Материал: Система оценка производительности ШГНУ по динамограмме и управления ею
Система оценка производительности ШГНУ по динамограмме и управления ею
Введение
скважина программный штанговый
Самой важной характеристикой работы ШГНУ является динамограмма. Накладным датчиком снимают динамограмму для оценки качественных характеристик и выявления некоторых неисправностей. Встраиваемым (межтраверсным) датчиком снимают "точную" динамограмму для учета некоторых количественных параметров.
Только при правильном анализе динамограммы, оператор или технолог может установить наличие конкретной неисправности в ШГНУ.
Вовремя вынесенный диагноз нефтегазовому оборудованию позволит сберечь время на его ремонт и соответственно значительные материальные затраты.
Нефть и газ являются одними из основных видов топлива,потребляемого человечеством.Нефть добывают и используют сравнительно давно, однако начало интенсивной промышленной разработки нефтяных месторождений приходится на конец ХIХ-начало ХХ веков.
Конец ХХ столетия характеризуется резким увеличением спроса на нефть и газ и их потребления. В настоящее время около 70 % энергитической потребности в мире покрывается за счет нефти и газа.
В последнее время добыча нефти с помощью фонтанирующих скважин фактически прекратилась. Многие скважины, пробуренные на нефтеносные пласты, сразу после окончания бурения вводятся в эксплуатацию насосным способом. Непрерывно растет фонд малодебитных скважин (до 3т/сутки)
Мощность насосного оборудования на них в 4-5 раз превышает необходимую. В настоящее время в стоимости нефти эксплуатационные расходы на электроэнергию и обслуживание энергетического комплекса доходят до 45-50%. Процесс добычи нефти после геологических работ и бурения скважин начинается с выбора оборудования. Средний срок эксплуатации нефтяных скважин около 20 лет. За это время оборудование меняется несколько раз. Это объясняется не столько его физическим износом, сколько изменением дебита нефти. Когда дебит скважины становится менее 100 т/сут, устанавливается штанговая глубинно-насосная установка (ШГНУ) - станок-качалка. Есть скважины, на которых сразу после бурения устанавливаются станки-качалки. 75% скважин в России оборудованы ими. Если производительность насоса станка-качалки превышает нефтеотдачу скважины, то в настоящее время или меняют станок-качалку, или переводят ее в периодический режим работы. Причем кажущаяся экономия электроэнергии и моточасов работы оборудования при периодической эксплуатации скважин на самом деле приводит к увеличению удельного расхода электроэнергии на тонну добытой нефти и к усложнению условий эксплуатации оборудования.
1) Поэтому требования правильного выбора электрооборудования для нефтедобычи, автоматизация его работы, снижение затрат на эксплуатацию и ремонт оборудования являются весьма актуальными.
Интенсификация технологических процессов добычи, переработки и хранения нефти и нефтепродуктов вызывает необходимость дальнейшего совершенствования систем автоматизации нефтяных отраслей промышленности, что, в свою очередь, связано с обработкой большого объема измерительной информации. Этим объясняется широкое развитие измерительных информационных систем, предназначенных для сбора, преобразования, передачи, хранения, обработки на ЭВМ и представления в удобном для оператора виде различного рода технологической информации.
В настоящее время для добычи нефти наиболее часто используются штанговые глубинные насосы (ШГН). Согласно статистике, таким способом в Западной Европе эксплуатируются 90% скважин, в США - 85%, в России - около 53%. Разрабатываются также новые нефтепромысловые технологии и оборудование, например, цепные приводы для ШГН, более эффективные при добыче высоковязкой и остаточной нефти, чем традиционные станки-качалки. В связи с этим проводятся дополнительные исследования с целью уточнения параметров, используемых при диагностировании состояния ШГН, и совершенствуются системы автоматизации скважин.
К достоинствам скважинных штанговых насосных установок (СШНУ) относятся: технически несложный монтаж, возможность адаптации к изменяющимся условиям притока и относительно высокий КПД. К недостаткам - достаточно быстрый (3-4 года) износ плунжерной пары, насосно-компрессорных труб и штанг вследствие трения, а также трудоемкость операций по замене и ремонту глубинных насосов, что обусловливает необходимость своевременной диагностики и подтверждает актуальность автоматизации контроля технического состояния и режима работы СШНУ.
Наиболее эффективным способом контроля за состоянием глубинно-насосного оборудования остается динамометрирование ШГН - построение устьевой (наземной) динамограммы - графика зависимости нагрузки на траверсе СШНУ от положения полированного штока. Данный способ позволяет, используя методы диагностирования, отслеживать исправность работы ШГН в реальном масштабе времени, а также оценивать текущий фактический дебит скважины.
Среди известных на данный момент систем контроля состояния СШНУ наиболее перспективны стационарные информационно-измерительные системы (СИИС), позволяющие осуществлять непрерывный контроль за работой целых комплексов насосных установок. Вся информация, поступающая со скважин в диспетчерский пункт, оперативно обрабатывается и анализируется с использованием программного обеспечения верхнего уровня. Вышеизложенное позволяет утверждать следующее: создание новых систем контроля состояния СШНУ остается актуальной задачей, и, в частности, имеется необходимость разработки информационно-измерительной системы (ИИС) динамометрирования ШГН, адаптированной как для станков-качалок, так и для установок с цепным приводом и включающей программное обеспечение верхнего уровня с функциями диагностирования состояния ШГН.
Актуальность работы. Самой важной характеристикой работы ШГНУ является динамограмма. Накладным датчиком снимают динамограмму для оценки качественных характеристик и выявления некоторых неисправностей. Встраиваемым (межтраверсным) датчиком снимают "точную" динамограмму для учета некоторых количественных параметров.
Только при правильном анализе динамограммы, оператор или технолог может установить наличие конкретной неисправности в ШГНУ.
Вовремя вынесенный диагноз нефтегазовому оборудованию позволит сберечь время на его ремонт и соответственно значительные материальные затраты.
Цель работы - спроектировать систему оценка производительности ШГНУ по динамограмме и управления ею, что подразумевает под собой разработку информационно-измерительной системы оценки производительности динамометрирования скважин, оборудованных ШГНУ. Что подразумевает под собой решение следующих задач:
- характеристика станков качалок
· размерный ряд станков-качалок по гост
· динамометрирование и результаты исследований
· требования к измерениям количества сырой нефти по гост
известные методы оценки производительности
· теоретическая производительность шгну
· оценка дебита по ваттметрограмме
· оценка дебита по динамограмме
· методики оценки дебита по динамограмме
прикладные вопросы, связанные с решением задач
· расчеты структуры и параметров моделей
· выбор алгоритмов и методов
· методы обработки и представления информации
реализация результатов
· развернутый пример решения задач
· описание интерфейса
· выбор параметров для оценки с помощью наблюдателей
· описание применение наблюдателей
оценка эффекта от использования результатов
· оценка прогрессивности опытно-конструкторской разработки
· планирование разработки
· определение затрат, себестоимости и цены
· определение и оценка показателей экономической эффективности
Научная новизна. Для повышения качество оценки производительности ШГНУ по динамограмме был разработан алгормитм. Научная новизна заключается в доработке одного из существующих методов оценки. Оценка осуществляется с использованием наблюдателей Люенбергера - динамических наблюдающих устройств (ДНУ). Наблюдатели позволят оценивать параметры динамограммы более точно на основе их оценки по математическим моделям. Была разработана математическая модель оценки параметров с помощью наблюдателей Люенбергера.
Первоначально основной сферой использования ДНУ были динамические системы, в состав которых входят формирователи сигналов управления, использующих информацию в виде прямых и обратных связей по состоянию объекта или источника конечномерного экзогенного воздействия. В настоящее время сфера использования ДНУ заметно расширилась за счет нового поколения измерительных комплексов, которые решают задачу формирования результата измерения в алгоритмической среде ДНУ.
В общесистемной постановке наибольшее количество информации о ходе управляемых процессов (динамических объектов) содержится в векторе состояния, который характеризуется наибольшей по сравнению с другими переменными процесса размерностью. Но состояние есть скрытая (внутренняя) переменная, несущая полную информацию о системном «секрете» процесса, она не должна быть доступна непосредственному измерению в полном объеме.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи решены с использованием классической теории электрических цепей, теории погрешностей и помехоустойчивости, методов статистической обработки результатов измерений, методов решения уравнений математической физики, технологии высокоуровневого программирования. Проверка эффективности решения поставленных задач осуществлялась на реальных промысловых данных. На защиту выносятся: алгоритм оценки производительности динамограммы ШГНУ на основе применения наблюдателей Люенбергера для оценки неизвестных параметров.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа изложена на 100 страницах машинописного
текста и включает в себя введение, 4 главы основного материала,
заключение, библиографический список и приложения.
Глава 1. Обзорная глава
1.1 Цели и задачи исследования
скважина программный штанговый
Необходимо спроектировать систему для диагностики и управления штанговой глубиннонасосной установки со следующими техническими параметрами:
надежность 0.95 за 10000ч;
габариты 310х187х76 мм;
потребляемая мощность, не более 3 Вт;
температурный диапазон -50 …+ 50 єС;
погрешность, не более 1%.
Цель разработка системы оценки производительности ШГНУ по динамограмме и управления ею, что подразумевает под собой разработку информационно-измерительной системы динамометрирования скважин, оборудованных ШГНУ и ее программного обеспечения с функцией диагностирования состояния ШГНУ по динамограмме.
Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Разработка ИИС динамометрирования скважин, оборудованных ШГН, адаптированной для станков-качалок и установок с цепным приводом.
Разработка программного обеспечения верхнего уровня, обеспечивающего сбор, хранение и обработку данных динамометрирования, в том числе диагностирование работы ШГН.
Разработка алгоритма диагностирования состояния ШГН по характерным симптомам устьевой динамограммы.
Разработка алгоритма расчета устьевой динамограммы по моделируемым усилиям на плунжере.
Экспериментальные исследования разработанной ИИС динамометрирования.
План работы следующий:
1 обзорная глава
теоретические основы решения поставленных задач
прикладные вопросы связанные с решением задач
реализация результатов
.2 Анализ литературы
В последние годы созданы вполне работоспособные приборы и целые комплексы, позволяющие регистрировать результаты динамометрирования в электронной памяти этих устройств с последующей (или одновременной) обработкой их на электронно-вычислительных машинах. Программно-математическое обеспечение (ПМО) каждого комплекса имеет свое оформление, требования к исходным данным и используемые методики их обработки.
Рассмотрим системы управления ШГНУ.
.2.1 Комплексная система исследования работы скважин "Анализатор"
Данная система разработана американской компанией "Есhоmеtег". Она представляет собой комплекс измерительных датчиков. Управление их работой и обработка получаемой информации производятся компьютером совместно с аналого-цифровым преобразователем. Такая система осуществляет обработку данных акустических микрофонов, датчиков давления и нагрузки, акселерометров, датчиков тока двигателя, тахометров и других измерительных устройств.
Для измерения уровня жидкости в кольцевом пространстве скважины акустическим методом эта система используется совместно с генератором импульсов, микрофоном и датчиком давления. Эти измерения используются для определения забойного давления работающей эксплуатационной скважины. А знание пластового давления и использование модели притока жидкости, с учетом определенного анализа, позволяют определять эффективный дебит скважины.
На скважинах со штанговым глубинно-насосным оборудованием данная система применима для динамометрических исследований с измерением нагрузок на полированном штоке, ускорения движения полированного штока и потребляемого двигателем электрического тока. Измерение нагрузок на полированном штоке возможно двумя способами (в зависимости от решаемой задачи).
. Для количественного динамометрического анализа необходимы данные высокой степени точности, которые можно получить с помощью подковообразного калиброванного датчика, измеряющего механическое напряжение. Он устанавливается между траверсами канатной подвески исследуемой скважины.
. Для получения качественной информации, позволяющей судить об эффективности работы насоса и выявлять (диагностировать) некоторые неисправности подземного оборудования, используется С-образный облегченный датчик, прикрепляемый при помощи зажима непосредственно к полированному штоку. Датчик замеряет изменение нагрузки на штангах путем замера изменения диаметра полированного штока. Если коэффициент Пуассона для стали равен примерно 0,3, то радиальное напряжение составит около ЗОУ0 от осевой нагрузки.
В обоих случаях для определения перемещения полированного штока используется очень компактный акселерометр на интегральной схеме, который встроен в датчик измерения нагрузки. Таким образом, необходим только один кабель для соединения компьютера и датчика нагрузки. Скорость движения полированного штока является результатом интегрирования сигнала ускорения акселерометра, а повторное интегрирование дает значение положения полированного штока как функции времени. Благодаря высокой скорости обработки информации компьютером, применяемым в комплексе систем "Анализатор", данные динамометрии появляются на экране сразу по мере измерения. В отдельном окне представляется график потребления электрического тока двигателем станка-качалки: анализ потребления электрического тока дает представление об уравновешенности станка-качалки.
Примеры графиков, получаемых при исследовании скважин с помощью комплексной системы "Анализатор", приведены на рисунке 1.2.1
- зависимость нагрузки на полированном штоке от положения балансира СКН (несколько циклов);
- зависимость нагрузки на полированном штоке от времени;
- зависимость нагрузки на полированном штоке от положения балансира СКН;
- зависимость тока электродвигателя привода СКН от времени;
- зависимость нагрузки на плунжере насоса от положения
балансира СКН.
Рисунок 1.2.1 Примеры графиков, получаемых при исследовании скважин с помощью комплексной системы "Анализатор".
.2.2 Комплекс СТК РНК-ЛЭП
Система предназначена для телеуправления, телеизмерений и телесигнализации нефтяных скважин и других объектов добычи и первичной переработки нефти. Система в своем составе имеет:
диспетчерский пункт (ДП);
станции управления центральные (СУЦ) на распределительных подстанциях напряжением 110-35/6(10) кВ (РП);