CC BY
698
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
УДК 681.586.326
М. И. Хакимьянов, М. Г. Пачин
МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ДИНАМОГРАММ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ШТАНГОВЫМИ ГЛУБИННЫМИ НАСОСАМИ
В статье рассматривается методика анализа динамограмм в информационно-измерительных системах управления штанговыми глубинными насосами добычи нефти. Предлагается анализировать не только устьевую и плунжерную динамограммы, но также рассчитывать глубинные динамограммы вдоль всей колонны штанг, определять механические напряжения в штангах, производить спектральный анализ массивов динамограмм. Динамограмма; контроллер; плунжер; штанга; скважина; спектр
Подавляющее большинство нефтедобывающих скважин в России и во всем мире (до 60-70 %) эксплуатируется при помощи штанговых глубинных насосов (ШГН). При этом насосное оборудование во многих случаях очень сильно изношено, а сами месторождения находятся в заключительных стадиях эксплуатации. Такие реалии современной мировой экономики как нестабильный уровень цен на нефть и постоянный рост стоимости электроэнергии способны сделать механизированную добычу нефти низкорентабельной или даже убыточной.
В этих условиях возрастает роль информационного обеспечения процесса добычи нефти, позволяющего путем измерения технологических параметров насоса оптимизировать процесс эксплуатации скважины, уменьшить нагрузки на оборудование и снизить затраты нефтедобывающих предприятий.
ПОСТРОЕНИЕ ГЛУБИННЫХ ДИНАМОГРАММ
Наиболее эффективным методом контроля над работой скважин, оснащенных ШГН, является динамометрирование [1]. Динамограмма представляет собой график изменения усилия в точке подвеса штанг в функции перемещения штока и измеряется при помощи двух датчиков - усилия и перемещения. По форме динамограммы можно диагностировать несколько десятков неисправностей в насосе, таких как утечки в клапанах, заедание плунжера, слишком высокая или низкая посадка плунжера и другие.
Различают устьевую и плунжерную динамограммы (рис. 1). Устьевую (поверхностную) измеряют датчиками усилия и перемещения на
Контактная информация: 8(347)242-07-59
устье скважины. Плунжерную (глубинную) получают из устьевой расчетным путем. К настоящему времени разработано несколько методик расчета плунжерных динамограмм [2-4]. Сравнивая устьевую и плунжерную динамограммы, можно заметить, что устьевые динамограммы отличаются от плунжерных сдвигом по оси нагрузки на величину веса штанг в жидкости, и наличием волн колебаний штанговой колонны, вызванных пружинным сжатием штанг [5]. Кроме того, устьевая динамограмма имеет вид параллелограмма, тогда как плунжерная -прямоугольника. Наклон устьевой динамограммы обусловлен растяжением колонны штанг в начале хода вверх и ее сжатием в начале хода вниз.
,10і---------------------1------------------1-----------------1------------------1-----------------1------------------1-----------------1------------------
-0 5 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3.5
Э, м
Рис. 1. Устьевая и плунжерная динамограммы скважины № 3163 НГДУ «Елховнефть»
Можно сказать, что плунжерная динамограмма несет только информацию о работе насоса, а устьевая дополняется паразитным влиянием штанговой колонны, что затрудняет ее
анализ. Таким образом, получив расчетным путем плунжерную динамограмму из измеренной устьевой, можно, упростить анализ состояния и режима работы погружного оборудования.
Проследить, как измеряется форма динамограммы по мере спуска к насосу, можно, произведя вычисления промежуточных глубинных динамограмм (рис. 2). Видно, что по мере увеличения глубины уменьшается амплитуда колебаний колонны штанг и исчезает характерный наклон параллелограмма.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ШТАНГАХ
В целях уменьшения массы, колонны штанг выполняют многоступенчатыми, как правило, двухступенчатыми или трехступенчатыми в зависимости от глубины погружения насоса, диаметра плунжера, материала штанг и других факторов [6]. Длины участков штанг различного диаметра подбирают таким образом, чтобы примерно выровнять величину напряжения на всей протяженности штанговой колонны. Расчет прочностных характеристик штанговой колонны позволяет выявлять наиболее нагруженные места в штанговой колонне и прогнозировать обрывы.
Максимальное напряжение в сечении штанговой колонны определяется как
Е =-
/
где ^тах - максимальное усилие за динамограмму на заданной глубине, Н; / - сечение штанг на заданной глубине, м.
Разность между максимальными и минимальными напряжениями в сечении штанговой колонны:
^ ^
<Е = ■
Г
где Ет,„ - минимальное усилие за динамограмму на заданной глубине, Н.
На рис. 3 показаны максимальное напряжение в штангах Етах, а также разность между максимальным и минимальным напряжениями <Е по глубине для скважины № 1312 НГДУ «Белкамнефть» с трехступенчатой компоновкой колонны штанг. Колонна скважины № 1312 содержит три участка штанг диаметрами 25, 22 и 19 мм, их длины 478, 508 и 464 м соответственно. Заметно, что в месте перехода колонны штанг на меньший диаметр имеет место скачкообразное повышение механического напряжения. Допускаемое приведенное напряжение в штангах, сделанных из стали марки 15Н3МА, составляет не более Едоп = 147 МПа [6].
