Дипломная (вкр): Удосконалення вузла динамометрування системи контролю параметрів штангових глибинних насосних установок

Для з'ясування характерних рис роботи балансивного станка-качалки розглянемо його спрощену схему (рисунок 1.4). Балансивний кривошипно-шатунний механізм станка-качалки складається з чотирьох ланок. Нерухома ланка механізму - це лінія 001, з'єднуюча вісь балансира з віссю кривошипа; рухливі ланки - кривошип ОА, шатун АВ і балансир ВР.

При обертанні кривошипа точка Л описує коло радіусом r, а точка В з’єднання верхнього кінця шатуна з балансиром, який переміщується по дузі радіусом b, роблячи коливальний рух щодо осі OO1. Відповідно точка С (точка підвісу штанг) переміщується по дузі радіусом а. Швидкість і прискорення цієї точки змінюються у залежності, що приблизно може бути визначена як синусоїдальна. У моменти, коли кривошип проходить горизонтальне положення, точка зчленування шатуна з балансиром, а отже, і протилежна точка балансира (точка підвісу штанг) мають максимальну швидкість. Найбільше прискорення ці точки балансира мають у моменти, коли обертовий кривошип займає вертикальне положення. В міру ж наближення кривошипа до горизонтального положення, прискорення розглянутих точок балансира поступово знижується і стає рівним нулю.

Рисунок 1.4-Кінематична схема станка качалки

Абсолютне значення прискорень ланок механізму станка-качалки визначається частотою обертання кривошипного вала і зростає в міру збільшення числа коливань балансира.

У залежності від значення прискорення і його напрямку на механізм станка-качалки діють додаткові інерційні навантаження, що ускладнюють його роботу. Характер зміни прискорення й інерційних навантажень залежить від напрямку обертання кривошипного вала. Більш сприятливі умови роботи механізму створюються при обертанні кривошипного вала по годинниковій стрілці (свердловина розташована ліворуч від станка-качалки).

В даний час до 65% усіх глибинно-насосних свердловин на вітчизняних нафтових промислах обладнані станками-качалками типу СКЯ (СКН2-615, СКНЗ-1515, ОКН5-3015, СКН10-33.16), що розрізняються між собою вантажопідйомністю і довжиною ходу.

Верстат-качалка здійснює штангами зворотно-поступальний рух, близький до синусоїдального. ВК має гнучку канатну підвіску для з’єднання з верхнім кінцем полірованого штока із поворотною головкою балансира для без ускладненого проходу спуско-підйомних механізмів (талевого блока, крюка, елеватора) при підземному ремонті.

Балансир качається на поперечній осі, закріпленій в підшипниках, з’єднується з двома масивними кривошипами з допомогою двох шатунів, розміщених по обидві сторони редуктора. Кривошипи з рухомими противагами можуть переміщатися відносно осі обертання головного вала редуктора на ту або іншу відстань вздовж кривошипів. Противаги необхідні для врівноваження ВК.

Редуктор с постійним передавальним числом, масло заповнений, герметичний має трансмісійний вал, на одному кінці якого передбачений трансмісійний шків, з’єднаний клинопасовою передачею з малим шківом електродвигуна. На другому кінці трансмісійного валу є гальмівний барабан. Опорний підшипник балансира закріплений на металевій стійці-піраміді.

Всі елементи станка-качалки (піраміда, редуктор, електродвигун кріпляться до єдиної рами, яка закріплюється на бетонному фундаменті. Крім того , всі ВК мають гальмівний пристрій , який необхідний для утримання балансира і кривошипів в любому заданому положенні. Точка з’єднання шатуна з кривошипом може міняти свою відстань відносно центра обертання перестановкою пальця кривошипа в той або іншій отвір, яких для цього передбачено декілька. Цим досягається ступенева зміна амплітуди, коливань балансира (довжини хода штанг). Так як редуктор має постійне передавальне число, то зміна частоти коливань досягається тільки зміною передавального числа клинопасової трансмісії і зміною шківа на валу електродвигуна на більший або менший діаметр.

