ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ НАФТИ І ГАЗУ

Зікратий Сергій Вікторович

УДК 681.518:622.323

РОЗРОБКА МЕТОДУ ДІАГНОСТУВАННЯ

ЗАГЛИБНИХ ЕЛЕКТРОУСТАНОВОК

ДЛЯ ВИДОБУТКУ НАФТИ

05.11.13. Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

АВТОРЕФЕРАТ

ДИСЕРТАЦІЇ НА ЗДОБУТТЯ НАУКОВОГО СТУПЕНЯ

КАНДИДАТА ТЕХНІЧНИХ НАУК

Івано-Франківськ - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Заміховський Леонід Михайлович,

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу,

завідувач кафедри комп'ютерних технологій в системах управління та автоматики.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Семенцов Георгій Никифорович,

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу,

завідувач кафедри автоматизації технологічних процесів і моніторингу в екології

кандидат технічних наук

Поважняк Олексій Іванович

ВАТ “Оріана”, м.Калуш

керівник служби КВП і А

Провідна установа: ВАТ "Український нафтогазовий інститут",

Міністерства палива і енергетики України, м.Київ.

Захист відбудеться "  березня 2002р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д20.052.03 при Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу (76019, м.Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (76019, м.Івано-Франківськ, вул.Карпатська, 15).

Автореферат розісланий " 11 " лютого 2002 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Дранчук М.М.

Актуальність теми. Проблема збільшення власного видобутку нафти, з метою зменшення залежності від зовнішніх джерел енергопостачання – важлива народногосподарська задача для України. Один з шляхів її вирішення – підвищення надійності і ефективності використання нафтовидобувного обладнання та скорочення видатків на його експлуатацію, що неможливе без застосування сучасних методів та засобів діагностування обладнання.

При експлуатації нафтових родовищ механізованим способом основний об'єм рідини, що видобувається, припадає на заглибні електроустановки для видобутку нафти - установки електровідцентрових насосів (УЕВН). Сьогодні в Україні, незважаючи на зменшення кількості свердловин, що експлуатуються за допомогою УЕВН, видобувається половина всієї нафти і більше 60% супутньої рідини. В основному установки ЕВН використовуються на родовищах Східної України. Так, по НГВУ “Чернігівнафтогаз” ними експлуатується 85% діючих свердловин.

Незважаючи на покращення якості експлуатації свердловин в останні роки значно ускладнилися умови експлуатації (збільшення глибини підвісу, значний вміст механічних домішок, значна обводненість пластової рідини та ін.), що призводить до скорочення терміну їх роботи. В зв'язку з цим мають місце багаточисельні відмови і аварії установок ЕВН, що обумовлені, зокрема, значним зносом робочих органів відцентрових насосів (ВН).

Як показав проведений аналіз, із методів діагностування за параметрами робочих процесів установки ЕВН: подачею, напором, потужністю, ККД і ін. (методи параметричної діагностики), жоден не знайшов промислового використання. Серед методів віброакустичної діагностики, які застосовуються на нафтопромислах, жоден не дозволяє визначити технічний стан ВН, а дає лише інтегральну оцінку в цілому по установці ЕВН. Таким чином, задача розробки методу діагностування безпосередньо ВН з метою підвищення надійності експлуатації і більш повного використання закладеного в них ресурсу, є актуальною і має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи є частиною планових науково-дослідних програм по розвитку нафтопромислового комплексу України і базується на результатах держбюджетних науково-дослідних робіт “Розробка теоретичних та методологічних принципів діагностики обладнання нафтогазового комплексу України”, частина науково-дослідної теми №45/1, номер державної реєстрації в УкрНДІНТІ № 01980005799 та “Діагностування стану технічних об'єктів на основі обмеженої інформації про переміщення точок їх поверхні”, частина науково-дослідної теми Д6-Ф, номер державної реєстрації в УкрНДІНТІ №0198U005799, де автор був виконавцем розділів, присвячених розробці методології діагностування УЕВН. Роботи входять в координаційний план Міністерства освіти і науки “Наукові основи розробки нових технологій видобутку нафти і газу, газопромислового обладнання, поглибленої переробки нафти і газу з метою отримання високоякісних моторних палив, мастильних матеріалів, допоміжних продуктів і нафтохімічної сировини”. Вказаний план входить в національну програму “Нафта і газ України”.

Мета роботи: підвищення надійності експлуатації та забезпечення більш повного використання ресурсу закладеного в установку ЕВН, шляхом розробки її діагностичного забезпечення (моделі, алгоритму, методу та технічних засобів).

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:–

розробити теоретичні засади методу діагностування;–

провести комплекс експериментальних досліджень, для чого розробити їх методичне, технічне та програмне забезпечення;–

встановити закономірності зміни крутного моменту на валі ЗЕД обумовлені зносом робочих органів ВН;–

виявити діагностичну ознаку стану ВН за характеристиками крутного моменту та розробити на її основі алгоритм та метод діагностування.–

розробити технічні засоби реалізації методу діагностування стану ВН та провести їх промислову апробацію.

Об'єкт дослідження – механізований спосіб видобутку нафти за допомогою установок ЕВН, при експлуатації яких виникають дефекти, що викликають як зміну технічного стану установки ЕВН, так і збільшення витрат споживаної електроенергії, що призводить до зниження ефективності процесу видобутку нафти та виникнення відмов.

