Анализ корреляции между скважинной динамограммой и энергией, потребляемой электродвигателем станка-качалки

Тимофеев А О. Timofeev А О.

аспирант кафедры «Информационно-измерительная техника», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

Ясовеев В. Х. Yasoveev V. Кк.

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Информационно-измерительная техника», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

УДК 621.3.083

анализ корреляции между скважинной динамограммой и энергией, потребляемой электродвигателем станка-качалки

В настоящее время техническая диагностика состояния штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ) играет ведущую роль в автоматизации процесса нефтедобычи. Благодаря развитию диагностики удается снижать затраты на обслуживание и функционирование всего комплекса насосного и наземного оборудования скважины. Принцип диагностики основан на анализе параметров, а именно, на измерении параметров текущего состояния ШСНУ и сравнении их с эталонными значениями. Так, при проведении динамоме-трирования — одного из важнейших методов диагностики погружной части ШСНУ — полученные динамо-граммы сравнивают с эталонными, на основании чего делают вывод о виде и степени неисправности. В абсолютном большинстве существующих систем динамометрирования в качестве первичного преобразователя используется датчик усилия, позволяющий измерить нагрузку, приложенную в точке подвеса штанг. Достоинством данного метода является его информативность: с его помощью можно определить практически все основные характеристики погружного оборудования ШСНУ Однако одним из недостатков данного метода является сложность его реализации — датчик динамометрирования является достаточно сложным и дорогим устройством по сравнению с другими преобразователями, поэтому возникает задача проведения косвенного динамометрирования на основе анализа электрических характеристик. Принцип косвенного динамоме-трирования заключается в измерении значений активной мощности и их пересчете в значения усилия в точке подвеса штанг ШСНУ с учетом влияния неуравновешенности станка-качалки.

В данной статье рассмотрены существующие подходы к анализу мощности, потребляемой электродвигателем станка-качалки, методы определения неуравновешенности станка-качалки, а также взаимосвязь между потребляемой мощностью и силой на штанге. Рассмотрены вопросы учета неуравновешенности станка-качалки в процессе определения потребляемой мощности, а также выявлена корреляция между потребляемой мощностью N(9), усилием на штанге Р2(ф), коэффициентом сбалансированности Dp и коэффициентом 1/Ор обратном коэффициенту сбалансированности. С учетом этого была предложена структура системы косвенного динамометрирования по измеренным значениям мощности, а также описан механизм функционирования данной системы. Представлена предварительная оценка погрешности данной системы, а также проведен анализ энергопотребления микроконтроллера системы и даны рекомендации по оптимальным режимам его работы. Представленная система может применяться как для комплексной диагностики ШСНУ, так и для выявления отдельных неисправностей в её системах.

Ключевые слова: динамометрирование, ваттметрирование, штанговая скважинная насосная установка, неуравновешенность, активная мощность.

an analysis of the correlation between the downhole dynamometer card and the energy consumed by the motor of the pumping unit

At the moment technical diagnostics of the downhole sucker rod pumping units (DSRPU) plays a key role in the automation of the process of oil production. Thanks to the development of diagnostics it is able to reduce the maintenance costs and the functioning of the entire complex of submersible and surface equipment. Diagnostics principle is based on the analysis of options is to measure the parameters of the current state of DSRPU and comparing them

with the reference values. Thus, during dynamometer carding — one of the most important diagnostic methods of submersible DSRPU equipment diagnostics — a dynamometer card is obtained and compared with the reference card, on which we may draw a conclusion about the type and a degree of fault. In the vast majority of existing dynamometer carding systems a force sensor is used as the primary device, which allows to measure the load that applied at the point of suspension rods. The advantage of this method is in its informative value: it can be used to identify virtually all the main characteristics of the submersible DSRPU equipment. However, one disadvantage of this method which is necessary to allocate includes the complexity of its implementation - dynamometer sensor is quite complicated and expensive device compared to other transducers. Therefore, there arises the problem of indirect dynamometer carding which based on an analysis of the electrical characteristics. The principle of indirect dynamometer carding is to measure the active power values and their significance in terms of efforts at the point of suspension rods DSRPU taking into account the effect of unbalance of the pumping unit. This paper discusses existing approaches to the analysis of the power consumed by the motor pumping unit, methods for determining the imbalance of pumping unit, and the relationship between power consumption and power on the rod. The questions of the effect of imbalance of pumping unit in the process of determining the power consumption are considered, as well as the correlation between power consumption N(9), a force on the rod P2(9), the balance ratio Dp and ratio 1/DP the return to a balanced ratio. Given this a structure of a system of indirect dynamometer carding has been proposed which measured values of active power, and the mechanism of functioning of the system is also described. Preliminary estimate of the error of the system is presented, as well as the analysis of energy consumption of the microcontroller unit and recommendations on the optimal mode of its operation are also given. The proposed system can be used for complex diagnostics of DSRPU, and to identify specific faults in its systems.