Промислово випускається велика кількість ВК різних типів і розмірів грузопіднімання на головці балансира від 10 до 200 кН, в відповідності з широким діапазоном глибин і дебітів свердловин, які приходиться обладнувати штанговими установками (ШГН).

Штанговий свердловинний насос складається з довгого (2-4 м) циліндра. На нижньому кінці циліндра закріплений нерухомий всмоктуючий клапан, що відкривається при ході вверх. Циліндр підвішується на трубах. В ньому знаходиться поршень - плунжер, зроблений у вигляді довгої (1 - 1.5 м) гладко обробленої труби, яка має нагнітальний клапан, який також відкривається вверх. Плунжер підвішується на штангах. При рухові плунжера вверх рідина через всмоктуючий клапан під впливом тиску на вході насоса заповнюється внутрішній простір циліндра. При рухові плунжера вниз всмоктуючий клапан закривається, рідина під плунжером стискується відкривається нагнітаючий клапан. Таким чином, плунжер з відкритим клапаном занурюється в рідину. При наступному русі вверх нагнітаючий клапан під тиском рідини закривається. Плунжер перетворюється в поршень і піднімає рідину на висоту, яка дорівнює довжині хода (0,6 - 6 м). Накопичена під плунжером рідина досягає гирла свердловини і через трійник потрапляє в нафтозбірну мережу. Застосування вставних насосів дозволяє значно знизити витрати на спуско - підйомні операції, так як насос спускається на штангах. Одним із факторів, який негативно впливає на надійність насоса, є наявність піску в рідині, яку відкачують.

.2 Аналіз існуючих систем контролю параметрів свердловин, які експлуатуються за допомогою ШГНУ

Якщо до недавнього часу контроль роботи свердловин здійснювався в основному за допомогою переносних діагностичних комплексів, які складаються, як правило, з накладного динамографа і ехолота, то в останній час з'явилася тенденція до масового оснащення свердловин стаціонарними системами телекерування. Сучасні вимоги до автоматизації об'єктів нафтовидобутку зумовлюють доцільність встановлення стаціонарних систем телединамометріювання. Стаціонарна система автоматизації включає в себе давачі технологічних параметрів, станцію управління з контролером і радіомодемом для двосторонньої передачі інформації.

Такі системи можуть працювати автономно, все керування електроприводом насоса (включення, відключення, зміна швидкості коливань) проводиться автоматично контролером або дистанційно з диспетчерського пункту, забезпечуючи виконання таких обов'язкових функцій як:

контроль технологічних параметрів свердловини і насоса;

автоматизація керування електроприводом ШГНУ;

оптимізація режимів експлуатації свердловини;

оперативне виявлення аварійних і ненормальних режимів роботи обладнання;

передача оперативної інформації про стан об'єкта на диспетчерський пункт по телеметричним каналах зв'язку.

За виміряною динамограмою контролер аналізує режим роботи і стан насосного обладнання та розраховує продуктивність свердловини. За даними ваттметрування контролюються струми і напруги по кожній фазі, ведеться технічний облік споживаної електроенергії, оцінюється збалансованість приводу ШГНУ, здійснюється захист від перенапруження і перекосу фаз та інших факторів.

Основним елементом системи автоматизації установки ШГН є давач динамометрування, так як саме він дозволяє отримати інформацію, необхідну для аналізу стану об'єкта та режиму його роботи.

Давачі зусилля можуть встановлюватися в наступних місцях:

. безпосередньо на штоку (накладні давачі);

. на штоку між траверсами;

. на штоку між верхньою траверсою і замками;

. на балансирі .

Всі чотири способи установки давачів зусилля умовно показані на рисунку 1.5.

Вибір місця розташування давача зусилля зумовлено, як правило, бажанням отримати найбільшу чутливість для конкретного типу давача, вимогами до простоти його конструкції і зручністю монтажу.

Рисунок 1.5 - Місця встановлення давачів зусилля на СКН:

-безпосередньо на штоку; 2 - між траверсами;

-між верхньою траверсою і замками; 4 - на балансирі

Встановлені на балансирі давачі зусилля вимірюють деформацію балансира, що дозволяє непрямим чином судити про діюче на полірований шток зусилля.