Предметом дослідження є встановлення закономірностей зміни крутного моменту на валі заглибного електродвигуна (ЗЕД) установки ЕВН, обумовленого як зносом робочих органів ВН, так і впливом свердловинних факторів та розробка на їх основі діагностичного забезпечення установки ЕВН.

Методи дослідження. При розробці діагностичної моделі використовувалися методи електрогідравлічних аналогій, основні положення теорії електричних машин та теорії звичайних диференціальних рівнянь, а також методи теорії автоматичного управління та основні положення технічної діагностики.

При розробці технічного забезпечення експериментальних досліджень використовувалися методи раціонального планування експерименту, схемо- і системотехніки та основні положення теорії статистичних вимірювань. При аналізі результатів експериментальних досліджень і вирішенні задач розробки діагностичного забезпечення установок ЕВН, використовувалися: методи спектрального і кореляційного аналізу, основні положення теорії надійності, технічної діагностики та методології проектування систем діагностування.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у вдосконаленні методів діагностування установок ЕВН в процесі експлуатації і визначається наступними основними положеннями:–

вперше створена математична діагностична модель УЕВН, яка дозволяє описати зміну крутного моменту на валі ЗЕД, обумовленого впливом дефектів робочих органів відцентрового насоса (величиною зносу направляючих апаратів, робочих коліс, опорних шайб – нижніх і верхніх та захисних втулок валі);–

створена діагностична модель ЗЕД, відцентрового насоса та установки ЕВН в цілому, яка дозволяє визначити умови її працездатності;–

вперше встановлено закономірності зміни крутного моменту на валі ЗЕД установки ЕВН, обумовлені впливом свердловинних факторів; –

встановлено, що напрацювання різних типорозмірів установок ЕВН до відмови на нафтопромислах Східної України описується експоненціальним законом розподілу і визначено його параметри, що дозволило розрахувати показники ефективності розробленої системи діагностування;–

вперше встановлені закономірності зміни рівня гармонічних складових в спектрі крутного моменту на валі ЗЕД, обумовлені зносом робочих органів відцентрового насоса;–

виявлена діагностична ознака – відношення суми рівнів перших трьох гармонік до суми рівнів четвертої та п'ятої гармонік в спектрі крутного моменту, зміна якої характеризує степінь зносу ВН і не залежить від типорозміру установок ЕВН.

Практичне значення отриманих результатів полягає в:–

розробці алгоритму діагностування установки ЕВН в процесі експлуатації, який покладено в основу методу діагностування;–

розробці методу діагностування, який дозволяє отримати об'єктивну і вірогідну інформацію про технічний стан установки ЕВН і на її основі оцінити величину енергетичних витрат на видобуток однієї тони нафти, тобто ефективність установки, та проводити ремонт за фактичною потребою;–

визначенні умови працездатності запропонованого методу – граничного значення діагностичної ознаки, до якого можна експлуатувати установки ЕВН;–

розробці системи діагностування установки ЕВН та її програмного забезпечення, яка дозволяє реалізувати розроблений метод;–

розрахунку показників ефективності розробленої системи діагностування, зокрема вірогідності діагностування D=0,99, що вказує на правильний вибір схемотехнічних рішень, закладених в систему діагностування.

Розроблений метод і технічні засоби пройшли промислову апробацію на свердловинах №50, 54, 204, 208 Скороходівського родовища НГВУ “Чернігівнафтогаз” і прийняті до подальшого впровадження.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень використано в навчальному процесі – в робочій програмі дисциплін “Основи надійності та технічної діагностики”, “Методи і засоби діагностування об'єктів нафтогазового комплексу” і “Проектування систем діагностування”, які читаються для студентів спеціальності 7.091401 – “Системи управління та автоматики”.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Проаналізовано сучасний стан діагностування установок ЕВН в процесі експлуатації, удосконалено діагностичну модель установки ЕВН з КНКТ [1] та розроблено діагностичну математичну модель відцентрового насосу [7], проведено стендові і промислові дослідження зміни крутного моменту на валі ЗЕД в залежності від технічного стану УЕВН [4], оцінено критерій організації розробленої системи діагностування [8]. В роботах опублікованих в співавторстві: проаналізовані поступові відмови установок ЕВН і визначені параметри закону їх розподілу [6], змодельовано вплив виду зносу робочих органів відцентрового насосу на вібростан установки ЕВН [3], проаналізовані результати досліджень вібростану установок ЕВН в промислових умовах [10] і розроблені окремі напрямки зменшення рівня їх вібрацій [12]. Проведені обробка і аналіз результатів досліджень впливу свердловинних факторів на зміну крутного моменту на валі ЗЕД [5], та визначені умови працездатності установки ЕВН [9]. Розроблені функціональні структурні схеми системи контролю стану [11] та мікропроцесорної системи діагностування [2] установок ЕВН. Здобувач приймав безпосередню участь в проведенні стендових і промислових досліджень та промисловій апробації розроблених методу і технічних засобів.

Апробація результатів досліджень. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на ХІІ, ХШ, ХIV, XV, XVI, XVIІ, XVIІІ Міжнародних міжвузівських школах семінарах “Методи і засоби технічної діагностики” (м. Івано-Франківськ, 1995, 1997, 1999, 2001 р.р.), (м. Йошкар-Ола – 1996, 1998, 2000 р.р.); науково-технічній конференції “Контроль і управління в технічних системах ” (м. Вінниця, 1995 рік); 6-тій Міжнародній науково-практичній конференції „Нафта і газ України – 2000” (м. Івано-Франківськ, 2000 рік); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (1996, 1997, 1999 р.р.); наукових семінарах кафедри комп'ютерних технологій в системах управління та автоматики (1996 – 2001 р.р.).