Key words: dynamometer carding, wattmeter carding, downhole sucker rod pumping unit, unbalance, active power.

Наиболее распространенным и изученным методом диагностики состояния скважинных штанговых насосных установок (СШНУ) является динамометри-рование [1], процесс получения соотношений между силой Р(Б), прикладываемой к полированному штоку СШНУ, и смещением Б от точки подвеса стержня. Будучи одной из форм полученных кривых, динамо-грамма показывает изменения нагрузки Р(Б) в точке подвеса стержня в зависимости от смещения Б во время штангового качания. Природа отклонения дина-мограммы от нормы позволяет определить различные неисправности в работе СШНУ Однако этот способ, как известно, не удобен в эксплуатации: портативные проводные динамометры относительно дороги и ненадежны [2]. Кроме того, метод полностью исключает диагностику наземного оборудования.

Более удобным методом диагностики СШНУ может быть ваттметрирование, то есть процесс получения ваттметрограммы, показывающей соотношение между мощностью М(ф), потребляемой электродвигателем насосной установки (НУ), и углом поворота коленчатого вала. В этом случае нет необходимости в использовании преобразователей механических величин в электрические сигналы, используется датчик мощности переменного тока. Следует, однако, отметить, что динамометрирование в основном используется сегодня для диагностики отказов штанговых насосов, так как расшифровка динамометрических карт лучше изучена, чем у карт ваттметрирования. Изучение симптомов неисправности из карт ваттметрирования является длительным процессом, который требует многочисленных экспериментов.

Таким образом, возникает задача проведения корреляции между энергетическими и динамическими характеристиками СШНУ, а именно между ваттметро-граммой и динамограммой.

В общем виде мощность, потребляемая СШНУ из сети (РЭ), может быть определена из соотношения

.

где РЖ — полезная мощность, расходуемая на подъем скважинной жидкости; АРП — суммарные потери мощности НУ

Использование данного метода расчета полезной мощности на практике затруднено тем, что многие параметры работы погружного оборудования, определяющие суммарные потери мощности, не могут быть измерены, поскольку для них могут быть приведены расчеты лишь с учетом определенных допущений и погрешностей.

Определение полезной мощности, исходя из электрических характеристик электрооборудования СШНУ, осложняется тем, что электрическая нагрузка является непостоянной за период качания, поэтому большинство параметров электродвигателя также изменяются за каждый период.

Существует эмпирическая формула для определения мощности, потребляемой СШНУ, предложенная Б.М. Плющом и В.О. Саркисяном [3]

г. Ю3.„ К. -К.- Я.,, рэ=—+ ——Ж пл

3 г)п 9,81 ' ' 1А>

где К — коэффициент, зависящий от типа и грузоподъемности НУ; К2 — коэффициент, зависящий от режима откачки и диаметра насоса; п — коэффициент полезного действия передачи от вала двигателя к валу кривошипа; FЖ — вес поднимаемой жидкости; — длина хода штока, м; N — количество качаний балансира в секунду.

Данная формула позволяет оценить полную мощность, потребляемую СШНУ, для подъема скважинной жидкости. Недостатком данной формулы является необходимость вычисления коэффициентов пп и К2, которые являются индивидуальными для каждого станка-качалки и могут изменяться со временем.

Известны расчеты по определению зависимости между потребляемой мощностью электродвигателя и силой на штанге [4]. Так, мощность Л^(^), потребляе-

мая электрическим двигателем, обусловлена, в основном, следующими силами: Р^ф) — балансировкой веса груза и Р2(ф) — усилием на штанге. Была установлена зависимость между мощностью Щ/р), потребляемой электродвигателем, и силой Р2(<р), приложенной к штанге:

PÁt) =

A^Reo

x (N{t)-Pí-a-R-eos {M)\ (3) Данное соотношение позволяет определить усилие, создаваемое на штанге скважинной штанговой насосной установки, без вычисления коэффициентов, индивидуальных для каждого станка-качалки. Следует отметить, что в соотношении (3) балансировка веса груза должна быть определена заранее, что не всегда представляется возможным в условиях полевой эксплуатации, поэтому данный вопрос, по мнению авторов, необходимо решать путем вычисления балансировки на основе определения сбалансированности станка-качалки СШНУ

Для вычисления сбалансированности станка-качалки производится сравнение энергий, затрачиваемых при ходе штока вверх и вниз. Энергия соответствует площади под кривой изменения мощности. Коэффициент сбалансированности равен отношению этих энергий, при идеальной сбалансированности коэффициент будет равен единице.