Однак, давачі зусилля, що встановлюються на балансирі, не забезпечують необхідну точність вимірювання зусилля в штоку через ряд причин: принцип дії таких давачів заснований на вимірюванні деформації згину балансира, який виготовляється з великим запасом міцності (що зменшує чутливість давача), величина деформації балансира СКН залежить не тільки від прикладеного до нього навантаження, але і від температури навколишнього середовища, конструкції СКН, матеріалу самого балансира, а також, для приведення результатів вимірювання до абсолютних одиниць, потрібне проведення калібрування давача безпосередньо на СКН.

Накладні давачі на полірованому штоці вимірюють повздовжню або поперечну деформацію штока і також не можуть дати інформацію по абсолютних значеннях навантаження і тому не використовуються в стаціонарних системах.

Давачі, що розміщуються над верхньою траверсою, сприймають навантаження на шток безпосередньо, і, отже, забезпечують максимальну чутливість визначення зусилля. На рисунку 1.6 показаний чутливий елемент давача зусилля типу «Loadtrol» фірми «Lufkin» (США). Перевагою давача з чутливим елементом у вигляді пустотілого циліндра є, перш за все, простота конструкції. Однак монтаж подібних давачів передбачає практично повне розбирання траверси, що є дуже трудомісткою операцією.

Рисунок 1.6 - Чутливий елемент датчика зусилля типу «Loadtrol»:

-пружний елемент, 2 - поперечні тензорезистори,

-поздовжні тензорезистори

Давачі підсилення, що розміщуються між траверсами СКН. Така

конструкція датчиків має переваги аналогічні попередній: вага штанг діє безпосередньо на чутливий елемент, забезпечуючи чутливість, а також можливість їх градуювання в абсолютних одиницях в процесі виготовлення. Завдяки цьому їм притаманні такі важливі експлуатаційні властивості, як взаємозамінність і простота повірки. До недоліків розміщення давачів між траверсами іноді відносять необхідність розвантаження траверси при монтажі і демонтажі, а також наявність рухомого кабелю між траверсою і підставою верстата-гойдалки. Однак, ці недоліки досить умовні, оскільки не позначаються на технічних характеристиках давача. Більшість цих давачів є різновидами «вилки», один з варіантів якої представлений на Рисунку 1.7. Однак така конструкція не володіє достатньою жорсткістю.

Рисунок 1.7 - Стаціонарний давача зусилля «Микон»

Проведений аналіз показує, що оптимальними місцями розташування стаціонарних давачів підсилення є установка на шток між нижньою та верхньою траверсами, а також між верхньою траверсою і обмежувачем. Саме в цих місцях навантаження буде сприйматися безпосередньо до чутливого елемента, забезпечуючи максимальну чутливість. Однак, як вже зазначалося вище, для установки давача над верхньою траверсою вимагається повне розбирання підвіски штока, що є досить трудомісткою операцією. У зв'язку з цим, найбільш доцільним, слід вважати розміщення давача зусилля на штоку між нижньою та верхньою траверсами СКН. Тензорезистивний давач зусилля системи ДДС-04 (рисунок 1.8) має форму підкови і встановлюється на полірованому штоку між траверсами. Триточкова схема розташування чутливих елементів забезпечує самостійну установку давача зусилля між площинами траверс при не паралельності і шорсткості їх площин. Можна виділити три основних переваги давача ДДС-04:

підковоподібна форма полегшує установку давача;

цифровий інтерфейс RS-485 давача ДДС-04 не схильний перешкодам і не критичний до довжини кабелю;

наявність вбудованого в давач ДДС-04 мікропроцесора дозволяє істотно розширити функціональні та експлуатаційні можливості системи в цілому, знявши частину «роботи» з контролера, станції управління і підвищивши надійність її роботи.

