Актуальность темы
.
Для обеспечения своей жизнедеятельности человечеству необходимо все большее количество нефти. И в ближайшей перспективе количество потребляемой нефти будет только расти, а это заставляет подходить к вопросам добычи нефти с большей ответственностью, более полно использовать освоенные месторождения, грамотно разрабатывать новые. Необходимо всеми возможными способами повышать рентабельность добычи и переработки нефти на каждом этапе этой работы.
Технология добычи нефти состоит из следующих этапов — сначала бурится скважина глубиной до нескольких километров, затем, под давлением пластов породы, нефть некоторое время сама выходит на поверхность, потом нефть еще некоторое время выкачивают с помощью насосов различной конструкции. Эта технология была разработана на основании огромного опыта добычи нефти, в течение многих десятилетий.
Постоянно возрастающие глубины скважин вызывали проблемы подъема нефти на поверхность. Техническим прорывом в решении этой проблемы стало внедрение в США в 1923 г. способа механизированной добычи нефти с применением глубинного насоса (поршневого, плунжерного), приводимого в движение через колонну штанг, которая соединена с установленным на поверхности силовым приводом — станком-качалкой.
Идея была настолько хороша, что уже 80 лет штанговая насосная эксплуатация по количеству скважин занимает первое место в мире. Так, в США этим способом эксплуатируется 85% всего фонда скважин (более 470 тыс.), в России — около 53% (около 76 тыс.).
Развитие глубинно-насосной добычи шло по пути постоянного улучшения прочностных характеристик насосных штанг и насосно-компрессорных труб, повышения точности и износостойкости поверхностей плунжера и цилиндра насосов, модернизации его клапанных узлов, увеличения грузоподъемности и мощности поверхностного привода (станка-качалки).
Следует заметить, что при такой огромной проведенной работе ситуация еще далека от идеальной. В частности это касается и насосных штанг. Так по данным 10 НГДУ АО «Татнефть» (все НГДУ кроме «Заинскнефть» и «Прикамнефть») за 1997 г. отмечено 1205 обрывов насосных штанг. При средней стоимости подземного ремонта по объединению — 12 767 руб., затраты на ликвидацию обрывов составили 15,38 млн руб. (в ценах 1997 г.), что соответствует примерно 3 млн $ [2]. Поэтому вопрос повышения надежности и эффективности использования насосных штанг является важным и актуальным.
В целях экономии финансовых и трудовых ресурсов необходимо найти оптимальное решение задачи, связанной, с одной стороны, с недопущением обрывов насосных штанг, и, с другой стороны — максимальным временем эксплуатации каждой штанги (комплекта штанг).
Определять состояние каждой насосной штанги во время работы в скважине не представляется возможным из-за их количества, так как одна колонна содержит до нескольких сотен штанг. Опыт эксплуатации скважин оснащенных глубинными насосами показал необходимость создания участков по ремонту-глубинно-насосного оборудования и контролю его состояния на протяжении всего времени эксплуатации.
В практике эксплуатации нефтяных скважин существуют планово-предупредительные ремонты скважин и насосных установок, с целью повышения производительности скважины и качества добываемого продукта. Во время такого ремонта производится подъем насоса и колонн насосно-компрессорных труб и насосных штанг, поэтому существует возможность диагностики состояния насосных штанг, а при необходимости и ремонт, на поверхности земли. Также, в настоящее время, производится ремонт насосных штанг путем их вытяжки до момента пластической деформации. Этот ремонт производится, в основном, с использованием ручного труда, что часто приводит к неудовлетворительному качеству ремонта. Уменьшение или устранение влияния человеческого фактора может значительно повысить качество ремонта, а значит, сэкономить денежные средства на приобретении новых штанг и избежать аварийных ситуаций.
Следует отметить, что современные технические средства позволяют определить уже начавшиеся усталостные разрушения, а начинаются усталостные разрушения в последней двадцатой части жизни штанги [4,5].
Причиной преждевременного разрушения штанг, как правило, являются напряжения изгиба, возникающие при растяжении искривленных штанг в скважине, а также при работе штанг в искривленных интервалах ствола скважины [6−12].