Следует учесть, что реактивная мощность электродвигателя станка-качалки может существенно превосходить активную. Кроме того, реактивная мощность в процессе качания меняется незначительно — не более чем на 2 %, в то время активная мощность варьируется до 75 %. Коэффициент мощности изменяется от 0,06 до 0,27.

Несбалансированность станка-качалки может быть установлена по значениям полной или активной мощности

D =pu~pd г) = h¿zh_ (л\

р Р +Р ' 1 I +1 ' W

D U D

где Dp и D{ — коэффициенты неуравновешенности, которые рассчитываются на основании значений мощности и тока соответственно; Pv и Iv — значения активной мощности и тока при подъеме штанги; PD и I — значения активной мощности и тока при спуске штанги.

На основании вышеизложенного соотношение (3) примет вид

p2

^Rú) (Aj sitia -i/cosa)-/i, sin(a + <p) Для подтверждения теоретических исследований были проведены экспериментальные измерения мощности, потребляемой электродвигателем СШНУ, а также усилия в траверсе канатной подвески.

Данные исследования проводились на скважине № 10958. По измеренным значениям были построены ваттметрограмма и динамограмма за период качания, которые изображены на рисунках 1 и 2.

На рисунках видно, что увеличение потребляемой мощности прямо пропорционально усилию в траверсе канатной подвески станка-качалки. Однако получен-

Рисунок 1. Ваттметрограмма скважины № 10958

а iF

Рисунок 2. Динамограмма скважины № 10958

ная ваттметрограмма за период качания имеет несколько иную тенденцию, чем построенная динамограмма: при свободном ходе станка-качалки потребляемая электроэнергия уменьшается не более, чем на 5-10 %.

Для идентификации структуры математической модели процесса нефтедобычи СШНУ была рассмотрена корреляция следующих факторов: мощность Щ(ф), усилие на штанге Р2(ф), коэффициент сбалансированности Dp и коэффициент 1Юр, обратный коэффициенту сбалансированности.

Было сделано 9 выборок, для которых определены значения факторов. Значения откликов корреляции отражены в таблице 1.

Таблица 1. Значения откликов корреляции

№ выборки N(q>), кВт P№, кН D, % 1/D, 1/%

1 9,0 32,7 29,6 0,03378

2 10,2 32,1 32,3 0,03091

3 10,4 32,4 38,8 0,02574

4 13,0 32,5 43,1 0,02317

5 12,6 32,2 31,0 0,03226

6 13,0 32,4 38,4 0,02604

7 14,2 32,3 33,9 0,02946

8 12,4 32,1 26,5 0,03774

9 11,8 32,4 19,1 0,05236

Таблица 2. Значения коэффициентов корреляции

Щф) P (Ф) DP 1/Dp

N(f) 1,0000 0,9686 0,8783 0,9757

P2 (ф) 0,9686 1,0000 0,8306 0,9289

DP 0,8783 0,8306 1,0000 0,9396

1/DP 0,9757 0,9289 0,9396 1,0000

Как видно из таблицы 2, такие факторы, как мощность Щ(ф), усилие на штанге Р2(ф) и коэффициент сбалансированности Вр, сильно коррелированны между собой. Коэффициенты корреляции составляют 0,9686; 0,8783; 0,9757; 0,9289; 0,9396.

Мощность и усилие на штанге связаны между собой согласно указанной зависимости (3). В связи с

этим можно определить значение Р2(ф), исходя из установления значения Щ(ф).

Для вычисления значений усилия на штанге по действующим значениям мощности авторами предлагается система динамометрирования, изображенная на рисунке 3.

Клавиатура

Датчик тока

Датчик

напряжения

АЦП

Микроконтроллер

Фазометр

Индию

ик =

Z»(О

L '

EL-i О

»=0 Т '

Рисунок 3. Структурная схема системы косвенного

динамометрирования по измеренным значениям активной мощности

Данная система предназначена для построения динамограммы на основе измеренных значений активной мощности. Так, на основе измеренных мгновенных значений напряжения и тока вычисляются действующие значения напряжения и тока следующим образом:

I

где i(t), u(t) — мгновенные значения тока и напряжения, полученные с датчиков тока и напряжения соответственно и оцифрованные.

На основе вычисленных действующих значений тока и напряжения микроконтроллер определяет значение полной мощности по следующей формуле:

где Sk — действующее значение полной мощности.

Вычисление активной мощности Nk из полной Sk производится в микроконтроллере при помощи коэффициента мощности cos(y), а сдвиг фаз у измеряется фазометром. Затем при помощи формулы (4) вычисляют два коэффициента уравновешенности: Dp и D. Коэффициент уравновешенности, который используется в дальнейших расчетах, — среднее геометрическое этих двух коэффициентов и именуется D.