Рисунок 1.8 - Давач зусилля ДДС-04

Для виконання завдань динамометрування і ватметрування, необхідно вимірювати параметри руху точки підвісу насосних штанг, а саме: довжину ходу, частоту і період коливань, моменти проходження штоком нижньої і верхньої мертвих точок. Для вимірювання параметрів руху штока використовуються різні засоби: давачі кута нахилу, маятники з потенціометрами, кінцеві вимикачі, безконтактні давачі положення, які встановлюються на вихідному валі редуктора і лінійні акселерометри. При використанні давачів кута нахилу балансира доводиться вимірювати малі зміни кутів в умовах впливу вібрацій. Тому давачі параметрів руху штока на основі давачів кута нахилу є відносно складним виробом, призначеним для роботи з конкретним типом верстата-качалки і, як наслідок, використовуються вкрай рідко. У багатьох сучасних системах динамометрування переміщення штока визначають шляхом вимірювання прискорення акселерометром з подальшим подвійним інтегруванням його вихідного сигналу, що є дуже зручним рішенням: малогабаритний інтегральний акселерометр може бути поєднаний в одному корпусі з давачем зусилля. Однак на сьогоднішній день практично всі динамографи з давачами переміщення на основі акселерометрів по паспорту мають похибку не менше 5%. На корисний сигнал прискорення накладаються великі шумові складові, викликані вібраціями елементів конструкції. На рисунку 1.9 наводиться графік прискорення точки підвісу штанг, виміряний на ланцюговій установці. Як видно з графіка, величина шумів порівнюється з рівнем корисного сигналу, і навіть перевищує його.

Рисунок 1.9 - Графік прискорення ланцюгової установки без фільтрації і обробки

Очевидно, що характерна для таких давачів похибка не дозволяє забезпечити достовірність одержуваних динамограм і, відповідно, адекватне прийняття рішень за результатами їх аналізу.

В системі динамометрування ДДС-04 використовується давач положення, який встановлюється на редукторі СКН, що працює на ефекті Холла (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 - Давач положення системи ДДС-04

Давач положення кріпиться за допомогою кронштейна на редуктор установки ШГН і спрацьовує при проходженні повз нього двох магнітів. Монтується давач положення таким чином, щоб магніти проходили повз датчика Холла в моменти, коли шток установки ШГН знаходиться в крайніх нижньому і (або) верхньому положеннях.

До теперішнього часу відомий цілий ряд контролерів різних виробників, що використовуються в станціях управління установок ШГН: SAM (Lufkin, США), «Мега» (НПФ «Інтек», Уфа), «Оріон» («Аякс», Ульяновськ), «Телебей» («линт», Казань), станція управління АСУС-02 («Екос», Уфа) та інші.

Використання контролерів забезпечує вирішення таких завдань, як автоматизація роботи верстата-качалки, оптимізація режимів роботи обладнання, оперативне виявлення аварійних ситуацій та невідповідності режимів експлуатації обладнання, передача оперативної інформації про стан об'єкта на пульт оператора по мережі телемеханіки.

Типова станція управління включає в себе контролер, елементи силових пристроїв включення і відключення електродвигуна, радіо модем і набір датчиків технологічних параметрів. Окремі станції управління мають у своєму складі перетворювачі частоти для регулювання швидкості обертання електродвигуна.

Контролер SAM Well Manager фірми Lufkin (рисунок 1.11) передбачає підключення аналогових датчиків зусилля і положення, а також дискретних датчиків положення, розташованих на валу електродвигуна і вихідному валу редуктора. Дані з цих давачів використовуються для контролю і управління роботою насосної установки і для візуального відображення даних на дисплеї контролера або на екрані портативного комп'ютера.

Рисунок 1.11 - Контролер SAM Well Manager фірми Lufkin

Контролер SAM Well Manager по формуючій динамограмі визначає ступінь заповнення стовбура свердловини рідиною. Якщо аналіз покаже, що свердловина знаходиться в стані спустошення, то двигун відключиться і свердловина переводиться в режим очікування. По закінченні періоду очікування блок управління включає двигун і переводить установку в режим відкачки. Програмне забезпечення контролера SAM Well Manager забезпечує виявлення окремих несправностей в насосній установці по динамограмі.

Контролер SAM Well Manager передбачає можливість роботи з двома конфігураціями давачів динамометріювання: