Способ диагностики штанговых насосных установок

 

Изобретение относится к способам диагностики штанговых насосных установок по диаграммам мощности (ваттметрограмм) и может быть применено в нефтедобывающей промышленности. Целью изобретения является повышение достоверности определения технического состояния. Поставленная цель достигается за счет того, что дополнительно измеряют скорость изменения мощности установки, соответствующей уравновешенному станку - качалке штанговой насосной установки, и по диагностическому коэффициенту, вычисленному на основе разового портрета ваттметрограммы. определяют техническое состояние установки . 13 ил., 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si>s G 05 В 23/02 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 ,(21) 4756453/24 (22) 01.11.89 (46) 30.12.92. Бюл. N 48

{71) Томский политехнический институт им, С.М. Кирова (72) Е.И. Гольдштейн и И.А. Шутова (56) 1. Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 1112145, кл. F 04 В 51/00, 1984, 2. Кричке В.О. Автоматический анализатор работы глубиннонасосной установки, PHTC "Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности", ВНИИОЭНГ, N12,,1975, с. 10-14. (54) СПОСОБДИАГНОСТИКИ ШТАНГОВЫХ

НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

Изобретение относится к способам диагностики шганговых насосных установок по диаграммам мощности {ваттметрограммам) и может ()bITb использовано для диагностики повреждений штанговых насосных установок в нефтедобывающей промышленности, Известен способ диагностики механизма, преимущественно насоса (1), включающий измерение диагностического сигнала, преобразование последнего в сигнал огибающей высокочастотной части спектра и выделение отдельных составляющих сигнала огибающей с последующим измерением их амплитуд, формирование опорных сигналов с частотами, кратными частоте вращения ротора насось, выделение составляющих путем синхронизации с опорными сигналами, измерение амплитуд и фаз этих составля;ощих и диагностика состояния. Ж 1784947 А1 2 (57) Изобретение относится к способам диагностики штанговых насосных установок по диаграммам мощности (ваттметрограмм) и может быть применено в нефтедобывающей промышленности. Целью изобретения является повышение достоверности определения технического состояния, Поставленная цель достигается за счет того, что дополнительно измеряют скорость изменения мощности установки. соответствующей уравновешенному станку — качалке штанговой насосной установки, и по диагностическому коэффициенту, вычисленному на основе разового портрета ваттметрограммы, определяют техническое состояние установки. 13 ил., 2 табл. механизма по совокупности амплитуд и фаз с оста вл я ю щ их.

Однако известный способ диагностики сложен в аппаратной реализации, требует большого программного обеспечения для О© получения информации о частоте вращения Р ротора и о спектральном составе сигнала, ЧО не позволяет диагностировать выход из ра- фь, боты отдельных звеньев механизма штанговой насосной установки.

Известен также способ (2), который позволяет диагностировать состояние штанго° àà Â вой насосной установки и базируется на использовании характерных точек перегиба ваттметрограммы, а также на сравнении максимальных значений мощности за первый и второй полупериоды качания с заданными установленными значениями, Однако этот способ требует знания установочных предельных значений мощно1784947 сти для диагностирования аварийных ситуаций. Предельные значения мощности существенно меняются только при крупных авариях. Известно. что характерные точки перегиба ваттметрограммы для ряда неисправностей(обрыв штанг посередине, обрыв штанг у полированного штока, выход из строя приемного и нагнетательного клапана) совпадают. При реализации этого способа требуются специальные датчики положеййя, устанавливаемые на движущихся частях штанговой насосной установки для ойределейия хода плунжера (вверх или вниз). Имеющиеся недостатки не обеспечивают удовлетворительной достоверности диагностики и требуют для реализации дополнительных материальных затрат.

Известен также способ диагностики штанговой насосной установки (3). являющийся наиболее близким техническим решением и включающий измерение диагностической ваттметрограммы штанговой насосной установки с уравновешенным станком-качалкой с последующим анализом ее характеристик на основе фиксации как максимальной амплитуды, так и отрицательных выбросов мощности. и сравнении ваттметрограммы с эталонной по амплитуде и фазе.

Однако известный способ имеет ряд недостатков. Практика эксплуатации штанговых насосных установок показывает, что отрицательные выбросы мощности могут иметь место и в исправной установке, а мак- симальное значение мощности существенно изменяется только при крупных авариях;

Это ограничивает достоверность диагностики, Известно также. что ваттметрограмма является зависимостью, от времени, причем в зависимости от типоразмера установки она изменяется на практике от 10 до

100 кВт. Это требует индивидуальной на-. стройки параметров диагностики для каж-. . дой насосной установки, что усложняет применение способа.