Искривление оси насосных штанг, применяемых для добычи нефти, является главной причиной их преждевременного разрушения при эксплуатации. Этот вывод получен рядом авторов в т. ч. Давлетишиным Х. Г., Абрашиным А. А., Атакишевым А. Н., Ломакиным А. С. в результате анализа причин поломок насосных штанг на промыслах производственных объединений «Эмбанефть», «Башнефть», «Азнефть» [13−16]. К такому же выводу привели исследования штанг, разрушившихся на промыслах производственного объединения «Куйбышевнефть» выполненные Требиным А. Г., Ледяевым В. Г., Вейсман Э. П. [16]. Если штанга не имеет искривлений, то нагрузки, действующие на неё, не превышают предела её усталостной прочности и штанга может работать практически очень долго и разрушится, например, вследствие коррозии.
Как видно из результатов проведенных исследований, даже небольшое искривление тела штанги приводит во время работы к возникновению усталостных разрушений, так как штанга испытывает до нескольких миллионов циклов нагружения. Поэтому точное слежение за определенными параметрами во время правки становится залогом значительного продления срока службы штанги и важно, чтобы слежение за заданными параметрами происходило автоматически.
В дополнение к изложенным причинам преждевременного разрушения следует отметить следующий факт — практически все скважины, эксплуатируемые в настоящее время, имеют достаточно большие изгибы.
Действительно, при освоении месторождений в Западной Сибири в СССР, впервые был применен кустовой метод бурения скважин, когда из одного места на поверхности земли стараются охватить как можно больший участок под землей. Такой метод, затем стал использоваться повсеместно. Поэтому в России практически все вновь вводимые скважины являются наклонно-направленными. Опытным путем установлено, что набор зенитного угла не должен превышать 1,5 град./10 метров. Фактически, это условие часто не выдерживается, искривление скважины достигает 2−3 град./10 метров, что существенно усложняет эксплуатацию.
В настоящее время существует возможность получения практически всех сведений о состоянии и форме скважин (например, данные инклинометрии). Такие сведения хранятся в электронных базах данных НГДУ. Используя такие сведения, можно заранее предположить, в каких местах в скважине штанги будут испытывать максимальную нагрузку и поставить туда насосные штанги повышенной прочности. Для формирования колонны насосных штанг для каждой конкретной скважины необходимо использовать ЭВМ со специальными программными комплексами. Что дает возможность скомпоновать колонну насосных штанг, наиболее подходящую для каждой конкретной скважины. Во избежание ошибок в данной операции необходимо, чтобы процесс присвоения каждой штанге класса прочности и, затем, складирование в соответствии с данным классом, выполнялся автоматизировано.
Большая точность в контроле параметров, влияющих на ресурс штанги, позволяет давать более точные прогнозы по допустимым нагрузкам и срокам эксплуатации каждой штанги. Как известно, наибольшую точность в измерительных операциях геометрических параметров дают электронные измерительные устройства. Еще большую надежность в получении достоверных результатов обеспечивают автоматические системы.
Использование таких систем имеет еще некоторые неоспоримые преимущества. Например, на некоторых предприятиях по ремонту насосных штанг необходимость правки штанги определяется без использования специальных приборов, не производится и сама правка, некоторые штанги просто перекладываются к выправленным штангам. Решением данной проблемы могла бы стать автоматизированная измерительная система по контролю и ремонту насосных штанг.
Экономическая стратегия, обусловленная структурной перестройкой промышленности, предполагает опережающие темпы внедрения во все отрасли хозяйства прогрессивных технологических процессов, совершенствование систем управления, обеспечивающих экономию всех видов ресурсов при высоком качестве продукции. Создание автоматизированной информационно-измерительной системы для стендового контроля и ремонта насосных штанг позволит экономить финансы и время за счет более полной отдачи от эксплуатации насосных штанг, предупреждать аварийные ситуаций, минимизировать использование человеческого труда.
В связи с этим становится актуальным создание стендовой информационно-измерительной системы (ИИС) контроля геометрических параметров насосных штанг на базе имеющегося оборудования на участках по их ремонту.
Цель работы.