Глядя на рис. 3, можно предположить, что для этой скважины следует изменить конфигурацию штанговой колонны, увеличив длину среднего участка диаметром 22 мм на 100-200 м вниз за счет участка диаметром 19 мм. Это позволит уменьшить максимальное значение напряжения в колонне.
По графическим зависимостям напряжений в штангах можно анализировать прочностные характеристики колонны, выявлять ее «слабые» места, а также с некоторой долей вероятности прогнозировать межремонтный период для данной скважины.
Рис. 2. Динамограммы скважины № 3163 НГДУ «Елховнефть» на различных глубинах
Рис. 3. Максимальные напряжения в штангах (Етах) и разность между максимальными и минимальными напряжениями в штангах (<Е) скважины № 1312 НГДУ «Белкамнефть»
Рис. 4. Устьевая, глубинные и плунжерная динамограммы скважины № 3163 НГДУ «Елховнефть»
На рис. 4 показан трехмерный график динамограммы в осях «перемещение-усилие-глубина». Трехмерное изображение динамограмм делает представление информации более наглядным и понятным для восприятия человеком. Заметно, как с увеличением глубины уменьшается влияние вибрационной и инерционной составляющих, и исчезают линии восприятия и снятия нагрузки. Графические и вычислительные мощности современных ЭВМ позволяют реализовать на диспетчерском пункте нефтепромысла вывод динамограмм в трехмерном изображении (рис. 5).
СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДИНАМОГРАММ
Еще один мощный инструмент математической обработки сигналов, который целесообразно использовать при обработке динамограмм -это спектральный анализ. Спектральный анализ массива динамограммы позволяет определить помимо собственных колебаний штанговой колонны наличие дефектов в погружном и наземном оборудовании.
Рис. 5. Представление динамограммы скважины № 2713 в трехмерном изображении
Рис. 6. Трехмерный спектр устьевой динамограммы скважины № 3163 НГДУ «Елховнефть»
Рис. 7. Трехмерный спектр плунжерной динамограммы скважины № 3163 НГДУ «Елховнефть»
На рис. 6 и 7 приводятся трехмерные спектры соответственно устьевой и плунжерной динамограмм скважины № 3163. Трехмерное изображение спектра позволяет не только видеть частоту и амплитуду колебаний, но и определять момент времени их появления. Так, по трехмерному спектру устьевой динамограммы (рис. 6) можно определить, что наблюдаются колебания с частотой, близкой к 1 Гц, и возникают они вначале хода штанг вверх и вниз. Это собственные колебания штанговой колонны. Спектр плунжерной динамограммы (рис. 7) намного более гладкий, никаких колебаний, свидетельствующих о неисправностях оборудования, не зафиксировано.
ВЫВОДЫ
Таким образом, для повышения эффективности анализа динамограмм в информационноизмерительных системах управления ШГН необходимо:
• анализировать как устьевые, так и плунжерные динамограммы;
• производить вычисления механических напряжений вдоль всей длины колонны штанг;
• анализировать спектры как устьевых, так и плунжерных динамограмм;
• в системах вывода информации и подготовки отчетов использовать трехмерное представление динамограмм и их спектров, что повышает наглядность информации.
Отметим, что предложенные в данной статье математические методы обработки динамограмм реализуются в разрабатываемой Пермской научно-производственной приборостроительной компанией (ОАО ПНППК) информаци-
онно-измерительной системе управления установками ШГН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Обработка практических динамограмм на ПЭВМ / Ш. Ф. Тахаутдинов [и др.]. Казань: Новое Знание, 1997. 76 с.
2. Gibbs S. G., Neely A. B. Computer Diagnosis of Down-Hole Conditions in Sucker Rod Pumping Wells. J. of Petr. Tech. January 1966. P. 93-98.
3. Gibbs S. G. Method of Determining Sucker Rod Performance, US Patent 3,343,409, issued Sept 26, 1967. P. 3-7.
4. Касьянов В. М. Аналитический метод контроля работы глубинных штанговых насосов. М.: ВНИИОЭНГ, 1973. 95 c.
5. Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. Добыча нефти. М.: Недра, 1983. 455 с.
6. Юрчук А. М., Истомин А. З. Расчеты в добыче нефти. М.: Недра, 1979. 271 с.
ОБ АВТОРАХ
Хакимьянов Марат Ильгизович, доц. каф. электротехники и электрооборудования предприятий УГНТУ. Дипл. инженер по электроприводу и автоматике производственных установок и технологических комплексов (УГНТУ, 1999). Канд. техн. наук. Иссл. в обл. систем автоматизации скважинной добычи нефти.
Пачин Максим Гелиевич, рук. проекта ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания». Дипл. инженер по электроприводу (Пермск. гос. технологическ. ун-т, 1995). Иссл. в обл. систем управления электроприводами скважинных насосов.