Целью настоящего изобретения является повышение достоверности определения технического состояния штанговой насосной установки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе диагностики штанговых насосных установок, основанном на измерении через дискретные промежутки времени мощности установки, определении диагностической ваттметрограммы и ее анализе, согласно иэобретени1о производят сглажйвание диагностической ваттметрограммы и приведение сглаженной ваттметрограммы к виду, соответствующему уравновешенному станку-качалке штанговой насосной установки, через те же дискретные промежутки времени измеряют скорость изменения мощности установки, соответствующей уравновешенному станку-качалке штанговой насосной

5 установки, определяют фазовую кривую ваттметрограммы, определяют значение диагностического коэффициента, характеризующего диагностическую ваттметрограмму в пространстве возможных

10 состояний штанговой насосной установки; путем сравнения этого коэффициента с заданным значением определяют техническое состояние штанговой насосной установки.

15 Таким образом, в процессе диагности-. рования вычисляется диагностический коэффициент В(4):

R vg>+y (1) где С,S — координаты ваттметрограммы в фазовой плоскости. р — Х () ()+ < ) 25

1 м

s - =— g.M=1

I (3) P (Ч)+Р (1) где М вЂ” число дискретных отсчетов мощности, снятых за цикл измерения;

Р(1;) — дискретное значение мощности, измеренной в j-момент времени, Вт;

Р(1;) — дискретное значение скорости из менения мощности, измеренное в J-момент времени, Вт/с.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что. принципиальной новизной и отличием заяв40. ляемого способа(новыМматериальнымдействием) является определение, скорости изменения мощности установки и использование в качестве критерия для сравнения диагностического коэффициента, являюще45 гося сложной функций от Р(1 ), Р(11).

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Известны технические решения, в частности, в области медицины (5), использующие построение фазовых кривых исследуемого обьекта. Однако применительно к определени1о технического состояния штанговой насосной установки только визуализация фазовой кривой недостаточна, т.к. реальные ваттметрограммы для штанговых насосных установок, находящихся в одном и том же состоянии, могут иметь разные значения амплитуды мощности ус1784947

20

30

40

55 тановки из-за разных значений постоянной составляющей мощности, пропорциональной потерям в наземном оборудовании, что влияет нэ положение ваттметрограммы относительно линии нулевой мощности (6).

Однако скорость изменения мощности не зависит от постоянной составляющей и остается постоянной при разных ее значениях.

Поэтому дополнительно к фазовой кривой, позволяющей визуально по форме кривой определить тип неисправности штанговой насосной установки, количественная оценка ее состояния, заключенная в диагностическом коэффициенте, который позволяет уменьшить эффект разнородности исходных данных за счет их нормирования и осреднения, и который учитывает значения как мощности, так и скорости ее изменения в одни и те же дискретные моменты времени, позволит достовернее определить состояние штанговой насосной установки, При этом предварительное сглаживание и приведение ваттметрограммы в случае .неуравновешенности станка-качалки к,виду, соответствующему уравновешенному станку — качалке, позволяет приблизить диагносгическую ваттметрограмму к теоретической, что также повышает достоверность определения состоянил штанговой насосной установки. Следовательно, совокупность существенных отличительных признаков предложенного изобретенил позволяет повысить достоверность определения технического состояния штанговой насосной установки. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "существенные отличия".

На фиг, 1 представлена схема реализации способа; на фиг. 2 — 9 изображены фазовые кривые для основных диагностируемых видов неисправностей штанговой насосной установки на фиг. 10 представлена диагностическая ваттметрограмма конкретнбй штанговой насосной установки; на фиг, 11— график скорости изменения мощности для ваттметрограммы, изображенной на фиг.

10; на фиг. 12 — фазовая кривая для этой же ваттметрограммы, Способ диагностики штанговой насбсной установки реализован устройством (см. фиг. 1), которое содержит последовательно соединенные измерительный преобразователь активной мощности (ИПАМ) 1 (7); блок

2 сглаживания снятой ваттметрограммы; вычислительный блок 3 расчета ваттметрогрэммы, соответствующей уравновешенному состоянию станка-качалки штанговой насосной установки; дифференциэтор 4; регистрирующее устройство 5. связанное как с блоком 3, так и с блоком 4; вычислительный блок 6; блок сравнения 7.

В процессе работы устройства на вход

ИПиМ 1 подаются сигналы тока I(ti) и напряжения U(t ) одной фазы двигателя. На выходе определяется ваттметрограмма Р(), которая в блоке 2 сглаживается и в блоке 3 приводится к виду, соответствующему уравновешенному станку-качалке штанговой насосной установки. Полученная в блоке 3 ваттметрогрэмма поступает как на блок 4, где измеряются отсчеты скорости изменения мощности, так и на блок 5. Измеренные в блоке 4 отсчеты скорости изменения мощности также подаются на блок 5. Таким образом,в блоке 5 формируется фазовая кривая, по которой в блоке 6 определяется диагностический коэффициент. В блоке 7 происходит его сравнение с заданными, onределенными по теоретическим ваттметрограммам (3) и являющимися эталонными для проведения диагностики. На выходе блока

7 получают сигнал о состоянии штанговой насосной установки; "Норма" или "Авария"; в случае "Авария" выдается сигнал о наличии конкретного вида неисправности.

Авторами была использована следующая аппаратная реализация способа, Блок

1 реализован с помощью измерительного преобразователя активной мощности (6) и микроЭВМ РПТ-80. Блоки 2 — 7 реализованы программно на мини-ЭВМ EC — 1011, на которую по каналам связи от РПТ вЂ” 80 передается ваттметрограмма, снятая с помощью

ИПАМ. В качестве блока 5 используется ли6о терминал VD52100 ИОЕОТОМ, либо печатающее устройство, входящие о комплекс технических средств мини-3BM EC — 1011.

Техническая реализация измерительного преобразования 1 может быть также осуществлена, например, с помощью квадраторов на тиристовых сопротивлениях (3) или с помощью интегральных аналоговых перемножителей типа 525ПС1, 525ПС2, 525ПСЗ (8,9). В принципе операция определения P(t ) может быть осуществлена и чисто вычислительным путем при наличии ЭВМ (микропроцессора) в результате перемноженил l{t ) на U(t>). Измерение скорости изменения мощности можно осуществить, например, с помощью аналоговых дифференциаторов(10), В соответствии с формулами (1) — (3) для теоретических ваттметрограмм были получены эталонные значения диагностических коэффициентов, которые используются в качестве R заданного в блоке 7 устройства, Были также построены фазовые кривые, соответствующие основным видам неисправностей (по теоретическим ваттметрог1784947 раммэм): фиг. 2 — нормальная работа, фиг. 3 — выход из строя приемного клапана, фиг. 4 — выход-из строя нагнетател ьного клапана, фиг. 5 — обрыв штанг посередине, фиг, 6— обрыв штанг у полированного штока, фиг. 6 — заклинивание плунжера в нижней части, фиг. 7 — заклинивэние плунжера в верхней части. фиг. 8 — заклинивание плун>кера в средней части.

В табл. 1 приведены значения В заданйых диагностических коэффициентов, оп ределенных по теоретическим ваттметрограммам основных видов неисправностей штанговой насосной установки.

Видно, что диагностический признак R позволяет с высокой достоверностью определить техническое состояние штэнговой насосной. установки, Пример конкретного выполнения способа.

На Малореченском месторождении

Томской области с помощью ИПАМ измерялись диагностические ваттметрограммы для штанговых насосных установок некоторых скважин, находящихся в эксплуатации в технически исправном состоянии. Результаты анализа приведены в табл. 2. (На скважинах

52, 228, 223 снято две ваттметрограммы а течение суток), По значению диагностического коэффициента следует вывод о нормальной работе штанговых насосных установок, т,к. для аварийных режимов работы значения диагностических коэффициентов значительно меньше 0,551

Рассмотрим подробно реализацию предлагаемого способа на примере анализа штанговой насосной установки, установ: ленной на скважине 228 (цикл одного качания равен 10 с).

С помощью ИПАМ было получено М=50 дискретных значений мощности Р(11), I=UUI, образующих ваттметрограмму (фиг. 10, кривая 1) (шаг дискретизации ht=0.2 (с), одна условная единица мощности соответствует

16 Вт), Снятая ваттметрограмма по каналам связи была передана нэ мини-3ВМ ЕС1011, на которой осуществлялась вся последующая. органиэация обработки ваттматрограумы в соответствии с предлагаемым способом диагностики штанговой насосной установки. Методом наименьших квадратов осуществлялось сглаживание получейной ваттметрогрэммы. в результате чего получены Рф(1), J=1,M — дискретные отсчеты мощности, образующие сглаженную ваттметрограмму. Для корректности и достоверности проводимой диагностики необходимо, чтобы сравниваемые штанговые насосные установки имели одинаковую сте10

