СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ УРАВНОВЕШЕННОСТИ СТАНКОВ-КАЧАЛОК ШТАНГОВЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК Российский патент 2003 года по МПК F04B51/00 F04B47/00 

Изобретение относится к области диагностики штанговых насосных установок и может быть использовано для предупреждения аварий при использовании этих установок на нефтедобывающих промыслах.

Известен способ определения уравновешенности станка-качалки (СК) с помощью ампер-клещей [Руководство по эксплуатации скважин штанговыми насосами. Альметьевск: АО "Татнефть", 1992. - 440 с.], согласно которому определяют максимальные значения тока, при ходе плунжера штанговой установки вверх I_в и вниз I_н и по выражению (1) находят коэффициент неуравновешенности станка-качалки.

Станок-качалка считается уравновешенным, если коэффициент разбалансировки не превышает 5%.

Недостатком этого способа является значительная инерционность ампер-клещей, что обуславливает погрешность определения параметров уравновешивания.

Известен способ диагностирования уравновешенности станка-качалки штанговой насосной установки [по патенту 2129666, кл. F 04 В 51/00, Гольдштейн Е. И. , Ермакова Е.Н. Способ диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения тока и мгновенные значения напряжения на входе электродвигателя станка-качалки, определяют активную мощность, выделяют первую a₁ и вторую a₂ гармоники мощности, а состояние уравновешенности станка-качалки определяют по условию
a₁<a₂ (2)
Недостатком этого способа является необходимость проведения гармонического анализа с целью нахождения гармоник мощности, что требует усложнения алгоритма и использования хотя и стандартной, но громоздкой процедуры дискретного преобразования Фурье.

Задачей изобретения является создание простого и точного способа диагностирования уравновешенности СК.

Это достигается тем, что в способе диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок также, как и в прототипе, измеряют мгновенные значения тока и напряжения на входе электропривода станка-качалки, определяют мощность. Согласно изобретению, определяют действующие значения тока и напряжения, определяют полную мощность, определяют среднее значение полной мощности и среднеквадратичное отклонение полной мощности, а состояние уравновешенности определяют по условию
(σ_S)≤(σ_S)_Э (3)
Мощность, потребляемая электродвигателем при работе установки, зависит от тангенциальной составляющей усилия, действующего в шатуне станка-качалки вследствие нагрузки на голову балансира. Так как нагрузка при возвратно-поступательном движении плунжера периодически изменяется, то и момент двигателя станка-качалки будет периодически меняться. Такой режим работы установки создает тяжелые условия как для станка-качалки, так и для его электропривода, что сокращает сроки службы оборудования и увеличивает потери электроэнергии. Для выравнивания момента нагрузки за цикл качания станок-качалку уравновешивают при помощи противовесов, размещаемых на кривошипах или на балансире.

На фиг.1 показаны графики полной мощности электродвигателей при различных степенях уравновешенности станка-качалки. Из приведенных кривых видно, что для режима нагрузки двигателя станка-качалки характерно периодическое чередование перегрузок и недогрузок, повторяющихся 12-30 раз в минуту. Это соответствует 6-15 ходам плунжера скважинного насоса, т.е. кривая изменения нагрузки электродвигателя в течение одного цикла работы установки имеет два максимума и два минимума мощности.

Таким образом, станок-качалка представляет собой электромеханическую систему с возможностью уравновешивания и большой динамикой нагрузок в процессе работы. В уравновешенном состоянии данная система отличается меньшими отклонениями динамических нагрузок от своего среднего значения. Именно эту особенность было решено использовать при разработке предложенного способа диагностирования уравновешенности.

Динамику изменения нагрузки можно контролировать по среднеквадратичному отклонению параметра, в частности полной мощности.

На фиг. 2 приведены кривые изменения среднеквадратичного отклонения полной мощности от расстояния центра масс противовесов на кривошипе от оси вращения кривошипов. Если уравновешивающий груз недостаточен, то амплитуда при ходе штока вверх растет, а при ходе штока вниз падает. Если же уравновешивающий груз лишний, то изменения амплитуды будут происходить в обратном порядке. То есть как при недоуравновешивании, так и при переуравновешивании среднеквадратичное отклонение полной мощности возрастает относительно своего значения при уравновешенном станке-качалке. Данная зависимость имеет один минимум - то есть нет неоднозначности в решении задачи.