Публікації. За результатами досліджень, які викладені в дисертації опубліковано 11 робіт з них 4 одноосібних.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, додатків, викладених на 130 сторінках тексту, 38 рисунків, 9 таблиць, списку використаних джерел, що містить 98 найменувань та 10 додатків на 43 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, показано зв'язок з науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета та задачі дослідження, подані наукова новизна та практичне значення отриманих результатів. Визначений особистий внесок здобувача та приведена інформація про апробацію результатів роботи.

У першому розділі досліджено умови виникнення поступових відмов установок ЕВН на нафтопромислах Східної України, обґрунтовано вибір закону розподілу відмов та визначено його параметри. Встановлено, що більш ніж в 50% випадків причиною поступових відмов установки ЕВН є відмова ВН, обумовлена зносом його робочих органів. Останній визначається, в основному, значним вмістом механічних домішок та рівнем вібрацій УЕВН з колоною НКТ, тобто їх вібростаном.

Критичний аналіз сучасного стану проблеми діагностування установок ЕВН в процесі експлуатації, питання якої знайшли відображення в працях Аліева І.М., Алескерова Ш.А., Богданова А.А, Галлямова І.І, Заміховського Л.М., Сав'юк Л.О. та ін. показав, що її вирішення проводять за двома окремими напрямками. Перший – діагностування стану установки ЕВН за параметрами її вихідних робочих процесів: величиною подачі, ККД, споживаним установкою струмом і ін. Другий – за параметрами супутніх процесів: за характеристиками вібраційних процесів, що супроводжують роботу ЕВН, та за температурою ЗЕД.

Встановлено, що сьогодні найбільш широке промислове використання знайшли методи вібродіагностики установок ЕВН з колоною НКТ, методологічні основи яких детально розроблені. Однак методи вібродіагностики не дозволяють визначити технічний стан установок ЕВН на рівні її основних вузлів – ВН і ЗЕД, а дають лише інтегральну оцінку технічному стану установки ЕВН з колоною НКТ. Стосовно методів першого напрямку, то жоден з них не знайшов практичного застосування.

Показана перспективність використання в якості діагностичної ознаки крутного моменту на валі ЗЕД, оскільки будь-які відхилення в роботі ВН, викликані зміною технічного стану його робочих органів, будуть викликати зміну величини крутного моменту. Однак сьогодні відсутні дослідження взаємозв'язку величини крутного моменту на валі ЗЕД із зміною розмірів робочих органів (зносом робочих коліс, направляючих апаратів, верхніх і нижніх опорних шайб, направляючих втулок валі), а також впливу свердловинних факторів і вібростану установок ЕВН на зміну крутного моменту, що стримує розробку нового методу. Проведений аналіз існуючих засобів контролю крутного моменту на валі ЗЕД показав можливість їх використання для вирішення поставлених в роботі задач.

На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми сформульовано мету і завдання дисертаційної роботи.

У другому розділі розглянуті теоретичні основи методу діагностування установок ЕВН за величиною крутного моменту на валі ЗЕД. Враховуючи, що важливим етапом при створенні системи діагностування складних об'єктів є створення діагностичної моделі об'єкту, яка дозволяє аналізувати вплив дефектів об'єкту на вибрані діагностичні ознаки, особлива увага приділена розробці діагностичної моделі ВН.

Враховуючи, що гідромеханіка відцентрового насосу багато в чому базується на емпіричних стохастичних формулах, що не допускають ефективного використання ЕОМ, для моделювання режимів роботи ВН було використано електрогідравлічну аналогію, що базується на системному переносі теорії електричних кіл в гідравліку.

Застосовуючи принципи електрогідравлічної аналогії отримана наступна схема заміщення ЕВН (рис.1),

Рис.1. Схема заміщення електровідцентрового насоса

де HўҐ, QўҐ, NўҐ, – напір, витрата та потужність насосу, що працює без будь-яких втрат (ідеальний насос); Hўт, Qўт, Nўт, – напір, витрата та потужність насосу з врахуванням втрат від скінченої кількості лопаток (теоретичний насос); Hўд, Qўд, Nк – напір, витрати та потужність реального ВН; Qm, QD, – об'ємні втрати рідини, спричинені відповідно скінченою кількістю лопаток Кл та зворотними зв'язками через ущільнення; Qмех – об'ємні втрати рідини, що відповідають механічним втратам енергії; Rt – внутрішній гідравлічний опір реального ВН; Rmex – нелінійний опір, що відображає механічні втрати енергії; RmQ, RmH – нелінійні опори, що відображають вплив скінченої кількості лопаток на витрату і напір насосу; RDQ, RDH – нелінійні опори, що відображають об'ємні та гідравлічні втрати енергії; Н0 – напір на виході реального ВН в режимі холостого ходу (Q=0); Нст – статичний напір в зовнішньому трубопроводі; Qm, QD, – об'ємні втрати рідини спричинені, відповідно, скінченою кількістю лопаток Кл та зворотними зв'язками через ущільнення; Qмех – об'ємні втрати рідини, що відповідають механічним втратам енергії; Rt – внутрішній гідравлічний опір реального ВН; Rmex – нелінійний опір, що відображає механічні втрати енергії; RmQ, RmH – нелінійні опори, що відображають вплив скінченої кількості лопаток на витрату і напір насосу; RDQ, RDH – нелінійні опори, що відображають об'ємні та гідравлічні втрати енергії; Н0 – напір на виході реального ВН в режимі холостого ходу (Q=0); Нст – статичний напір в зовнішньому трубопроводі.

Параметри ідеального та теоретичного ВН, що функціонально пов'язані схемою заміщення з параметрами реального ВН, позначені з індексом “ў”, оскільки в режимі холостого ходу для реального ВН витрата QўҐхх буде відмінна від нуля (мають місце витрати Qmхх та QDхх), тоді як для ідеального ВН дана витрата рівна нулю. Аналогічно в режимі “обриву” напірного тракту напір реального ВН HўҐобр>0, на відміну від такого ж режиму ідеального ВН (в якому HҐобр=0).

На основі схеми заміщення записується система рівнянь в системі відносних одиниць, коли всі величини, які характеризують роботу насосу виражаються в частках від номінальних значень цих параметрів, що широко використовується в теорії електричних машин, та дозволяє спростити аналіз режимів роботи насосу, яка для установки типу ЕВН5-50-2000 матиме вгляд

В результаті розв'язку системи рівнянь отримано напірну характеристику насосу ЕВН5-50-2000

H(Q)=2069,38 - 0,0278Q  ,0914Q2,

яка дозволяє отримати залежність крутного моменту від подачі установки, що визначається через параметри схеми заміщення, які, в свою чергу, – через конструктивні та режимні параметри установки. Вказане дозволило пов'язати конструктивні і режимні параметри установки з величиною крутного моменту на валі ЗЕД, та отримати залежності зміни крутного моменту на валі ЗЕД від різної величини зносу робочих органів ВН.

Установка ЕВН вважається працездатною, якщо вона може виконувати поставлені перед нею задачі.

Аналіз працездатності УЕВН передбачає визначення умов працездатності та вибір сукупності величин, які дозволяють перевірити ці умови працездатності та визначити метод їх контролю.

Умови працездатності УЕВН визначено на основі аналізу її моделі, як обмеження на зміну динамічних параметрів ОД.

Оскільки установку ЕВН можна вважати безперервним лінійним об'єктом, то умови працездатності в загальному випадку можуть бути задані як обмеження на переміщення полюсів і нулів в комплексній площині.

З метою визначення умов працездатності побудовано передавальну функцію установки ЕВН.

Для цього установку ЕВН представили як послідовне з'єднання ЗЕД, гідрозахисту та ВН. Вхідною величиною для ЗЕД є напруга на статорі, а вихідною – кутова швидкість вала. Остання, в свою чергу, є вхідною величиною ВН, для якого вихідною величиною є подача. Передавальну функцію гідрозахисту, який складається із компенсатора і протектора, не враховуємо, оскільки він лише передає крутний момент від ЗЕД до ВН і служить, в основному, запобіганню попадання свердловинної рідини у внутрішню порожнину ЗЕД і компенсації температурних об'ємів масла.

Для приводу ВН використовується спеціальний вертикальний асинхронний двополюсний електродвигун вертикального виконання, який наближено можна представити аперіодичною ланкою, яка для ЗЕД 32-103 матиме вигляд

На основі аналізу процесів, що проходять у ВН, та приймаючи за вхідну величину швидкість обертання його валі, а за вихідну – подачу, ВН можна представити підсилюючою ланкою.

Wн(р)=k2,

де – коефіцієнт, що визначається конструктивними параметрами ВН.

Отже, УЕВН можна представити у вигляді системи послідовного з'єднання двох ланок.

Аналіз в комплексній площині і формування умов працездатності, як вимога знаходження коренів передавальної функції в заданій області, дозволяє на основі методу малого параметру здійснити перехід до задання умов працездатності в області параметрів (технічний стан ВН), що контролюються.

У третьому розділі розглядається методичне, технічне і програмне забезпечення експериментальних досліджень впливу технічного стану ВН – зносу його робочих органів на величину крутного моменту на валі ЗЕД в стендових та промислових умовах.

Стендові дослідження проводилися на базі прокатно-ремонтного цеху ВАТ „Укрнафта” (м.Варва) з використанням відібраних установок ЕВН5-50 та ЕВН5-80, як найбільш поширених, що мали різний період напрацювання і, відповідно, технічний стан. При дослідженнях використовувалася спеціально оснащена відповідними технічними засобами свердловина. Промислові дослідження проводилися на нафтопромислах НГВУ „Чернігівнафтогаз” на свердловинах, вибір яких був обґрунтований поставленими в роботі задачами і у відповідності з затвердженою керівництвом НГВУ програмою.

Методика проведення експериментальних досліджень забезпечила вивчення впливу величини зносу робочих органів ВН та свердловинних факторів на величину крутного моменту на валі ЗЕД для різних типорозмірів установок ЕВН.

Для забезпечення проведення досліджень, згідно з поставленими задачами, була розроблена інформаційно-вимірювальна система “ІВС-ЗЕУ”, що складається з наступних функціонально завершених блоків: вимірювального блоку ВБ, мультиплексора МтП, АЦП та мікропроцесорного пристрою, в якості якого використовувалася ПЕОМ класу АТ386. Вимірювальний блок призначений для вимірювання споживаної потужності і складається з трьох давачів струму та трьох давачів напруги по одному на кожну фазу.

В якості первинних перетворювачів використано вимірювальні трансформатори напруги та струму класу точності 1,5 з відповідними нормуючими пристроями для забезпечення знаходження вихідного сигналу в діапазоні до +5 В.

Процес вибору вимірювального каналу, аналогово-цифрового перетворення та запису оцифрованих відліків у файл здійснюється під керуванням спеціально розробленої сервісної асемблер-програми. Вибірка відліків з каналів вимірювання споживаної потужності здійснюється з частотою 2000 Гц на канал. Розроблене на базі пакету TurboC програмне забезпечення “ІВС-ЗЕУ” забезпечує оперативне обчислення крутного моменту на валі ЗЕД, через споживану установкою ЕВН потужність з врахуванням всіх її втрат та представлення отриманих даних у вигляді графіків крутного моменту. Розроблене допоміжне програмне забезпечення (на базі пакету TurboC) дозволяє оперативно переглядати отриманий файл первинної вибірки з представленням графіків напруги та струму в кожній фазі системи живлення установки та перетворювати файл первинної вибірки в формат ASCII для детальніших досліджень з використанням пакетів MathCad та MatLab.

Встановлено, що обчислені значення крутного моменту на валі ЗЕД описуються нормальним законом розподілу, параметри якого визначаються типорозміром та технічним станом установки. Так, для установок типу ЕВН5-50-1800 параметри закону розподілу виміряних значень крутного моменту в залежності від технічного стану установки та впливу свердловинних факторів, знаходяться в межах: середнє значення моменту від 70 до 100 Н*м, а середньоквадратичне відхилення від 0,108 до 0,3 Н*м.

У четвертому розділі приводиться аналіз результатів експериментальних досліджень впливу стану робочих органів ВН і свердловинних факторів на зміну крутного моменту на валі ЗЕД та розроблений на їх основі метод діагностування стану установок ЕВН.

Дослідження впливу свердловинних факторів на характер зміни крутного моменту на валі ЗЕД здійснено, в основному, на основі результатів експериментів, проведених на нафтових родовищах НГВУ “Приобнафта”, ВАТ “Нижневартовськнафтогаз” по дослідженні впливу напруги живлення на вібраційний стан установок ЕВН, проведених під керівництвом проф. Заміховського Л.М. Експерименти проводилися на установках УЕВН5А-500-1000 із двигуном ЗЕД125-117, які широко застосовуються на нафтопромислах Західного Сибіру. Для аналізу були відібрані свердловини з найбільш характерним проявом одного з свердловинних факторів (утворення газової пробки, значний газовий фактор, різке збільшення піску в свердловинній рідині, наявність шламу та ін.) (рис.2).

Рис. 2. Моментограми роботи установки ЕВН при: а) наявності шламів на вибої свердловин; б) газовому факторі; в) утворенні газової пробки; г) перевантаженні (1 – експериментальна крива, 2 – апроксимуюча крива).

Як видно з рис.2, різні фактори по різному впливають на зміну крутного моменту, причому величина крутного моменту на валі ЗЕД може як зменшуватися, так і зростати, або коливатися навколо середнього значення. Встановлені закономірності зміни крутного моменту під дією свердловинних факторів, що дозволяють проводити ідентифікацію останніх на основі вимірювання крутного моменту. Так зміну моменту при утворенні газової пробки можна описати

Мкр(t)=390,803+2,284t-0,023t2,

а при перевантаженні виразом

Мкр(t)=390,956+0,00489t2+0,0013t3

Що дозволяє проводити ідентифікацію сведловинних факторів за зміною середнього значення крутного моменту.

Дослідження впливу зносу робочих органів ВН на величину крутного моменту показали, що при їх зношенні крутний момент знижується. При значному зносі також спостерігається і коливання крутного моменту (пульсуюча подача). Для насосу з повністю зношеними робочими органами величина крутного моменту становить близько половини номінального значення (табл.1). Отже, при зношенні робочих органів ВН величина крутного моменту змінюється аналогічно, як при зниженні динамічного рівня в свердловині, тому для пошуку додаткових ознак запропоновано застосувати апарат спектрального аналізу, оскільки миттєве значення крутного моменту на валі ЗЕД є непервною функцією часу.

Встановлено, що основною гармонікою спектру крутного моменту є гармоніка частотою fo = 100 Гц та її гармонічні складові 2fo, 3fo, 4fo, 5fo, а також субгармонічні складові кратності Ѕfo, ј fo. Основна енергія спектру зосереджена в смузі 0-600 Гц, поява складових в діапазоні 800-900 Гц обумовлюється впливом електромагнітної вібрації ЗЕД. При цьому найбільшу амплітуду мають складові fo, 2fo, 3fo (рис. 3).

Рис.3 Спектрограми крутного моменту нового (а) та насосу із зношеними робочими органами (б) типу ЕВН5-50-800

Порівнюючи отримані спектри виявлено, що зносові явища в ВН мають значний вплив також і на спектральний склад крутного моменту та призводять до перерозподілу спектральної енергії між складовими. Так, повний знос робочих органів ВН типу ЕВН5-50 викликає зростання амплітуди основної гармоніки на 21% при незначному зниженні амплітуд другої та третьої гармонік в межах 8%. В спектрі також додатково з'явилися субгармонічні складові Ѕfo, ј fo.(табл.1)

Таблиця 1

Залежність рівня спектральних складових у спектрі крутного моменту

та його середнього значення від стану ВН типу ЕВН5-50-800

Технічний стан насоса Момент, Н*м Рівень спектральних складових, Н*м

fo 2 fo 3 fo 4 fo 5 fo 6 fo 7 fo 8 fo 9 fo –

новий 38,171 1,14 1,18 0,6 0,16 0,06 0,056 0,014 0,035 0,078 –

ремонтний 32,719 1,135 1,133 0,399 0,151 0,03 0,042 0,025 0,049 0,064 –

з промислу (50% знос робочих органів) 29,408 0,584 1,388 0,974 0,096 0,029 0,026 0,018 0,038 0,061 –

з промислу (100% знос робочих органів) 19,354 2,171 1,026 0,534 0,085 0,033 0,03 0,018 0,039 0,07

Отримані результати підтверджуються і промисловими дослідженями (табл.2), коли на значення крутного моменту впливають також і свердловинні фактори. Показано, що з ростом напрацювання установки ЕВН відбувається зростання амплітуди першої гармоніки спектру крутного моменту при зниженні рівня другої.

Таблиця 2

Залежність рівня спектральних складових у спектрі крутного моменту та його середнього значення для установок ЕВН5-5-2000 з різним терміном напрацювання

№ Св. Tнапр, діб Обвод. % Мкр, НЧм Спектральні складові Примітка

f0 2f0 3f0 4f0 5f0 6f0 7f0 8f0 9f0

90 4 60 82,683 1,46 0,68 0,66 0,06 0,16 0,065 0,04 0,02 0,105

50 12 45 72,855 3,1 0,42 0,84 0,07 0,16 0,03 0,05 0,04 0,7

204 19 50 78,398 2,2 0,8 0,24 0,08 0,12 0,16 0,03 – 0,04

208 57 80 77,426 2,36 0,53 0,63 0,093 0,081 0,026 0,036 0,028 0,68 Підвищена електромагнітна вібрація двигуна

54 413 30 72,424 3,19 0,3 0,7 0,08 0,06 0,035 0,03 0,11 0,96 Аналогічно

На основі аналізу стендових та промислових досліджень встановлено, що контролювати знос робочих органів ВН найбільш раціонально на основі спостережень за зміною спектральних складових спектру крутного моменту на валі ЗЕД, в той час, як контроль за середнім значенням крутного моменту дозволить виявити прояви різних свердловинних факторів. В той же час відмічено, що контроль рівня лише якоїсь окремої складової спектру не дозволяє якісно діагностувати стан ВН. На основі аналізу рівнів спектральних складових спектру крутного моменту запропонована узагальнена діагностична ознака стану ВН – відношення суми рівнів першої, другої та третьої гармоніки до суми рівнів четвертої та п'ятої гармонік, яку було покладено в основу розробленого методу діагностування ВН:

,

де – рівні відповідних спектральних складових, .

Зміна рівня діагностичної ознаки від зміни технічного стану установок ЕВН різних типорозмірів наведена в табл.3.

Таблиця 3

Зміна рівня діагностичної ознаки від зміни технічного стану установок ЕВН

Технічний стан насоса Рівень спектральних складових, Н·м Значення діагностичної ознаки

fo 2 fo 3 fo 4 fo 5 fo

ЕВН5-50-800: –

новий 1,14 1,18 0,6 0,16 0,06 14,73 –

ремонтний 1,135 1,133 0,399 0,151 0,03 15,74 –

з 50% зносом робочих органів 0,584 1,388 0,974 0,096 0,029 24,57 –

з повністю зношеними робочими органами (100%) 2,171 1,026 0,534 0,085 0,033 32,6

ЕВН5-50-1000: – новий 1,9 0,72 0,61 0,176 0,044 15,74 –

ремонтний 1,44 0,64 0,51 0,11 0,06 16,25 –

з 30% зносом робочих органів 1,64 0,8 0,28 0,11 0,05 18,0

ЕВН5-50-1800 з 30% зносом робочих органів 2,544 1,02 0,46 0,15 0,08 18,4

Проведено порівняння результатів моделювання впливу зносу робочих органів ВН на величину крутного моменту із промисловими результатами (рис.4). Згідно результатів моделювання для установок ЕВН, які експлуатувалися в свердловинах Скороходи 66 (дебіт 65 м3/добу) та 52 (дебіт 60 м3/добу), значення крутного моменту становить відповідно 78,1 Н*м та 84,2 Н*м, що відповідає зносу робочих органів більше 15% для першої установки (Скороходи 66) та менше ніж 5% для другої (Скороходи 52) (рис.4). Порівняння з виміряними значеннями крутного моменту показує їх високу кореляцію між собою (табл.4). Крім того, виміряне значення діагностичної ознаки підтверджує результати моделювання. Таким чином, розроблена діагностична модель ВН адекватно описує вплив зносу робочих органів ВН на величину крутного моменту.

Таблиця 4

Порівняння результатів моделювання залежності крутного моменту від технічного стану ВН типу ЕВН5-50-1800 з промисловими даними

Номер свердловини Дебіт, м3/добу Розрахункове значення Мкр.роз, НЧм Виміряне значення Мкр.вим, НЧм Значення ДО X

Сведловина 66 65 78,1 77,2 25,9

Свердловина 52 60 84,2 83,4 15,4

Рис.4. Напірні характеристики установки УЕВН5-50-1800 з різним технічним станом ВН

та умовні характеристики свердловин Скороходи 66 та 52

В п'ятому розділі розглядаються питання розробки системи діагностування (СД) стану установок ЕВН на основі запропонованого методу.

Базуючись на результатах зміни діагностичної ознаки в часі, обґрунтовано вибір робочого періодичного діагностування з регулярним періодом, на основі чого розроблено конфігурацію СД, яка складається з блоку первинних перетворювачів, блоку комутації каналів та переносного мікропроцесорного блоку обробки результатів вимірювання (на базі ПЕОМ типу „NoteBook”).

Блок первинних перетворювачів складається з трьох давачів напруги на основі ефекту Хола типу CV3 та трьох давачів струму типу HAS з вихідним сигналом у вигляді напруги. Порівняно низька вартість при достатній точності таких давачів дозволяє встановити їх на кожній свердловині стаціонарно, оскільки їх монтаж вимагає зупинки роботи установки ЕВН, що негативно впливає на її технічний стан. Похибка цих давачів не перевищує 1% від вимірюваного значення. Вихідний роз'єм блоку первинних перетворювачів необхідно вивести на передню панель шафи управління УЕВН.

Така роздільна конструкція забезпечує під'єднання мікропроцесорного блоку для діагностування стану установки ЕВН без її зупинки.

Розроблено структурну схему блоку комутації каналів з управлінням через LPT-порт, що дозволяє програмним шляхом керувати комутацією каналів.

При проектуванні СД установок ЕВН на основі розробленого алгоритму діагностування важливою задачею є організація взаємодії всіх елементів системи, що беруть участь в процесі діагностування і від яких залежить її якість. Оскільки в процесі діагностування в загальному випадку беруть участь три елементи (об'єкт діагностування, технічні засоби діагностування (ТЗД) і людина-оператор), то для вирішення задачі організації СД необхідно вибрати критерій, який враховує показники всіх цих елементів.

За критерій організації СД установок ЕВН використано показник готовності Пг, який визначає ймовірність того, що об'єкт є працездатним в довільний момент часу та, відповідно, отримано його аналітичний вираз і встановлено, що при періодичному діагностуванні оптимальний період діагностування для умов НГВУ “Чернігівнафтогаз” становить 86 год (3,5 доби) (рис.5).

іі

Рис.5. Залежність показника готовності Пг СД від періоду діагностування Т

Проведено оцінку ефективності розробленої СД. Встановлено, що вірогідність контролю за допомогою розробленого методу та технічних засобів становить 0,99.

Розроблений метод діагностування УЕВН разом з технічними засобами прийнятий до впровадження в НВГУ “Чернігівнафтогаз”.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової задачі контролю стану установок ЕВН в процесі експлуатації, що полягає в розробці їх діагностичного забезпечення (моделей, алгоритмів, методів та технічних засобів діагностування).

Основні результати роботи полягають в наступному.

1. Вперше встановлені закономірності напрацювання установок ЕВН по типорозмірах і нафтових родовищах НВГУ “Чернігівнафтогаз” та визначено закон розподілу відмов і його параметри, що дозволило обґрунтувати необхідність розробки методу діагностування конкретного вузла установки – ВН.

2. На основі аналізу сучасного стану діагностування установок ЕВН встановлено, що існуючі методи не дозволяють діагностувати стан окремих вузлів, а дають інтегральну оцінку стану по установці ЕВН в цілому та обґрунтована необхідність в розробці методу діагностування ВН в процесі експлуатації.

3. Базуючись на використанні методу електрогідравлічних аналогій створено діагностичну модель ВН, яка дозволяє описати зміну крутного моменту на валі ЗЕД, обумовленого впливом зносу робочих органів ВН (робочих коліс, направляючих апаратів, захисних втулок та опорних шайб).

4. Розроблено діагностичну модель установки ЕВН у вигляді передавальної функції, на основі якої було визначено умови працездатності установки в області структурних параметрів шляхом обмеження переміщення коренів характеристичного рівняння.

5. З метою ефективного проведення комплексу експериментальних досліджень закономірностей зміни крутного моменту на валі ЗЕД, обумовленого впливом зносу робочих органів ВН розроблено:–

методичне забезпечення, яке дозволяє здійснити весь комплекс стендових і промислових досліджень;–

технічне забезпечення – мікропроцесорну інформаційно-обчислювальну систему, яка дозволяє проводити збір і обробку результатів експериментів в реальному масштабі часу і забезпечує їх вірогідність;

·

6. Встановлені закономірності зміни крутного моменту на валі ЗЕД, обумовлені впливом свердловинних факторів (утворення газової пробки, значний газовий фактор, наявність шламу, різке збільшення механічних домішок і ін.), що дозволяє проводити їх ідентифікацію на основі вимірювання середнього значення крутного моменту в процесі експлуатації установок ЕВН.

7. Встановлено, що не існує закономірності конкретних гармонічних, субгармонічних чи спектральних складових у спектрі крутного моменту, які б однозначно характеризували величину зносу робочих органів ВН. Останнє вимагає обґрунтованого вибору ДО стану ВН.