Целью данной диссертационной работы является разработка стендовой информационно-измерительной системы контроля геометрических параметров насосных штанг в процессе их ремонта.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. 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;
2. Рассмотрены производственные требования к стендовой ИИС контроля геометрических параметров насосных штанг;
3. Разработаны математические модели дополнительных напряжений для различных видов искривлений насосных штанг;
4. На основании полученных моделей определены основные геометрические параметры, подлежащие измерению (диаметр и эксцентриситет), что показало достаточность проведения измерения в двух точках на поверхности штанг;
5. Для измерения эксцентриситета разработаны тестовые методы, позволяющие учесть влияние на результат измерения всех возмущающих воздействий окружающей среды и связанных с этим дополнительных погрешностей;
6. Разработана структурная схема стендовой информационно-измерительной системы для измерения геометрических параметров насосных штанг;
7. Разработан и обоснован тестовый индуктивный преобразователь эксцентриситета насосных штанг. Проведен анализ методических и инструментальных погрешностей измерительной системы.
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 проведенных в диссертационной работе исследований заключается в следующем:
1. Разработан новый тестовый алгоритм функционирования ИИС эксцентриситета оси насосных штанг, в котором, в отличие от известных тестовых алгоритмов, используются только аддитивные тесты.
2. 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.
3. Разработан тестовый индуктивный преобразователь эксцентриситета, обладающий высокой точностью и надежностью, в котором реализован предложенный тестовый алгоритм и устройство формирования аддитивных тестов.
4. Разработана математическая модель напряжений в искривленной насосной штанге, которая, в отличие от известных, позволяет определять предельно допустимую нагрузку для штанг, имеющих сложные виды искривления.
5. На основании разработанной модели сформулированы требования к метрологическим характеристикам измерительных преобразователей эксцентриситета, доказана необходимость совершенствования технологии изготовления насосных штанг и соответственно изменения ГОСТ 13 677–96 в части требований, определяющих допустимую кривизну оси концов штанг и методов ее контроля.
Практическая ценность работы.
1. Разработанная автоматизированная ИИС по сравнению с существующими средствами измерения геометрических параметров насосных штанг обеспечивает высокую точность измерения в сложных условиях эксплуатации на ремонтном стенде.
2. Разработанный в диссертации тестовый алгоритм повышения точности измерения позволил проводить измерения эксцентриситета непосредственно в технологическом процессе ремонта штанг.
3. 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). и.
На защиту выносятся:
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, 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 диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, содержит 156 страниц основного текста, 31 рисунок, список литературы из 67 наименований.
Выводы к пятому разделу.
1. Для вывода обобщенного выражения результирующей погрешности тестового измерения параметров насосных штанг, рассмотрены приведенные к выходу измерительного канала абсолютные значения погрешности тактовых преобразований.
2. Полученное выражение результирующей методической погрешности позволяет учесть все составляющие, возникающие при проведении тактовых измерений, при использовании в качестве аппроксимирующей функцию преобразования измерительного канала полинома (п-1)-й степени. Полученное выражение является общим и из него могут быть получены и проанализированы выражения для отдельных составляющих результирующей методической погрешности рассматриваемых тестовых алгоритмов измерения.
3. Для определения влияния динамической погрешности на точность измерения использованы два метода. Один из них основан на проведении дополнительных тактов преобразования, в процессе которых определяется не только измеряемая величина, но и ее производные. Другой метод основан на проведении измерений рядом параллельно работающих идентичных измерительных каналов, что позволяет при сохранении быстродействия исключить влияние погрешности Ад на результат.
4. Проведено исследование погрешности неадекватности аппроксимирующего полинома реальной функции преобразования. Получена обобщенная формула из которой могут быть получены выражения для любых частных рассматриваемых алгоритмов измерения.
5. Показано, что в рассматриваемой ИИС, для измерения перемещений в диапазоне до 20 мм, эффективными являются индуктивно-частотные датчики на основе различных генераторных схем, у которых элементами частотозависимых цепей являются индуктивности первичных измерительных преобразователей.
6. Для реализации тестового метода измерения при измерении линейных перемещений, с помощью индуктивно-частотного датчика, в качестве образцового приращения в, необходимо использовать образцовые приращения перемещения ферритового сердечника или изменять положение катушки индуктивности по отношению к ферритовому сердечнику, что, в свою очередь, может быть достигнуто механическим перемещением катушки в пространстве или подключением дополнительных секций индуктивности.
