огибающей с последующим измерением их амплитуд, формирование опорных сигналов с частотами, кратными частоте вращения ротора насоса, выделение составляющих путем синхронизации с опорными сигналами, измерение амплитуд и фаз этих составляющих и диагностирования состояния механизма по совокупности амплитуд и фаз составляющих.

Однако известный способ сложен в аппаратной реализации, требует программного обеспечения для получения информации о частоте вращения ротора и о спектральном составе сигнала, не позволяет диагностировать выход из работы отдельных звеньев механизма штанговой насосной установки.

Известен также способ диагностики штанговых насосных установок (Кричке В. О. Автоматический анализатор работы глубиннонасосной установки. / Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности, 1975 - 12), который позволяет диагностировать состояние штанговой насосной установки и базируется на использовании характерных точек перегиба ваттметрограммы (ВМГ), а также на сравнении максимальных значений мощности за первый и второй полупериоды качания с заданными установленными значениями.

Однако этот способ требует знания установочных предельных значений мощности для диагностирования аварийных ситуаций. Предельные значения мощности существенно меняются только при крупных авариях. К тому же, характерные точки перегиба ВМГ для ряда неисправностей совпадают. Для реализации этого способа требуются специальные датчики положения, устанавливаемые на движущихся частях штанговой насосной установки для определения хода плунжера. Имеющиеся недостатки не обеспечивают удовлетворительной достоверности диагностики и требуют для реализации дополнительных материальных затрат.

Известен также способ диагностики штанговых насосных установок (Кричке В. О. Контроль за работой глубиннонасосных скважин при помощи ВМГ. / Добыча нефти и газа. Транспорт газа.: Тр. Куйбышев НИИНП. - Куйбышев, 1961. - Вып. 9. - с. 109-112), включающий измерение диагностической ВМГ с последующим анализом ее характеристик на основе фиксации как максимальной амплитуды, так и отрицательных выбросов мощности, и сравнении ВМГ с эталонной по амплитуде и фазе.

Однако практика эксплуатации штанговых насосных установок показывает, что отрицательные выбросы мощности могут иметь место и в исправной установке, а максимальное значение мощности существенно изменяется только при крупных авариях. Указанные обстоятельства ограничивают достоверность диагностики.

Наиболее близким техническим решением является способ диагностики штанговых насосных установок по ваттметрограмме, построенной на фазовой плоскости с помощью диагностического коэффициента R (а.с. СССР 1784947, МПК G 05 В 23/02, 1989 г. ). Этот способ заключается в том, что через дискретные промежутки времени измеряют мощность установки и определяют диагностическую ваттметрограмму, сглаживают ее и приводят к виду, соответствующему уравновешенному станку-качалке штанговой насосной установки. Затем через те же дискретные промежутки времени измеряют скорость изменения мощности установки, соответствующей уравновешенному станку-качалке штанговой насосной установки, определяют фазовую кривую ваттметрограммы и вычисляют значение диагностического коэффициента, сравнивают его с заданным значением и определяют техническое состояние установки.

Анализ показывает следующие недостатки данного способа диагностики: использование сложной операции квазиуравновешивания, для которой необходимо знание периода качания станка-качалки и начала хода плунжера вверх и вниз; при некоторых неисправностях, когда изменение потребляемой мощности очень мало (например, режим "холостого хода"), значение диагностического коэффициента R соответствует нормальной работе установки, что и определяет низкую достоверность диагностики штанговых насосных установок.

Задачей изобретения является повышение достоверности диагностики состояния штанговых глубинных насосных установок посредством определения точного числа отсчетов на периоде качания станка-качалки.

Согласно изобретению поставленная задача может быть решена в способе диагностики штанговых насосных установок с известным состоянием уравновешенности тем, что через дискретные промежутки времени измеряют мощность установки, определяют диагностическую ваттметрограмму, сглаживают ее, измеряют скорость изменения мощности через те же дискретные промежутки времени, строят фазовую кривую ваттметрограммы. Далее определяют диагностический параметр и по результатам сравнения его с заданным значением определяют состояние установки. Согласно изобретению после построения фазовой кривой ваттметрограммы определяют модули максимального и минимального значений мощности и скорости ее изменения, вычисляют значения диагностических коэффициентов K₁, К₂ и их отношение K₁₂

где P_max - модуль максимального значения мощности установки;
Р_min - модуль минимального значения мощности установки;
- модуль максимального значения скорости изменения мощности установки;
- модуль минимального значения скорости изменения мощности установки.