При определении среднеквадратичного отклонения не надо использовать процедуры гармонического анализа, что сделано в прототипе, что упрощает процесс диагностирования.

Результаты, получаемые предложенным способом, отличаются высокой достоверностью, что подтверждается проведенными исследованиями на 25 реальных нефтяных скважинах, оборудованных ШГНУ, когда во всех случаях был поставлен правильный диагноз об уравновешенности станка-качалки.

Предложенный способ отличается возможностью сравнительно простой технической реализации и технологии проведения диагностирования уравновешенности СК.

Таким образом, предложенный способ диагностирования станков-качалок штанговых насосных установок является точным и простым.

На фиг. 1 показаны графики полной мощности, измеренной на входе электродвигателя при различных степенях уравновешенности станка-качалки. На графиках штриховыми линиями показаны максимальные и минимальные значения полной мощности.

На фиг. 2 в виде графиков приведена зависимость СКО от положения груза. При этом на графике сплошными линиями указано уравновешенное состояние ШГНУ, полученное экспериментально, а штриховыми линиями указана примерная область уравновешенного состояния ШГНУ по предлагаемому способу диагностирования.

На фиг.3 приведена функциональная блок-схема способа.

На фиг. 4 приведена принципиальная блок-схема устройства, реализующего способ.

В таблицах 1-4 приведены экспериментальные данные, полученные результаты диагноза уравновешенности по данному способу диагностирования уравновешенности ШГНУ.

Предложенный способ диагностирования уравновешенности СК может быть реализован, например, в виде функциональной блок-схемы, которая представлена на фиг.3, которая содержит измерительные датчики тока 1 (ДТ) и напряжения 2 (ДН), блоки определения действующих значений тока 3 (ДЗТ) и напряжения 4 (ДЗН), блок определения полной мощности 5 (ПМ), блок определения среднеквадратичного значения полной мощности 6 (СКО), блок памяти базы данных 7 (БД) и блок сравнения значений 8 (С). Выход датчика тока 1 (ДТ) связан с входом блока определения действующего значения тока 3 (ДЗТ). Выход датчика напряжения 2 (ДН) связан с входом блока определения действующего значения напряжения 4 (ДЗН). Выходы блоков определения действующих значений тока 3 (ДЗТ) и напряжения 4 (ДЗН) связаны с входами блока определения полной мощности 5 (ПМ), выход которого связан с входом блока определения среднеквадратичного значения полной мощности 6 (СКО). Выходы блоков определения среднеквадратичного значения полной мощности 6 (СКО) и блока памяти базы данных 7 (БД) связаны с входами блока сравнения значений 8 (С).

Аппаратно предложенный способ диагностирования уравновешенности СК может быть реализован, например, в виде принципиальной блок-схемы, которая представлена на фиг.4, которая содержит измерительные датчики тока 1 (ДТ) и напряжения 2 (ДН), Выходы датчиков тока 1 (ДТ) и напряжения 2 (ДН) связаны с входами аналого-цифрового преобразователя 9 (АЦП). Аналогово-цифровой преобразователь 9 (АЦП) связан с микроконтроллером 10 (МК) шиной управления и шиной данных, по которым происходит управление аналогово-цифровым преобразователем и передача измеренных данных соответственно. Блок внешней памяти данных 11 (ПД) связан с микроконтроллером 10 (МК) шиной управления и шиной данных, по которым происходит управление чтением и записью в памяти и передача данных соответственно. Кнопочная клавиатура 12 (К) связана с микроконтроллером 10 (МК) посредством отдельной шины, по которой происходит интерпретация нажатой клавиши. Вход индикатора 13 (И) связан с выходом микроконтроллера 10. (МК), на который выдается сигнал, соответствующий полученному диагнозу уравновешенности СК.

В качестве датчика тока 1 (ДТ) может быть использован промышленный прибор КЭИ-0,2М, в качестве датчика напряжения 2 (ДН) может быть использован трансформатор напряжения (220/2V). Для оцифровки сигналов может быть использован аналого-цифровой преобразователь 9 (АЦП) серии МАХ186 (12 бит), который имеет 8 аналоговых входов; для связи с датчиками задействованы 2 канала (остальные каналы АЦП задействованы для решения дополнительных функций, таких как контроль питания, диагностика схемы и пр.). В качестве управляющего узла может быть использован микроконтроллер 10 (МК) серии 51 производителя atmel AT89S53. Для хранения данных по скважинам и временного хранения массивов значений может быть использован блок внешней памяти данных 11 (ПД) AT25L256 (32кБайта). В качестве кнопочной клавиатуру 12 (К) может быть использована клавиатура FT008 (имеющая 8 кнопок, предназначенных для включения питания, запуска измерения, сохранения эталонного значения СКО, номера скважины и т.д.). В качестве индикатора 13 (И) может быть использован сегментный индикатор SCD55100 для вывода диагноза об уравновешенности.

Сравнив блок-схемы на фиг. 3 и фиг.4, опишем, какие аппаратные блоки (фиг.4) какие функции выполняют (фиг.3).

Между измерительными датчиками тока 1 (ДТ) и напряжения 2 (ДН) на фиг.3 и фиг.4 соблюдается полное соответствие. Датчики используются для измерения тока и напряжения на входе электропривода станка-качалки. Главное условие применимости датчиков - это чтобы аналоговый сигнал на выходе датчиков повторял по форме и фазе измеряемый сигнал. Блоки определения действующих значений тока 3 (ДЗТ) и напряжения 4 (ДЗН) на фиг.3 аппаратно реализуются с помощью аналого-цифрового преобразователя 9 (АЦП) и микроконтроллера 10 (МК) на фиг. 4. Блоки определения полной мощности 5 (ПМ), определения среднеквадратичного отклонения полной мощности 6 (СКО), памяти базы данных 7 (БД) и сравнения значений 8 (С) на фиг.3 аппаратно реализуются с помощью микроконтроллера 10 (МК) и блока внешней памяти данных 11 (ПД) (фиг.4).

В 2001-2002 г.г. на нефтяных месторождениях Томской и Тюменской областей на реальных скважинах, оснащенных ШГНУ, были проведены экспериментальные исследования по уравновешиванию станков-качалок. При этом проводились работы по перемещению противовесов, установленных на кривошипе, и при различном их положении (различной степени неуравновешенности) измерялись значения тока и напряжения, определялись среднее значение полной мощности и среднеквадратичное отклонение (СКО) полной мощности для установки. При этом также определялось эталонное значение среднеквадратичного отклонения полной мощности для данной установки. Результаты проведенных исследований приведены в табл. 1-4, где под номером ( ) подразумевается номер измерения при некотором положении противовесов на кривошипе; каждому номеру соответствует свое положение противовесов. Данные в таблице расположены так, что большему номеру ( ) соответствует большее расстояние центра масс противовесов от оси вращения кривошипа. В табл.1-4 курсивом выделены значения, принятые за эталонные для данных установок, жирным шрифтом выделен диагностический параметр.

В табл.1-4 реальным скважинам присвоены условные номера:
Скважина 1 - Томская обл., г. Стрежевой, Советское месторождение, Цех 2, куст 131, скважина 1600;
Скважина 2 - Томская обл., г. Стрежевой, Советское месторождение. Цех 2, куст 228, скважина 2522;
Скважина 3 - Тюменская обл., г. Лангепас, Урьевское месторождение, Цех 2, куст 98, скважина 1722;
Скважина 4 - Тюменская обл., г. Лангепас, Урьевское месторождение, Цех 2, куст 27^Б, скважина 850.

Рассмотрим работу способа диагностирования уравновешенности станка-качалки по функциональной блок-схеме (фиг.3) на примере скважины 3 при положении противовесов, соответствующем измерению 3. При этом эталонное значение среднеквадратичного отклонения полной мощности для этой скважины определено ранее и составило 11,0 процента (табл.3).

Датчики тока 1 (ДТ) и напряжения 2 (ДН) подключаются к входу электропривода станка-качалки. Сигналы с датчика тока 1 (ДТ) и напряжения 2 (ДН) поступают на блоки определения действующих значений тока 3 (ДЗТ) и напряжения 4 (ДЗН) (фиг. 3). Ток и напряжение измеряются по параллельным, независимым каналам измерения с интервалом дискретизации Δt=0,001c. В блоках определения действующих значений тока 3 (ДЗТ) и напряжения 4 (ДЗН) происходит оцифровка сигналов и определение среднеквадратичных значений. Математически формулы определения действующих значений тока и напряжения выглядят как


где i(t), u(t) - мгновенные значения тока и напряжения, полученные с датчиков тока и напряжения соответственно и оцифрованные;
I, U - действующие значений тока и напряжения, определенные на периоде промышленной частоты;
l изменяется в пределах от 0 до L-1; L - число дискрет значений на периоде промышленной частоты 50 Гц, L зависит от интервала дискретизации времени и при Δt=0,001 c L равно 20.

Определенные действующие значения тока и напряжения поступают на вход блока определения действующих значений полной мощности 5 (ПМ). Математически формула определения действующих значений полной мощности выглядит как
S_k=U_k•I_k, (6)
где S - действующее значение полной мощности на периоде промышленной частоты.

На фиг. 1 (неуравновешен) представлена зависимость действующих (на периоде промышленной частоты) значений полной мощности, полученная на выходе блока определения полной мощности 5 (ПМ).

Определенные действующие значения полной мощности поступают на вход блока определения среднеквадратичного отклонения 6 (СКО), где определяются среднее значение действующей (за период качания станка-качалки) полной мощности и среднеквадратичное отклонение полной мощности. Математически формулы определения среднего значения полной мощности и среднеквадратичного отклонения полной мощности выглядят как



где S_cp - среднее значение полной мощности;
- среднеквадратичное отклонение полной мощности (в именованных единицах измерения мощности);
σ_S - среднеквадратичное отклонение полной мощности относительно среднего значения полной мощности;
k изменяется в пределах от 0 до N-1; N - число значений на периоде качания станка-качалки (зависит от темпа качания конкретной установки).

Получили (см. табл.3):
S_ср-7625ВА;
- 2754ВА;
σ_S-36,1%.

С выхода блока определения полной мощности диагностирующий параметр (σ_S) поступает на одни из входов блока сравнения 8 (С) (фиг.3). На другой вход блока сравнения поступает эталонное значение диагностирующего параметра ((σ_S)_Э) для данной установки и производится сравнение рассчитанного среднеквадратичного отклонения полной мощности с эталонным значением среднеквадратичного отклонения полной мощности для данной установки (по формуле 3):
(σ_S)≤(σ_S)_Э,
где (σ_S)_Э - эталонное значение СКО полной мощности для данной установки, которое устанавливается экспериментально.

Неравенство 36,1≤11,0 не соблюдается, следовательно, выдаваемый диагноз - станок-качалка не уравновешен.

На фиг. 1 представлены два графика действующей полной мощности на входе электропривода от времени, один из которых соответствует рассмотренному примеру (неуравновешен) и при уравновешенном станке-качалке, из которых видно, насколько различна динамика изменения полной мощности от состояния СК (штриховой линией обозначены максимальные и минимальные значения полной мощности.

На фиг. 2 построена зависимость среднеквадратичного отклонения полной мощности от положения груза (степени неуравновешенности) для скважин 1 и 2, из которых видно, что зависимость среднеквадратичного отклонения от положения противовесов имеет один минимум - то есть имеется одно решение данной задачи.

Из примеров явно следует, что при диагностике уравновешенности данным способом нет неопределенности в результате сравнения определенного СКО с эталонным для данной скважины.

Таким образом, разработанный способ диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок прост по технической реализации и практике применения и обладает высокой точностью и достоверностью получаемого результата.

Изобретение предназначено для использования в диагностике штанговых насосных установок для предупреждения аварий при использовании этих установок на нефтедобывающих промыслах. Измеряют мгновенные значения тока и напряжения на входе электропривода станка-качалки, определяют действующие значения тока и напряжения. Определяют полную мощность, среднее значение полной мощности и среднеквадратичное отклонение (СКО) полной мощности, а состояние уравновешенности определяют по условию (σ_s)<(σ_s)э, где (σ_s)э - эталонное значение СКО для данной установки. Разработанный способ диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок отличается высокой достоверностью получаемого результата и возможностью сравнительно простой реализации. 4 ил., 4 табл.

Способ диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок, заключающийся в измерении мгновенных значений тока и напряжения на входе электропривода станка-качалки, определения мощности, отличающийся тем, что определяют действующие значения тока и напряжения, определяют полную мощность, среднее значение полной мощности, среднеквадратичное отклонение полной мощности (СКО), а состояние уравновешенности станка-качалки определяют по условию
(σ_s)<σ_s)э,
где (σ_s)э - эталонное значение СКО для данной установки.