7. Показано, что в отличие от тестовых измерительных преобразователей с механическим смещением катушки индуктивности, преобразователи с переключаемыми секциями индуктивностей не имеют подвижных частей, что значительно упрощает конструкцию индуктивного преобразователя, повышает его надежность и долговечность. Кроме того, позволяет использовать их при аппроксимации исходной ФП полиномами более высоких степеней, требующих реализации нескольких аддитивных тестов.
8. Рассмотрены и приведены основные схемы тестовых индуктивно-частотных измерительных преобразователей.
9. Приведены результаты экспериментальных исследований измерительного преобразователя с переключаемыми секциями индуктивностей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи создания стендовой информационно-измерительной системы контроля геометрических параметров насосных штанг в процессе их ремонта. Проанализированы причины преждевременного разрушения штанг, разработана математическая модель дополнительных напряжений в насосной штанге при различных видах искривлений. На основе полученной модели штанги разработано устройство для определения суммарного влияния всех видов искривлений на усталостную прочность штанги. Разработан тестовый алгоритм измерения эксцентриситета оси штанги относительно оси ее вращения. Проведен анализ влияния различных погрешностей на результат измерения.
В работе получены следующие основные результаты.
1. В результате анализа причин обрывов насосных штанг в процесс их эксплуатации показано, что большинство преждевременных обрывов насосных штанг связано с накоплением усталостных повреждений в теле штанг. Накопление усталостных повреждений происходит особенно быстро в местах, где имеется искривление оси тела штанги или поверхностные дефекты. В процессе эксплуатации происходит искривление тела штанги в зоне перехода от головки к телу штанги — между твердой муфтой и переходной областью и более гибким телом штанги.
2. Разработаны математические модели штанг при перекосе оси головки, несоосности резьбы и тела штанги, а также при сложных искривлениях, включающих искривления нескольких видов. При этом показано, что сложные искривления можно свести к комбинации двух основных видов чистого искривления — перекосу оси головки и несоосности. Исследованы случаи искривления обоих соединенных концов.
3. Самой важной частью всей ИИС, с точки зрения влияния на результат контроля, является подсистема проверки остаточного искривления вблизи головки штанги. Описано предлагаемое устройство для определения величины искривления вблизи головки насосной штанги, которое позволяет определить суммарное влияние всех видов искривлений на напряжения изгиба штанги. Рассмотрены величины отклонений, при которых напряжения изгиба, в наиболее нагруженных сечениях лежат в пределах допустимых значений и показано, что необходимо совершенствование технологии изготовления насосных штанг и соответственно изменение ГОСТ 13 677–96 в части требований, определяющих допустимую кривизну оси концов штанг и методов ее контроля.
4. На основании анализа уточненного диапазона измеряемых величин сформированы требования к метрологическим характеристикам измерительных преобразователей. Рассмотрено, как изменяется измеряемый параметр в процессе принудительного вращения штанги.
•5. Разработаны тестовые алгоритмы функционирования системы измерения диаметра и эксцентриситета оси вращения насосных штанг для ИП, функции преобразования которых, описываются функциями любого вида. Получен тестовый алгоритм для измерительных каналов аппроксимируемых линейной ФП. Рассмотрена структурная схема, позволяющая реализовать тестовый — алгоритм измерения для ИК, имеющих идентичные и линейные функции преобразования.
6. Для определения результирующей погрешности ИИС, рассмотрены влияния методической и динамической погрешностей, а также проведено исследование погрешности неадекватности аппроксимирующего полинома реальной функции преобразования. Получена обобщенная формула, из которой могут быть получены выражения для любых частных рассматриваемых алгоритмов измерения.
7. Показано, что рассматриваемой ИИС, для измерения перемещений в диапазоне до 20 мм, с заданной погрешностью, эффективными являются индуктивно-частотные преобразователи с переключаемыми секциями индуктивностей. Которые не имеют подвижных частей, что упрощает их конструкцию, повышает надежность и долговечность, и позволяет использовать их при аппроксимации исходной ФП полиномами более высоких степеней, требующих реализации нескольких аддитивных тестов.