20 пень уравновешивания. На практике уравновешенность штанговой насосной установки определяют с помощью амперклещей, измеряя максимальную силу тока при ходе вверх и ходе вниз и сравнивая эти величины между собой. При различии величин больше чем 10% считают, что установка неуравновешена. Практически уравновешивание сводится к перемещению роторных противовесов на глаз. Однако и это не всегда выполняется в условиях промысла, в связи с этим большая часть действующих штанговых насосных установок на промыслах неуравновешена. Поэтому проще всего выполнить т.н. численное квазиуравновешивэние (2) сглаженной ваттметрограммы

Рф(11) на ЭВМ (микропроцессоре). Численное квазиуравновешивание, реализуемое блоком 3, описывается формулой

W (p ) = w (p ) + wx (p ), (4) где

Wg(p) = — — . sin(p), (5)

Аи где p — угол поворота кривошипа, p5(0.2 л), рад.

AW=W2 — Wi — разность пиков ваттметрогрэммы (максимумов) при ходе штанг

30 вверх и вниз. Вт.

W(p) — кривая мощности (ааттметрограмма) за анализируемый цикл качания штанговой насосной установки. Вт.

W(p) — пересчитанная ваттметрограмма

35 до уравновешенного вида, считая доуравновешивание роторным. Вт, На фиг. 13 представлена схема алгоритма, который реализует вычисление V9(p) Py(ti) для ваттметрограммы, представленной M дискрет40 ными значениями Рф(С1), Рф2),...Рф(Ь), где

M — число отсчетов ваттметрограммы эа цикл качания, Поскольку за цикл качания кривошип совершает поворот на 360 (или

2 л радиан), то точка М соответствует углу

4" р =2л; Тогда шаг изменения p определяется как h=2 л/М (блок СЗ), Для вычисления

ЛИ=И/2-W1 необходимо определить максимумы мощности за первые и вторые полпе50 риода качания (т.к. цикл качания слагается из хода вверх и хода вниз). Поиск W2, W1(в схеме обозначенные KBK Рфвах1, Рфвах2) осу ществляется в блоках А2, АЗ, Одновременно запоминанием номера элементов N1, N2, являющихся максимумами (блок А4). Далее

55 gg/ вычисляется - =Ю2-W1 (в схеме обозначенное как С). В результате квэзиуравноаешивания, проводимого по формуле (4). необходимо осуществить равномерный пе1784947

10 ресчет всех точек ваттметрограммы так, чтобы в результате выравнялись пики мощноСТИ Рфпзах1(Ц1), Рфгпах2(1)2). Г1РИ ЭТОМ

ЫИ вЂ” —, rp =.Тг/2 (увеличение

Wx(p)= амплитуды на

Л W/2)

ЬW —, p = 3 л/2 (уменьшение

2 амплитуды на

ЖИ/2) Т.е., чтобы верно проводилось квазиуравновешивание, необходимо определить номер точки, соответствующей р =л/2. Эта точка в схеме обозначена N (блоки В2, В4):

М2, Рфтах1>Рфп ах2 т

) )1. Рфтах1 Рфп1ах2;

Теперь можно осуществить пересчет по (5). (4), начав с этой точки N. Дискретный аналог (5), (4) принимает вид

А — В

Ру(и))=Рф(и) + sin(x/2 +

+ h (i — N), i=N,N+1„„ Ì. (6) Если точка N совпала с первой дискретной точкой, то в результате выполнения (6) в блоке С1 мы пересчитаем всю ваттметрограмму, если же нет, то оставшиеся точки

i=1,2„.,N — 1 необходимо также пересчитать (блок Е2) по дискретному аналогу (5), (4), который имеет вид

А — В

Py(ti)=Pg(ti)+ sin(л/2+

+ SK h+ h i). (7) На фиг. 10 (кривая 2 и 3) приведены, соот-. ветственно, сглаженная и уравновешенная ваттметрограммы для штанговой насосной установки скважины N". 228.