Оценка погрешностей разрабатываемой системы показала, что при использовании первичных преобразователей класса точности 1,0 погрешность всей системы не будет превышать 1,56 % во всем диапазоне измерения.

Была проведена оценка энергопотребления микроконтроллера STM32F407VGT6, используемого в данной системе в зависимости от частоты тактирования. Результаты приведены на рисунке 4. Данный график показывает, что для снижения энергопотребления микроконтроллера на несколько миллиампер требуется установка производительности на уровне 2-3 MIPS.

10 10' ТактоЕая частота, МГц Рисунок 4. Ток потребления микроконтроллера в зависимости от частоты тактирования

Таким образом, в результате проведенных исследований по изучению взаимосвязей между энергетическими и динамическими характеристиками СШНУ (ваттметрограммой и динамограммой) установлено, что мощность и усилие на штанге коррелированны между собой, а коэффициенты корреляции варьируются от 0,83 до 0,98.

Предложена структура системы, позволяющая проводить динамометрирование на основе измерения значений мощности, тока и сдвига фаз. Предварительный анализ погрешности системы показал, что погрешность всей системы не превышает 1,56 % во всем диапазоне измерения.

Проведена оценка энергопотребления микроконтроллера разрабатываемой системы и даны рекомендации по оптимальной загрузке данного микроконтроллера на уровне 2-3 MIPS.

Выводы

Установленные взаимосвязи между усилием на штанге и мощностью, потребляемой электродвигателем станка-качалки, позволяют непосредственно оценить усилие на штанге по результатам измерения активной мощности. Данный подход позволяет проводить косвенное динамометрирование при уменьшении количества измеряемых параметров, тем самым уменьшается количество средств измерения и удешевляется система автоматизации в целом.

Предлагаемая система косвенного динамометрирования измеряет электрические характеристики: ток, напряжение, фазу, что позволяет проводить ваттме-трирование и косвенное динамометрирование с приемлемой точностью.

Список литературы

1. Андреев В.В., Уразаков К.Р., Далимов В.У. Справочник по добыче нефти / Под ред. К.Р. Уразакова.

— М.: Недра-Бизнесцентр, 2000. — 374 с.

2. Тимофеев А.О., Ясовеев В.Х. Автономный датчик усилия системы динамометрирования штанговой скважинной глубинно-насосной установки // Вестник УГАТУ. — 2015. — Т. 19. — № 4 (70).

— С. 34-39.

3. Андриасов Р.С., Мищенко И.Т., Петров А.И. и др. Добыча нефти: справочное руководство по проектированию и эксплуатации нефтяных месторождений / Под общ. ред. Ш.К. Гиматудинова. — М.: Недра, 1983. — 455 с.

4. Guluyev G.A., Pashayev A.B., Pashayev F.G., Rzayev A.G., Sabziev E.N. Building the Dynamometer Card of Sucker Rod Pump Using Power Consumption of the Eclectic Motor of Pumping Unit // Problems of Cybernetics and Informatics: IV International Conference.

— 2012. — Section 4. — P. 19-21.

5. Клаассен К.Б. Основы измерений. Датчики и электронные приборы: пер. с англ. / Е.В. Воронова, А.Л. Ларина. 3-е изд. — Долгопрудный: Интеллект, 2008. — 350 с.

References

1. Andreev V.V., Urazakov K.R., Dalimov V.U. Spravochnik po dobyche nefti / Pod red. K.R. Urazakova.

— M.: Nedra-Biznestsentr, 2000. — 374 s.

2. Timofeev A.O., Yasoveev V.Kh. Avtonomnyi dat-chik usiliya sistemy dinamometrirovaniya shtangovoi skvazhinnoi glubinno-nasosnoi ustanovki // Vestnik UGATU. — 2015. — T. 19. — № 4 (70). — S. 34-39.

3. Andriasov R.S., Mishchenko I.T., Petrov A.I. i dr. Dobycha nefti: spravochnoe rukovodstvo po proektiro-vaniyu i ekspluatatsii neftyanykh mestorozhdenii / Pod obshch. red. Sh.K. Gimatudinova. — M.: Nedra, 1983.

— 455 s.

4. Guluyev G.A., Pashayev A.B., Pashayev F.G., Rzayev A.G., Sabziev E.N. Building the Dynamometer Card of Sucker Rod Pump Using Power Consumption of the Eclectic Motor of Pumping Unit // Problems of Cybernetics and Informatics: IV International Conference.

— 2012. — Section 4. — P. 19-21.

5. Klaassen K.B. Osnovy izmerenii. Datchiki i elek-tronnye pribory: per. s angl. / E.V Voronova, A.L. Larina. 3-e izd. — Dolgoprudnyi: Intellekt, 2008. — 350 s.