8. Вибрана і експериментально обґрунтована ДО – відношення суми рівнів першої, другої та третьої гармонік спектру крутного моменту до суми рівнів четвертої та п'ятої гармонік та встановлено межі її зміни, на основі чого розроблено метод і алгоритм діагностування ВН в процесі експлуатації.

9. Порівняння результатів моделювання крутного моменту на валі ЗЕД по конкретних свердловинах і установках ЕВН, проведених з використанням розробленої діагностичної моделі з реальними промисловими даними, вказує на адекватність діагностичної моделі (похибка не перевищує 8,0%).

10. Обґрунтовано конфігурацію системи діагностування ВН, визначено показник її готовності та проведена оцінка ефективності розробленої СД – вірогідність контролю становить 0,99.

11. Проведена промислова апробація розробленого методу та системи діагностування ВН на нафтопромислах НГВУ “Чернігівнафтогаз”, результати якої підтвердили їх високу ефективність.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Зікратий С.В. Вдосконалення діагностичної моделі системи "УЕВН-КНКТ" // Методи та прилади контролю якості.– №2.– Івано-Франківськ, 1998.– С.53-55.

2. Заміховський Л.М., Зікратий С.В. Мікропроцесорна система діагностування електроустановок для видобутку нафти //Методи і засоби технічної діагностики.– Івано-Франківськ, 1995.– С.72-75.

3. Заміховський Л.М., Зікратий С.В. Математичне моделювання крутильних та поздовжніх коливань системи "УЕВН-КНКТ" // Методи і засоби технічної діагностики.– Івано-Франківськ, 1997.– С.25-30.

4. Зікратий С.В. Дослідження впливу технічного стану установок ЕВН на величину крутного моменту на валі ЗЕД // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Методи і засоби технічної діагностики.– Івано-Франківськ., 1999.– Вип.36 (т.8).– С.295-301.

5. Зікратий С.В. Математичне моделювання технічного стану установки ЕВН // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Методи і засоби технічної діагностики.– Івано-Франківськ, 2000.– Вип.37 (т.8).– С.133-141.

6. Жидецька О.Л., Зікратий С.В. Умови виникнення і аналіз поступових відмов установок ЕВН // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Методи і засоби технічної діагностики.– Івано-Франківськ, 2001.– Вип.38 (т.8).– С.201-209.

7. Заміховський Л.М., Зікратий С.В. Дослідження впливу свердловинних факторів на ефективність експлуатації установки ЕВН та зміну крутного моменту на валі ЗЕД // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Технічна кібернетика та електрифікація об'єктів паливно-енергетичного комплексу.– Івано-Франківськ, 2001.– Вип.37 (т.6).– С.194-200.

8. Зікратий С.В. Оцінка ефективності системи діагностування установок ЕВН для видобутку нафти за енергетичними параметрами // Нафта і газ України. Збірник наукових праць: Матеріали 6-тої Міжнародної наук.-практ. конф. “Нафта і газ України – 2000”. Івано-Фр., 31 жовтня – 3 листопада 2000 року.: У 3-х томах.– Івано-Франківськ.: Факел, 2000. – т.3.– С.298-301.

9. Замиховский Л.М., Зикратый С.В. Определение условий работоспособности установки ЭЦН // Методы и средства технической диагностики.– Йошкар-Ола, 1998.– С.195-198.

10. Замиховский Л.М., Зикратый С.В., Савюк Л.О. Исследование вибросостояния системи "УЭЦН-КНКТ" в промысловых условиях // Ивано-Франк. ин-т нефти и газа.– Ивано-Франковск, 1993.– 10 с.– Рус.– Деп. в ГНТБ Украины 01.06.95, №1370-Ук95.

11. Заміховський Л.М., Зікратий С.В. Система контролю технічного стану установок ЕВН в процесі експлуатації // Тези доп. 3-ої міжнарод. наук.-техн. конф. "Контроль і управління в технічних системах" – Вінниця, 1995.– Частина І.– С.253-254.

12. Заміховський Л.М., Зікратий С.В. Розробка напрямку зменшення вібрацій електроустановок для видобутку нафти //Тези доп. наук.-техн. конф. проф.-виклад. складу ІФДТУНГ. – Івано-Франківськ, 1995.– Частина 2.– С.104.

АНОТАЦІЯ

Зікратий С.В. Розробка методу діагностування заглибних електроустановок для видобутку нафти. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – Прилади і методи контролю та визначення складу речовин. – Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ, 2002.

Дисертація присвячена розробці методу діагностування заглибних електроустановок для видобутку нафти, що базується на оцінці крутного моменту на валі заглибних електродвигунів. Розроблена діагностична модель відцентрового насосу, обгрунтовано вибір діагностичної ознаки його стану, на основі якої розроблено алгоритм і метод діагностування. Визначено умови працездатності розробленого методу. Розроблено систему діагностування, визначено критерій її організації та проведена оцінка ефективності.

Основні результати роботи знайшли промислове впровадження на нафтовидобувному підприємстві НГВУ „Чернігівнафтогаз”, а також в навчальному процесі.

Ключові слова: відцентровий насос, технічний стан, технічна діагностика, дефекти, діагностична ознака, крутний момент.

АННОТАЦИЯ

Зикратый С.В. Разработка метода диагностирования установок погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти. – Рукопись. Диссертация