И в зависимости от уравновешенности установки производят сравнение отношения диагностических коэффициентов К₁₂ с предельными значениями, установленными экспериментально, и при выполнении следующих условий делают вывод о нормальной работе установки:
для уравновешенных установок К_пред.1≤К₁₂≤К_пред.2 для неуравновешенных установок К_пред.3≤К₁₂, где К_пред.1= 1,8-2,2; К_пред.2=10,8-11,2; К_пред.3= 3,4-3,8.

Предлагаемое изобретение за счет использования информации об уравновешенности установки, анализа разброса максимальных и минимальных значений мощности и скорости ее изменения повышает достоверность диагностики состояния штанговых насосных установок на 8% по сравнению с прототипом.

Далее сущность изобретения поясняется чертежами и таблицами, на которых показано:
на фиг. 1: а) диаграмма средней активной мощности (ваттметрограмма), б) сглаженная ваттметрограмма, в) фазовая кривая для штанговой насосной установки, находящейся в нормальном режиме работы (Месторождение Стрежевское, куст 3, скважина 52);
на фиг. 2: а) диаграмма средней активной мощности (ваттметрограмма), б) сглаженная ваттметрограмма, в) фазовая кривая для штанговой насосной установки, находящейся в аварийном состоянии (Месторождение Стрежевское, куст 1, скважина 49);
на фиг.3: структурная схема устройства для диагностики состояния штанговой насосной установки;
в таблице приведены экспериментальные данные значений диагностических коэффициентов и диагноз работы установок.

Устройство для диагностики состояния штанговой насосной установки (фиг. 3) содержит последовательно соединенные блок сглаживания снятой ваттметрограммы 1; дифференциатор 2; БММ - блок определения модулей максимального и минимального значений для диаграммы мощности и скорости ее изменения 3; вычислительный блок 4; блок сравнения 5.

В процессе диагностирования штанговой насосной установки на вход блока сглаживания снятой ваттметрограммы 1 подаются дискретные значения мощности, потребляемой электродвигателем станка-качалки P(t_j), снятые с помощью прибора ИРЭ-2 (Измеритель-регистратор энергетических параметров электроустановок. / Паспорт. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, Томск, 1993 г. ) для штанговой насосной установки скважины, находящейся в эксплуатации. Для удобства в этом приборе предусмотрен съем информации через промежутки времени Δt= 0.02 с. Такое значение Δt объясняется тем, что это период питающего напряжения сети, что делает удобным работу прибора по съему информации (величина Δt удовлетворяет требованиям по точности и достоверности снятой ваттметрограммы). В блоке сглаживания 1 производится сглаживание снятой ВМГ. В дифференциаторе 2 производится определение скорости изменения мощности, значения которой вместе со значениями мощности подаются на БММ - блок определения модулей максимального и минимального значений для диаграммы мощности и скорости ее изменения 3; затем максимальные и минимальные значения мощности и скорости ее изменения подаются на вычислительный блок 4, где и происходит определение диагностических коэффициентов K₁, К₂ и их отношения К₁₂. В блоке сравнения 5 производится сравнение отношения диагностических коэффициентов с предельными значениями, причем информация об уравновешенности установки и о предельных значениях отношения диагностических коэффициентов подается на вход блока 5 извне, и на выходе блока 5 получают сигнал о состоянии работы штанговой насосной установки.

Приведенная структурная схема может быть реализована аппаратно с помощью стандартных микросхем или программно на ЭВМ типа IBM PC, на которую по интерфейсу RS-232C производится передача соответствующих массивов данных. В качестве блока сглаживания снятой ваттметрограммы 1 может использоваться RC-фильтр; в качестве БММ - блока определения модулей максимального и минимального значений для диаграммы мощности и скорости ее изменения 3, вычислительного блока 4 и блока сравнения 5 могут использоваться устройства, разработанные на основе стандартных микросхем ТТЛ.

Предлагаемый способ был апробирован в реальных условиях работы штанговой насосной установки в нормальном режиме работы фиг.1 (Месторождение Стрежевское, куст 3, скважина 52) и находящейся в аварийном состоянии фиг.2 (Месторождение Стрежевское, куст 1, скважина 49).

В процессе диагностирования через дискретные промежутки времени Δt=0.02 с измерялась мощность установки (см. фиг.1а, 2а). В связи с тем что снятая ваттметрограмма представляет собой сильно зашумленную характеристику, и для последующего проведения дифференцирования сигнала производилось сглаживание ваттметрограммы (см. фиг.1б, 2б). Далее определялась скорость изменения мощности установки (см. фиг. 1в, 2в) и строилась фазовая кривая (см. фиг.1г, 2г). Затем производилось определение максимальных и минимальных значений мощности и скорости ее изменения (см. таблицу).

Для последующего определения состояния насосной установки определялись значения диагностических коэффициентов K₁, К₂ и их отношение К₁₂. Далее в зависимости от уравновешенности установки производилось сравнение отношения диагностических коэффициентов K₁₂ с предельными значениями (см. таблицу 1).

Таким образом, предлагаемый способ диагностики для исследуемых месторождений дал следующие результаты:
Месторождение Стрежевское, куст 3, скважина 52 - нормальная работа;
Месторождение Стрежевское, куст 1, скважина 49 - аварийное состояние.

Предлагаемый способ диагностики был апробирован на ряде ваттметрограмм, в результате проверки точность диагностики составила:
для уравновешенных установок - 79%;
для неуравновешенных установок - 86%,
что в среднем выше на 8%, чем у аналогичных способов диагностики.

Изобретение может быть использовано для диагностирования повреждений штанговых насосных установок в нефтедобывающей промышленности. Способ заключается в том, что через дискретные промежутки времени измеряют мощность установки, определяют диагностическую ваттметрограмму, сглаживают ее, измеряют скорость измерения мощности через те же дискретные промежутки времени, строят фазовую кривую ваттметрограммы. Затем определяют модули максимального и минимального значений мощности и скорости ее изменения, вычисляют значения диагностических коэффициентов K₁, К₂ и их отношение K₁₂

где Р_max - модуль максимального значения мощности установки; P_min - модуль минимального значения мощности установки; - модуль максимального значения скорости изменения мощности установки; - модуль минимального значения скорости изменения мощности установки. И в зависимости от уравновешенности установки производят сравнение отношения диагностических коэффициентов K₁₂ с предельными значениями, установленными экспериментально, и при выполнении следующих условий делают вывод о нормальной работе установки: для уравновешенных установок К_пред.1≤К₁₂≤К_пред.2; для неуравновешенных установок К_пред.3≤К₁₂, где К_пред.1=1,8-2,2; К_пред.2=10,8-11,2; К_пред.3=3,4-3,8. Изобретение позволяет за счет использования информации об уравновешенности установки, анализа разброса максимальных и минимальных значений мощности и скорости ее изменения повысить достоверность диагностики состояния штанговых насосных установок посредством определения точного числа отсчетов на периоде качания станка-качалки. 3 ил., 1 табл.

Способ диагностики штанговых насосных установок с известным состоянием уравновешенности, заключающийся в том, что через дискретные промежутки времени измеряют мощность установки, определяют диагностическую ваттметрограмму, сглаживают ее, измеряют скорость изменения мощности через те же дискретные промежутки времени, строят фазовую кривую ваттметрограммы, определяют диагностический параметр и по результатам сравнения его с заданным значением определяют состояние установки, отличающийся тем, что после построения фазовой кривой ваттметрограммы определяют модули максимального и минимального значений мощности и скорости ее изменения, вычисляют значения диагностических коэффициентов K₁, К₂ и их отношение K₁₂

где Р_max - модуль максимального значения мощности установки;
P_min - модуль минимального значения мощности установки;
- модуль максимального значения скорости изменения мощности установки;
- модуль минимального значения скорости изменения мощности установки,
в зависимости от уравновешенности установки производят сравнение отношения диагностических коэффициентов K₁₂ с предельными значениями, установленными экспериментально, и при выполнении следующих условий делают вывод о нормальной работе установки: для уравновешенных установок К_пред.1≤К₁₂≤К_пред.2; для неуравновешенных установок К_пред.3≤К₁₂,
где К_пред.1= 1,8-2,2; К_пред.2= 10,8-11,2; К_пред.3= 3,4-3,8.