По формуле численного дифференцирования для равноотстоящих узлов;

Py(t)), = — — (-2 Py(t)-2)Ру(1)-1) Ру(С)+1)+2 Py(tj+2) ). (8) е где Py(tj) — значение скорости изменения мощности, соответствующей уравновешенному станку-качалке штанговой насосной установки, в j-момент времени, Вт/с;

Лт — шаг дискретизации, с;

Ру(т и) — значение мощности. соответствующей уравновешенному станку — качалке в

m-момент времени (m= )-2, j — 1, J+1, J+2) Вт; получаем зависимость скорости изменения

5 мощности, представленную на фиг. 11. На фиг. 12 представлена фазовая кривая ваттметрограммы штанговой насосной установки скважины N. 228. Ваттметрограмма в плоскости (Р,Р) представляет собой замкну10 тую кривую, на которой каждая j-точка (J=1,2,...M) имеет координаты (P(tj). 5(t))), при этом О(t) ) = j 2 л/М, где ф)) — угол наклона к . оси ОР вектора длиной з)п(О (й)))=Ру(1))/

))+13 t));

cos(0(t)))=Py(tj)/ т.е, пронормировать координаты Py(t)) и

Py(tj) каждой дискретной точки ваттметрограммы в плоскости (P,Р), а затем найти средние значения;

30 м

С = —,"„ з) и (g ((t; ) ) =

М) =1

1 м

S = — g cos (б((1) ) ) =

Mj 1

M

М)=1

Py (t) ) + Py(t;

45 которые будут являться координатами сглаженной ваттметрограммы, соответствующей уравновешенному станку-качалке, в фазовой плоскости (С,S), В этой плоскости, БО в овоюонередв, двина о = C+ Б (диагностический коэффициент) вектора, соединяющего точки с координатами (0.0) и (С,S), является мерой, характеризующей состояние штанговой насосной установки. Для

55 скважины ) ) 228 в результате расчета по (1)-(3) для Py(tj), Py(tj) получено R=0,893.

Визуальное сравнение формы фазовой кривой с изображенными на фиг. 2-9, а также значение диагностического коэффициенP (t) ) + P (tj ) . соединяющего точки с координатами (0,0) и (P(tj), P(t))).

Тогда. для ваттметрограммы можно вычислить синус и косинус угла наклона к оси 0Р (4):

1784947

Таблица 1

Состояние штанговой насосной установки

1. Нормальная работа

2. Выход из строя приемного клапана

3. Выход из строя нагнетательного клапана

4. Обрыв штанг посередине

5, Обрыв штанг у полированного штока

6. Заклинивание плунжера в нижней части

7. Заклинивание плунжера в верхней части

8. Заклинивание пл нже а в с едней части

0,551

0.0914

0,0448

0,001624

0,0063

0.0236

0,0339

0.0342

Таблица 2

Скважина

228

223

126 та, позволяют сделать вывод о нормальной работе штанговой насосной установки.

Таким образом, способ, по сравнению с прртотипом, позволяет повысить достоверность .определения состояния "норма"—

"авария", а также и достоверность определения конкретного вида неисправности, так как за счет сглаживания, приведения ваттметрограммы к виду. соответствующему уравновешенному станку-качалке штанговой насосной установки, и измерения скорости изменения мощности установки, соответствующей уравновешенному станку-качалке, возникает воэможность ее сравнения с теоретическими ваттметрограммами, а следовательно,и с фазовыми кривыми теоретических ваттметрограмм. При этом достоверность определения состояния насосной установки по фазовой кривой повысится, так как учет изменения этих параметров проявляется в изменении фазовой кривой ваттметрограммы и в изменении диагностического коэффициента, Формула изобретения

Способ диагностики штанговых насосных установок, заключающийся в том, что

5 через дискретные промежутки времени измеряют мощность установки и определяют диагностическую ваттметрограмму, о т л ич а ю шийся тем, что. е целью повышения достоверности определения технического

10 состояния, сглаживают диагностическую ваттметрограмму, приводят сглаженную ваттметрограмму к виду, соответствующему уравновешенному станку-качалке штанго" вой насосной установки, через те же диск15 ретные промежутки времени измеряют скорость изменения мощности установки, соответствующей уравновешенному станкукачалке штанговой насосной установки, определяют фаэовую кривую ваттметрограм20 мы, определяют значение диагностического коэффициента и сравнивают его с заданным значением, определяют техническое состояние установки.

1784947

L2 4

1784947

P усле6.

3ОО гоо

-1оо

Фиг. 9 усл,е6. с го

-10

"20

-30

Фиг. Н,.

Р— — т усл.ед, с

30 го

-го

-30

-10

1784947

Составитель В.Пилишкин

Редактор Т.Орловская Техред M.Moðãåíòàë Корректор А.Козориз

Заказ 4364 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101